Біогеохімічні функції живої речовини
ПОНЯТТЯ ПРО БІОГЕОХІМІЧНІ ФУНКЦІЇ І БІОГЕОХІМІЧНІ ПРИНЦИПИ ЖИВОГО РЕЧОВИНИ
Жива речовина має виключно високу функціональну активність, пов'язану з її здатністю до розмноження, кількісного зростання. Цю властивість В. І. Вернадський назвав «напором життя», виділивши їх у 1928-1931 роках як біогеохімічні функції живої речовини. Біогеохімічні функції живої речовини поширюються всю планету, висловлюючись як геосфер. У планетному масштабі визначають основні хімічні прояви життя і є основними хімічними реакціями живої речовини. За В. І. Вернадським біогеохімічні функції живої речовини в біосфері розвиваються відповідно до 3 біогеохімічних принципів.
1. ^ Біогенна міграція атомів хімічних елементів у біосфері завжди прагне максимального прояву. Життя прагне заповнити в максимальному обсязі будь-який придатний для неї простір. Ми можемо спостерігати це, наприклад, на свіжому насипі, коли його освоюють рослини. Коли сукцесія сягає граничного насичення ценоза, процес сповільнюється, але продовжує у еволюційному плані.
2. ^ Еволюція видів йде у напрямку, що збільшує біогенну міграцію атомів у ній. Цей принцип є важливим для розуміння історії життя, а при перекладі на мову практики він означає збільшення продуктивності рослин і тварин.
3. ^ Протягом усього геологічного часу заселення планети має бути максимально можливим для всієї живої речовини, яка існувала в той чи інший момент. Цей принцип важливий розуміння сучасних проблем біосфери. Жива речовина, що досягла якісно нової вищої форми розвитку -форми людського суспільства, одержала можливість існування на всьому просторі земної поверхні. При цьому стосункилюдського суспільства з біосферою також перейшли у нову форму: біосфера почала перетворюватися на ноосферу.
^ ОСНОВНІ ГРУПИ БІОГЕОХІМІЧНИХ ФУНКЦІЙ ЖИВОГО РЕЧОВИНИ
В. І. Вернадський хімічні прояви живої речовини у біосфері розділив на 5 груп біогеохімічних функцій.
В. І. Вернадський писав, що всі гази, що утворюються в біосфері, тісно пов'язані своїм походженням з живою речовиною, завжди біогенні і змінюються головним чином біогенним шляхом. Тому «атмосфера нашої планети в її переважній частині - є створення її життя, живої речовини, що є виразом її біогеохімічної газової функції, а не астрономічне явище (що залежить в головній своїй частині від всесвітнього тяжіння) за своєю суттю».
Серед газових функцій В. І. Вернадський виділив наступні 7, помітивши, що цей список далеко не повний, але стосується тих функцій, які більш-менш добре вивчені.
1. Киснево-вуглекислотна – створюється переважна маса вільного кисню на планеті. Носіями цієї функції є зелені хлорофільні організми. Виділення кисню йде лише за освітленні зеленої речовини сонячними променями, вночі цей фотохімічний процес припиняється і зміну йому приходить процес утворення вугільної кислоти, яку зелені рослини виділяють при диханні. Саме тому ця функція називається киснево-вуглекислотною.
Вуглекислотна (незалежна від кисневої) – створюється біогенна вугільна кислота внаслідок дихання тварин, життєдіяльності грибів, бактерій. У той самий час ці дві функції є стадіями єдиного біогеохімічного циклу вуглецю (рис. 5).
^ Озонна та перекисводнева – генетично пов'язана з життям, тому що озон і, можливо, перекис водню – продукти життя(через кисень, що йде на утворення озону та перекису). Біогенний кисень, переходячи в озон, захищає життя від згубної дії ультрафіолетового випромінювання.
Азотна – вільний азот тропосфери створюється живою речовиною ґрунту (рис. 6).
Але, можливо, зауважує В. І. Вернадський, не менше значення має біогенна реакція, що йде на поверхні океану, головним чином у планктоні та в саргасових областях. Вважається, що 90% всього природним шляхом азоту, що зв'язується, фіксується живими організмами і лише 10% - за рахунок фотоелектрохімічних процесів.
5. Вуглеводнева – сотні та тисячі біогенних газів – вуглеводнів створюються живою речовиною. Всі запахи біосфери належать до них. У хвойних лісах у сонячні дні кількість вуглеводнів у повітрі сягає кількох відсотків за вагою. Роль цих газів у біосфері надзвичайно велика, але мало вивчена. У невеликих домішках до тропосфери вони зменшують теплове проміння випромінювання нашої планети в космічний простір і охороняють рослини від нічного тепловипромінювання.
^ 7. Сірководнева та сульфідна функції. Окислювально-відновна система сульфати сульфіди відіграє велику роль у всіх ґрунтах, особливо в умовах лужної та нейтральної реакції середовища. У присутності органічної речовини та за нестачі кисню система сульфати ↔ сульфіди за участю мікроорганізмів різко зсувається у бік сульфідів, розвивається процес відновлення сульфатів до сірчистих металів. Ця реакція протікає в інтервалі ОВП від +100 до -100 мВ:
Na2SO4 + 2С → Na2S+2СО2.
Під дією вуглекислоти сірчисті метали розкладаються, утворюючи бікарбонати та карбонати лужних земель та лугів:
Na2S+Н2СО3. → Na2CO + H2S.
Сірководень, що утворюється, йде в атмосферу, розвиваєтьсяпроцес десульфування або десульфації ґрунтового розчину, ґрунтових або глибинних підземних вод, що супроводжується поступовим зникненням сірчанокислих солей та підлужуванням розчину. Процеси десульфування спостерігаються в лугових солончакуватих ґрунтах, хлоридно-сульфатних солончаках, соляних грязях, торф'яних болотах, у донних відкладах застійних водойм, на полях зрошуваного рису при їх тривалому затопленні стоячою водою.
Доступ кисню та зниження рівня ґрунтових вод у період просихання перезволожених ґрунтів викликають зсув окисно-відновної системи у зворотному напрямку. Інтенсивно розвиваються окислювальні процеси, причому як у результаті суто хімічних реакцій, і під впливом мікроорганізмів. В результаті в ґрунтах і ґрунтах утворюються сполуки сірки, що окислюються надалі до сірчаної кислоти та сульфатів. Частина сірки із системи втрачається як сірководню, тому повної оборотності реакції окислення-відновлення немає.
Таким чином, біогенне утворення сірководню є найважливішою ланкою біогеохімічного циклу сірки у біосфері. Перетворення органічної сірки тваринами та бактеріями на кінцевий продукт – сірководень – та відновлення мінеральної сірки бактеріями у процесі десульфофікації на сірководень – дві стадії сірководневої функції живих організмів. За оцінкою Робінсона і Робінсона (Robinson, Robinson, 1968), біогенне утворення сірки у складі сірководню на континентах та в океанах досягає відповідно 68 хЮ12 і 30 хЮ12 г/год.
Концентраційні функції виявляються у здібності живих організмів накопичувати хімічні елементи. Концентрація організмами хімічних елементів для побудови своїх тіл є, за словами В. І. Вернадського, «найяскравіший прояв речового характеру вявищах життя». Саме концентрація створює сукупність живих організмів, тобто. жива речовина. У складі тварин і рослинних тканин знаходиться велика кількість хімічних елементів, що вибірково поглинаються живою речовиною з розсіяного стану. Це призводить до різко вираженої акумуляції хімічних елементів в осадових породах та в гумусових горизонтах ґрунтів. Скупчення в осадових товщах вугілля, лігнітів, горючих сланців, фосфоритів, вапняків почало виявлятися лише тоді, коли життя Землі досягла високого рівня розвитку.
Вся різноманітність концентраційних функцій живої речовини В. І. Вернадський звів до двох великих груп: концентраційні функції І роду і концентраційні функції ІІ роду.
Концентраційні функції I роду - живою речовиною з навколишнього середовища захоплюються ті хімічні елементи, сполуки яких зустрічаються в тілі всіх без винятку живих організмів (Н, С, N, О, Na, Mg, Al, Si, P, S, Cl, K , Ca, Fe всього 14 елементів).
В. І. Вернадський розрізняв дві протилежні біогеохімічні функції цієї групи. У природі вони у відомій кореляції і тісно пов'язані з історією вільного кисню.
а) окислювальна - окислюються бідніші киснем сполуки (у ґрунті, в корі вивітрювання, в гідросфері): солі, закису Fe, Mn, нітрити, дитіонати, H2S, N2 і т.д. Окислювальна функція виконується дуже давніми за походженням організмами – бактеріями, переважно гетеротрофами;
б) відновна - виражена для сульфатів під час переходу в H2S, FeS, FeS2. Виконується специфічними бактеріями та грибами, що зумовлюють розвиток реакцій десульфування, денітрифікації з утворенням сірководню, оксидів азоту, сірчистих металів, метану, водню.
Більшість відомих таможливих окислювально-відновних систем у ґрунтах вивчено недостатньо. Н. Г. Зирін та Д.С. Орлов (1964) перераховують окислювально-відновні системи, які найчастіше зустрічаються у ґрунтах: Fe+3–Fe+2; CO2-CH4; NO3-NО2-NH3; SO4-H2S; PO4-PH3; Mn+2-Mn+3-Mn+4; Cu+-Cu+2; Co+2-Со+3. У багатьох випадках перехід іонів у низьковалентні форми сприяє підвищенню їхньої геохімічної рухливості. Так, двовалентні форми іонів заліза і марганцю значно рухливіші, ніж високовалентні. Низько валентні сполуки азоту та сірки відрізняються летючістю. Однак для урану, ванадію, молібдену, хрому найбільш розчинними та геохімічно рухливими є високовалентні окислені форми. Це призводить до суттєвих відмінностей у ґрунтовій та геохімічній історії елементів, зумовлюючи диференціацію їх у часі та просторі.
Ця група функцій різко відрізняється від інших тим, що центр її дії знаходиться не в зовнішньому середовищі, а всередині організмів і тісно пов'язаний з біохімічними процесами побудови організму і смерті. Саме ці функції найяскравіше характеризують різку відмінність хімічного прояву живої речовини порівняно з відсталою матерією. За В. І. Вернадським, біохімічні функції в межах живої речовини розпадаються на дві:
/ Біохімічна – пов'язана з харчуванням, диханням, розмноженням організмів.
//Біохімічна - пов'язана з постмортальним руйнуванням тіл живих організмів. При цьому відбувається ряд біохімічних перетворень: живе тіло -біокосне - відстале.
^ Біогеохімічні функції людини
Пов'язані з біогенною міграцією атомів, що багаторазово посилюється під впливом діяльності людини, її розуму, створеної ним техніки. В. І. Вернадський зміст цього поняття розкрив у своїй роботі «Хімічнебудова біосфери Землі та її оточення»: •«Біогеохімічні функції людства так само, як і інших багатоклітинних організмів, проявляються, перш за все, в біогенній міграції атомів 2-го роду, але енергія, що створюється цим шляхом, відходить на другий план перед тією біогенною міграцією атомів 3-го роду, про яку зараз йдеться. Відмінність людини у цих проявах її життя на відсталої і живої природі незрівнянно за різноманітністю і глибиною захоплення всіх елементів про те, що ми спостерігаємо інших живих істот. Біогеохімічна функція людини є таким чином новою геологічною силою, яка ніколи не існувала на нашій планеті в такому розмірі».
За розрахунками Ф. Я. Шипунова (1971), на витрату, пов'язану з технікою життя, припадає основна частина сучасної витрати речовини на планеті – приблизно 97%. А це означає, що людина і техніка в принципі здатні змінити всю речовину біосфери, а також речовину Землі. Зростаюча дія людства на біосферу та її оточення У. І. Вернадський розглядав з погляду біогеохімічного ефекту, тобто. як прояви біогенної міграції атомів 2-го та 3-го роду. Розглядаючи з цього погляду діяльність людства в біосфері, Ф. Я. Шипунов виділив ряд найважливіших груп біогеохімічних функцій людини: газові, водні, пилові, нафтові, важко металеві, хлор-вуглеводневі та легко леткі органічні. Антропогенне надходження речовин у біосферу, пов'язане з цими функціями людини, становить від часток відсотка до десятків і навіть сотень і тисяч відсотків від природного їх надходження. Понад те, у біосфері виникли й такі біогеохімічні функції людини, які у природних її умовах виявлялися незначно чи були зовсім. Відмінна риса багатьохБіогеохімічні функції людини - їх чужорідність біосфері, тому з ними пов'язана нециклічність антропогенних речовин, яка проявляється як їх нерозкладність, синергізм, токсичність і, в кінцевому рахунку, придушення природних біогеохімічних функцій живої речовини.