Биогенная миграция
Биогенная миграция - одна из наиболее сложных форм миграции, обусловленная совокупной жизнедеятельностью живых организмов.
Роль живых организмов в процессах биосферы хорошо характеризует закон биогенной миграции атомов В.И. Вернадского (по А.И. Перельману): «Миграция химических элементов в биосфере осуществляется или при непосредственном участии живого вещества (биогенная миграция), или же она протекает в среде, геохимические особенности которой обусловлены живым веществом, как тем, которое в настоящее время населяет данную систему, так и тем, которое действовало в биосфере в течение геологической истории».
Живое вещество активно влияет на геохимическую среду, дифференциацию, отток и задержание химических элементов через пищевые цепи, метаболиты, постмортальные остатки. Растительные и животные организмы удерживают в своих тканях миллиарды тонн минеральных веществ. чем больше биогенное значение химических элементов, тем лучше они защищены от прямого выноса грунтовыми и речными водами. Поэтому элементы с высокой степенью биогенности (C, Ca, K, S, P, N) обладают меньшей миграционной способностью, чем элементы, не играющие существенной роли в химическом составе живого вещества (Cl, Mg). Химические элементы малой биогенности легко отбрасываются или мало захватываются, выносятся далеко за пределы ареала своего образования, участвуют в процессах соленакопления (карбонаты, бикарбонаты, сульфаты и хлориды натрия и магния).
По Вернадскому, работа живого вещества в биосфере может проявляться в двух основных формах:
а) химической (биохимической) – I род геологической деятельности;
б) механической – II род такой деятельности.
Геологическая деятельность I рода – построение тела организмов и переваривание пищи – конечно, является более значительной. Классическим стало функциональное определение жизни, данное Ф. Энгельсом: «жизнь есть способ существования белковых тел, существенным моментом которого является постоянный обмен веществ с окружающей их внешней природой, причем с прекращением этого обмена веществ прекращается и жизнь».
Сейчас появилась возможность вычислить скорость этого обмена. Так, по данным Л.Н. Тюрюканова, в пшенице, например, полная смена атомов происходит для фосфора за 15 суток, а для кальция – в 10 раз быстрее. По подсчетам биолога П.Б. Гофмана-Кадошникова, в течение жизни человека через его тело проходит 75 т воды, 17 т углеродов, 2,5 т белков, 1,3 т жиров. Между тем по геохимическому эффекту своей физиологической деятельности человек далеко не самый важный вид разнородного живого вещества биосферы. Геохимический эффект физиологической деятельности организмов обратно пропорционален их размерам, и наиболее значимой оказывается деятельность прокариотов – бактерий и цианобактерий.
Большое значение имеет также количество пропускаемого через организм вещества. В этом отношении максимальный геохимический эффект на суше имеют грунтоеды, а в океане – илоеды и фильтраторы. Еще Ч. Дарвин подсчитал, что слой экскрементов, выделяемых дождевыми червями на плодородных почвах Англии, составляет около 5 мм в год. Таким образом, почвенный пласт мощностью в 1 м дождевые черви полностью пропускают через свой кишечник за 200 лет. В океане с дождевыми червями по «пропускной способности» могут конкурировать их близкие родственники, представители того же типа кольчатых червей – полихеты, а также ракообразные. Достаточно 40 экземпляров полихет на 1 м2, чтобы поверхностный слой донных осадков мощностью в 20 – 30 см ежегодно проходил через их кишечник. Субстрат при этом существенно обогащается кальцием, железом, магнием, калием и фосфором по сравнению с исходными илами.
Копролиты (ископаемые остатки экскрементов) известны в геологических отложениях, однако, большинство их при геологических описаниях не учитывается. Происходит это из-за слабой изученности вопроса и из-за отсутствия диагностических признаков для определения копролитов. Между тем в донных отложениях современных водоемов фекальные комочки беспозвоночных распространены очень широко и нередко являются основной частью осадка. В южной Атлантике, например, илы почти нацело слагаются фекалиями планктонных ракообразных, а по берегам Северного моря донные осадки, образованные фекалиями мидий, имеют мощность до 8 м.
Биогенная миграция атомов II рода – механическая – отчетливо проявляется в наземных экосистемах с хорошо развитым почвенным покровом, позволяющим животным создавать глубокие укрытия (гнездовые камеры термитов, например, расположены на глубине 2 – 4 м от поверхности). Благодаря выбросам землероев, в верхние слои почвы попадают первичные невыветрившиеся минералы, которые, разлагаясь, вовлекаются в биологический круговорот. Недаром известный геолог Г.Ф. Мирчинк (1889 – 1942) называл сурка-тарбагана «лучшим геологом Забайкалья» – его норы окружены «коллекциями» горных пород, добытых с глубины нескольких метров.
Биогенная миграция атомов II рода распространена не только в наземных, но и в морских экосистемах, и здесь ее роль, может быть, еще более значительна. И на дне моря организмы строят себе укрытия, причем не только в мягком, но и в скальном грунте. Олигохеты и полихеты углубляются в грунт на 40 см и более. Двустворчатые моллюски зарываются обычно неглубоко, но некоторые из них – солениды – роют норы, достигающие глубины нескольких метров.
В зоне прибоя и на перемываемом волнами песке сверлильщики осуществляют механическую работу по перемещению химических элементов, источая скальные породы.
К биогенной миграции II рода можно отнести и перемещение самого живого вещества. Сюда относятся сезонные перелеты птиц, перемещения животных в поисках корма, массовые миграции животных. Естественно, что все эти разнообразные формы движения живого вызывают и транспортировку абиогенного вещества.
Одним из главных процессов – миграции атомов при участии живого вещества является биотический круговорот вещества и/или биогеохимические циклы отдельных химических элементов. Термин «биогеохимические циклы» был впервые введен В.И. Вернадским в начале 20 века.
Биогеохимический цикл – круговорот химических элементов (или веществ) из неорганической среды через растительные и животные организмы обратно в неорганическую среду с использованием солнечной энергии или энергии химических реакций.
В биогеохимический круговорот вовлечены все вещества и все химические элементы на планете.
Выдвигают два основных круговорота: большой (геологический) и малый (биотический).
Большой круговорот заключается в том, что горные породы подвергаются разрушению, выветриванию, а продукты выветривания, в том числе и растворенные в воде вещества, сносятся потоками воды в Мировой океан. Здесь они образуют осадки, морские напластования. Крупные медленные геотектонические изменения, опускание материков и поднятие морского дна, перемещение морей и океанов в течение длительного времени приводят к тому, что накопленные на дне морей и океанов вещества снова возвращаются на сушу (литосферу). Он происходит в течение сотен тысяч или миллионов лет.
В основе малого круговорота лежат процессы синтеза и разрушения органических соединений. Малый круговорот, являясь частью большого, состоит в том, что питательные вещества аккумулируются в веществе растений, расходуются на построение тканей растений, входят в состав органических веществ, обеспечивают жизнедеятельность самих растений, а также организмов-консументов. Продукты распада веществ (после гибели растений, животных, продукты их жизнедеятельности) попадают в распоряжение почвенной и водной микрофлоры и вновь вовлекаются в поток вещества (и энергии).
Биотический круговорот (БИК) характеризуется емкостью и скоростью круговорота.
Емкость БИК – максимальное количество химических элементов ландшафта, находящихся в составе живого вещества (его общая масса).
Скорость БИК – максимальное количество химических элементов ландшафта в составе живого вещества, образующегося и разлагающегося в единицу времени.
Обязательными параметрами для изучения биогеохимических циклов в природе являются следующие показатели:
1. Биомасса и ее фактический прирост (фито-, зоо-, микробная масса отдельно).
2. Органический опад (количество, состав).
3. Органическое вещество почвы (гумус, неразложившиеся органические остатки).
4. Элементный вещественный состав почв, вод, воздуха, осадков, фракций биомассы.
5. Наземные и подземные запасы биогенной энергии.
6. Прижизненные метаболиты.
7. Число видов, численность, состав.
8. Продолжительность жизни видов, динамика и ритмика жизни популяций и почв.
9. Эколого-метеорологическая обстановка среды: фон и оценка вмешательства человека.
10. Охват точками наблюдений водораздела, склонов, террас, долин рек, озер.
11. Количество загрязнителей, их химические, физические, биологические свойства (особенно СО, СО2, SO2, Р, NO3, NH3, Hg, Pb, Cd, H2S, углеводороды).
Полный цикл биологического круговорота (по Л. Родину и Н. Базилевич, 1965):
1. Поглощение поверхностью растений из атмосферы углерода, а корневой системой из почвы – азот, воду, минеральные вещества, закрепление их в телах растений, освобождение и поступление в почву с отмершими растениями, разложением опада.
2. Отчуждение частей растений растительноядными животными, превращение в их телах в органические соединения, закрепление части орг. соединений в их телах, поступление в почву с экскрементами, трупами, разложение.
3. Газообмен между поверхностью растений и атмосферой, между корневой системой и почвенным воздухом.
4. Прижизненные выделения надземными органами растений и в особенности корневыми системами части элементов в почву.
2. Индекс биогеохимического круговорота: