ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 28.03.2024
Просмотров: 170
Скачиваний: 0
СОДЕРЖАНИЕ
химических элементов в земной коре
Особенности распределения химических
2.3. Биологический круговорот химических
2.4. Природные вариации концентраций
химических элементов в организмах
БИОГЕОХИМИЯ ГАЗОВОЙ ОБОЛОЧКИ ЗЕМЛИ
3.1. Биогеохимическая эволюция состава
организмов в массообмене газов
3.2. Геохимия и биогеохимия аэрозолей
3.3. Значение атмосферного массопереноса
водорастворимых форм химических
4.1. Состав Мирового океана — результат
4.3. Трансформация геохимического состава
природных растворов на контакте речных и
5.1. Планетарное значение педосферы
5.2. Органическое вещество педосферы
5.3. Роль почвы в регулировании
углерод-кислородного массообмена
5.4. Биогеохимическая трансформация
минерального вещества педосферы
5.5. Проблема возникновения почв и
эволюция почвообразования в истории
5.6. Распределение рассеянных элементов
биогеохимических циклов тяжелых
ГЛОБАЛЬНЫЕ БИОГЕОХИМИЧЕСКИЕ ЦИКЛЫ
7.2. Влияние живого вещества на
геохимию кислорода и водорода в биосфере
7.5. Общие черты циклов и распределения
В БИОСФЕРУ В РЕЗУЛЬТАТЕ МОБИЛИЗАЦИИ ИЗ ЗЕМНОЙ КОРЫ
8.5. Общие черты циклов и распределения
9.3. Общие черты циклов и распределения
масс тяжелых металлов в биосфере
10.1. Биогеохимическая зональность
10.2. Геохимическая неоднородность
10.3. Элементарный ландшафт (элементарная
хорологическая единица биосферы Мировой
11.1. Биогеохимия арктических ландшафтов
12.1. Биологический круговорот элементов
12.3. Водная миграция элементов в зоне
бореальных и суббореальных лесов
13.1. Биологический круговорот элементов
в аридных растительных сообществах
13.2. Особенности биологического
круговорота в экстрааридных пустынях
13.3. Биогеохимические особенности
13.4. Взаимосвязь биогеохимических
процессов с водной и атмосферной
миграцией элементов в аридных условиях
БИОГЕОХИМИЯ ТРОПИЧЕСКОГО ПОЯСА
14.1. Биологический круговорот химических
элементов в распространенных тропических
14.2. Биогеохимические особенности
15.2. Поступление тяжелых металлов
в экогеосистемы островов из атмосферы
биогеохимических циклов хозяйственной
деятельностью человеческого общества
16.2. Локальные (импактные) антропогенные биогеохимические аномалии тяжелых металлов
Глава 2
ЖИВОЕ ВЕЩЕСТВО
Обоснование В.И.Вернадским представления о живом веществе Земли как о планетарной совокупности всех организмов, характеризуемой массой и химическим составом, открывает возможность для сравнения состава носителя жизни — живого вещества — с составом инертного вещества наружных оболочек Земли: земной коры, гидросферы и атмосферы. Для этого необходимо установить массу живого вещества и его химический состав, т. е. средние значения концентраций (кларки) слагающих его химических элементов. Но значения кларков не исчерпывают характеристики состава живого вещества. Этот состав не статичен и находится в непрерывном обновлении в результате взаимодействия с инертным веществом Земли. Поэтому наряду с определением кларков необходимо выяснить главные черты геохимического взаимодействия: установить селективность и интенсивность захвата живым веществом химических элементов из окружающей среды, количественно определить массообмен отдельных элементов между живым веществом и инертной средой и на этой основе выявить направленность массообмена.
2.1. Состав живого вещества
Уже в конце XVIII в. стало ясно, что в составе живых организмов преобладают химические элементы, образующие на поверхности Земли пары и газы: кислород, углерод, водород, азот. Действительно, все организмы в основном состоят из воды и органического вещества. В то же время в любом организме обязательно присутствует некоторое количество химических элементов, которые при полном разрушении организма (испарении воды и сгорании органического вещества до углекислого газа) образуют минеральный остаток (золу). Исходным источником минеральных веществ является земная кора. Сумма зольных элементов живого вещества есть сложный итог его взаимодействия с земной корой, наиболее активно происходящего в почве (педосфере). Поэтому детальное изучение зольных элементов в организмах имеет столь же важное значение, как и определение главных элементов.
Выявление состава любого организма, а тем более расчет среднего состава всего живого вещества представляет сложную задачу по многим причинам. Прежде всего необходимо учитывать, что содержание основного компонента живых организмов — воды — варьирует в широких пределах. Например, в планктоне более 99
% слабосвязанной воды, а в стволах деревьев — около 60 %. Для того чтобы исключить влияние сильно варьирующих количеств воды и привести данные о содержании химических элементов к выражению, удобному для сравнения, применяется расчет содержания элементов на абсолютно сухое органическое вещество, т. е. высушенное до постоянной массы при температуре 102— 105 °С. В этом случае получаются значения содержания элементов не в реальных живых организмах, а в их условной сухой биомассе.
В обезвоженном, высушенном до постоянной массы органическом веществе углерод составляет немногим менее половины, другими главными компонентами являются кислород, водород и азот. Первичное органическое вещество биоса Земли образуется преимущественно в результате фотосинтеза из углекислого газа и воды, причем молекулы последней расщепляются. Атомы водорода входят в структуру органического вещества, а кислород выделяется как метаболит. Если не только избавиться от воды в организме, но и сжечь сухое органическое вещество, то будут удалены четыре главных элемента и останется сумма так называемых минеральных веществ, входящих в состав организма, — зола. В золе можно более точно выяснить соотношение остальных (несколько десятков) химических элементов, находящихся в органах и тканях живого организма. Знать относительное содержание химических элементов в золе наземных растений необходимо для сопоставления их с концентрацией элементов в минеральном субстрате, на котором они произрастают и из которого получают зольные элементы.
На основании изложенного понятно, что может быть три варианта выражения химического состава любого биологического объекта и глобального живого вещества. Относительное содержание химических элементов можно рассчитать, во-первых, на живое (сырое) вещество организмов, во-вторых, на их сухую биомассу и, в-третьих, на золу, т. е. на сумму минеральных веществ. Каждый из трех вариантов расчета используется для решения конкретных задач.
Определение кларков живого вещества затрудняется сильным колебанием концентрации химических элементов в индивидуальных организмах. Концентрация меняется в зависимости от систематического положения, среды обитания, стадии развития организма. Даже в одном организме концентрация одного и того же элемента в разных тканях и органах неодинакова.
Следует отметить, что массы разных групп организмов отличаются намного больше, чем концентрации элементов в различных организмах. Этот факт весьма важен, так как значение кларка элемента в живом веществе Мировой суши зависит не столько от его концентрации во всех организмах, сколько от концентрации в тех, которые составляют преобладающую часть массы живого вещества.
Благодаря усилиям ученых разных стран установлено, что доминирующую часть массы живого вещества Мировой суши и всей планеты образуют высшие растения. Масса живого вещества океана в несколько сотен раз меньше. Масса наземных животных составляет около 1 % от фитомассы. По этой причине состав растительности суши обусловливает состав всего живого вещества Земли
Учитывая преобладание высших растений, можно считать, что в живой (сырой) биомассе Мировой суши содержится: 60 % воды, 38 % органического вещества, 2 % зольных элементов (Романке-вич Е. А , 1988). При пересчете на абсолютно сухую биомассу органическое вещество составляет 95 %, зольные элементы — 5 %.
Данные о среднем составе органического вещества суши (за исключением 5 % зольных элементов) приведены в табл. 2.1. Результаты исследований указывают, что на соотношение химических элементов сильно влияет преобладание углеводов и лигнина. Предполагается, что в органическом веществе фитомассы континентов углеводы составляют немногим более 60, лигнин — около 30, липиды и белки примерно по 5 %.
Таблица 21
Средний состав органического вещества растительности суши
(после исключения зольных элементов), %
Биомасса и ее главные компоненты | Химический элемент | |||
С | Н | О | N | |
Растения суши* | 54 | 6 | 37 | 2,8 |
Биомасса суши** | 48 | 7 | 41 | 2,0 |
Углеводы | 40 | 7 | 50 | 1,5 |
Лигнин | 62 | 6 | 30 | 1,0 |
Липиды | 70 | 10 | 18 | -0,5 |
Белки | 50 | 7 | 23 | 16,0 |
* По А.П. Виноградову, 1967
** По Е.А. Романкевичу, 1988
В табл. 2.2 обобщены расчеты относительного содержания главных химических элементов в фитомассе суши. Для сравнения приведены аналогичные данные для зоомассы, которые менее обоснованы. Несмотря на некоторые различия, данные X. Боуэна и Е.А. Романкевича о составе фитомассы могут рассматриваться в качестве кларков живого вещества Мировой суши и Земли.
Таблица 22
Относительное содержание химических элементов в живом веществе Мировой суши, %
Химический элемент | Растения | Животные | ||||||
Сырая масса (А П Виноградов, 1954) | Пересчет на сухое вещество | Сухое вещество (X Боуэн, 1966) | Пересчет на золу | Сухое вещество (Е А Романке-вич, 1988) | Пересчет на золу | Сухое вещество (X Боуэн, 1966) | Сухое вещество (Е А Романке-вич, 1988) | |
1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 |
С | 18,00 | 45,00 | 45,40 | _ | 46,30 | — | 46,50 | 51,0 |
О | 70,00 | 45,40 | 41,00 | — | 39,60 | — | 18,60 | 26,8 |
Н | 10,50 | 5,75 | 5,50 | — | 6,70 | — | 7,00 | 7,4 |
N | 0,30 | 0,75 | 0,30 | — | 1,90 | — | 10,00 | 9,8 |
S | 0,05 | 0,13 | 0,34 | 6,8 | 0,48 | 1,2 | 0,50 | 0,5 |
Р | 0,06 | 0,175 | 0,23 | 4,6 | 0,20 | 4,7 | 1,70-4,40 | — |
Са | 0,50 | 1,25 | 1,80 | 36,0 | 1,50 | 35,1 | 0,02-8,5 | — |
К | 0,30 | 0,75 | 1,40 | 28,0 | 1,10 | 25,7 | 0,74 | — |
Mg | 0,04 | 0,10 | 0,32 | 6,4 | 0,32 | 7,5 | 0,10 | — |
Na | 0,02 | 0,05 | 0,12 | 2,4 | 0,12 | 2,8 | 0,40 | — |
Окончание табл. 2.2
1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 |
Cl | 0,02 | 0,05 | 0,20 | 4,0 | 0,20 | 4,7 | 0,28 | — |
Si | 0,20 | 0,50 | 0,50 | 10,0 | 0,30 | 7,0 | 0,012-0,60 | — |
Al | 0,005 | 0,013 | 0,05 | 1,0 | 0,03 | 0,7 | 0,004—0,01 | — |
Fe | 0,10 | 0,025 | 0,014 | 0,4 | 0,02 | 0,5 | 0,016 | — |
Сумма | 99,70 | 99,84 | 99,87 | 99,5 | 98,77 | 99,9 | — | |
Завершая обзор основных черт химического состава живого вещества Земли, необходимо отметить следующее: при всей уникальности живого вещества как феномена нашей планеты существуют факты, свидетельствующие о его связях с Космосом. Это проявляется как в структурной организации (проявления диссим-метрии), так и в составе. При сравнении распространенности атомов химических элементов А.Дельсемм (1981) обнаружил близость соотношения атомов в составе микроорганизмов