Біологічний круговорот хімічних елементів

 

Жива речовина постійно перебуває в стані самовідновлення, життя циклічне по самій своїй природі. Така циклічність особливо виражена динамікою вищих рослин, що утворюють основну масу живої речовини. Щорічне відмирання і відновлення рослинності супроводжується циклічною міграцією величезних мас хімічних елементів. Найбільш важливою стороною геохімічної діяльності рослин є синтез органічної речовини і унаслідок цього перерозподіл газів на поверхні Землі. Одночасно в міграцію утягуються хімічні елементи з ґрунту, які утворюють золу.

Циклічна міграція зольних елементів у системі ґрунт-рослина називається біологічним круговоротом (Ю.Лібіх).

Річний приріст відновленого рослинного покриву Світовий суші дорівнює

~ 172 ∙ т сухої органічної речовини. Виходячи з цього можна визначити кількість головних елементів, щорічно захоплюваних наземною рослинністю. Загальна маса зольних елементів, що залучається щорічно в біологічний круговорот на суші ~ 8 млрд. т, що в кілька разів перевищує іонний стік континентів або продуктів виверження усіх вулканів. Біологічний круговорот на суші Са і К перевищує 1 млрд. тонн кожного; Si, P, S, Mg, Na, Cl - це сотні млрд. т щорічно.

Дані про розсіяні елементи в рослинах стосуються щорічно відтворюваних і відмираючих організмів. Через розбіжності в методиках досліджень такі дані важко узагальнювати, але знання про середні орієнтовні значення вмісту розсіяних елементів у прирості рослинності Світової суші можуть застосовуватися для теоретичних та еколого-біохімічних прогнозів. У той же час рослинність поглинає розсіяні елементи не пропорційно їх вмісту в земній корі.

«Геохімічний добір» елементів рослинністю суші обумовлений низкою факторів. Один з найважливіших - здатність до утворення стійких комплексних сполук з органічними лігандами. Вибірна акумуляція певних розсіяних елементів у рослинних клітинах відбувається завдяки комплексоутворенню.

Спостерігається нагромадження мікроелементів не клітиною взагалі, а певними її структурами, тому навіть усередині клітини зміни концентрацій мікроелементів неоднорідні.

В першому випадку - це ті елементи, які концентруються рослинами і їх вміст у золі вище, ніж у земній корі, тоді К_б > 1. Особливо активно захоплюються B, Br, I, Zn, Ag, тут К_б > 10. Для низки елементів цей показник у межах К_б > 1-10; наприклад Cu, Mo, Mn, Sr, Pb, Co, Ni та ін., їх фізіологічна роль встановлена. Але разом з тим рослини активно поглинають елементи, які є отруйними для тварин навіть у невеликих дозах: Hg, Se, As та ін. - але це не знаходить ще свого пояснення.

В другому випадку - це елементи з низькою інтенсивністю поглинання, де

К_б < 1. Частина з них токсична, а інші перебувають у важкодоступній для рослин формі (Ga, Zv, Ti, La, Y).

Необхідно зазначити, що інтенсивність біологічного поглинання елементів не залежить від їх вмісту в земній корі. Вона змінюється, як у зональних типах рослинності, так і вертикально - від висоти місцевості.

Однак є граничні рівні концентрації мікроелементів, після чого вони починають гнітити життєдіяльність рослин. Їх називають фізіологічним бар'єром поглинання. У рослин виділяють: бар'єрний і безбар'єрний типи поглинання. Обмежене поглинання, характерне переважно для зелених частин, що відпадають, і репродуктивних органів рослин, а необмежене - для коріння, вузлів стебел злаків, кори, іноді, деревини стовбурів.

Отже, концентрація мікроелементів в рослинах залежить від великої кількості незалежних факторів: вміст елементів в грунтоутворюючих породах, їх мінералогічної будови, типу ґрунту, рельєфу та розташування рівня ґрунтових вод, морфологічних особливостей рослин, особливостей їх вегетації тощо. Тому розподіл концентрацій у зразках рослинності визначається статистичними законами (найчастіше – логнормальний розподіл).

Розвиток організмів на суші відбувався в умовах неоднакової концентрації важких металів і близьких їм полівалентних елементів в процесі освоєння організмами Світової суші безсумнівно стимулював мінливість організмів. Можливо, це виявилося одним з чинників прискорення еволюції організмів протягом останніх 0,5 млрд. років. Цей висновок випливає з дослідження геохімії земної кори, відзначено, що однією з її особливостей є нерівномірність розподілу концентрацій хімічних елементів. Якнайбільше ця нерівномірність виражена для розсіяних елементів, вона досить стала в масштабах історичного часу, що і привело до вироблення адаптацій.

Інша ситуація виникає при швидкому підвищенні концентрації металів в наслідок господарської діяльності людей, до чого організми не адаптовані. За таких умов при порівняно невеликих змінах концентрацій починаються внутрішньопопуляційні зміни, подальше зростання концентрацій призводить до зникнення окремих видів і більшому або меншому обмеженню видової розмаїтості. При дуже високій концентрації відбувається загибель більшої частини організмів. Тому вивчення реакції організмів на зростання концентрації важких металів і близьких їм елементів зі змінною валентністю, а також ретельний контроль за станом видової розмаїтості організмів є важливим завданням як екологів, так і біогеохіміків.