Биогенная миграция

Биогенная миграция

Биогенная миграция - одна из наиболее сложных форм миграции, обусловленная совокупной жизнедеятельностью живых организмов.

Роль живых организмов в процессах биосферы хорошо характеризует закон биогенной миграции атомов В.И. Вернадского (по А.И. Перельману): «Миграция химических элементов в биосфере осуществляется или при непосредственном участии живого вещества (биогенная миграция), или же она протекает в среде, геохимические особенности которой обусловлены живым веществом, как тем, которое в настоящее время населяет данную систему, так и тем, которое действовало в биосфере в течение геологической истории».

Живое вещество активно влияет на геохимическую среду, дифференциацию, отток и задержание химических элементов через пищевые цепи, метаболиты, постмортальные остатки. Растительные и животные организмы удерживают в своих тканях миллиарды тонн минеральных веществ. чем больше биогенное значение химических элементов, тем лучше они защищены от прямого выноса грунтовыми и речными водами. Поэтому элементы с высокой степенью биогенности (C, Ca, K, S, P, N) обладают меньшей миграционной способностью, чем элементы, не играющие существенной роли в химическом составе живого вещества (Cl, Mg). Химические элементы малой биогенности легко отбрасываются или мало захватываются, выносятся далеко за пределы ареала своего образования, участвуют в процессах соленакопления (карбонаты, бикарбонаты, сульфаты и хлориды натрия и магния).

По Вернадскому, работа живого вещества в биосфере может проявляться в двух основных формах:

а) химической (биохимической) – I род геологической деятельности;

б) механической – II род такой деятельности.

Геологическая деятельность I рода – построение тела организмов и переваривание пищи – конечно, является более значительной. Классическим стало функциональное определение жизни, данное Ф. Энгельсом: «жизнь есть способ существования белковых тел, существенным моментом которого является постоянный обмен веществ с окружающей их внешней природой, причем с прекращением этого обмена веществ прекращается и жизнь».

Сейчас появилась возможность вычислить скорость этого обмена. Так, по данным Л.Н. Тюрюканова, в пшенице, например, полная смена атомов происходит для фосфора за 15 суток, а для кальция – в 10 раз быстрее. По подсчетам биолога П.Б. Гофмана-Кадошникова, в течение жизни человека через его тело проходит 75 т воды, 17 т углеродов, 2,5 т белков, 1,3 т жиров. Между тем по геохимическому эффекту своей физиологической деятельности человек далеко не самый важный вид разнородного живого вещества биосферы. Геохимический эффект физиологической деятельности организмов обратно пропорционален их размерам, и наиболее значимой оказывается деятельность прокариотов – бактерий и цианобактерий.

Большое значение имеет также количество пропускаемого через организм вещества. В этом отношении максимальный геохимический эффект на суше имеют грунтоеды, а в океане – илоеды и фильтраторы. Еще Ч. Дарвин подсчитал, что слой экскрементов, выделяемых дождевыми червями на плодородных почвах Англии, составляет около 5 мм в год. Таким образом, почвенный пласт мощностью в 1 м дождевые черви полностью пропускают через свой кишечник за 200 лет. В океане с дождевыми червями по «пропускной способности» могут конкурировать их близкие родственники, представители того же типа кольчатых червей – полихеты, а также ракообразные. Достаточно 40 экземпляров полихет на 1 м2 , чтобы поверхностный слой донных осадков мощностью в 20 – 30 см ежегодно проходил через их кишечник. Субстрат при этом существенно обогащается кальцием, железом, магнием, калием и фосфором по сравнению с исходными илами.

Копролиты (ископаемые остатки экскрементов) известны в геологических отложениях, однако, большинство их при геологических описаниях не учитывается. Происходит это из-за слабой изученности вопроса и из-за отсутствия диагностических признаков для определения копролитов. Между тем в донных отложениях современных водоемов фекальные комочки беспозвоночных распространены очень широко и нередко являются основной частью осадка. В южной Атлантике, например, илы почти нацело слагаются фекалиями планктонных ракообразных, а по берегам Северного моря донные осадки, образованные фекалиями мидий, имеют мощность до 8 м.

Биогенная миграция атомов II рода – механическая – отчетливо проявляется в наземных экосистемах с хорошо развитым почвенным покровом, позволяющим животным создавать глубокие укрытия (гнездовые камеры термитов, например, расположены на глубине 2 – 4 м от поверхности). Благодаря выбросам землероев, в верхние слои почвы попадают первичные невыветрившиеся минералы, которые, разлагаясь, вовлекаются в биологический круговорот. Недаром известный геолог Г.Ф. Мирчинк (1889 – 1942) называл сурка-тарбагана «лучшим геологом Забайкалья» – его норы окружены «коллекциями» горных пород, добытых с глубины нескольких метров.

Биогенная миграция атомов II рода распространена не только в наземных, но и в морских экосистемах, и здесь ее роль, может быть, еще более значительна. И на дне моря организмы строят себе укрытия, причем не только в мягком, но и в скальном грунте. Олигохеты и полихеты углубляются в грунт на 40 см и более. Двустворчатые моллюски зарываются обычно неглубоко, но некоторые из них – солениды – роют норы, достигающие глубины нескольких метров.

В зоне прибоя и на перемываемом волнами песке сверлильщики осуществляют механическую работу по перемещению химических элементов, источая скальные породы.

К биогенной миграции II рода можно отнести и перемещение самого живого вещества. Сюда относятся сезонные перелеты птиц, перемещения животных в поисках корма, массовые миграции животных. Естественно, что все эти разнообразные формы движения живого вызывают и транспортировку абиогенного вещества.

Одним из главных процессов – миграции атомов при участии живого вещества является биотический круговорот вещества и/или биогеохимические циклы отдельных химических элементов. Термин «биогеохимические циклы » был впервые введен В.И. Вернадским в начале 20 века.

Биогеохимический цикл – круговорот химических элементов (или веществ) из неорганической среды через растительные и животные организмы обратно в неорганическую среду с использованием солнечной энергии или энергии химических реакций.

В биогеохимический круговорот вовлечены все вещества и все химические элементы на планете.

Выдвигают два основных круговорота: большой (геологический) и малый (биотический).

Большой круговорот заключается в том, что горные породы подвергаются разрушению, выветриванию, а продукты выветривания, в том числе и растворенные в воде вещества, сносятся потоками воды в Мировой океан. Здесь они образуют осадки, морские напластования. Крупные медленные геотектонические изменения, опускание материков и поднятие морского дна, перемещение морей и океанов в течение длительного времени приводят к тому, что накопленные на дне морей и океанов вещества снова возвращаются на сушу (литосферу). Он происходит в течение сотен тысяч или миллионов лет.

В основе малого круговорота лежат процессы синтеза и разрушения органических соединений. Малыйкруговорот, являясь частью большого, состоит в том, что питательные вещества аккумулируются в веществе растений, расходуются на построение тканей растений, входят в состав органических веществ, обеспечивают жизнедеятельность самих растений, а также организмов-консументов. Продукты распада веществ (после гибели растений, животных, продукты их жизнедеятельности) попадают в распоряжение почвенной и водной микрофлоры и вновь вовлекаются в поток вещества (и энергии).

Биотический круговорот (БИК) характеризуется емкостью и скоростью круговорота.

Емкость БИК – максимальное количество химических элементов ландшафта, находящихся в составе живого вещества (его общая масса).

Скорость БИК – максимальное количество химических элементов ландшафта в составе живого вещества, образующегося и разлагающегося в единицу времени.

Обязательными параметрами для изучения биогеохимических циклов в природе являются следующие показатели:

1. Биомасса и ее фактический  прирост (фито-, зоо-, микробная масса отдельно).

2. Органический опад (количество, состав).

3. Органическое вещество почвы (гумус, неразложившиеся органические остатки).

4. Элементный вещественный состав  почв, вод, воздуха, осадков, фракций биомассы.

5. Наземные и подземные запасы  биогенной энергии.

6. Прижизненные метаболиты.

7. Число видов, численность, состав.

8. Продолжительность жизни видов, динамика и ритмика жизни популяций и почв.

9. Эколого-метеорологическая обстановка  среды: фон и оценка вмешательства  человека.

10. Охват точками наблюдений  водораздела, склонов, террас, долин  рек, озер.

11. Количество загрязнителей, их  химические, физические, биологические свойства (особенно СО, СО2 , SO2 , Р, NO3 , NH3 , Hg, Pb, Cd, H2 S, углеводороды).

Полный цикл биологического круговорота (по Л. Родину и Н. Базилевич, 1965):

1. Поглощение поверхностью растений  из атмосферы углерода, а корневой  системой из почвы – азот, воду, минеральные вещества, закрепление  их в телах растений, освобождение  и поступление в почву с  отмершими растениями, разложением  опада.

2. Отчуждение частей растений  растительноядными животными, превращение  в их телах в органические  соединения, закрепление части орг. соединений в их телах, поступление  в почву с экскрементами, трупами, разложение.

3. Газообмен между поверхностью  растений и атмосферой, между  корневой системой и почвенным  воздухом.

4. Прижизненные выделения надземными  органами растений и в особенности  корневыми системами части элементов  в почву.

2. Индекс биогеохимического круговорота:

Индекс БГХК = 

где Sб – суммаэлементов (или количество одного элемента) в годовом приросте биомассы;

Sx - сумма этих же элементов (или одного элемента), выносимых водами рек данного бассейна (или части бассейна).

3. Интенсивность (индекс интенсивности кругооборота) (Н. И. Базилевич, Л. Е. Родин,1964) - характеризует разложение опада и длительность сохранения подстилки в условиях данного биогеоценоза:

4. Средняя продолжительность общего цикла синтеза (В. А. Ковда, 1966) - отношение учтенной фитобиомассы к годичному фотосинтетическому приросту фитомассы.

5. Коэффициент биологического поглощения (КБП):

Круговорот углерода

Общая характеристика

Углерод (лат. Carboneum), символ – С - химический элемент IV группы, атомный номер – 6, атомная масса 12С = 12,0000 (по определению), атомная масса смеси природных изотопов – 12,011.

Основная масса углерода биосферы аккумулирована в карбонатных отложениях дна океана (известняки и кораллы): 1,3*1016 т, кристаллических породах - 1,0* 1016 т, каменном угле и нефти - 3,4*1015 т. Именно этот углерод принимает участие в медленном геологическом круговороте. Жизнь на Земле и газовый баланс атмосферы поддерживается количеством углерода, содержащегося в растительных (5*1011 т) и животных (5*109т) тканях.

История

По распространению в Космосе углерод уступает только Н, Не и О. Он присутствует в звездах и межзвездном веществе, в кометах, в атмосфере планет, в метеоритах. Вероятно, при формировании состава протокоры Земли большую роль играли углистые метеориты, содержащие значительное количество углерода. При разогревании вещества протокоры Земли углерод взаимодействовал с водой или водородом в результате чего образовались метан и оксиды углерода. Последние, достигая поверхности Земли, формировали состав ранней атмосферы. Значительно позднее, с появлением свободного кислорода в атмосфере, метан с помощью метанокисляющих микроорганизмов стал превращаться в СО2 . В настоящее время практически единственной формой углерода в атмосфере стал СО2 .

Менее реакционноспособный углерод (типа вещества каменных метеоритов, из которых, вероятно, образовалась мантия Земли) не принимал участия в газообразных соединениях, а поступал на поверхность в составе изверженных пород. Только при выветривании горных пород в окислительных условиях этот углерод также превращается в СО2 .

Оценить запасы углерода в биоте (биомассе живых организмов), атмосфере, гидросфере, почве и других подсистемах (своеобразных «резервуарах» углерода) биосферы можно лишь весьма приближенно. Две основные причины не позволяют сделать такую оценку принципиально более точной:

1) недостаток знаний и наблюдательных  данных;

2) нарастающее антропогенное влияние  на все элементы баланса углерода  в биосфере от прямых выбросов СО2 в атмосферу, до влияния загрязнителей на биохимические процессы субклеточного уровня.

Процессы и механизмы круговорота углерода

СО2 поступает в атмосферу в результате клеточного дыхания и процессов сгорания.

СО2 в атмосфере (23,5*1011 т) или в растворенном состоянии в воде, служит сырьем для фотосинтеза растений и переработки углерода в органическое вещество (углеводы). Эти вещества служат углеводным питанием животным и наземным растениям.