Основы экологии Красноярский государственный медицинский университет им. В.Ф. Войно-Ясенецкого Кафедра Биологии с экологией и курсом фармакогнозии Миграция биогенных элементов Лекция 4 для специальности – «Медицинская кибернетика» (очная форма обучения) к.б.н. Ирина Григорьевна Ермакова Красноярск 2013

Миграция элементов Это перемещения элементов в земной коре и в пределах биогеоценозов. Миграция происходит как в процессах круговорота веществ, так и вне их (при почвообразовании, сезонные и суточные миграции легкорастворимых солей). Большое значение имеет биогенная миграция элементов (в том числе микроэлементов).

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.

Большой круговорот веществ

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. Символом круговорота веществ является спираль, а не круг.

Малый круговорот веществ в биосфере 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.

В ряде экосистем перенос вещества и энергии осуществляется преимущественно посредством трофических цепей. Такой круговорот обычно называют биологическим. Он предполагает замкнутый цикл веществ, многократно используемый трофической цепью.

он может иметь место в водных экосистемах, особенно в планктоне 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.

Химические элементы, в том числе все основные элементы живых организмов, обычно циркулируют в биосфере по характерным путям из внешней среды в организмы и опять во внешнюю среду. Эти в большей или меньшей степени замкнутые В. И. Вернадский назвал биогеохимическими циклами.

Биогеохимический цикл (кольцо) на фоне упрощённой схемы потока энергии

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 биофильными. Этими циклами и круговоротом в целом обеспечиваются важнейшие функции живого вещества в биосфере.

В. И. Вернадский выделяет пять таких функций: 1.Газовая основные газы атмосферы Земли, азот и кислород, биогенного происхождения, как и все подземные газы продукт разложения отмершей органики; 2.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; 3.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; 4.Биохимическая размножение, рост и перемещение в пространстве («расползание») живого вещества; 5.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 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).

Круговорот воды Постоянный обмен влагой между гидросферой, атмосферой и земной поверхностью, состоящий из процессов испарения, передвижения водяного пара в атмосфере, его конденсации в атмосфере, выпадения осадков и стока. Атмосферные осадки частично испаряются, частично образуют временные и постоянные водостоки и водоемы, частично просачиваются в землю и образуют подземные воды.

Круговорот углерода Включение углерода в состав органического вещества происходит в процессе фотосинтеза, в результате которого на основе углекислого газа и воды образуются сахара. В дальнейшем, другие процессы биосинтеза преобразуют их в более сложные органические вещества. Эти соединения формируют ткани фотосинтезирующих организмов и служат источником органических веществ для животных.

Круговорот углерода В процессе дыхания все организмы окисляют сложные органические вещества в конечном итоге до СО 2, который выводится во внешнюю среду, где может вновь вовлекаться в процесс фотосинтеза. Углеродсодержащие органические соединения тканей живых организмов после их смерти подвергаются биологическому разрушению редуцентами, в результате чего углерод в виде Н 2 СО 3 вновь поступает в круговорот.

Круговорот углерода При определенных условиях разложение накапливаемых мертвых остатков в почве идет замедленным темпом через образование гумуса, минерализация которого под воздействием грибов и бактерий происходит с низкой скоростью. В некоторых случаях цепь разложения органического вещества бывает неполной. В частности, деятельность организмов-деструкторов может подавляться недостатком кислорода или повышенной кислотностью. В этом случае органические остатки накапливаются в виде торфа, углерод не высвобождается и круговорот приостанавливается.

Круговорот углерода Аналогичным образом в прошлые геологические эпохи происходило образование каменного угля и нефти. – Сжигание ископаемого топлива в настоящее время возвращает углерод, выключенный ранее из круговорота, в атмосферу. В гидросфере приостановка круговорота углерода связана с включением СО 2 в состав СаСО 3 в виде известняков. – В этом случае углерод выключается из круговорота на целые геологические эпохи до поднятия органогенных пород над уровнем моря. – Тогда круговорот возобновляется через выщелачивание известняков атмосферными осадками, а также биогенным путем под воздействием лишайников, корней растений

Цикл кислорода занимает на Земле около 2000 лет, воды – около 2 млн лет. Круговорот кислорода

Круговорот азота Большая часть биогеохимического цикла азота обусловлена действием живых существ. Очень большую роль в круговороте играют почвенные микроорганизмы, обеспечивающие азотистый обмен почвы круговорот в почве азота, который присутствует там в виде простого вещества (газа N 2 ) и ионов: нитритов (NO 2 -), нитратов (NO 3 -) и аммония (NH 4 +). Концентрации этих ионов отражают состояние почвенных сообществ, поскольку на эти показатели влияет состояние биоты (растений, микрофлоры), состояние атмосферы, вымывание из почвы различных веществ. – Они способны снижать концентрации азотсодержащих веществ, губительные для других живых организмов. – Они могут переводить токсичный для живых существ аммиак в менее токсичные нитраты и в биологически инертный атмосферный азот.

Круговорот серы Сера представляет собой исключительно активный химический элемент биосферы и мигрирует в разных валентных состояниях в зависимости от окислительно- восстановительных условий среды. Среднее содержание серы в земной коре оценивается в 0,047 %. В природе этот элемент образует свыше 420 минералов. В изверженных породах сера находится преимущественно в виде сульфидных минералов: пирита, пирронита, халькопирита, в осадочных породах содержится в глинах в виде гипсов, в ископаемых углях - в виде примесей серного колчедана и реже в виде сульфатов. Сера в почве находится преимущественно в форме сульфатов; в нефти встречаются ее органические соединения. В связи с окислением сульфидных минералов в процессе выветривания сера в виде сульфатиона переносится природными водами в Мировой океан. Сера поглощается морскими организмами, которые богаче ее неорганическими соединениями, чем пресноводные и наземные.

Круговорот серы

Круговорот фосфора

Круговорот кальция Соединения кальция находятся практически во всех животных и растительных тканях. Значительное количество кальция входит в состав живых организмов. Так, гидроксиапатит Ca 5 (PO 4 ) 3 OH, или, в другой записи, 3Ca 3 (PO 4 ) 2 ·Са(OH) 2 основа костной ткани позвоночных, в том числе и человека; из карбоната кальция CaCO 3 состоят раковины и панцири многих беспозвоночных, яичная скорлупа и др. В живых тканях человека и животных 1,4-2 % Са (по массовой доле); в теле человека массой 70 кг содержание кальция около 1,7 кг (в основном в составе межклеточного вещества костной ткани).

Почвы, воды и живые организмы содержат почти все элементы, входящие в Периодическую систему Д.И. Менделеева, за исключением искусственно созданных человеком трансуранов. Но по количественным уровням диапазон колебаний содержания очень велик – от десятков процентов до n n10 -5 и даже до n %. Об этом подробно писал академик В.И. Вернадский еще в 30_х годах ХХ века, указывая об изменении концентрации многих элементов, их изотопного состава под влиянием живых организмов, подчеркивая в то же время, что сведения явно недостаточны для полного понимания того, как формируется химический состав биосферы

В.И. Вернадский считал, что «связь состава организмов с химией земной коры и то огромное - первенствующее значение, которое имеет живое вещество в механизме земной коры, указывает нам, что разгадка жизни не может быть получена только путем изучения живого организма. Для ее разрешения необходимо обратиться и к его первоначальному источнику – к земной коре. А то, что состав земной коры определяется не геологическими причинами, а свойствами атомов, ясно указывает, что в явлениях жизни сказываются свойства не только одной нашей Земли». Он дал также определение понятия «биогеохимические провинции».

Формирование биогеохимических провинций тесно связано с накоплением и миграцией микроэлементов, которыми чаще всего называют элементы, содержащиеся в живых организмах в небольших количествах, и без которых жизнедеятельность затруднена или невозможна. Микроэлементы являются инициаторами и активаторами биохимических процессов, без участия которых невозможна регулирующая роль ферментов.

Химические элементы в живых организмах Биогенные элементы – Кислород 65%, Углерод 18%, Водород 10%, Азот 3% Макроэлементы - содержание которых в живых организмах составляет больше 0,01 %: – Калий, Кальций, Магний, Натрий, Сера, Фосфор, Хлор Микроэлементы - содержание менее 0,001 %: – Бром, Йод, Кобальт, Марганец, Медь, Молибден, Селен, Фтор, Хром, Цинк

Домашнее задание Ответить на вопросы: 1.Где в организме используются макро- и микроэлементы, перечисленные на предыдущем слайде. 2.Какие последствия для организма вызывает недостаток или избыток этих элементов. 3.Недостаток каких элементов может встречаться в описываемой Вами экосистеме и почему? 4.Как антропогенное воздействие может влиять на биогеохимические циклы?