Деятельность живых организмов в ландшафте

Геологический эффект деятельности каждого организма бесконечно мал. Геохимия рассматривает не отдельный живой организм, а всю их совокупность живое вещество. Согласно закону Вернадского миграция элементов в биосфере осуществляется либо при непосредственном участии живого вещества, либо в обстановке, созданной в результате жизнедеятельности организмов. Живые организмы – главный фактор миграции химических элементов.

Живое вещество преобразует энергию солнечных лучей в потенциальную энергию, а затем – в кинетическую энергию геохимических процессов. Живые организмы являются также агентами сортировки и перераспределения атомов. Они изменили химический состав земной коры.

Миграция химических элементов в ландшафте определяется двумя противоположными и взаимосвязанными процессами: 1) образованием живого вещества из элементов окружающей среды; 2) разложением органических веществ. В совокупности эти процессы образуют биологический круговорот атомов.

Изымая из атмосферы углекислый газ и насыщая ее кислородом растения частично изменяют состав надземной атмосферы. Поглощая нитраты, фосфаты, калий и другие дефицитные элементы, они уменьшают их содержание в поверхностных водах. Растения выделяют различные летучие органические соединения фитонциды, которые обладают бактерицидными свойствами. Эти вещества могут служить активаторами физиологических процессов у животных – атмовитаминами.

Функции живого вещества в биосфере (Вернадский):

1. 
   газовая – производство кислорода;
   
2. 
   концентрационная – накопление углерода и других элементов;
   
3. 
   окислительная – создание кислой среды (кислород) при жизнедеятельности;
   
4. 
   восстановительная – выделение метана, аммиака, сероводорода при разложении;
   
5. 
   биохимическая – рост биомассы.
   

Живое вещество образуется в процессе фотосинтеза растениями-автотрофами. Фотосинтез осуществляется в зеленом луче при участии хлорофилла за счет энергии солнечных лучей. При фотосинтезе происходит разложение нейтральных воды и углекислого газа (углекислый газ поступает из атмосферы, почвенного воздуха, водоемов) на сильный окислитель кислород и водород, который восстанавливает углекислый газ и идет на синтез органических соединений (сильные восстановители):

6CO₂ + 6H₂O + 2818,7 кДж  (cвет, хлорофилл)  C₆H₁₂O₆ + 6O₂.

Углерод и водород органических соединений, а также выделившийся свободный кислород “зарядились” солнечной энергией, поднялись на более высокий энергетический уровень – стали геохимическими аккумуляторами. Углеводы и другие продукты участвуют в растениях в образовании сложных органических соединений.

Растения также поглощают из окружающей среды (почвы, водоема) такие химические элементы, как фосфор, калий, кальций, азот и др. В растениях поглощенные элементы входят в состав сложных, богатых энергией органических соединений (нуклеопротеидов и др.). Этот процесс называется биогенной аккумуляцией минеральных соединений.

Все остальные организмы являются гетеротрофными, т. е. они не способны создавать органические вещества из минеральных и получают их от растений.

Образование живого вещества – процесс, идущий с уменьшением энтропии (увеличинием упорядоченности). Однако это не противоречит 2-му закону термодинамики, т. к. система не замкнута, снаружи энтропия существенным образом увеличивается. С образованием живого вещества также увеличивается сложность информации, возникает новый ее вид – биологическая информация.

Биомасса и продукция

Биомасса (Б) – общая масса живого вещества в том или ином ландшафте. Продукция (П) – биомасса, которая продуцируется за год. Обе эти величины измеряются в центнерах сухого вещества на гектар. Биомасса на 98% представляет собой массу растений.

По значениям этого коэффициента ландшафты разделяются на пять групп:

1. 
   Лесные ландшафты – характерно накопление большого количества биомассы (тысячи ц/га), Ж = 10n. Наземная фитомасса значительно превышает подземную. Характерны интенсивные прямые водные связи между почвой, корой выветривания, грунтовыми водами, континентальными отложениями и поверхностными водами. Создается фитоклимат. Высока самоорганизация и устойчивость. Ярко выражен водораздельный центр ландшафта.
   
2. 
   Степи, луга, саванны – биомасса гораздо меньше (до 300-400 ц/га), ежегодная продукция часто не меньше, чем в лесах, таким образом Ж = n. Запасы гумуса в 10-20 раз превышают биомассу. Основная масса живого вещества сосредоточена под поверхностью почвы. Прямые водные связи менее совершенны, ярко выражена отрицательная обратная биокосная связь почва-растительность. Самоорганизация и устойчивость ниже. Часто бицентрическая система – водораздельный центр ослаблен, есть второй центр в речных долинах.
   
3. 
   Пустыни – небольшие значения П и Б. Прямые водные связи сильно ослаблены. Отдельные природные тела почти независимы. Резко выражены прямые воздушные связи. Центр ландшафта выражен слабо. Пустыни характеризуются наименьшим разнообразием, самоорганизацией, устойчивостью.
   
4. 
   Тундровые ландшафты – незначительная биомасса (10-100-и ц/га), низкая продукция. По интенсивности прямых водных связей и величине Ж близки к лесам; по размерам биомассы, развитию обратных биокосных связей – к степям и лугам; по разнообразию, самоорганизации, устойчивости, развитию прямых воздушных связей – к пустыням.
   
5. 
   Примитивные пустыни (такыры, скалы с лишайниками и др.) – биомасса мала (иногда менее 1 ц/га), величина Ж различна. Очень низкая мощность ландшафта; низкие разнообразие, самоорганизация, устойчивость.
   

В пределах типов выделяются семейства. Они характеризуются различными Б и П, но одинаковым или близким отношением между ними, выраженным коэффициентов К (lgП/lgБ). В каждом типе различают обычно северное, среднее и южное семейства (например, северная, средняя и южная тайга). Главная закономерность распределения семейств, как и типов – зональность. Семейства соответствуют подзонам.

Живые организмы в основном состоят из элементов, образующих газообразные (воздушные мигранты) и растворимые (водные мигранты) соединения. Поэтому нет прямой пропорциональности между составом живого вещества и земной коры в целом. Содержание кислорода равно 70%, углерода 18%, водорода 10,5%, азота 0,3%.

Кларки концентрации элементов в живом веществе называются биофильностью элементов. Наибольшей биофильностью обладает углерод (7800), менее биофильны азот (160) и водород (70). Содержание кислорода в 1,5 раза больше, чем в земной коре, хлора, серы, фосфора, магния, натрия – примерно одинаково. Наименее биофильны железо и алюминий.

Химический состав конкретного ландшафта может существенно отличаться от среднего химического состава живого вещества Земли. Средний химический состав живого вещества ландшафта является важным систематическим признаком последнего.

Элементы, добавление подвижных форм которых в ландшафт увеличивает ежегодную продукцию П, называются дефицитными (в разных ландшафтах O, N, P, Ca, Mg, Cu, F, Mn); элементы, удаление которых из ландшафта увеличивает П – избыточными (Cl, S, Na, Fe, Cu, F и др.).
Интенсивность биологического поглощения

Интенсивность биологического поглощения характеризуется следующими коэффициентами:

1. 
   Коэффициент биологического поглощения (Полынов-Перельман) – отношение количества элемента в золе растений и его количества в горной породе или почве:
   

По значениям этого коэффициента Перельман выделял элементы очень интенсивного накопления (P, S, Cl, I, Br), элементы среднего и интенсивного накопления (B, Ge, Zn, Ca, Mg, K, Na, Sr), элементы среднего накопления и сильного захвата (Mo, Cu, Ag, Mn, Pb, Ba, F и др.) и элементы очень слабого и слабого захвата (Cr, V, Si, Ti, Al, Fe, Cd и др.). При А_Х > 1 элементы накапливаются в растениях, а при A_X < 1 – только захватываются. Живые организмы сильно различаются по значениям коэффициента биологического поглощения (он зависит от того, сухое или влажное вещество и т. д.).

2. 
   Биофильность элементов:
   

3. 
   Коэффициент биогеохимической подвижности – отношение содержания элемента в сухом веществе к его содержанию в почве в подвижной форме.
   

4. 
   Коэффициенты РПК (растительно-почвенный), РВК (растительно-водный) и РГК (растительно-газовый) – отношение содержания элемента в сухом веществе к содержанию в твердой фазе почвы, в водной фазе, в газах почвы. Наиболее сильно поглощение из газовой фазы, наименее – из твердой, поэтому РГК > РВК > РПК (на порядки).