Биогенная миграция химических элементов

Биогенная миграция химических элементов.

По Вернадскому, работа живого вещества в биосфере может проявляться  в двух основных формах:

химической (биохимической) – I род геологической деятельности;

механической – II род  такой деятельности.

Геологическая деятельность I рода – построение тела организмов и переваривание пищи, – конечно, является более значительной. Классическим стало функциональное определение  жизни, данное Фридрихом Энгельсом: “жизнь есть способ существования  белковых тел, существенным моментом которого является постоянный обмен веществ  с окружающей их внешней природой, причем с прекращением этого обмена веществ прекращается и жизнь”

Сейчас появилась возможность  вычислить скорость этого обмена. Так, по данным Л. Н. Тюрюканова, в пшенице, например, полная смена атомов происходит для фосфора за 15 суток, а для кальция – в 10 раз быстрее: за 1,5 суток! Собственно говоря, постоянный обмен веществ между живым организмом и внешней средой и обусловливает проявление большинства функций живого вещества в биосфере, которые мы рассмотрим и этой части книги. По подсчетам биолога П. Б. Гофмана - Кадошникова, в течение жизни человека через его тело проходит 75 т воды, 17 т углеродов, 2,5 т белков, 1,3 т жиров. Между тем по геохимическому эффекту своей физиологической деятельности человек отнюдь не самый важный вид разнородного живого вещества биосферы. Геохимический эффект физиологической деятельности организмов обратно пропорционален их размерам, и наиболее значимой оказывается деятельность прокариотов – бактерий и цианобактерий.

Большое значение имеет также  количество пропускаемого через  организм вещества. В этом отношении  максимальный геохимический эффект на суше имеют грунтоеды, а в океане – илоеды и фильтраторы. Еще Чарлз Дарвин подсчитал, что слой экскрементов, выделяемых дождевыми червями на плодородных почвах Англии, составляет около 5 мм в год! Таким образом, почвенный пласт мощностью в 1 м дождевые черви полностью пропускют через свой кишечник за 200 лет. В океане с дождевыми червями по “пропускной способности” могут конкурировать их близкие родственники, представители того же типа кольчатых червей – полихеты, а также ракообразные. Достаточно 40 экземпляров полихет на 1 кв. м, чтобы поверхностный слой донных осадков мощностью в 20 – 30 см ежегодно проходил через их кишечник. Субстрат при этом существенно обогащается кальцием, железом, магнием, калием и фосфором по сравнению с исходными илами.

Копролиты (ископаемые остатки  экскрементов) известны в геологических  отложениях, начиная с ордовика, однако бесспорно, что большинство их при геологических описаниях не учитывается. Происходит это из-за слабой изученности вопроса и из-за отсутствия диагностических признаков для определения копролитов.

Между тем в донных отложенияк современных водоемов фекальные комочки беспозвоночных распространены очень широко и нередко являются основной частью осадка. В южной Атлантике, например, илы почти нацело слагаются фекалиями планктонных ракообразных, а по берегам Северного моря донные осадки, образованные фекалиями мидий, имеют мощность до 8 м.

Биогенная миграция атомов II рода – механическая – отчетливо  проявляется в наземных экосистемах  с хорошо развитым почвенным покровом, позволяющим животным создавать  глубокие укрытия (гнездовые камеры термитов, например, расположены на глубине 2 – 4 м от поверхности). Благодаря  выбросам землероев, в верхние слои почвы попадают первичные невыветрившиеся минералы, которые, разлагаясь, вовлекаются в биологический круговорот. Недаром известный геолог Г.Ф.Мирчинк (1889 – 1942) называл сурка-тарбагана “лучшим геологом Забайкалья” – его норы окружены “коллекциями” горных пород, добытых с глубины нескольких метров!

Понятие “нора” и “гнездо” обычно ассоциируются у нас с  грызунами и птицами. Между тем  биогенная миграция атомов II рода распространена не только в наземных, но и в морских  экосистемах, и здесь ее роль, может  быть, еще более значительна. И  на дне моря организмы строят себе укрытия, причем не только в мягком, но и в скальном грунте. Олигохеты и полихеты углубляются в грунт на 40 см и более. Двустворчатые моллюски зарываются обычно неглубоко, но некоторые из них – солениды и миа – роют норы, которым позавидует и сурок: они достигают глубины нескольких метров. В зоне прибоя и на перемываемом волнами песке – вот беда! – норы не выроешь и гнездо не совьешь. Приходится сверлить скальные породы. И сверлят. Сверлят водоросли и губки, бактерии и моллюски, полихеты, морские ежи, рачки...

Сверлильщики появились  в далеком геологическом прошлом. Источенные ими породы находят даже в докембрийских отложениях; и  поныне они продолжают свою разрушительную работу. Сверлящая деятельность моллюсков  фолад вызывает иногда катастрофические последствия . Когда в районе Сочи в результате непродуманного строительства берег обнажился от гальки, он начал отступать со скоростью до 4 м в год. Главным виновником разрушения были фолады, которые заселили каждый метр скального берега, сложенного глинистыми сланцами, и принялись дружно сверлить себе подводные норки. К счастью, был найден выход: берег стали укреплять поперечными стенками, а между ними засыпать гальку. В результате сверлильщики были уничтожены, движущаяся под ударами волн галька перемолола их. А в Западной Европе не менее опасную деятельность проводит случайно завезенный из Китая мохнаторукий краб – он проник во многие реки, и, строя свои норы, подрывает берега и разрушает плотины.

К биогенной миграции II рода можно отнести и перемещение  самого живого вещества. Сюда относятся  сезонные перелеты птиц, перемещения  животных в поисках корма, массовые миграции животных. Естественно, что  все эти разнообразные формы  движения живого вызывают и транспортировку  небиогенного вещества.

Вернадский подразделял процессы, осуществляемые в биосфере живым веществом, по характеру самих процессов. Несколько иначе подошел к этому вопросу современник Владимира Ивановича Н.А.Андрусов. “Химическая деятельность организма вообще, имеющая геологическое значение ,– писал Андрусов,– может быть сведена к двум категориям: во-первых, к образованию на наружной поверхности или внутри твердых выделений, способных сохраняться; во-вторых, к образованию жидких и газообразных выделений, способных вступать в различные химические реакции с окружающим неорганическим миром”. По существу, эту же мысль развивала на современном материале микробиолог Т.В.Аристовская. Она указала, что миграция атомов химических элементов может быть как прямым, так и косвенным результатом жизнедеятельности организмов (в первую очередь бактерий). В таблице совмещены классификационные подходы Вернадского (горизонтальные ряды) и Андрусова – Аристовской ( вертикальные столбцы).

Биогеохимические  принципы.

Для понимания той работы, которую совершает живое вещество в биосфере, очень важными являются три основных положения, которые  Владимир Иванович называл “биогеохимическими принципами”.

В формулировке В.И.Вернадского  они звучат следующим образом:

I принцип: «Биогенная миграция атомов химических элементов в биосфере всегда стремится к максимальному своему проявлению».

II принцип: «Эволюция видов в ходе геологического времени, приводящая к созданию форм жизни устойчивых в биосфере, идет в направлении, увеличивающем биогенную миграцию атомов биосферы» (или в другой формулировке: «При эволюции видов выживают те организмы, которые своею жизнью увеличивают биогенную геохимическую энергию»).

III принцип: «В течение всего геологического времени, с криптозоя, заселение планеты должно было быть максимально возможное для всего живого вещества, которое тогда существовало».

Для Вернадского I биогеохимический принцип был тесно связан со способностью живого вещества неограниченно размножаться в оптимальных условиях. «Вихрь атомов», который представляет собой жизнь, по определению Жоржа Кювье, стремится к безграничной зкспансии. Следствием этого и является максимальное проявление биогенной миграции атомов в биосфере.

II биогеохимический принцип,  по существу, затрагивает кардинальную  проблему современной биологической  теории – вопрос о направленности  эволюции организмов. По мысли  Вернадского, преимущества в ходе  эволюции получают те организмы,  которые приобрели способность  усваивать новые формы энергии  или “научились” полнее использовать  химическую энергию, запасенную  в других организмах. В ходе  биологической эволюции, таким образом,  увеличивается “КПД” биосферы  в целом. Чисто математически  это показал В.В.Алексеев, который  на основе расчетов пришел к следующим выводам: «Эволюция должна идти в направлении увеличения скорости обмена веществом в системе». И далее: «Становится понятным, почему образовались ферменты, роль которых заключается в резком увеличении скоростей реакций, идущих при обычных условиях исключительно медленно».

II биохимический принцип  Вернадского получает подтверждения  на самом разнообразном эмпирическом  материале. Так, в 1956 году почвовед  В.Л.Ковда изложил результаты  химического исследования более  1300 образцов золы современных  высших растений. На этом обширнейшем  фактическом материале автор  пришел к выводу, что (за несколькими  исключениями) зольность растений  возрастает от представителей  древних таксонов к более молодым.  Эта закономерность – одно  из частных проявлений II биогеохимического  принципа. Вообще же его проявления  в биосфере очень многообразны  и довольно неожиданны. Возьмем  другой пример из области ботаники.

Магаданский ботаник А.П.Хохряков недавно установил своеобразную направленность эволюции высших растений – интенсификацию смен органов в  ходе индивидуального развития организма. “Так, по мнению Хохрякова, у древних  древовидных плаунов – лепидодендронов  – смене была подвержена только часть листьев. У более продвинутых  в эволюционном отношении растений – папоротникообразных – опадают  также только листья, но у них  в единицу времени по отношению  к массе всего тела сменяется  большая часть, чем у лепидодендронов. У наиболее примитивных голосеменных – саговников – сменам также  подвержены только листья, да и то за исключением оснований. У хвойных периодически сменяются ветви и кора. Наконец, на примере цветковых мы наиболее четко видим переход от многолетних форм (деревья и кустарники) к однолетним (травы). Этот же переход наблюдается и у других таксонов высших растений: среди древних хвощей и плаунов господствовали древовидные формы, а современные нам овощи и плауны – травы; среди папоротников в геологическом прошлом было много древовидных, а сейчас древовидные папоротники вымирают. Такая интенсификация смен, естественно, приводит к усилению биогенной миграции атомов в биосфере. И здесь “работает” II принцип...

III биогеохимический принцип  также связан со “всюдностью” или “давлением” жизни. Этот фактор обеспечивает безостановочный захват живым веществом любой территории, где возможно нормальное функционирование живых организмов.

Эти три постулата  Вернадского легли в основу создания новой науки — биосферологии .