Понятие живое вещество

Химический состав живого вещества

В.И. Вернадский рассматривал живое вещество как главный фактор миграции химических элементов на поверхности планеты. Он писал, что «все бытие земной коры, по крайней мере 90% по весу массы ее вещества в своих существенных с геохимической точки зрения чертах обусловлено жизнью». Геологическая работа организмов в наибольшей степени сосредоточена в ландшафтах суши и поверхностных слоях моря. Миграция элементов в ландшафте связана и определяется двумя противоположными и взаимосвязанными процессами:

1. образованием живого вещества из элементов окружающей среды,

2. разложением органических веществ с образованием простейших минеральных соединений.

В совокупности эти процессы образуют биологический круговорот элементов, включающий в себя и механическую и физико-химическую миграцию элементов в биогенных ландшафтах.

Образование живого вещества из элементов окружающей среды

Органическое вещество в природе создается в результате деятельности автотрофных растений, которые являются единственной группой организмов, способных синтезировать органическое вещество из минерального. Из двух путей создания органического вещества, основанных на использовании радиационной (фотосинтез) и химической (хемосинтез) энергии для создания планетарной биомассы существенен только первый. Фотосинтезирующие растения суши используют для построения органического вещества диоксид углерода, воду и небольшое, по сравнению с синтезируемой массой, количество минеральных веществ почвы. Необходимый для фотосинтеза диоксид углерода растения получают из атмосферы и, в небольших количествах, из почвы, но этот источник получения углекислого газа не имеет большого значения. Вода для фотосинтеза поступает, в основном, из почвы. На процесс фотосинтеза расходуется некоторое количество поступающей коротковолновой солнечной радиации (ФАР). Создаваемые при фотосинтезе органические соединения обладают большим запасом внутренней энергии.

Исходные вещества фотосинтеза — углекислый газ и вода являются ни окислителями, ни восстановителями. В ходе фотосинтеза возникают сильный окислитель — свободный кислород, и сильный восстановитель — органические соединения.

Основное содержание суммарной реакции фотосинтеза упрощенно выражают в виде уравнения:

6CO2 +6Н2 O + 2818,7 КДж = C6H12 O6 +6O2

Растения состоят не только из углевода, кислорода и водорода, но также из азота, фосфора, калия, кальция и некоторых других элементов, которые они получают из почвенных вод. В природе эти элементы входят в состав растворимых минеральных соединений, содержащихся в почвах. Попадая в растения, они входят в состав сложных, богатых энергией органических соединений (например, азот и сера — в белки, фосфор — в нуклеопротеиды). Этот процесс называется биогенной аккумуляцией минеральных соединений. Благодаря этой аккумуляции элементы переходят в менее подвижное состояние.

Около половины создаваемого при фотосинтезе органического вещества в последствии окисляется до СО2 при дыхании и возвращается в атмосферу. Оставшаяся (за вычетом затрат на дыхание) фитомасса называется чистой первичной продукцией (П). Величина первичной продукции в значительной степени определяется конкретными ландшафтными условиями и прежде всего ведущими абиотическими факторами — теплом и влагой. Но осредненные показатели по континентам, как показывают расчеты очень близки.

Таблица. Продуктивность естественного растительного покрова (по данным Ефимовой Н.А.)

Континенты Продуктивность ц/га Коэффициент использования ФАР (в % от суммы за вегетационный период)
Европа 85 1.26
Азия 98 0.88
Африка 103 0.59
Северная Америка 82 0.94
Южная Америка 209 1.13
Австралия (с островами Океании) 86 0.44
Суша в целом 95 0.86

С учетом продуктивности океанов годовая величина продуктивности для земного шара составляет около 200 млрд. т или 40ц/га. Для синтезирования этого количества органического вещества расходуется около 0,1% от количества солнечной радиации, приходящей к земной поверхности.

Приведенные данные характеризуют то количество первичной продукции, которое может быть использовано гетеротрофными организмами с учетом затрат на дыхание. Эта первичная продукция поступает в трофическую цепочку и потребляется растительноядными животными (фитофагами), на следующем трофическом уровне плотоядными животными — зоофагами. Часть организмов поедает живое органическое вещество, другая часть, в основном микроорганизмы, питается отмирающими частями автотрофных растений. Сравнительно небольшая часть общей продукции органического вещества превращается в минеральное вещество без участия живых организмов. Примером такого превращения являются лесные пожары, в ходе которых органическое вещество превращается в углекислый газ, водяной пар и минеральные соединения. Очень небольшая часть продукции органического вещества сохраняется в верхних слоях литосферы и на дне водоемов в виде угля торфа и других органических соединений.

При переходе от одного трофического уровня к другому отношение биомасс уменьшается на 2-3 порядка. Отношение биомассы организмов к количеству потребленного ими органического вещества иногда называют коэффициентом экологической эффективности (или эффективностью роста). Как правило, этот коэффициент не превосходит 10-20% , но в конкретных ландшафтах его значения сильно колеблются. Например, в злаковых сообществах животные в среднем потребляют 10-15% чистой первичной продукции, в лесах — 4-7%, в пустынях и тундрах — 2-3% . Эффективность роста составляет — в злаковых сообществах и пустынях — 15 %, во всех остальных 10%. В результате получается, что вторичная продукция на суше составляет менее 10% от первичной (за исключением степей и саванн).

Общая биомасса всех организмов суши по расчетам В.А.Ковды (1969) составляет 3х1012 т. Свыше 95% от этой величины приходится на растения и менее 5% — на животных.

Средний химический состав живого вещества

Живые организмы состоят из элементов, образующих газообразные (воздушные мигранты) и растворимые (водные мигранты) соединения. Между составом земной коры и живым веществом нет прямой зависимости. Более 98% живого составляют воздушные мигранты — кислород, углерод, водород, азот, с содержанием кислорода до 70%. Большая часть кислорода (свыше50%) связана с водородом и образует воду. Вода составляет в травах более 85%, крупных млекопитающих- свыше 60%, только споры и семена ее содержат не более 15%. Меньшая часть кислорода и водорода входит в состав белков, жиров, углеводов и других органических соединений.

Из водных мигрантов преобладают наиболее подвижные элементы в следующих соотношениях:кальция больше, чем алюминия и железа, калия больше, чем кремния (в земной коре наоборот). В живом веществе, в целом, мало ядовитых элементов — урана, ртути, селена, хотя они и образуют растворимые соединения. Низки так же содержания циркония, титана, тантала и других малоподвижных элементов.

Кларки концентрации элементов в живом веществе именуются биофильностью элементов. Наибольшей биофильностью обладает С — 7,8 * 104, менее биофильны азот — 160, Н- 70.

Близки по биофильности анионогенные элементы 0 — 1,5, Cl — 1,1. S- 1, P — 0,75, B — 0,83, Br -0,71. Наименее биофильны Fe — 0,002, Al — 0,0006. Такое соотношение биофильности основных элементов говорит о том, что состав живого вещества ближе коррелируется с составом атмосферы и гидросферы, чем литосферы.

Отмечено, что своеобразие климата и геологического строения определяют своеобразие химического состава живого вещества конкретных ландшафтов, их отличие от среднего состава живого вещества Земли. Например, живое вещество солончаков обогащено натрием, хлором, серой, в растениях степей — много кальция и мало алюминия, железа, растения влажных тропиков бедны кальцием и богаты алюминием. Средний химический состав живого вещества ландшафта является важным систематическим признаком ландшафтов.

Характерным химическим составом обладают как отдельные виды животных и растений, так и отдельные организмы Элементарный химический состав является важным систематическим признаком. Так, углерод составляет в ряске малой — 2,5% , в кладонии — 21,8%, в белой мыши — 12,5%, в бабочке-капустнице- 20,5%. Клевер содержит 0,01% натрия, солянки — 1,5-2,0% (данные в % от живой массы). Зола злаков богата окисью кремния, зола бобовых — кальцием, зола картофеля и подсолнечника — калием.

Следовательно, живое вещество, в особенности растительный покров является биогеохимическим барьером, на котором концентрируются воздушные мигранты — углерод, кислород, водород, азот, йод, а если считать накопление на золу, то на биогеохимическом барьере накапливается фосфор, сера, хлор, хром, барий, а в отдельных ландшафтах кальций, магний, натрии, цинк, медь, молибден и другие элементы.

Оставаясь важным диагностическим признаком вида, химический состав различных органов растений может быть неодинаков. Например, отмечено повышенное содержание металлов в листьях и тонких ветвях деревьев, меньше их в корнях и коре, минимальное содержание фиксируется в древесине. Химический состав организмов меняется в зависимости от сезона. Так, содержание кобальта, никеля, меди в листьях деревьев от весны к осени увеличивается в 2-3 раза. Содержание калия и фосфора в золе трав уменьшается от весны к осени. В целом сезонная изменчивость наиболее проявляется в молодых органах и меньше — в старых. Эти закономернсти в содержании элементов в растениях следует учитывать, сопоставляя данные биохимического опробования.

Однако накопление химических элементов в организмах не бесконечно, для него существуетфизиологический барьер поглощения. Он различен для разных растений и для разных химических элементов. Если для радия он достаточно высок, и содержание этого элемента в растениях растет с увеличением его концентрации в почве, то для урана предел низок, организмы быстро насыщаются и перестают поглощать его из почвы.

Растения, прекращающие поглощать избыточный элемент из почвы при росте его содержания в почве, называются барьерными. Их продуктивность, достигнув максимума при наиболее благоприятном количестве элемента, при его избытке не меняется. Безбарьерные растения реагируют на избыточное количество элемента в почве сначала ростом продуктивности, а затем ее сокращением и гибелью.

Нередко высокое содержание элемента в среде приводит к различным изменениям в физиологии и морфологии организмов и со временем закрепляются наследственностью, так появляется расы, вариететы и новые виды организмов: цинковая, литиевая, серпентинитовая, селеновая и прочие флоры, распространенные в зонах развития соответствующих пород (естественный отбор на химической основе).

Таким образом, химический состав некоторых организмов позволяет делать заключение о районе происхождения вида и путях его миграции. Например, виды растений, обогащенные хлористым натрием возникли в бессточных областях, на морских побережьях, с высоким содержанием алюминия — на латеритной коре выветривания.

Биогеохимические параметры отдельных организмов

А.Л. Ковалевский предложил ряд параметров, позволяющих выявить тесноту геохимической связи организма и среды. Основными параметрами являются ОСВР и ОСОР.

ОСВР — относительное содержание химических элементов в видах, растущих в сопоставимых условиях (в одном элементарном ландшафте) характеризует отношение содержания элемента в изучаемом виде растения к его содержанию в эталонном. Выбрав эталонное растение, для каждого элементарного ландшафта можно определить растения концентраторы и деконцентраторы химических элементов. Рубежным считают значение ОСВР равное 2,5. При больших значениях растение является концетратором (интенсивным при ОСВР — более 25, умеренным — при 4,0-25, слабым 2.5 -4,0), при меньших — деконцентратором (интенсивным при ОСВР — меньше 0,004, умеренным — при 0,25-0,04, и слабым 0,4-0,25).

Параметр ОСОР — это отношение содержания элементов в органах растений (содержание элемента в исследуемом органе к содержанию в эталонном). Значения ОСОР могут меняться на два порядка, например ОСОР селена в астрагалах (надземные органы: корни) достигает 30-50, ОСОР молибдена в хвойных деревьях (хвоя: древисина) -3-0,03.

Дефицитные и избыточные элементы. Дефицитными элементами считают элементы, добавление подвижных форм которых увеличивает продукцию живого вещества. Валовое содержание этих элементов может быть достаточным (кислород, азот, фосфор, калий, кальций, магний, медь), но форма нахождения в почвах неблагоприятна для усваивания растениями, что приводит к минеральному голоданию. Перевод этих элементов в доступную форму позволяет устранять это голодание. Избыточными считаются такие элементы, удаление которых увеличивает продукцию (хлор, сера, натрий, медь, никель, железо, фтор).

Характеристики интенсивности процессов биологического поглощения.

Для характеристики интенсивности биологического поглощения элементов принято использоватькоэффициент биологического поглощения Ах

Ах = Лх/Нх,

где Лх содержание элемента Х в золе растений, Нх — содержание элемента Х в горной породе или почве, кларк литосферы (последнее используется чаще).

При Ах больше 1 — элементы накапливаются в растениях (элементы биологического накопления), при Ах меньше 1 — только захватываются (элементы биологического захвата).

При Ах равном 100n-10n — это элементы энергичного накопления, к ним относятся P, S, Cl, Br, I. Элементы с Ах равным 10n — n относятся к элементам с сильным накоплением. Это -Ca, Na, K, Mg, Sr, Zn, B,Se. Такие элементы как Mn, F, Ba, Ni, Cu, Co, Pb, Sn, As, Mo, Hg, Ag, Ra относятся к группе элементов средней интенсивности захвата (Ах равно n-0,1n), а элементы Si, Al,Fe,Ti,Zr, Rb, V, Cr, Li, Nb, Nh, Sc, Be, Cs, Ta, U, W, Sb, Cd — слабого и очень слабого захвата (Ах — 0,0n- 0,00n).

В практике ландшафтно-геохимических исследований используют также коэффициенты, предложенные А.Л.

Ковалевским — РВК и РГК

РВК — растительно- водный корневой коэффициент — отношение содержания химического элемента в золе растений к его содержанию в водном растворе. Его значение колеблется от 102 до 105.

РГК — растительно-газовый некорневой коэффициент, равный отношению содержания химического элемента в золе к его содержанию в воздухе (почвенном или приземном). Его величина колеблется от 104 до 107.

Значения этих коэффициентов свидетельствуют, что наиболее интенсивно элементы поглощаются из газовой фазы, слабее из раствора, еще слабее — из твердой фазы. Главным же источником основных элементов для растений является твердая фаза почв. Только для наиболее растворимых соединений (Cl, SO42-) главным источником служат воды, а для некоторых газообразных соединений (CO2 , NH3) — воздух.

Свойства живого вещества.

Живое вещество, понятие.

Лекция 3.

ЖИВОЕ ВЕЩЕСТВО ПЛАНЕТЫ.

Учение В.И.Вернадского гласит, что живое вещество (совокупность живых организмов) определяет и подчиняет себе всецело другие планетарные процессы. Если его равномерно распределить на поверхности Земли, то живые организмы образуют пленку толщиной 5 мм. Но, тем не менее, их роль велика. Значительное место занимает зеленое живое вещество растений, т.к. оно автотрофно и способно аккумулировать энергию Солнца и преобразовывать ее в энергию химических связей органических соединений.

Живые организмы превращают космическую лучистую энергию в земную химическую и создают бесконечное разнообразие нашего мира. Своим дыханием, питанием, метаболизмом, смертью и разложением, длящимися уже сотни миллионов лет, они порождают грандиозный планетарный процесс – миграцию химических элементов, или их круговорот.

Живое вещество, согласно теории Вернадского – биогеохимический фактор планетарного масштаба, под воздействием которого преобразуется как окружающая абиотическая сфера, так и сами живые организмы. Толщи известняков, угольные месторождения, железные руды – все это проявление деятельности силы жизни.

Живое вещество, несмотря на огромное разнообразие, едино в своей атомной основе. Атомная миграция идет не только между самими организмами, но и из организма в окружающую среду и обратно. Этого бы не было, если бы химический состав организмов не был близок к химическому составу земной коры. А химический состав последнего определяется не только геологическими причинами, но и закономерностями космического характера (например, строение атомов). Поэтому по Вернадскому жизнь – это космический процесс. В организмах преобладают легкие элементы из таблицы Менделеева: H, C, N, O, Na, Mg, P, S, К, Ca и др.

Термин «живое вещество» введен в литературу В. И. Вер­надским. Под ним он понимал совокупность всех живых организ­мов, выраженную через массу, энергию и химический состав.

По Вернадскому, живое вещество состоит из семи разнообразных, но геологически взаимосвязанных частей: живое вещество; биогенное вещество; косное вещество; биокосное вещество; радиоактивное вещество; рассеянные атомы; вещество космического происхождения. В пределах биосферы везде встречается либо живое вещество, либо следы его биогеохимической деятельности. Газы атмосферы (кислород, азот, углекислота), природные воды, равно как и каустобиолиты (нефти, угли), известняки, глины и их метаморфические производные (сланцы, мраморы, граниты и др.) в своей основе созданы живым веществом планеты. Слои земной коры, лишённые в настоящее время живого вещества, но переработанные им в геологическом прошлом, Вернадский относил к области «былых биосфер». Биосфера мозаична по структуре и составу, отражая геохимическую и геофизическую неоднородность лика Земли (океаны, озёра, горы, ущелья, равнины и т.д.) и неравномерность в распределении живого вещества по планете как в прошлые эпохи, так и в наше время. Максимальное содержание живого вещества гидросферы приурочено к мелководьям, минимальное — к глубинным акваториям (абиссаль); на суше эта неравномерность проявляется в мозаике биогеоценотического покрова (леса, болота, степи, пустыни и др.) с минимумом плотности живого вещества в высокогорьях, пустынях и полярных областях.


Вещества неживой природы относятся к косным (например, ми­нералы). В природе, кроме этого, довольно широко представлены био­косные вещества, образование и сложение которых обусловливает­ся живыми и косными составляющими (например, почвы, воды).

Живое вещество – основа биосферы, хотя и составляет крайне незначительную ее часть. Если его выделить в чистом виде и рас­пределить равномерно по поверхности Земли, то это будет слой около 2 см или крайне незначительная доля от объема всей био­сферы, толща которой измеряется десятками километров. В чем же причина столь высокой химической активности и геологической роли живого вещества?

Прежде всего, это связано с тем, что живые организмы, благо­даря биологическим катализаторам (ферментам), совершают, по выражению академика Л. С. Берга, с физико-химической точки зре­ния что-то невероятное. Например, они способны фиксировать в своем теле молекулярный азот атмосферы при обычных для при­родной среды значениях температуры и давления. В промышлен­ных условиях связывание атмосферного азота до аммиака требует температуры порядка 500°С и давления 300-500 атмосфер.

В живых организмах на порядок или несколько порядков увели­чиваются скорости химических реакций в процессе обмена веществ. В. И. Вернадский в связи с этим живое вещество назвал чрезвы­чайно активизированной материей.

Концепция живого вещества. Выявление глобальной роли живого вещества.

При любых трактовках понятия «биосфера» главным ее составляющим остается живое вещество. Основной отличительной особенностью живого существа является не столько его способность размножаться и двигаться, сколько способ использования энергии. Только живые существа могут улавливать энергию Солнца, удерживать ее в виде сложных органических соединений (биомассы), передавать друг другу, трансформировать в механическую, электрическую, тепловую и другие виды. К числу основных функций живого вещества относятся следующие: 1) энергетическая; 2) деструктивная; 3) концентрационная и 4) средообразующая. Суть первой из них состоит в поглощении солнечной энергии при фотосинтезе и передаче энергии по пищевой цепи. Энергия частично рассеивается, а частично накапливается в биогенном веществе. После перехода в ископаемое состояние энергия консервируется в земной коре и служит энергетической базой для геологических процессов, обеспечивает энергетические потребности человечества. Деструктивная функция живого вещества состоит в разложении, минерализации мертвого вещества, в химическом разложении горных пород, вовлечении образовавшихся минералов в биотический круговорот. Специальная группа организмов (редуцентов) деструкторов разлагает мертвое органическое вещество до простых неорганических соединений: углекислого газа, воды, сероводорода, метана, аммиака, которые затем вновь используются в начальном звене круговорота. Концентрационная функция проявляется в избирательном накоплении в ходе жизнедеятельности атомов веществ, рассеянных в природе. При этом наиболее активными концентраторами многих элементов являются организмы. Средообразующая функция живого вещества заключается в преобразовании физикохимических параметров среды (литосферы, гидросферы, атмосферы) в условия, благоприятные для существования организмов. В результате именно средообразующей функции образовался покров осадочных пород, был преобразован газовый состав атмосферы, изменился химический состав вод первичного океана, возник почвенный покров на поверхности суши.

Характеристика природных ресурсов Земли: литосферы, гидросферы и атмосферы.

Литосферой называют твёрдую оболочку Земли, которая включает в себя земную кору и часть верхней мантии. Ресурсная функция – это способность литосферы обеспечивать потребности биоты минеральными органическими и органоминеральными ресурсами. В земной коре находятся минеральные ресурсы, которые человек может использовать в хозяйстве, они называются полезными ископаемыми Полезные ископаемые можно классифицировать по различным признакам. По агрегатному состоянию выделяют твердые (руда, каменный уголь, гранит, алмазы), жидкие (нефть), газообразные (природный газ) полезные ископаемые. По составу и использованию выделяют горючие (нефть, газ, торф), металлические (руда) и неметаллические (кварц, слюда) полезные ископаемые. По способу образования выделают экзогенные (образовавшиеся из осадочных горных пород), эндогенные (образовавшиеся вследствие излившейся на поверхность лавы) и метаморфические (образовавшиеся внутри земной коры из других горных пород). Гидросфера — водная оболочка Земли. Свыше 96% гидросферы составляют моря и океаны; около 2% — подземные воды, около 2% — ледники, 0,02% — воды суши (реки, озера, болота). Водные ресурсы, все воды это и сеть ресурсы гидросферы. Неисчерпаемые. Водные ресурсы едва ли не наиболее яркий пример возобновимых ресурсов, их возобновление происходит в процессе круговорота воды. Однако на этом же примере хорошо видна грань между возобновимыми и невозобновимыми ресурсами: отбор речных вод в объеме сверх местного стока ведет к понижению уровня, обмелению и целому комплексу связанных с этим проблем. Отбор подземных вод в объеме больше подземного стока также ведет к понижению уровня, подтягиванию солоно-натых и соленых вод зоны замедленного водообмена. Загрязнение делает воды непригодными для использования и также истощает водные ресурсы. Загрязнение водных объектов имеет особенности, затрудняющие его контроль. Атмосфера — это газовая оболочка (воздух), окружающая земной шар и связанная с ним силой тяжести. Она представляет собой смесь газов, водяного пара и примесей (аэрозолей). По составу воздух у поверхности земли содержит 78% азота (N2) и около 21% кислорода (О2), т.е. на эти два элемента приходится около 99% объема воздуха. Атмосферный воздух лишь условно можно считать неисчерпаемым природным ресурсом Дело в том, что человеку и большинства живых организмов необходим воздух определенного качества, а под влиянием деятельности человека химический и состав и физические свойства воздуха все ухудшаются.

Дата добавления: 2015-01-01; просмотров: 24; Нарушение авторских прав

Добавить комментарий

Закрыть меню