Живое вещество

Биологический круговорот химических элементов

Живое вещество постоянно находится в состоянии самообновления. Возобновляются отмирающие клетки и ткани; одни поколения организмов сменяются другими. Жизнь циклична по своей природе. Цикличность процесса жизни особенно наглядно проявляется в динамике высших растений, образующих основную массу живого вещества Ежегодное отмирание и возобновление растительности сопровождается циклической миграцией огромных масс химических элементов. Наиболее важной стороной геохимической деятельности растений является синтезирование органического вещества и вследствие этого перераспределение газов на поверхности Земли. Одновременно в миграцию вовлекаются многочисленные химические элементы из почвы, остающиеся после сжигания в составе золы Циклическая миграция зольных элементов в системе почва - растения, открытая Ю. Либихом, получила название биологического круговорота.

Годовой прирост растительного покрова Мировой суши до нарушения его человеком оценивается в 17210⁹ т сухого органического вещества. Исходя из имеющихся данных, можно определить количество главных элементов, ежегодно захватываемых наземной растительностью. Среднепланетарные показатели нивелируют значительные колебания концентрации, которые обнаруживаются в многообразных растительных объектах. Цель таких расчетов - оценить порядок масс разных химических элементов, вовлекаемых в годовой глобальный биологический цикл. Результаты приведены в табл.2.4 в двух вариантах: в расчете на суммарную площадь суши (за исключением площадей, занятых ледниками, абсолютными пустынями и внутриконтинентальными водами) и на площадь в 1 км² этой территории.

Общая масса зольных элементов, ежегодно вовлекаемая в биологический круговорот на суше, составляет около 8 млрд т. Это в несколько раз превышает величину ионного стока с континентов или массу продуктов извержений всех вулканов мира на протяжении года. Биологический круговорот кальция и калия на суше превышает 1 млрд т каждого, кремния, фосфора, серы, магния, натрия, хлора измеряется сотнями миллионов тонн в год.

Значительная часть данных о содержании рассеянных химических элементов в растениях относится к их ежегодно возобновляемым и отмирающим органам: надземной части травянистых растений, молодым побегам, листьям и хвое деревьев и кустарников

Таблица 2.4. Захват и интенсивность биологического поглощения главных химических элементов растительностью Мировой суши

Примечание. В скобках указана масса элементов, захватываемая природной растительностью, уменьшенной на 25% под воздействием хозяйственной деятельности людей

Вместе с тем из-за нестандартизованных приемов отбора проб и подготовки их к анализу, разных методов анализа обширная аналитическая информация с трудом поддается обобщению, поэтому средние значения концентраций рассеянных элементов в ежегодном приросте растительности континентов следует рассматривать как ориентировочные, которые должны в дальнейшем корректироваться. Приведенные в табл.2.5 данные отражают уровень знаний о содержании рассеянных элементов в приросте растительности Мировой суши и могут использоваться для теоретических расчетов и эколого-биогеохимических прогнозов.

Как следует из приведенных данных, растительность поглощает рассеянные элементы не пропорционально их содержанию в земной коре. Г. Хатчинсон (1943) высказал предположение, что аккумуляция элементов в растениях определяется величиной ионных потенциалов элементов. Ионный потенциал, равный отношению заряда (валентности) иона к его радиусу, характеризует плотность заряда на поверхности иона и степень его гидратируемости, или растворимости в воде. Согласно Г. Хатчинсону элементы с низкими ионными потенциалами, образующие хорошо растворимые катионы, и с высокими потенциалами, образующие хорошо растворимые анионы, легко поглощаются растениями. Углубленное изучение проблемы показало, что легкорастворимые соединения могут легко поступать в растения, но их закрепление в фитомассе прямо не зависит от величины ионного потенциала.

Таблица 2.5. Концентрация рассеянных элементов в ежегодном приросте растительности суши

"Геохимический отбор" элементов растительностью суши обусловлен многими факторами. Один из наиболее важных - способность элементов к образованию стойких комплексных органических соединений. Щелочные металлы наименее склонны к этому. Они находятся в растениях главным образом в форме простых ионов, их концентрации в клетках растений и водном растворе внешней среды очень близки. Тяжелые металлы, наоборот, легко образуют прочные комплексные соединения и поэтому могут относительно накапливаться в клетках. Следовательно, присутствие ионов легкорастворимых соединений в клеточном соке еще не означает, что эти ионы концентрируются растением. Избирательная аккумуляция определенных рассеянных элементов происходит в растительных клетках благодаря комплексообразованию. Эти микроэлементы накапливаются не клеткой вообще, а ее определенными компонентами. Установлено, что концентрация хрома в нуклеопротеидах семян выше примерно в 100 раз, чем в общей массе растительной клетки, меди в пластоцианине - в 800 раз, а кобальта в витамине В₁₂ - в десятки тысяч раз (Бойченко Е.А., 1974).

Для живого вещества океана характерны иные закономерности биологического круговорота элементов, чем на суше. Как отмечено выше, биомасса Мирового океана значительно меньше биомассы суши. Преобладающую часть первично синтезируемого органического вещества океана обеспечивает фитопланктон, сухая масса которого составляет около 3,410⁹ т. В то же время благодаря быстрой воспроизводимости планктонных организмов скорость биологического круговорота в океане намного больше, чем на суше. Преобладающая часть солнечной энергии проникает в морскую воду до глубины 100 м; в этих пределах сосредоточена основная масса планктона. Поверхностный слой океана - область его наибольшей биогенной насыщенности и интенсивности биогеохимических процессов. Оборот вещества фитопланктона происходит в течение суток (Добродеев О.П., Суетова И.А., 1976), что обусловлено низкой концентрацией многих элементов в поверхностном слое океана.

Несмотря на небольшую фитомассу (сравнительно с сушей), в результате быстрой воспроизводимости планктонных организмов годовая продукция фотосинтеза Мирового океана весьма велика и близка к фитомассе суши. Это обеспечивается максимально возможным использованием элементов питания, находящихся в небольшом количестве. По этой причине большая часть растворенных в воде химических элементов, необходимых для морских организмов (азот, фосфор, кремний, микроэлементы), захватывается и в значительной мере не выпускается из системы биологического круговорота. На рис.2.2 показана схема биологического круговорота кремния в планктонном слое океана и его частичный выход из этого цикла в воду и осадок на дно. За счет выходящих из круговорота масс элементов их концентрация ниже планктонного слоя возрастает. В слое до 100 м глубиной почти вся масса кремния связана в организмах и в свободном состоянии (в растворе) он практически отсутствует.

Приспособившиеся на протяжении геологического времени к дефициту многих элементов в среде обитания морские организмы, очевидно, не имеют механизмов, препятствующих поступлению рассеянных элементов, и активно поглощают их, в том числе токсичные. Концентрация этих элементов постепенно возрастает в трофических цепях, достигая опасных для человека значений в конечных членах цепи и некоторых организмах - фильтраторах. Известны случаи отравления людей рыбой, моллюсками и другими морскими продуктами при загрязнении морской воды неочищенными производственными стоками.

Рис. 2.2 Схема биологического круговорота кремния в море (по Р.А. Хорну, 1972).

Интенсивность биологического поглощения. Захват рассеянных элементов растительностью знаменует их вовлечение в особую форму движения - биологическую миграцию. Учитывая неодинаковое физиологическое значение разных элементов, можно предположить, что интенсивность их вовлечения в этот процесс также неодинакова. Сведения об относительном содержании (концентрации) элементов в живом веществе сами по себе не дают возможности судить об интенсивности их биологического поглощения. Действительно, какой элемент сильнее поглощается растительностью суши: титан, содержание которого в сухой фитомассе 32,510^-4%, или молибден, которого всего 0,5 10^-4%?

Чтобы оценить интенсивность биологического поглощения элемента, надо сравнить его содержание в растениях и источнике, откуда этот элемент поступает. В глобальном плане источником как титана, так и молибдена служит земная кора. Следовательно, необходимо численно сравнить кларки этих металлов в фитомассе и земной коре. Такой подход практически одновременно и независимо друг от друга был применен Б.Б. Шлыковым (1945), С. Тиссеном (1942) и Г. Хатчинсоном (1943). Два последних исследователя в своих расчетах использовали данные по содержанию элементов в сухом органическом веществе.

Это не совсем верно, так как концентрацию элемента в минеральной массе земной коры правильнее сопоставлять с его концентрацией в минеральной части растений, т.е. в золе.

Исходя из этого, Б.Б. Полынов предложил характеризовать интенсивность биологического поглощения химического элемента частным от деления его содержания в золе и горных породах. Этот параметр А.И. Перельман (1975) назвал коэффициентом биологического поглощения К₆. Расчеты коэффициентов показывают, что молибден в несколько десятков раз интенсивнее аккумулируется растительностью, чем титан.

Глобальные значения К₆ растительности континентов приведены в табл.2.6 Они иллюстрируют значительную дифференциацию рассеянных элементов в процессе их вовлечения в биологическую миграцию. Интенсивность поглощения растительностью меняется в пределах трех математических порядков.

При расчетах использованы данные табл.2.5 и средние содержания элементов в гранитном слое континентов (см. табл.1.1).

Таблица 2.6. Интенсивность биологического поглощения и ежегодный захват рассеянных элементов растительностью суши

Все элементы можно разделить по интенсивности биологического поглощения на две большие группы. К первой относятся те, концентрация которых в золе больше, чем в земной коре. Особенно активно захватываются бор, бром, йод, цинк и серебро (К₅ > 10). Меньше 10, но больше единицы К_б для значительной части рассеянных элементов: меди, молибдена, марганца, стронция, свинца, кобальта, никеля и других металлов. Их важная физиологическая роль твердо установлена или предполагается. Наряду с ними растения активно поглощают ртуть, селен, мышьяк и некоторые другие элементы, являющиеся ядовитыми для животных даже в небольших дозах. Это обстоятельство требует дальнейшего изучения и объяснения. Ко второй группе относятся элементы с низкой интенсивностью поглощения, имеющие К₅ < 1. Некоторые из них присутствуют в земной коре преимущественно в формах, трудно доступных для растений (галлий, цирконий, титан, иттрий, лантан), другие токсичны и поэтому поглощаются ограниченно (фтор, уран).

Интенсивность биологического поглощения рассеянных элементов не зависит от их содержания в земной коре. Циркония в гранитном слое континентов в несколько раз больше, чем цинка, но интенсивность биологического поглощения циркония в 13 раз меньше. Причина - его слабое участие в биологических процессах и преобладание форм, трудно доступных для растений. Отмеченные глобальные геохимические закономерности растительности cуши, по-видимому, имеют глубокое физиологическое и эволюционное обоснование. Приведенные автором результаты изучения рассеянных элементов в зональных типах растительности на территории бывшего СССР показали, что интенсивность их поглощения выдерживается с удивительным постоянством, хотя имеются колебания величины К₅ отдельных элементов (Добровольский В.В., 1969). Специфика зональных типов растительности сказывается на степени выраженности общих закономерностей. Так, в таежной растительности обнаружен резкий контраст интенсивности поглощения рассеянных элементов, достигающий 4 - 5 математических порядков, в то время как в тундровой растительности этот контраст не превышает 1 - 2 порядков (рис.2.3). Числовое значение К_б химических элементов у разных видов растений также имеет свои отличительные особенности. Элементы с К₅ немногим больше или меньше единицы могут переходить из I группы во II, и наоборот. Наиболее изменчивы числовые значения К_ъ для стронция. В одних растениях К₅ этого элемента опускается до 0,1 и ниже, в других достигает 20 - 30. Интенсивность биологического поглощения рассеянных элементов изменяется не только в зональных типах растительности равнин, но и по вертикальным поясам растительности горных районов.

Рис 2.3 Совмещенные графики коэффициентов биологического поглощения К₅ рассеянных элементов в разных типах растительности Кольского полуострова (по В.В. Добровольскому, 1983): I - тундровая растительность / - черника, 2 - злаки, 3 - лишайники, 4 - зеленые мхи, 5 - камнеломки, II - растительность северной тайги 6 - хвоя ели, 7 - листья березы, 8 - черника, 9 - злаки

А Л. Ковалевский (1974, 1975), обобщив большой фактический материал, предположил, что в одних растениях (определенных органах и тканях) концентрация микроэлементов может возрастать очень сильно, без каких-либо определенных пределов. При этом накопление элемента вначале стимулирует жизнедеятельность растения и его продуктивность, затем угнетает и в итоге вызывает его гибель в других растениях при достижении определенного уровня концентрации элементов начинают действовать механизмы, препятствующие его дальнейшему поглощению. Исследователь назвал эти предельные уровни физиологическими барьерами поглощения и выделил барьерный и безбарьерный типы поглощения.

Ограниченное поглощение, по-видимому, характерно преимущественно для зеленых опадающих частей и репродуктивных органов растений, а неограниченное - для корней, узлов стеблей злаков, коры и иногда древесины стволов деревьев. На рис.2.4 показано изменение концентрации свинца в разных частях растений в зависимости рт нарастания его содержания в почве. В корнях отмечен прогрессирующий рост концентрации от 0,001 до 0,1% под влиянием увеличивающегося содержания этого элемента в почве, ветвях деревьев и надземной части травянистых растений концентрация возрастает очень незначительно, а затем остается постоянной, несмотря на увеличение содержания свинца в почве.

Распределение микроэлементов в разных растениях имеет свои особенности. В деревьях, произрастающих на юге Армении в пределах молибденовой аномалии, распределение молибдена оказалось неодинаковым. У граба и клена концентрация молибдена в корнях больше, чем в листьях, у дуба и калины наоборот. В некоторых случаях контрастность распределения по органам и тканям растений увеличивается параллельно с возрастанием содержания элемента в окружающей среде. Разница в концентрации микроэлементов в различных частях растений на фоновых участках редко превышает 10, а в условиях биогеохимических аномалий может достигать 100 и более (Ковалевский А.Л., 1979).

Рис.2.4 Зависимость между концентрацией свинца в почве и золе растений на биогеохимической аномалии (по А.Л. Ковалевскому, 1979): 1 - среднее для корней растений (16 видов); 2 - среднее для ветвей деревьев и надземной части травянистых растений

Концентрация микроэлементов в растениях зависит от большого числа факторов: содержания элементов в почвообразующих породах, их минералогического состава, типа почв, рельефа и глубины уровня грунтовых вод, морфологических особенностей растений, особенностей их вегетации и др. Поэтому распределение концентраций в образцах растительности определяется статистическими законами. По мнению как биохимиков (Боуэн X., 1966), так и геологов (Ковалевский А.Л., 1975), наиболее часто распределение приближается к логарифмически нормальному. На геохимических аномалиях усиливается контраст содержания рассеянных металлов в разных растениях и их частях, что отражается на возрастании вариабельности концентраций. Это явление было предложено использовать при биогеохимических поисках руд (Добровольский В.В., Ржаксинская М.В., 1975).

Биогеохимические аномалии могут образовываться под влиянием любых природных факторов, способствующих значительному повышению содержания одного или нескольких элементов в окружающей среде. Известны биогеохимические аномалии тяжелых металлов, возникшие благодаря выходу на поверхность горных пород с повышенной концентрацией металлов, в местах выклинивания подземных вод, обогащенных этими же металлами, а также на участках систематического выпадения из воздуха металлосодержащих вулканических выбросов. На рис.2.5 показана биогеохимическая аномалия, обнаруженная в графстве Лимерик (Ирландия). Повышенная концентрация молибдена и селена в травянистой растительности связана с выходами сланцев, обогащенных указанными металлами. Их концентрация в травах, особенно на пойменных лугах, оказалась причиной заболевания сельскохозяйственных животных.

При изучении биогеохимических аномалий А.П. Виноградов обратил внимание на два обстоятельства. Во-первых, в пределах аномалии все растения (в разной степени) характеризуются повышенным содержанием рассеянных элементов. Во-вторых, определенные виды отличаются очень высокими концентрациями. Образование таких растений-концентраторов свидетельствует о том, что приспособление к аномальным условиям может развиваться. Не только в виде ограничения концентрации избыточных микроэлементов, но также их усиленного использования. Адаптация разных видов растений идет неодинаковыми путями. По данным В.В. Ковальского (1974), в засушливых ландшафтах Армении в условиях молибденовой аномалии распространенные растения ромашка (Pyrethrum parthenifolium) и зверобой (Hypericum perforatum) слабо аккумулируют молибден. При этом в золе более 60% экземпляров ромашки содержание молибдена оказалось меньше, чем в почве, и лишь в 29% - несколько выше. В то же время пониженное содержание молибдена обнаружили всего в 12% экземпляров зверобоя, а повышенное - более 70%. Очевидно, что адаптация рассмотренных видов происходит не одинаково, хотя и однотипно, по пути ограниченного поглощения избыточного рассеянного металла. Наряду с этими растениями на этом же участке произрастают бобовые, которые являются типичными концентраторами молибдена.

Рис. 2.5 Распределение концентрации (мг/кг) молибдена в отложениях речной сети в графстве Лимерик, Ирландия (по Дж. Уэббу и У. Аткинсону, 1965)

Типичные концентраторы могут образовывать эндемичные виды, которые нуждаются в большом количестве определенных химических элементов, и поэтому приурочены к участкам, сильно обогащенным этими элементами. Продукты выветривания ультраосновных пород выделяются повышенными концентрациями кобальта, никеля, меди, хрома. На таких породах развивается специфическая серпентиновая флора, в состав которой входят некоторые виды сосны, рододендрона, травянистые растения. Все они отличаются высоким содержанием указанных элементов. Наряду с металлофильной флорой, концентрирующей сразу несколько металлов, имеются растения с узкой геохимической специализацией.

Еще в XVII - XVIII вв. горняки Саксонии, добывавшие металлы в Рудных горах, передавали из поколения в поколение как профессиональный секрет сведения о том, что некоторые растения указывают на близость руд. Так, известны растения, сигнализирующие о рудах цинка. Это так называемая галмейная флора. Ее наиболее распространенные представители - галмейная фиалка (Viola lutea, var. calaminaria), галмейная ярутка (Thlaspi calaminare). В их золе содержится 13 - 21% оксида цинка, в 150 раз больше его среднего содержания в растительности суши. Эндемичные виды, которым необходима высокая концентрация олова, образуют оловянную флору (Trietaris europaea, Gnaphalliom snaveolens и др.). Первое из указанных растений произрастает только на отвалах старых оловянных рудников. В Кататанге (Республика Заир) на выходах медно-кобальтовых руд были обнаружены эндемики-кобальтофи-лы. В принадлежащему этой группе бурачке (Alyssum bertolini) обнаружено 7,86% никеля. Это в 100 раз больше среднего содержания никеля в растениях. Известны растения с очень высокой концентрацией меди. Таковы растущие на отвалах меднорудных разработок в Африке Cyanotis cuprtcola и Sopubitametallomm, "медные мхи" Dryoptodon atratos и Mieiich noferia в Швеции, качим (Gypsophilla patrinii) на Рудном Алтае.

У неадаптированных растений под влиянием высоких концентраций развиваются тератологические (уродливые) и угнетенные формы. По наблюдениям Н.С. Петруниной (1974), обычно поражаются около 10 - 20% экземпляров, но в некоторых случаях отмечалось до 50% и более. Угнетенные и уродливые формы не дают семян или образуют невсхожие семена. Морфологические изменения обнаруживаются и у адаптированных растений. У них генеративные органы развиваются нормально и последующие поколения могут сохранять приобретенные признаки.