Экология: биология взаимодействия. 2.04. Биогеохимические циклы

Рис. 2.4.1. Елементи, важливі для живих організмів, у таблиці Д.І. Менделєєва
Ролі, які виконують біогени, різноманітні. Чотири з них (так звані елементи‑органогени: вуглець, водень, азот і кисень), складають структурну основу органічних молекул. У склад нуклеїнових кислот обов’язково входить фосфор, а у склад деяких амінокислот (а отже, і білків) — сірка. Іони кальцію, калію, натрію і хлору є важливими для життєдіяльності живих клітин. Багато металів входять до складу найважливіших органічних молекул. Так, у склад молекули хлорофілу входить магній, а однією з частин гему (складової частини гемоглобіну — переносного кисню білка крові, а також деяких інших білків) є іон заліза.
Для того, щоб організми могли включати в свій склад ці елементи, вони повинні знаходитися у доступній формі в середовищі, населеному організмами. Одноразово потрапивши в склад живих організмів, один і той самий атом може переходити з однієї молекули в іншу, з одного створіння в інше. Однак з часом будь‑який атом будь‑якого біогену залишить склад живої речовини і повернеться в навколишнє середовище. Щоб організми могли відновити виникаючу при цьому нестачу необхідних їм елементів, у середовищі мають діяти біогеохімічні цикли.
Ймовірно, початок вивчення БГХ‑циклів пов’язаний з іменем шотландського геолога Джеймса Геттона (у більш звичній транслітерації — Хаттона, 1726–1797). До Геттона в геології домінували уявлення нептунизму, що розглядали особливості геологічного будови Землі як наслідки біблійного потопу. Геттон протиставив їм плутонизм — уявлення про те, що земна речовина руйнується внаслідок ерозії, утворює нові породи на морському дні, проходить через недра, перетворюється і знову піднімається вгору, де знову піддається ерозії. Домінуючому в геології катастрофізму Геттон протиставив актуалізм — уявлення про тривалу геологічну історію, протягом якої діяли ті ж процеси, що діють і зараз. Для мислення XVIII століття погляди Геттона можна вважати справжньою революцією. Його можна вважати і предтечею уявлень Вернадського про біосферу, і навіть предтечею гіпотези Геї. Справа в тому, що активність Землі Геттон порівнював з життєдіяльністю організму.
Біогеохімічним циклом (БГХ‑циклом) називається сукупність відносно замкнутих шляхів переміщення речовин через живі організми і середовище їхнього існування. Біогеохімічні цикли названі так, бо в їх забезпеченні беруть участь як біологічні, так і геохімічні процеси. Звичайно, зовсім не обов’язково, щоб, переміщуючись по БГХ‑циклу, елементи рухалися по якомусь колу. Однак у міру переходу з однієї молекули в іншу в складі організмів і навколишнього середовища один і той самий атом може знову і знову повертатися в певний стан. У цьому і проявляється циклічність біогеохімічних процесів.
Розглядаючи наведені далі схеми, на яких зображені БГХ‑цикли, можна переконатися, що у їх складі виділяються фонди та потоки. Фонди — сукупності речовин, що містять розглянутий елемент у певній формі. Потоки — шляхи перетворення елемента, що переводять його з одного фонду в інший.
У складі різних фондів елементи змінюються з різною швидкістю. Розгляньте гідрологічний цикл (рис. 2.5.1). Та кількість водяної пари, що міститься в атмосфері в кожен момент часу, встигає за рік пройти через неї кілька разів. У той же час за мільйони років змінюється лише незначна кількість води, зв’язаної в літосфері. Саме тому в БГХ‑циклах виділяють резервні та обмінні фонди.
Виділяють кілька типів циклів, головні з яких — цикли газоподібних речовин з резервними фондами в атмосфері і гідросфері та осадові цикли з резервним фондом у літосфері. Ті біогеохімічні цикли, у яких є фонди в атмосфері (цикли вуглецю, азоту, води, а також окремо кисню і водню), можуть регулюватися організмами набагато краще, ніж цикли, усі фонди яких розташовані в літосфері. БГХ‑цикли різняться за ступенем регульованості живими організмами. Необхідно зазначити, що регульованість осадових циклів гірша. Якщо спуск елемента в кору йде швидше його підйому з неї, виникає нестача, що обмежує круговорот, але уповільнює спуск. Той елемент, якого не вистачає для круговороту, буде сильніше утримуватись живою речовиною і повільніше виводитись з круговороту.
Роль живих організмів у утриманні біогенів була наочно продемонстрована в ході експерименту, проведеного на американській біостанції в місцевості Хаббард‑Брук (рис. 2.4.2). Було обрано невеликий ділянка території (ущелина), обмежена водоразділом. На витікаючій з цієї ділянки струмок була встановлена вимірювальна апаратура. Після того, як вся рослинність на експериментальній ділянці була знищена, експериментатори зафіксували не лише двократне збільшення кількості витікаючої води (до експерименту вона затримувалась ґрунтом і рослинами і в процесі транспірації поверталась в атмосферу), а й збільшення вмісту біогенів у цій воді.

Рис. 2.4.2. Одним із наслідків знищення лісу на американській експериментальній станції в Хаббард‑Брук стало багатократне (понад порядок) збільшення вивезення нітратів з території, на якій була знищена вся рослинність (зверніть увагу на розрив на шкалі ординат!)
Наприклад, хоча такі метали як Ca, K, Na, Mg зазвичай не входять до складу органічних молекул, вони абсолютно необхідні для життєдіяльності клітин. Вони дуже підвижні в екосистемах. Надходження катионів в екосистему пов’язане з геологічним і біологічним вивітрюванням материнських порід, переносом пилу і осадів. Втрата катионів відбувається у зв’язку з їх вивезенням поверхневими і підземними водами. Біологічна спільнота активно затримує вивезення, підвищуючи кількість катионів в обмінних фондах. Після знищення ділянки лісу в Хаббард‑Брук вивезення біогенів посилилося в багато разів (кальцію — в три, азоту — в 15).
У тропічному лісі переважаюча частина біогенів закрита в рослинній біомасі, у помірному лісі — в опаді.
Людина — потужний геологічний фактор. Людство використовує у своїй діяльності майже всі елементи, у тому числі ті, що застосовуються лише для потреб техноcфери (уран, плутоній, ртуть і інші). Ми інтенсивно втручаємось у цикл біогенів за рахунок виробництва добрив, що спричинило біогенне забруднення значної частини біосфери.
Природоохоронні зусилля мають бути спрямовані на перетворення ациклічних процесів у циклічні. На Філіппінах є райони, де на полях, розділених священними лісами, рис вирощується понад 1000 років. На жаль, серед штучних екосистем таких прикладів дуже мало.
Один із методів вивчення БГХ‑циклів пов’язаний з радіаційною екологією. Наприклад, додавши у водойму певну кількість позначеного фосфору (тобто речовини, що містить радіоактивний ізотоп фосфору), можна вивчати шляхи і динаміку його фіксації живою речовиною і осадками. Для вивчення підземних вод дуже корисним виявився дейтерій (ізотоп водню), викинутий в атмосферу в результаті випробувань водневих бомб. Кількість дейтерію в сучасних осадках відома; за тим, скільки його виявляється у підземних водах, можна дізнатись, з якою швидкістю вони поповнюються водами, що надходять з поверхні.
Українська / Русский