Жива речовина

Сукупність живих організмів, виражену в одиницях маси і енергії, В. І. Вернадський назвав живою речовиною. Можна говорити про живій речовині всієї планети, окремих материків, країн, морів, ландшафтів. При такому підході геохімічна діяльність організмів цілком порівнянна з дією інших, добре вивчених в науках про Землю факторів. "Докладаючи нову мірку вивчення життя, абсолютно відмінну від звичайної, ми підходимо до явищ і перспектив досі небаченим", - писав вчений. Поняття про живій речовині - головне в геніальних побудовах В.І.Вернадського. З цим поняттям пов'язане переворот в науках про Землю, створення вчення про біосферу. Науку про вплив життя на геохімічні процеси Вернадський назвав біогеохімією. Перші десятиліття вона розвивалася повільно, зустрічала і заперечення. Одна з причин була пов'язана з винятковою дисперсністю життя, ницістю геологічної ролі окремого організму порівняно з роботою річок, льодовиків, вітру, вулканів, моря і т.д. Здавалося, доля організмів - пристосовуватися до обстановки, що створюється цими могутніми силами природи. Щоб оцінити геологічне значення життя, знадобилося до роботи організмів підійти з іншого міркою, розглянути роботу живої речовини в цілому. Ідеї Вернадського отримали широке поширення тільки в сучасну епоху в зв'язку з гостро встала проблемою забруднення навколишнього середовища. З'ясувалося, що біогеохімія - одна з теоретичних основ вирішення даної проблеми.

За В.І.Вернадським, жива речовина, захоплюючи енергію Сонця, створює хімічні сполуки, при розпаді яких ця енергія звільняється у формі виробляє хімічну роботу. Це і призвело вченого до висновку, що живі організми не другорядні учасники геологічних процесів, лише роблять вплив на загальний хід неорганічних явищ у земній корі, а головний чинник міграції хімічних елементів: "... все буття земної кори, принаймні 90% за вагою маси її речовини, в своїх істотних, з геохімічної точки зору, риси обумовлено життям", - писав він у 1934 р.

Геологічний ефект діяльності окремого організму нескінченно малий, але так як число організмів нескінченно велике і діють вони практично протягом нескінченно великого проміжку часу, то в підсумку виходить величина кінцева і до того ж грандіозна. Перетворюючи енергію сонячних променів в потенційну, а потім і кінетичну енергію геохімічних процесів, організми змінили хімічний склад земної кори. Ця їхня робота найбільшою мірою зосереджена в ландшафтах суші і поверхневих шарах моря.

Геохімічна діяльність живих організмів має, таким чином, наступні аспекти (три аспекти геохімічної діяльності живих організмів. Закон Вернадського):

1. Організми як безпосередні концентратори елементів, в результаті діяльності яких утворюються гірські породи з органоморфною структурою і текстурою: вугілля, коралові вапняки, діатоміти, торф і ін

2. Жива речовина як фактор, що визначає фізико - хімічні умови міграції елементів в даній біокосній системі - грунти, ландшафти, водоносні горизонти і т.д. (відновлювальне середовище в місцях гниття органічних речовин, різко окислювальна в зоні фотосинтезу водних рослин і т.д.).

3. Сумарний ефект діяльності живої речовини за геологічну історію. Організми виступають в якості найважливішого чинника міграції елементів, що визначає всю геохімію земної кори - формування кисневої атмосфери, утворення вапняків, гранітів та інших гірських порід.

Перший аспект зізнавався завжди, роль другого часто недооцінювалася, а третій був встановлений тільки дослідженнями В.І.Вернадського. Саме він показав, що міграція хімічних елементів у біосфері здійснюється або за безпосередньої участі живої речовини (біогенна міграція), або ж вона протікає в середовищі, геохімічні особливості якого (О₂, СО₂ , Н₂S і т .д.) зумовлені живою речовиною - як тим, що в даний час населяє дану біокосну систему, так і тим, яке діяло в біосфері протягом геологічної історії. Це положення було запропоновано іменувати законом Вернадського.

В.І.Вернадський розглядав живу речовину, як високофункціональну активну складову біосфери. Розмноження, кількісний ріст - це властивість живої речовини. Це - ,,натиск життя “. Це біогеохімічні функції живої речовини. Біогеохімічні функції живої речовини розвиваються відповідно трьом біохімічним принципам:

- біогенна міграція атомів хімічних елементів в біосфері завжди направлена до максимального проявлення. Сукцесія - послідовне заселення територій новими видами рослин, тварин, мікроорганізмів, це послідовна зміна біоценозів та інше;

- еволюція видів іде в напрямку збільшення біогенної міграції атомів. Це збільшення продуктивності рослин та тварин;

- на протязі всього геологічного часу заселення планети повинно бути максимально можливим для всієї живої речовини, яка існувала в той чи інший період часу.

Академік А.І.Перельман запропонував називати кларк концентрації хімічних елементів в живих організмах біофільністю.

Щоб підрахувати біофільність хімічного елемента необхідно знати кларк концентрації цього елемента в живій речовині і поділити на його кларк в земній корі.

БФ=ККж/К

де БФ - біофільність хімічного елемента, Ккж - кларк концентрації живої речовини, К - кларк хімічного елемента в земній корі.

Групи біогеохімічних функцій живої речовини

Це важливо для розуміння розселення людини на планеті та ролі людини в системі біосфера - людина.В.І. Вернадський виділив п’ять основних груп біогеохімічних функцій живої речовини:

1. Група газових функцій.

В. І. Вернадський писав: «атмосфера нашої планети в її основній по вазі частині - є творіння її життя, живої речовини, яка є виразом її біогеохімічної функції (газової), а не астрономічне явище (яке залежить в головній своїй частині від всесвітнього тяжіння) по суті.»

Серед газових функцій В. І. Вернадський виділив наступні сім:

а) киснево - вуглекисла функція. Утворюється основна маса вільного кисню на планеті. (згадаємо хлорофіл, виділення кисню вдень, виділення вуглекислого газу вночі );

б) вуглекислотна ( незалежна від кисневої ) функція. Це дихання тварин, життєдіяльність грибів та бактерій. Ця функція входить до біогеохімічного циклу вуглецю;

в) озонна та перекисьводнева функція. Це продукти життя ( через функцію кисню);

г) азотна функція. Вільний азот утворюється живою речовиною грунту. 90% зв’язаного азоту фіксується живими організмами, 10% азоту виділяється за рахунок фотоелектрохімічних процесів;

д) вуглеводнева функція утворюється живою речовиною. Це всі аромати біосфери ( запахи хвойного лісу, запахи степів, запахи моря);

е) водна функція. Це біогенний кругообіг води. Вода - біогенна функція. Ця функція проявляється через рослинний покрив, грунтові води, через транспірацію води. Явно виражена водна біогеохімічна функція в тропічних лісах та в лісах взагалі. Винищення лісів веде до зміни біогеохімічної функції води та до зміни кругообігу води в біосфері;

ж) сірко – воднева та сульфідна функція. Ця функція характерна для окислювально - відновлювальної системи сульфати - сульфіди.

2) Група концентраційних функцій.

Це функції накопичення хімічних елементів живими організмами. В.І. Вернадський ввів дві великі групи концентраційних функцій живої речовини.

а) концентраційні функції першого роду. Жива речовина захоплює з навколишнього середовища ті хімічні елементи, сполуки яких зустрічаються в тілі всіх без винятку живих організмів (H, C, N, O, Na, Mg, Al, Is, P, S, Cl, K, Ca, Fe, всього 14 хімічних елемента);

Б) концентраційна функція другого роду. Ця функція спостерігається при концентрації деяких хімічних елементів, які не зустрічаються в інших живих організмах. Наприклад, водорості - ламінарії накопичують йод до 1% (в мільйон разів більша концентрація йоду ніж в навколишньому середовищі).

Залежно від цієї функції, організми, які вибірково накопичують один або декілька хімічних елементів називаються організмами - концентраторами.

В. І. Вернадський виділив три групи організмів - концентраторів:

1) організми звичайні - при концентраціях хімічних елементів в межах n* 10^{- 1} - n* 10^{- 2} та менших;

2) організми, які багаті на хімічні елементи - при збільшені більш ніж на 10% вагового середнього вмісту даного елементу в організмі порівняно з середнім вмістом його в навколишньому середовищі;

3) організми - концентратори, які при концентрації хімічного елемента в кількості, яка складаєбільше 10% його ваги або атомного складу.

Серед рослин розрізняють наступні організми – концентратори: воднево – кисневі; вуглеводні; магнієво – алюмінієві; кремнієво - фосфорні; сірчано – кальцієві; залізисті.

Відомі концентратори важких металів - лишайники і мох. Картопля та соняшники накопичують калій. Бобові культури (горох, квасоля, боби) накопичують кальцій. Злакові культури (пшениця, ячмінь, овес, жито) накопичують кремній. Чай накопичує алюміній. Голофіти (на солонцях) накопичують натрій та хлор. Мох накопичує залізо. Водорості накопичують йод.

Серед тваринного світу виділяються такі організми - концентратори: молюски, корали, форамініфера накопичують кальцій; губки, діатомові водорості, радіолярії накопичують кремній; раки та павуки накопичують мідь.

Серед бактерій виділяються:

- сірко – бактерії, які накопичують сірку з концентрацією в сотні разів більшою ніж в навколишньому середовищі;

- залізобактерії накопичують залізо з концентрацією на багато більшою ніж в навколишньому середовищі.

3) Група окисно – відновлювальних функцій.

В. І. Вернадський ввів дві протилежні біогеохімічні функції цієї групи. В природі ці функції корелюють і тісно пов’язані з історією вільного кисню.

а) окислювальна функція. Окислюються бідні на кисень сполуки ( в грунті, в корі вивітрювання, в гідросфері ):солі, закисі Fe, Mn, H2S, N, нітрити та інші . Виконують цю функцію бактерії – гетеротрофи;

б) відновлювальна функція характерна для сульфатів, при переході їх в FeS, FeS₂, H₂S. Виконавці відновлювальної функції – бактерії та гриби, реакції десульфірування, денітрофікації із створенням H₂S, окислів N, сірчистих металів, метану, водню.

4) Група біохімічних функцій.

Ця група функцій відрізняється від решти функцій тим, що біохімічні процеси проходять в середині мікроорганізмів, живої речовини і звязані з будівництвом організму та з його смертю В. І. Вернадський виявив дві форми біохімічної функції:

а) біохімічна - зв’язана з харчуванням, диханням, розмноженням;

б) біохімічна - зв’язана з постмортальним розкладом тіл живих організмів. При цьому виконується ряд перетворень: живе тіло - біокосне - косне.

5) Група біогеохімічних функцій людини.

Ця група функцій зв’язана з біогенною міграцією атомів, багаторазово підсиленою під дією людини, її розуму та створеною нею технікою.

По розрахункам Ф. Я. Шикунова, на витрати, зв’язані з технікою життя, приходиться основна частина сучасних витрат речовини на планеті - близько 97%. Він виділив ряд груп біогеохімічних функцій людини, це: газові, водні, пилові, нафтові, важкометалеві; хлор – вуглеводні, легколетучі органічні.

Антропогенний доступ речовин в біосферу, який пов’язаний з названими функціями людини, складає від частки % до тисяч % від природного їх надходження.

Органічні сполуки

Органічні сполуки - це основна найбільш впливова складова грунту. Щорічно в грунт поступає величезна кількість органічної речовини. В грунті вона перетворюється і трансформується в специфічну сполуку - гумус. Процес утворення іде по шляху відбору сполук, найбільш стійких до розкладу в даних гідротермічних умовах. Відомі головні джерела органічних сполук:

- відмираючі тіла або частини тіл організмів - рослинних та тваринних, які мешкають на цих чи інших територіях;

- прижиттєві виділення тварин, які мешкають на цій території;

- органічні добрива, деякі пестициди,які виносяться в грунт при його використанні;

- природні або техногенні виходи та розливи нафти, кам’яне вугілля;

- древесне вугілля, як результат лісових пожарів, або не повністю згорівші органічні залишки.

Із органічних речовин, які поступають, найважливіше значення мають білки, вуглеводи, жири, смоли, віск, лігнін. Підпорядковану роль відіграють деякі пігменти, ферменти та вітаміни. Можуть бути інші групи речовин, наприклад антоціани (кольорова речовина рослин, квітів, плодів), які в деяких випадках впливають на характер геохімічних процесів, але залежать від клімату та типу рослинності.

Головне в оцінці ролі органічної сполуки, це участь різних груп органічних сполук в природних процесах в формуванні земної кори, грунтів, гумусового шару.

Виділяють наступні групи органічних сполук:

а) Білки - це природні високомолекулярні полімери, побудовані із решток амінокислот, з єднаних амідним (пептиподібним ) з вязком - СО - NН - . Кожний білок характеризується специфічною послідовністю амінокислот та індивідуальною просторовою структурою(конформацією ). Білки поділяються на прості та складні. Прості білки складаються тільки із амінокислотних залишків. Складні білки можуть включати в свою структуру іони металів або пігменти, або ліпіди,або нуклеїнові кислоти та інше. Діло в тім,що амінокислотні залишки сполучені пептидними зв’язками. Якщо молекула утримує більше 50 амінокислотних залишків, а їх може бути тисячі, то це білки. Якщо менше 50, то це пептиди.

При відмиранні любих організмів білки попадають в грунт, а далі:

- білки вживаються мікроорганізмами або безхребетними чи хребетними організмами, які після себе теж залишають білки вже іншого складу;

- білки розкладаються (гідроліз ) до пептидів або амінокислот;

- білки або їх компоненти - амінокислоти мінералізуються. Кінцеві продукти - вода, аміак;

- частина білків, пептидів, амінокислот входять до складу гумінових речовин.

б) Вуглеводи – це велика група органічних сполук, в яку входять моносахариди, олігосахариди та полісахариди.

Моносахариди - це мономірні вуглеводи, які можуть бути:

- у фазі альдоз СН₂ОН (СНОН )n СНО;

- у фазі кетоз СН₂ОН (СНОН )n СОСН₂ ОН.

Це величезний набір різноманітностей будови вуглеводів. Олігосахариди, як і моносахариди добре розчинні у воді.

Полісахариди - аморфні речовини, які не здатні кристалізуватися, інколи бувають розчинні або нерозчинні у воді. Розчинні полісахариди утворюють в язкі колоїдні пасти, а нерозчинні - набухають. Для розчинних полісахаридів характерна безмежність реакцій. Природа взаємодії вулеводів, так як і білків в грунтах з гуміновими кислотами та іншими сполуками не досить вивчена. Є деякі припущення:

- при гідролізі рослинних залишків моносахариди входять до складу гумінових речовин в кількостях, пропорційних тим, що були в початковому матеріалі - гумінові речовини прямо зв язують олігосахариди та полісахариди;

- моносахариди - домішок, який зв’язаний гуміновими речовинами в ході їх виділення.

в) Лігнін ( lignum ) - це деревина, яка входить до складу всих наземних рослин. Лігніну немає в бактеріях та водоростях. Лігнін знаходиться в клітинних стінках та в міжклітинному просторі рослин і з єднує целюлозні волокна. Від лігніну залежить проникливість клітинних стінок для води та продуктів живлення (він її зиижує), механічна міцність стовбурів та гілок. Лігнін найбільш стійка до розкладу органічна сполука, яка надходить до грунту з рослинним опадом. Його роль в біогеохімічних процесах та грунтоутворенні дуже велика. Лігнін добре гуміфікується. Існує два процеси гуміфікації лігніну:

- розклад до олігомерів, які потім приймають участь у побудові молекул гумінових речовин;

- часткова або поступова зміна самої макромолекули лігніну.

При гуміфікації лігнін втрачає вуглець та водень і ряд інших сполук. В той же час різко зростає вміст карбоксильних груп, азоту. Тому лігнін вважається важливим джерелом гумінових речовин.

г) Жири - це група сполук в грунтах, рештках рослин, мікроорганізмів і тварин. Реальних даних про їх склад в названих об єктах та про їх трансформацію немає. Жири на 98 % складаються з повних ефірів гліцерину. Окрім того жири утримують неповні ефіри, фосфоліпід, глюколіпіди, вільні жирні кислоти та ряд інших сполук. Але головна властивість, це триглеціріди та набори вхідних жирних кислот в таких ефірах. Жири - активні компоненти гумусу, а їх слабке вивчення викликане такими причинами: мала кількість жирів в рослинних залишках; висока реакційна властивість жирів, яка сприяє швидкому розкладу та хорошо споживанню мікроорганізмами; активний хімічний розлад під дією кисню та світла.

д) Воски, смоли, пігменти, ферменти. Ці сполуки дуже важливі. Вони відіграють деяку роль в біогеохімічних процесах, але їх фактична участь в конкретних процесах дуже мала, а тому погано вивчена.

е) Гумінові речовини. В грунті всі органічні речовини проходять перетворення двох різних типів мінералізацію та гуміфікацію.

Мінералізація

Кожна органічна сполука в грунті та в інших природних середовищах поступово розкладається, утворюючи вуглекислий газ, воду та аміак. Аміак, взаємодіючи з водою утворює іон амонію, а також ряд сполук: амінокислоти, поліпептиди, моносахариди. Ці сполуки розкладаються, або утворюють перехідні прості форми сполук, яківедуть до формування гумінових речовин. В цілому, 95 – 98 % всіх рослинних залишків мінералізуються. Решта рослинних залишків приймає участь в утворенні гумусових речовин

Гуміфікація

Це процес утворення специфічних гумусових сполук в результаті трансформації органічних залишків. Тобто, перетворення органічних залишків в гумінові кислоти і фульвокислоти та процесів, які визначають рівень накопичення та співвідношення цих кислот в грунті . Або простіше гуміфікація - це сукупність послідовних хімічних реакцій, в результаті яких формуються гумінові кислоти.

ЗАВДАННЯ: Визначити біофільність хімічних елементів

Щоб підрахувати біофільність хімічного елемента необхідно знати кларк концентрації цього елемента в живій речовині і поділити на його кларк в земній корі.

БФ=Ккж/К

де БФ - біофільність хімічного елемента, Ккж - кларк концентрації живої речовини, К - кларк хімічного елемента в земній корі.

Приклад розрахунку:

1. Вуглець. Кларк концентрації в живій речовині 18, кларк в земній корі 0,023. Біофільність вуглецю 783.

2. Азот. Кларк концентрації в живій речовині 0,3, кларк в земній корі 0. 0,019. Біофільність азоту 158.

3. Водень. Кларк концентрації в живій речовині 10,5, кларк в земній корі 0,14. Біофільність водню 75.

4. Кисень. Кларк концентрації в живій речовині 70, кларк в земній корі 47. Біофільність кисню 1,5.

5. Хлор. Кларк концентрації в живій речовині 0,02, кларк в земній корі 0,017. Біофільність хлору 1,2.