Лекции - Экология

Подождите немного. Документ загружается.

существенно, как и кислорода и углерода, поскольку азот входит в состав

белков. В молекулярной форме азот, в громадном количестве содержащийся

в атмосфере -почти 3/4 общей ее массы, не используется высшими

животными и растениями. Перевод его в форму, пригодную для

использования растениями ,- фиксация, или нитрификация, осуществляется

азотфиксирующими бактериями и водорослями. В результате биологической

фиксации получаются ионы нитратов, нитритов или аммония, усваиваемые

растениями.

Упрощенная схема кругооборота азота в природе

с указанием некоторых важнейших реакций с участием азота.

Основным источником азота является земная атмосфера, где он

содержится в виде Н. Атмосферный азот переходит в связанное состояние

при разряде молний во время грозы и в результате жизнедеятельности

бобовых растений. Соединения азота накапливаются в почве в виде NНз

(илиNH

),NO

,NO

Все они растворимы в воде и могут вымываться из почвы грунтовыми

водами. Эти соединения азота используются растениями в процессе роста

и переходят в организмы животных, поедающих растения. Экскременты

животных, а также мертвые растения и животные под воздействием

некоторых бактерий разлагаются с выделением в атмосферу, чем и

завершается кругооборот азота в природе.

Через цепи питания азот поступает в организмы травоядных и хищных

животных.

Редуценты разлагают азотсодержащие компоненты мертвой органики

до соединений, усваиваемых растениями или восстанавливают их

денитрификацией до молекулярного азота, который вновь поступает в

атмосферу. Некоторая часть соединений азота оседает в глубоководных

отложениях и на миллионы лет исключаются из круговорота. Таким

образом, в превращении атмосферного азота в органический главную роль

играют так называемые низшие формы жизни, которым за это по крайней

мере должны быть благодарны все высшие формы жизни.

Цикл фосфора - пример более простого осадочного цикла с менее совершенной

регуляцией.

Фосфор

Упрощенная схема кругооборота фосфора в природе

Два элемента (азот и фосфор) очень важные факторы в водных

экосистемах, где они ограничивают и контролируют численность

организмов.

Главным резервуаром фосфора (в отличие от азота) служат не

атмосфера, а горные породы прошлых геологических эпох. К растениям

фосфор попадает главным образом в виде фосфатов (рис.3.9). Соединения

фосфора растворимы лишь в кислых растворах и в бескислородных средах и

именно в таком виде пригодны для усвоения растениями. В щелочных

растворах и кислородной среде фосфор связан обычно в нерастворимые

соединения с кальцием, например, в составе апатитов: 3Ca

(PO

)

H Ca(Cl, F)

и фосфоритов Ca

(PO

)

Незначительные количества фосфора возвращаются из воды на сушу

благодаря рыболовству, а также с экскрементами морских птиц (раньше этот

процесс играл солидную роль в цикле фосфора - вспомните залежи гуано на

побережьях Южной Америки!). Однако в целом поток фосфора идет в одном

направлении - из наземных горных пород на дно моря.

Деятельность человека ведет к усиленной потере фосфора на суше, что

делает его круговорот еще менее замкнутым. По данным известного

американского эколога Дж. Хатчинсона, вылов морской рыбы (60000 т

ежегодно в пересчете на элементарный фосфор) не компенсирует смыва и

выключения из круговорота того фосфора, который добывается человеком на

удобрения (1 - 2 млн. т фосфорсодержащих пород в год).

Важность сбалансированного круговорота фосфора резко возрастет в

будущем, т.к. из всех макроэлементов фосфор - один из самых дефицитных

(в доступных резервуарах на поверхности земли). Поэтому во многих

экосистемах Р выступает как лимитирующий (сдерживающий жизнь фактор).

Фосфор заслуживает особо пристального внимания в связи с тем, что

роль его в истории развития жизни на Земле трудно переоценить.

Относительно редкий элемент (9 ×10

-2

% от массы всей земной коры),

фосфор тем не менее лежит в основе уникальной системы снабжения живых

организмов энергией. Для того чтобы на древней Земле затеплилась жизнь,

потребовалась особая форма энергии, поддерживающая эту жизнь, - энергия

фосфатных (или, как их называют иначе, фосфангидридных) связей

РHHОHHР. Простейший представитель таких "энергонесущих", молекул -

пирофосфат:

При гидролизе пирофосфата высвобождается энергия (более

29HкДж/Hмоль), что значительно больше, чем если бы гидролизу подверглась

любая другая молекула, не содержащая связей РHHОHHР.

Для организмов роль главного источника энергии играет другое

соединение, имеющее фосфангидридные связи, - знаменитый АТФ

(аденозинтрифосфат), имеющий две таких связи Многие ферменты (белки -

катализаторы биохимических реакций используют энергию АТФ. С

помощью АТФ клетка движется, вырабатывает теплоту, избавляется от

отходов, синтезирует новые вещества.

Помимо фосфатных групп в состав АТФ входят моносахарид (рибоза)

и пуриновое основание аденин, образующие аденозин. Связь РHHОHHР

концевой фосфатной группы разрывается при гидролизе, в результате чего

образуется аденозиндифосфат (АДФ). Эта реакция сопровождается

выделением 33 кДЖ энергии. Такие же соединения входят в состав

рибонуклеиновых кислот, отвечающих за синтез белков и передачу

наследственной информации.

Таким образом, в известную фразу - "земная жизнь сформировалась на

основе углерода" можно смело добавить - "и фосфора".

пирофосфат

HO2O

HOН

НО ------

Как отмечал еще В.И. Вернадский, существует теснейшая связь между

геохимическими процессами (процессами распределения и превращения

элементов в составе Земли) и жизнедеятельностью обитающих на планете

существ В живые организмы атомы элементов попадают из окружающей

среды и после различных превращений и определенного времени пребывания

в них возвращаются вновь в среду. При таком подходе живые организмы

можно назвать открытыми системами (с точки зрения термодинамики), т.е.

свободно обменивающимися с внешним миром веществом и энергией

Естественно, что в биосфере представлены все элементы

периодической системы, из которых в разных комбинациях и состоит все

окружающее, в том числе и мы сами. Всего лишь 8 элементов: О2, Si, Al, Fe,

Ca, Na, K, Mg составляют по массе 99% земной коры. Причем, 50%

приходится на кислород и 25% на кремний.

Тело человека также более чем наполовину состоит из кислорода

(62,81%). На этом сходство его и биосферы по элементному составу

практически заканчивается, разве что за исключением содержания Ca

(рис.H3.2).

Нахождение того или иного элемента в организме и доля его в

последнем определяются в основном следующими факторами:

- наличием элемента в природе в доступной (чаще всего водо-

растворимой) форме;

- способностью организма поглощать элементы;

- способностью организма удерживать (накапливать) элементы в

своем теле.

Нахождение того или иного элемента в организме и доля его в

последнем определяются в основном следующими факторами:

- наличием элемента в природе в доступной (чаще всего водо-

растворимой) форме;

- способностью организма поглощать элементы;

- способностью организма удерживать (накапливать) элементы в

своем теле.

Особенно жизненно необходимы организмам 22. биогенных элемента,

которые в свою очередь делятся на макроэлементы и микроэлементы.

Собственно "макро" и "микро" - это лишь характеристика их содержания в

организме.

"Макро" - это > 0,001% ; "микро" - 0,001% ¸ 0,000001%.

Суточная потребность человека в макроэлементах составляет более 100

мг, в микроэлементах около 10-15 мг (табл. 3.3).

Представление о роли некоторых элементов для нормального

функционирования человеческого организма можно получить из

таблицыH3.4.

Поскольку без солнечного излучения невозможен процесс фотосинтеза,

ясно, что энергия солнца необходима для круговорота биогенных элементов

в экосистеме и, следовательно, для ее нормального функционирования.

Таблица 3.2

Содержание различных элементов в биосфере и теле человека,%

Элемент Атомный номер Литосфера, атмосфера,

гидросфера

Тело человека

H 1 0,95 9,31

C 6 0,18 19,37

N 7 0,03 5,14

O 8 50,02 62,81

F 9 0,10 0,009

Na 11 2,36 0,26

Mg 12 2,08 0,04

Al 13 7,30 0,001

Si 14 25,80 Следы

P 15 0,11 0,64

S 16 0,11 0,63

Cl 17 0,20 0,18

K 19 2,28 0,22

Ca 20 3,22 1,38

Mn 25 0,08 0,0001

Fe 26 4,18 0,005

Однако на планете есть организмы, которые, создавая необходимые им

в качестве пищи органические вещества, обходятся без солнечной энергии.

Это - хемосинтезирующие бактерии. Сам же процесс "бессолнечного"

синтеза органических веществ, осуществляемый ими, получил название

хемосинтеза (от греч. хемия - химия и синтез - соединение). Его открыл в

1887Hг. русский микробиолог С.Н. Виноградский (1856 - 1953).

. Необходимую энергию хемосинтезирующие микроорганизмы

получают, окисляя неорганические соединения (NH

, H

, FeS

и т.д.) во

внутриклеточных экзотермических реакциях.

Хемосинтезирующие бактерии называют поэтому еще и хемотрофами

(чтобы отличить от гелиотрофов - зеленых растений). Примеры хемотрофов

- серобактерии, играющие одну из центральных ролей в круговороте

серыХемотрофы впервые в истории развития жизни, в условиях первобытной

Земли научились использовать энергию превращения химических

соединений для своих жизненных нужд.

Вероятно, первыми, легкодоступными источниками энергии для

древних анаэробных бактерий-хемотрофов были окислительно-

восстановительные процессы с участием соединений железа и серы. Ныне

живущие хемотрофы используют те же реакции, что и их предшественники

миллионы лет назад. Экзотермический процесс, например, катализируют

бактерии рода Desulfovibrio, получая энергию при восстановлении сульфатов

с помощью водорода:

SO H H H S H O кДж

2 2 2

4 2 4 154



    

В природе этот процесс, называемый также анаэобной

сульфатредукцией, имеет немаловажное значение. Благодаря ему, в толщах

морей и океанов формируются слои, содержащие в высоких концентрациях

сероводород Таблица 3.3

Суточная потребность человека в макро- и микроэлементах,

мг/сут

Пол и

возраст

Ca P Mg Na Fe Zn K I,

мкг

Мужчины

11-14 лет

1200 1200 350 5000 18 15 150

15-18 лет 1200 1200 400 18 1 50

19 и старше 800 800 350 10 15 2-3 150

Женщины

11-18 лет

1200 1200 400 18 15 150

19-50 лет 1200 800 300 5000 18 15 2-3 150

51 и старше 800 800 300 10 15 150

Так, например, в Черном море "сероводородные" воды занимают около

90% объема моря.

Большинство серобактерий (например, род Thiobacillus) окисляют

элементарную серу (равно как и H

S или тиосульфат-ионы

S O

). Роль

окислителя при этом могут выполнять нитрат-ионы:

5 6 2 5 3 4

S NO H O SO N H    

- -



В этом процессе на 1 моль окисляемой серы выделяется 546 кДж

энергии.

Жизнедеятельность подобных хемотрофов может создавать и

серьезные проблемы. Так, в случае с Thiobacillus ferrooxidans, окисляющих

ферросульфид (минерал пирит), в значительных количествах образуется

серная кислота:

4FeS

+ 15O

+ 6H

O  4Fe(OH)SO

+ 4H

Вода, вытекающая из заброшенных железорудных шахт, может иметь

рН ниже 2 и тем самым создавать угрозу кислотного загрязнения водоемов.

Другие важнейшие хемотрофы - нитрификаторы, окисляющие аммиак

в две стадии до азотной кислоты. Первую стадию осуществляют бактерии

рода Nitrozomonas:

2NH

+ 3O

 2HNO

+ 2H

O + 660 кДж.

Роль макро и микроэлементов в функционировании организма

человека

Элеме

нт

Источники

поступления в

организм

Область

функционирования

Признаки

недостаточности

1 2 3 4

Ca Молоко,

молочные

продукты,

рыба,

приготов-

ленная с

костями

Образование костной

ткани, зубов,

регулирование передачи

сигнала по нервам,

мышечное сокращение,

свертывание крови,

образование коллагена

Рахит у детей,

остеомалация и

остеопороз у взрослых

Р Животные

белки

Часть костной ткани,

генетического кода,

участвует в передаче и

функционировании

клеточных мембран,

помогает поддерживать

необходимое Рн

внутренних жидкостей

Практически

неизвестны, не

описаны

К Апельсиновый

сок, бананы, с/

фрукты,

картофель

Обеспечение сердечной

деятельности, водного

баланса и целостности

клеток, необходим для

передачи нервного

сигнала, метаболизма

углеводов и белков

Внезапная смерть при

увеличении нагрузок,

плохая передача

нервных сигналов,

аритмия сердечных

сокращений

Cl Молоко,

соленая пища,

пищевая соль

Переваривание пищи

(HCl), поддерживание

электронейтральности

жидкостей организма

путем диффузии

S Все белки Входит в состав

биологических молекул

и ионов

Na Соленая пища,

пищевая соль

Регулирование

содержания жидкости в

организме, передача

нервного сигнала

Головная боль,

слабость, слабая

память, потеря

аппетита

Mg Орехи, морская

пища, шоколад,

фасоль,

овсянка, гречка

Катализирование синтеза

молекул-переносчиков

энергии, участие в

синтезе белков и

энергетических

процессах расслабления

мышц

Потеря жидкости в

организме, сердечные

спазмы

F Морская пища,

фторированная

вода

Участие в построении

костей, зубов

Разрушение зубов

Cr Печень,

животные и

растительные

ткани

Необходим для

переработки глюкозы

Потеря с возрастом

эффективности

инсулина

Печень,

почки, орехи,

чай

Кофактор ряда

ферментов, полезен при

заболевании эпилепсией

Потеря веса,

дерматоз, появление

конвульсий

Fe Печень, мясо,

зеленые листья

овощей,

цельное зерно

Составная часть белков-

переносчиков О

(Hb и

мHb)

Железодефицит,

анемия, усталость и

апатия

Со Печень,

животные

белки

Составная часть

витамина В

Анемия

Сu Печень, почки,

желток,

цельное зерно

Образование Hb,

составная часть 11

ферментов

Встречается редко

Se Печень и

другие

субпродукты,

зерно, овощи

Составная часть ряда

ферментов,

антиоксидант

Болезнь Кашана-

болезнь сердца,

встречающаяся в ряде

районов Китая

Zn Печень, мясо,

морские

продукты

Входит в состав 154

ферментов

Анемия, замедление

роста

I Морепродукты,

иодированная

пищевая соль

Входит в состав

тироксина, регулирует

скорость использования

энергии

Увеличение

щитовидной железы

Мо Печень, почки,

цельное зерно,

бобовые,

листья овощей

Составная часть многих

ферментов

Неизвестно

Азотистую кислоту окисляет до азотной бактерии рода Nitrobacter:

2HNO

+ O

 2HNO

+ 158 кДж.

Хемотрофы, таким образом, отличаются от гелиотрофов лишь

источниками энергии, которую они используют на построение органических

молекул. Однако эти бактерии так же, как и зеленые растения, фиксируют

СО

(источник углерода) и запасают АТФ.

Жизнедеятельность гелиотрофов и хемотрофов представляет собой

единство процессов, в которых участвуют разнообразнейшие неорганические

и органические вещества, а также происходят превращения различных форм

энергии.

Биогенные элементы, как уже было отмечено, циркулируют в

экосистеме, т.е. совершают биогеохимические циклы. Термин

"биогеохимический цикл" ввел в обиход В.И.HВернадский. Все

биогеохимические циклы взаимосвязаны в природе и в совокупности

формируют устойчивую структуру биосферы в целом. Замкнутость

нормальных биогеохимических циклов неполная - и это очень важное

свойство! Именно оно обусловило биогенное накопление кислорода и азота в

атмосфере Земли, а также различных химических элементов и их соединений

в литосфере.

Вместе с тем следует иметь в виду, что доля вещества, выходящего из

биосферного цикла (длительностью от десятков и сотен до нескольких тысяч

лет) в геологический цикл (длительностью в миллионы лет), в год

относительно невелика. Лишь громадная продолжительность истории

развития биосферы (около 4 млрд. лет) позволила осуществить подобные

биогенные накопления элементов в атмосфере и литосфере. Так, например,

ежегодный сброс углерода из биогеохимического цикла наземных экосистем

в геологический цикл (в отложениях) составляет около 130 т, т.е. всего лишь

примерно 10

-8

% от современных запасов углерода, находящегося в

биосферном обращении. ВHпалеозое за счет неполной обратимости цикла

углерода накопились мощные запасы отложений - известняки, угли, нефть,

битумы и прочее; примерно за 600 млн. лет – 10

-10

Hт.

В каждом биогеохимическом цикле (т.е. для каждого отдельного

элемента) можно выделить два фонда.

1. Резервный - большая масса медленно движущихся веществ,

содержащих данный элемент, в основном в составе абиотического

компонента. Фонд размещен за пределами живых организмов, во внешней

среде.

2. Обменный (подвижный) - меньший фонд, но более активный.

Для него характерен быстрый обмен между организмами и их

непосредственным окружением.

Резервный фонд иногда называют недоступным, а обменный

циркулирующий фонд - доступным, хотя между ними существует

постоянный медленный обмен.

Среди биогеохимических циклов выделяют циклы двух типов:

газообразных и осадочных веществ. Такое деление - проявление склонности

химических элементов образовывать соединения того или иного типа в

условиях Земли. Так, углерод, азот и кислород находятся в циклах

преимущественно в виде летучих соединений, тогда как фосфор, железо и

кальций сосредоточены в не газообразных веществах.

Нарушения в циклах 1 могут быстро устраняться за счет крупных

атмосферных или океанических (либо тех и других) подвижных фондов.

Циклы газообразных веществ с их громадными атмосферными фондами

можно считать в глобальном масштабе "хорошо забуференными", т.к. их

способность возвращаться к исходному состоянию велика.

Самоконтроль циклов типа 2 затруднен, они легче нарушаются в

результате местных пертурбаций, поскольку в этих циклах основная масса

вещества сосредоточена в малоактивном резервном фонде. Явление

"забуференности" здесь не выражено.

Циклы функционируют под действием биологических и геологических

факторов (отсюда и их название). Существование биогеохимических циклов

создает возможность для саморегуляции системы, что придает экосистеме

устойчивость - постоянство процентного состава различных элементов в ней

(гомеостаз).

Механизмы, обеспечивающие восстановление равновесия в

круговороте, возвращение элементов в круговорот, во многих случаях

основаны на биологических процессах. Поэтому человек чаще всего не в

силах поправить положение дел, если по его вине нарушено равновесие в

цикле, и может лишь ждать, уповая, что "время вылечит!"

В связи с хозяйственной деятельность человечества и вовлечением в

биосферный поток техногенный продуктов этой деятельности возникли

проблемы, обусловленные нарушением природных биогеохимических

циклов.

Циклы некоторых элементов (например, азота, серы, фосфора, калия,

тяжелый металлов) превратились в настоящее время в природно-

антропогенные, характеризующиеся значительной не замкнутостью.

Некоторые же соединения и материалы, созданные человеком (например,

многие пластмассы), вообще не способны включаться в природные и

природно-антропогенные циклы, т.к. не перерабатываются в экосистемах,

загрязняя их.

Усилия по охране природы должны быть направлены в конечном счете

на то, чтобы превратить ациклические (незамкнутые) процессы в

циклические. Целью общества в этом направлении должно стать содействие

возвращению веществ в круговорот.

В настоящее время пристальное внимание экологов обращает на себя

поведение в биосфере некоторых второстепенных элементов. Последние

могут примешиваться к основным круговоротам биогенных элементов и

нарушать связи в экосистемах.

Радиоактивный стронций-90 крайне опасен для человека. По своим

химическим свойствам он подобен кальцию и, попав в организм в результате

ядерного взрыва или аварии на АЭС, легко накапливается в костях и

контактирует с кровью.

Другой опасный, канцерогенный продукт деления атомного ядра -

радиоактивный изотоп цезий-137 схож по своим свойствам с биогенным

калием и поэтому также способен быстро включаться в цикл последнего,

циркулируя вместе с ним по пищевым цепям. Это - примеры новых веществ,

которые вовлечены в биосферные циклы, благодаря деятельности человека