Основные биохимические функции ж.в

Живые организмы содержат те же химические элементы, что и неживая природа. Содержание некоторых элементов больше, их называют макроэлементами: углерод, кислород, водород, азот, фосфор, сера и др. Микроэлементы в организме содержатся в малых количествах, но тоже играют важную роль, например, йод.

Вещества, которые встречаются в неживой природе, называются неорганическими. В состав клеток входят вода (до 80%) и минеральные соли.

Органические вещества образуются в живых организмах, хотя могут быть синтезированы в лабораториях. Важнейшими из них являются белки, жиры, углеводы, нуклеиновые кислоты (ДНК, РНК) и витамины. Органические вещества образуют важнейшие структуры клетки и служат источником энергии. Характерной особенностью многих органических веществ является их полимерная структура. Так, крахмал состоит из большого числа молекул глюкозы. Белки в процессе пищеварения распадаются на аминокислоты. А ДНК несет важнейшую функцию – является хранителем наследственной информации, зашифрованной в виде последовательности нуклеотидов. Эта информация проявляется через структуру белков, которые помимо структурной несут еще одну очень важную функцию – являются катализаторами химических процессов, происходящих в клетке. Жиры не растворяются в воде, поэтому жироподобные вещества входят в состав клеточных мембран. Витамины участвуют в регуляции обмена веществ.

По В. И. Вернадскому, живые организмы являются главным фактором миграции химических элементов в биосфере. Эта миграция обусловливается двумя противоположными, но взаимосвязанными процессами: 1) образование живого вещества из элементов неорганической природы за счет солнечной энергии и 2) разрушение органических веществ, сопровождающееся выделением энергии, в результате которого элементы переходят из органических соединений в минеральные.

Миграционная способность различных элементов далеко не одинакова. Однако большая часть химических элементов периодической системы способна активно мигрировать в биосферу. Такие активные мигранты могут быть разделены на две группы: 1) воздушные мигранты, которые в ходе миграции проходят через газообразную фазу (кислород, водород, азот, углерод), и 2) водные мигранты, мигрирующие преимущественно в почвенных грунтовых и поверхностных водах в виде простых или комплексных ионов или молекул. Сюда относится большая часть элементов, в частности Na, Mg, F, S, CI, К, Mn, Fe и др. Биогенная миграция. Взаимодействие между живым веществом и инертной материей Земли происходит в форме массообмена химических элементов между живыми организмами и окружающей средой. Именно процессы массобмена элементов объективно характеризуют геохимическую деятельность организмов. Подобные закономерные процессы миграции химических элементов, осуществляемые не под воздействием геологических факторов, а в результате жизнедеятельности организмов были названы В.И. Вернадским биогеохимическими.

Изучение закономерностей биогенной миграции химических элементов понимание планетарной (геологической) роли жизнедеятельности живых организмов стало возможным благодаря введению понятия «живого вещества». Пока наука XIX в. концентрировала всё внимание на изучении жизнедеятельности отдельных организмов, всё живое представлялось ничтожным по сравнению с могучими силами неживой природы. Считалось, что удел жизни – только приспосабливаться к тем условиям, которые создаются в природе физическими и химическими процессами, которым безоговорочно приписывалось ведущее значение.

Подвижность химических элементов в процессах, где ведущая роль принадлежит биогенной миграции, зависит как от формы нахождения этих элементов, так и от той роли, которую они выполняют в живых организмах. Растительные и животные организмы удерживают в своих тканях миллиарды тонн минеральных веществ. Чем больше биогенное значение химического элемента, тем в большей степени он захватывается живыми организмами и, следовательно, оказывается защищенным от выноса из почв грунтовыми и речными водами.

Подробнее некоторые особенности биогенной миграции, вопросы о геохимической роли живого вещества, общего биологического круговорота элементов и циклов отдельных элементов мы рассмотрим в следующей лекции

13 Биологический, биогеохимический круговороты веществ, геологический цикл. Резервный и обменные фонды. Биогеохимические круговороты азота, углерода и фосфора

Основных круговоротов веществ в природе два: большой (геологический) и малый (биогеохимический).

Большой круговорот веществ в природе (геологический)

обусловлен взаимодействием солнечной энергии с глубинной энергией Земли и осуществляет перераспределение вещества между биосферой и более глубокими горизонтами Земли.
Осадочные горные породы, образованные за счет выветривания магматических пород, в подвижных зонах земной коры вновь погружаются в зону высоких температур и давлений. Там они переплавляются и образуют магму — источник новых магматических пород. После поднятия этих пород на земную поверхность и действия процессов выветривания вновь происходит трансформация их в новые осадочные породы (рис. 6.7). Символом круговорота веществ является спираль, а не круг. Это означает, что новый цикл круго

§ 3. Основных круговоротов веществ в природе два: большой (геологический) и малый (биогеохимический).
Большой круговорот веществ в природе (геологический) обусловлен взаимодействием солнечной энергии с глубинной энергией Земли и осуществляет перераспределение вещества между биосферой и более глубокими горизонтами Земли.
Осадочные горные породы, образованные за счет выветривания магматических пород, в подвижных зонах земной коры вновь погружаются в зону высоких температур и давлений. Там они переплавляются и образуют магму — источник новых магматических пород. После поднятия этих пород на земную поверхность и действия процессов выветривания вновь происходит трансформация их в новые осадочные породы (рис. 6.7). Символом круговорота веществ является спираль, а не круг. Это означает, что новый цикл круго-
Солнечная энергия
Магматические породы
Магматические породы
Выветривание, перенос, отложение, окаменение
Кристаллизация
Осадочные породы
Магма
Метаморфизм
Переплавление
Метаморфические породы
. Энергия радиоактивного распада

Рис. 6.7. Большой круговорот веществ

ворота не повторяет в точности старый, а вносит что-то новое, что со временем приводит к весьма значительным изменениям.
Большой круговорот — это и круговорот воды между сушей и океаном через атмосферу. Влага, испарившаяся с поверхности Мирового океана (на что затрачивается почти половина поступающей к поверхности Земли солнечной энергии), переносится на сушу, где выпадает в виде осадков, которые вновь возвращаются в океан в виде поверхностного и подземного стока. Круговорот воды происходит и по более простой схеме: испарение влаги с поверхности океана — конденсация водяного пара — выпадение осадков на эту же водную поверхность океана.
Подсчитано, что в круговороте воды на Земле ежегодно участвует более 500 тыс. км3 воды.
Круговорот воды в целом играет основную роль в формировании природных условий на нашей планете. С учетом транс-пирации воды растениями и поглощения ее в биогеохимическом цикле, весь запас воды на Земле распадается и восстанавливается за 2 млн лет (см. рис. 6.10).

Малый круговорот веществ в биосфере (биогеохимический)

, в отличие от большого, совершается лишь в пределах биосферы. Сущность его в образовании живого вещества из неорганических соединений в процессе фотосинтеза и в превращении органического вещества при разложении вновь в неорганические соединения.
Этот круговорот для жизни биосферы — главный, и он сам является порождением жизни. Изменяясь, рождаясь и умирая, живое вещество поддерживает жизнь на нашей планете, обеспечивая биогеохимический круговорот веществ.
Главным источником энергии круговорота является солнечная радиация, которая порождает фотосинтез. Эта энергия довольно неравномерно распределяется по поверхности земного шара. Например, на экваторе количество тепла, приходящееся на единицу площади, в три раза больше, чем на архипелаге Шпицберген (80° с.ш). Кроме того, она теряется путем отражения, поглощается почвой, расходуется на транспирацию воды и т. д. (рис. 6.8) а, как мы уже отмечали, на фотосинтез тратится не более 5% от всей энергии, но чаще всего 2—3 %.
В ряде экосистем перенос вещества и энергии осуществляется преимущественно посредством трофических цепей.
Такой круговорот обычно называют биологическим (см. рис. 5.1). Он предполагает замкнутый цикл веществ, многократно используемый трофической цепью. Безусловно, он может иметь место в водных экосистемах, особенно в планк-

Рис. 6,8. Поступление и распределение солнечной энергии в пределах биосферы Земли
170
тоне с его интенсивным метаболизмом, но не в наземных экосистемах, за исключением дождевых тропических лесов, где может быть обеспечена передача питательных веществ «от растения к растению», корни которых на поверхности почвы.
Однако в масштабах всей биосферы такой круговорот невозможен. Здесь действует биогеохимический круговорот, представляющий собой обмен макро- и микроэлементов и простых неорганических веществ (СО,, Н20) с веществом атмосферы, гидросферы и литосферы. Круговорот отдельных веществ В. И. Вернадский назвал биогеохимическими циклами. Суть цикла в следующем: химические элементы, поглощенные организмом, впоследствии его покидают, уходя в абиотическую среду, затем, через какое-то время, снова попадают в живой организм, и т. д. Такие элементы называют биофилъными. Этими циклами и круговоротом в целом обеспечиваются важнейшие функции живого вещества в биосфере. В. И. Вернадский выделяет пять таких функций:
— первая функция — газовая — основные газы атмосферы Земли, азот и кислород, биогенного происхождения, как и все подземные газы — продукт разложения отмершей органики;
— вторая функция — концентрационная — организмы накапливают в своих телах многие химические элементы, среди которых на первом месте стоит углерод, среди металлов — первый кальций, концентраторами кремния являются диатомовые водоросли, йода — водоросли (ламинария), фосфора — скелеты позвоночных животных;
— третья функция — окислительно-восстановительная — организмы, обитающие в водоемах, регулируют кислородный режим и создают условия для растворения или же осаждения ряда металлов (V, Mn, Fe) и неметаллов (S) с переменной валентностью;
— четвертая функция — биохимическая — размножение, рост

и перемещение в пространстве («расползание») живого вещества;
— пятая функция — биогеохимическая деятельность человека — охватывает все разрастающееся количество веществ земной коры, в том числе таких концентраторов углерода, как уголь, нефть, газ и другие, для хозяйственных и бытовых нужд человека.
В биогеохимических круговоротах следует различать две части, или как бы два среза: 1) резервный фонд — это огромная масса движущихся веществ, не связанных с организмами; 2) обменный фонд — значительно меньший, но весьма активный, обусловленный прямым обменом биогенным веществом между организмами и их непосредственным окружением. Если же рассматривать биосферу в целом, то в ней можно выделить: 1) круговорот газообразных веществ с резервным фондом в атмосфере и гидросфере (океан) и 2) осадочный цикл с резервным фондом в земной коре (в геологическом круговороте).
В связи с этим следует отметить лишь один-единственный на Земле процесс, который не тратит, а, наоборот, связывает солнечную энергию и даже накапливает ее — это создание органического вещества в результате фотосинтеза. В связывании и запасании солнечной энергии и заключается основная планетарная функция живого вещества на Земле.

Зеленые растения используют солнечную энергию и синтезируют органическое вещество из диоксида углерода, воды и минеральных элементов почвы. Это вещество накапливается в биосфере, частично консервируется в виде, например, торфа, каменного угля, сланцев, донных отложений океана. Все вещества на нашей планете находятся в процессе биохимического круговорота. Выделяют 2 основных кругооборота: большой (геологический) и малый (биотический).
Большой кругооборот происходит в течение сотен тысяч или миллионов
лет. Он заключается в том, что горные породы подвергаются разрушению, выветриванию, а продукты выветривания, в том числе растворенные в воде питательные вещества сносятся потоками воды в Мировой океан. Здесь они образуют морские напластования и лишь частично возвращаются на сушу вместе с осадками, с извлеченными человеком из воды организмами. Процессы опускания материков и поднятия морского дна, перемещение морей и океанов в течение длительного времени приводят к тому, что эти напластования возвращаются на сушу и процесс повторяется вновь.
Малый кругооборот, являясь частью большого и заключается в том, что питательные вещества почвы, вода, углерод аккумулируются в веществе растений, расходуются на построение тела и жизненных процессов как их самих, так и организмов – консументов. Продукты распада органического вещества попадают в расположение почвенной микрофлоры, вновь разлагаются до минеральных компонентов, доступных растениям и вновь вовлекаются в поток вещества. Кругооборот химических веществ из неорганической среды через растения и животные обратно в неорганическую среду с использованием солнечной энергии или энергии химических реакций называется биогеохимическим циклом. Кругооборот фосфора

Этот элемент входит в состав генов и молекул, переносящих энергию
внутри клеток, в костную ткань. В различных минералах фосфор содержится
в виде ионов PO4 3-. Фосфаты растворимы в воде, но не летучи. Растения поглощают ионы PO4 3- из водного раствора и включают в состав различных органов соединений. По пищевым цепям он переходит от растений к другим организмам. На каждом этапе фосфор может быть выведен из организма в составе мочи. Его круговорот в биосфере является незамкнутым.
Разница с кругооборотом углерода – в кругообороте углерода есть газообразная фаза (СО2), у фосфора – газовой фазы нет.
Фосфаты циркулируют в экосистеме лишь в том случае, если содержащие фосфор отходы жизнедеятельности откладываются в местах поглощения данного элемента. В естественных экосистемах так и происходит. Фосфор
может также поступать с моющими средствами и удобрениями.

Азот входит в состав жизненно важных структур организма – аминокис-
лот белка, а также нуклеиновых кислот.
Кругооборот азота несколько сложен, т.к. он включает газообразную и минеральную фазу.
Основная часть азота находится в воздухе (78%). Однако растения не могут усваивать азот непосредственно, а только в виде ионов NH4+ и NO3+.
Существуют бактерии и сине-зелёные водоросли, способные превращать газообразный азот в ионы. Важнейшую роль среди азотофиксирующих организмов играют бактерии, живущие на клубеньках бобовых растений.
Растения обеспечивают бактерии местообитанием и пищей (сахарами), получая от них взамен доступную форму азота. По пищевым цепям органический азот передаётся от бобовых к другим организмам экосистемы. Органические соединения азота после гибели организмов при помощи бактерий разлагаются до аммиака и нитратов (NO3). Нитраты частично вновь поглощаются растениями, частично восстанавливаются до N2, вновь поступающего в атмосферу.
Круговорот азота в настоящее время подвергается сильному воздействию со стороны человека т. к. широко применяются азотные удобрения. Поэтому, стремясь повышать плодородие за счет применения удобрений, необходимо принимать меры к сохранению равновесия в круговороте азота.

Date: 2015-09-17; view: 1126; Нарушение авторских прав