Хімічний склад та біогеохімічні функції живої речовини

Взаємні стосунки хімічних елементів у земній корі, в біосфері і живих організмах є надзвичайно складними. Присутність кожного елемента виражається в "кларках" (кларк — середній вміст елемента в земній корі, походить від прізвища американського геохіміка Ф.Кларка) — питомій вазі елемента у відсотках. Кларки елементів у живих організмах і земній корі не завжди збігаються. Деякі, трапляючись у великих. кількостях у земній корі (наприклад, титан і стронцій), в організмах містяться лише у вигляді сліду. Відкритим біохімічним середовищем для живих організмів є не земна кора, ні всі хімічні явища літосфери, гідросфери й атмосфери, а лише система водних розчинів. Лише ті елементи, які в біосфері творять добре розчинні сполуки, можуть дістатися в більших кількостях до клітин рослин і тварин. Тому хімічний склад живих організмів не є відбиттям хімічного складу земної кори, а лише кларка різних елементів у біосфері.

Головний склад органічної матерії залежить від тих хімічних елементів, які перебувають у біосфері в газовому стані, тому органічний світ живих організмів пов'язаний із кругообігом газів на Землі. В процесі спонтанного розпаду важких радіоактивних ядер (в земній корі) до поверхні допливає струмінь енергії. В такий спосіб тяжкі сполуки перетворюються в легші, які врешті-решт досягають поверхні Землі у вигляді земних газів.. З геохімічної точки зору органічна матерія є кисневою системою, багатою на вуглець. Близько 97-98% атомів організмів потрапляє після їхньої смерті в шар земних газів. Тому зрозуміло, чому всі гази біосфери (О₂, СО₂, Н₂0, NH₃, Н₂S,SO₂, Н₂, СН₄, СНОН, СSО, N0₂) є біогенного походження.

Земна кора, за Д. І. Менделєєвим, налічує 100 хімічних елементів. Проте лише шість з них взаємодіють в атмосфері: водень, кисень, азот, вуглець, фосфор і сірка. Як бачимо, в біосферних геохімічних процесах беруть участь найбільш здатні до хімічних реакцій елементи. Перші чотири елементи утворюють майже всю масу наземних рослин, на які припадає близько 99% усієї живої речовини.

Крім вуглецю, водню, азоту і кисню організми використовують зольні елементи — кальцій, калій, магній, залізо та мікроелементи — цинк, молібден, бор тощо. Атмосфера насичена вуглецем, в літосфері перева-жають алюмосилікати та трапляється незначна кількість металів.

Живі компоненти біосфери, як уже наголошувалось, складаються з тих хімічних елементів, що й неживі компоненти географічної оболонки. Проте їх роль у біосфері неоднакова, а тому їх за значимістю розподіляють на 6 груп:

1. Благородні, або інертні, гази — гелій, неон, аргон, крептон, ксенон. До складу організмів не входять.

2. Благордні метали — радій, рутеній, паладій, осмій, іридій, платина, золото. Вони майже не утворюють сполук у земній корі.

3. Циклічні, або органогенні елементи. Цю групу ще називають міграційною, характеризується вона високою реактивною здатністю еле-ментів, з них складаються живі організми (водень, кисень, азот, вуглець, фосфор, сірка, кальцій, калій, магній, залізо і т.д.).

4. Розсіяні елементи — рубідій, цезій, ніобій, тантал (утворюють спо-луки на великій глибині земної кори); йод, бром (вступають в реакцію лише на поверхні Землі).

5. Сильно радіоактивні — полоній, радон, радій, уран, нептун, плутоній тощо.

6. Рідкісноземельні — ітрій, лантон, церій, самарій, європій, тулій і т.д.

На групу органогенних (міграційних) елементів в земній корі припадає 99,7% маси, а на решту — лише 0,3%. Таким чином, основна маса елементів — це мігранти, які здійснюють кругообіг у географічній оболонці, а частина інертних елементів дуже мала.

Організми складаються з таких основних елементів: кисню — 70%, вуглецю — 18, водню — 10,5, кальцію — 0,5% та ін.

Елементи, представлені в живих і мертвих організмах, називають біогенними. Однак немає в біосфері елементів, яких би бракувало ворганічній матерії, тому практично можна всі елементи називатибіогенними. Здавалось би, навіть такі небіогенні елементи, як вольфрамі кобальт, переходять у своїй міграції через органічну матерію. З погляду на кларк в органічній матерії хімічні елементи поділено на три групи: макроелементи (10^-1 – 10^-2) — О, Н, С, N, Са, S, Р, К, Sі, Мg, Fе, Nа, СІ,А1; мікроелементи (10^-3 – 10^-2) — Zп, Вг, Мn, Сu, І, Аs, В, F, РЬ, Ті, V, Сг, Ni,Sr, Аg, Со, Ва, Тh; ультраелементи (10^-6 – 10^-12) — Аu, Rb, Нg, Rа, Rn.

Хімічні прояви живої речовини в біосфері виражаються за В.І. Вернадським п'ятьма основними групами біогеохімічних функцій: газові, концентраційні, окисно-відновні, біохімічні, біогеохімічні функції людини.

Газові функції:

1) киснево-вуглекисла - в результаті цієї функції створюється подавляюча маса вільного кисню на планеті. Основним носієм є хлорофільні організми. Ця функція тісно пов'язана з біогеохімічним циклом Оксигену в біосфері.

2) вуглекисла незалежна від кисневої - обумовлена процесами дихання живих організмів, в ході яких виділяється СО₂.

3) озонова та перикисводнева - пов'язана із утворенням озону та перекису водню. Оскільки ці речовини утворюються з вільного кисню, а подавляюча маса кисню утворилася в результаті діяльності живої речовини, тому утворення озону та перекису водню генетично пов'язана із живими організмами.

4) азотна - в результаті створюється головна маса вільного азоту тропосфери. Вона здійснюєтьсяв ходібіогеохімічного циклу Нітрогену в біосфері і здійснюється за рахунок ґрунтових бактерій та бактерій поверхні океану.

5) вуглеводна - в ході цієї функції виникають біогенні гази та інші речовини вуглеводневого складу.

6) водна - при цьому створюється біогенний колообіг води, який відіграє важливу роль в колообізі води в біосфері.

7) сірководнева і сульфідна - за рахунок цієї функції здійснюється колообіг сульфуру в біосфері. Вона полягає в окисленні мінеральної сірки живими організмами, в процесі сульфофіксації утворюютьсяSO₃^2-, а також у відновленні мінеральної сірки бактеріями в процесі десульфофікації при цьому утворюється сірководень або Н₂S.

Концентраційна функція полягає у здатності живих організмів акумулювати різноманітні хімічні елементи із зовнішнього середовища. Поділяється:

1) концентраційна функція першого роду - полягає у захопленні живими організмами із оточуючого середовища тих 14-ти хімічних елементів, сполуки яких зустрічаються тільки в тілі всих живих організмів.

2) концентраційна функція другого роду - вона пов'язана із різним рівнем накопичення різних хімічних елементів у різних видів.

В наш час відбуваються зміни концентраційної функції другого роду,які пов'язані з інтенсивною концентрацією важких металів живими організмами.

В.1. Вернадський у зв'язку із концентраційною функцією другого роду розділив організми на 4 групи:

1) організми певного елементу, тобто при концентрації елементу більше 10% від маси організму. Відносяться: гідрогенооксигенні організми, карбонні організми, нітрогенні організми, натрієві організми, кремнієві організми.

2) організми багаті на певний елемент при його середній концентрації 1 - 10%. Наприклад: у сірчаних бактеріях до 10% сульфуру.

3) організми звичайні, при концентрації певного елементу менше 1%.

4) організми бідні на певний елемент, при концентрації менше 0,1%.

Окисно-відновні функції полягають у хімічних перетвореннях речовин живими організмами в процесі життєдіяльності. Вона складається із 2-х частин:

1) окисна - полягає в окисленні сполук бідних на оксиген;

2 ) відновна - полягає у відновленні живими організмами хімічних речовин.

Біохімічні функції бувають І-го і ІІ-го роду, інколи ще виділяють ІІІ-го роду.

Біохімічна функція 1-го роду пов'язана з диханням, живленням та розмноженням організму; вона проявляється у вигляді трьох форм біогенної міграції атомів:

а) біогенна міграція атомів 1-го роду - здійснюється одноклітинними;

б) біогенна міграція атомів 2-го роду - здійснюється багатоклітинними;

в) біогенна міграція атомів 3-го роду - здійснюється людиною.

Біохімічна функція ІІ-го роду пов'язана із руйнуванням живих організмів після їхнього відмираннячерезбіокосну речовину в косну.

Біогеохімічні функції людини проявляються в біогенній міграції атомів 2-го роду, а також 3-го роду, що викликається людським розумом і працею. За своїм географічним значенням біогенна міграція атомів 3-го роду переважає біогенну міграцію 1-го і 2-го роду разом взятих. Витрати енергії і речовини пов'язані з фізіологічними потребами людини становлять лише 3%, а інші 97% - з технікою.

Найважливіші біогеохімічні функції людини:

1) газова;

2) водна - пов'язана із технічними потребами;

3) пилова - утворення пилу в результаті антропогенної діяльності;

4)нафтові - пов'язані із видобутком нафтопродуктів та їх використанням;

5)важкометалічні - пов'язані із перетворенням важких металів у хімічноактивний стан та включення їх у біохімічні цикли;

6) хлорвуглеводнева - синтез та використання пестецидів та гірбецидів;

7)органічних легколетучих сполук - відноситься вироблення дихлоретану, фенолу.

Функції 4-7 не мають аналогів в природі, тому виступають в біосфері як чужорідні. З цим пов'язана нециклічність більшості антропогенних речовин. Більшість цих речовин володіють різним ступенем токсичності для живих організмів.

Поиск по сайту: