Имя материала: Основы биогеохимии

Автор: В.В.ДОБРОВОЛЬСКИЙ

2.1. состав живого вещества

 

Уже в конце XVIII в. стало ясно, что в составе живых организмов преобладают химические элементы, образующие на поверхности Земли пары и газы: кислород, углерод, водород, азот. Действительно, все организмы в основном состоят из воды и органического вещества. В то же время в любом организме обязательно присутствует некоторое количество химических элементов, которые при полном разрушении организма (испарении воды и сгорании органического вещества до углекислого газа) образуют минеральный остаток (золу). Исходным источником минеральных веществ является земная кора. Сумма зольных элементов живого вещества есть сложный итог его взаимодействия с земной корой, наиболее активно происходящего в почве (педосфере). Поэтому детальное изучение зольных элементов в организмах имеет столь же важное значение, как и определение главных элементов.

Выявление состава любого организма, а тем более расчет среднего состава всего живого вещества представляет сложную задачу по многим причинам. Прежде всего необходимо учитывать, что содержание основного компонента живых организмов — воды — варьирует в широких пределах. Например, в планктоне более 99 \% слабосвязанной воды, а в стволах деревьев — около 60 \%. Для того чтобы исключить влияние сильно варьирующих количеств воды и привести данные о содержании химических элементов к выражению, удобному для сравнения, применяется расчет содержания элементов на абсолютно сухое органическое вещество, т. е. высушенное до постоянной массы при температуре 102— 105 °С. В этом случае получаются значения содержания элементов не в реальных живых организмах, а в их условной сухой биомассе.

В обезвоженном, высушенном до постоянной массы органическом веществе углерод составляет немногим менее половины, другими главными компонентами являются кислород, водород и азот. Первичное органическое вещество биоса Земли образуется преимущественно в результате фотосинтеза из углекислого газа и воды, причем молекулы последней расщепляются. Атомы водорода входят в структуру органического вещества, а кислород выделяется как метаболит. Если не только избавиться от воды в организме, но и сжечь сухое органическое вещество, то будут удалены четыре главных элемента и останется сумма так называемых минеральных веществ, входящих в состав организма, — зола. В золе можно более точно выяснить соотношение остальных (несколько десятков) химических элементов, находящихся в органах и тканях живого организма. Знать относительное содержание химических элементов в золе наземных растений необходимо для сопоставления их с концентрацией элементов в минеральном субстрате, на котором они произрастают и из которого получают зольные элементы.

На основании изложенного понятно, что может быть три варианта выражения химического состава любого биологического объекта и глобального живого вещества. Относительное содержание химических элементов можно рассчитать, во-первых, на живое (сырое) вещество организмов, во-вторых, на их сухую биомассу и, в-третьих, на золу, т. е. на сумму минеральных веществ. Каждый из трех вариантов расчета используется для решения конкретных задач.

Определение кларков живого вещества затрудняется сильным колебанием концентрации химических элементов в индивидуальных организмах. Концентрация меняется в зависимости от систематического положения, среды обитания, стадии развития организма. Даже в одном организме концентрация одного и того же элемента в разных тканях и органах неодинакова.

Следует отметить, что массы разных групп организмов отличаются намного больше, чем концентрации элементов в различных организмах. Этот факт весьма важен, так как значение кларка элемента в живом веществе Мировой суши зависит не столько от его концентрации во всех организмах, сколько от концентрации в тех, которые составляют преобладающую часть массы живого вещества.

Благодаря усилиям ученых разных стран установлено, что доминирующую часть массы живого вещества Мировой суши и всей планеты образуют высшие растения. Масса живого вещества океана в несколько сотен раз меньше. Масса наземных животных составляет около 1 \% от фитомассы. По этой причине состав растительности суши обусловливает состав всего живого вещества Земли

Учитывая преобладание высших растений, можно считать, что в живой (сырой) биомассе Мировой суши содержится: 60 \% воды, 38 \% органического вещества, 2 \% зольных элементов (Романке-вич Е. А , 1988). При пересчете на абсолютно сухую биомассу органическое вещество составляет 95 \%, зольные элементы — 5 \%.

Данные о среднем составе органического вещества суши (за исключением 5 \% зольных элементов) приведены в табл. 2.1. Результаты исследований указывают, что на соотношение химических элементов сильно влияет преобладание углеводов и лигнина. Предполагается, что в органическом веществе фитомассы континентов углеводы составляют немногим более 60, лигнин — около 30, липиды и белки примерно по 5 \%.

Таблица 21

Средний состав органического вещества растительности суши

(после исключения зольных элементов), \%

 

 

Биомасса и ее главные компоненты

Химический элемент

С

Н

О

N

Растения суши*

54

6

37

2,8

Биомасса суши**

48

7

41

2,0

Углеводы

40

7

50

1,5

Лигнин

62

6

30

1,0

Липиды

70

10

18

-0,5

Белки

50

7

23

16,0

 

* По А.П. Виноградову, 1967

** По Е.А. Романкевичу, 1988

 

В табл. 2.2 обобщены расчеты относительного содержания главных химических элементов в фитомассе суши. Для сравнения приведены аналогичные данные для зоомассы, которые менее обоснованы. Несмотря на некоторые различия, данные X. Боуэна и Е.А. Романкевича о составе фитомассы могут рассматриваться в качестве кларков живого вещества Мировой суши и Земли.

Таблица 22

Относительное содержание химических элементов в живом веществе Мировой суши, \%

 

 

Химический элемент

Растения

Животные

Сырая масса (А П Виноградов, 1954)

Пересчет на сухое вещество

Сухое вещество (X Боуэн, 1966)

Пересчет на золу

Сухое вещество (Е А Романке-вич, 1988)

Пересчет на золу

Сухое вещество (X Боуэн, 1966)

Сухое вещество (Е А Романке-вич, 1988)

1

2

3

4

5

6

7

8

9

С

18,00

45,00

45,40

_

46,30

46,50

51,0

О

70,00

45,40

41,00

39,60

18,60

26,8

Н

10,50

5,75

5,50

6,70

7,00

7,4

N

0,30

0,75

0,30

1,90

10,00

9,8

S

0,05

0,13

0,34

6,8

0,48

1,2

0,50

0,5

Р

0,06

0,175

0,23

4,6

0,20

4,7

1,70-4,40

Са

0,50

1,25

1,80

36,0

1,50

35,1

0,02-8,5

К

0,30

0,75

1,40

28,0

1,10

25,7

0,74

Mg

0,04

0,10

0,32

6,4

0,32

7,5

0,10

Na

0,02

0,05

0,12

2,4

0,12

2,8

0,40

 

 

                                                                                                                Окончание табл. 2.2

 

1

2

3

4

5

6

7

8

9

Cl

0,02

0,05

0,20

4,0

0,20

4,7

0,28

Si

0,20

0,50

0,50

10,0

0,30

7,0

0,012-0,60

Al

0,005

0,013

0,05

1,0

0,03

0,7

0,004—0,01

Fe

0,10

0,025

0,014

0,4

0,02

0,5

0,016

Сумма

99,70

99,84

99,87

99,5

98,77

99,9

 

 

Завершая обзор основных черт химического состава живого вещества Земли, необходимо отметить следующее: при всей уникальности живого вещества как феномена нашей планеты существуют факты, свидетельствующие о его связях с Космосом. Это проявляется как в структурной организации (проявления диссим-метрии), так и в составе. При сравнении распространенности атомов химических элементов А.Дельсемм (1981) обнаружил близость соотношения атомов в составе микроорганизмов, с одной стороны, и в межзвездном газе и газовом веществе комет — с другой. Наши расчеты показали, что такое сходство существует и для живого вещества Земли в целом (табл. 2.3). Конечно, распространенность атомов нужно рассчитывать в реально существующей живой (сырой) биомассе, а не в условной форме сухого органического вещества. В качестве исходных были использованы данные А. П. Виноградова о сырой массе живого вещества (см. табл. 2.2). Распространенность атомов нормирована по отношению к 1000 атомам кремния.

Таблица 2.3

Распространенность атомов главных химических

элементов живого вещества

 

 

Химический элемент

Распространенность, атомные \%

в космосе в целом (А. Камерон, 1973)

в летучей фракции комет (А.Дельсемм, 1981)

в живом веществе Земли

Н

76,50

56,0

63,3

О

0,82

31,0

26,6'

С

0,34

10,0

8,9

N

0,12

2,7

1,2

S

0,0015

0,3

0,01

 

Относительное содержание химических элементов не дает представления о количестве элементов, содержащихся в живом веществе суши. Для этого необходимо установить массу живого вещества и на этой основе определить массы отдельных элементов. Как отмечено выше, подавляющую часть массы живого вещества суши составляют растения, преимущественно высшие.

Согласно данным Н. И. Базилевич и Л. Е. Родина (1967, 1974), О.П.Добродеева и И.А.Суетовой (1976) естественная фитомас-са континентов до активного воздействия человека составляла 6,25×1012 т, в пересчете на 40 \% сухого вещества — 2,5×1012 т. В этой массе содержалось при 5 \%-й зольности 0,125×1012 т зольных элементов. В настоящее время под воздействием хозяйственной деятельности людей фитомасса сократилась не менее чем на 25 \% и, следовательно, составляет около 1,88×1012 т сухого вещества, в котором содержится 94×109 т зольных элементов, 865×109 т углерода и 36×109 т азота. Массы других элементов оцениваются в соответствии с их кларками по Е.А. Романкевичу (1988) следующими значениями:

 

Химический элемент                                                                        Масса, 109 т

S...........................

Страница: | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 | 11 | 12 | 13 | 14 | 15 | 16 | 17 | 18 | 19 | 20 | 21 | 22 | 23 | 24 | 25 | 26 | 27 | 28 | 29 | 30 | 31 | 32 | 33 | 34 | 35 | 36 | 37 | 38 | 39 | 40 | 41 | 42 | 43 | 44 | 45 | 46 | 47 | 48 | 49 | 50 | 51 | 52 | 53 | 54 | 55 | 56 | 57 | 58 | 59 | 60 | 61 | 62 | 63 | 64 | 65 | 66 | 67 | 68 | 69 | 70 | 71 | 72 | 73 | 74 | 75 | 76 | 77 | 78 | 79 | 80 | 81 | 82 |