Несолевые растворенные вещества

Из газов, растворенных в воде, наиболее распространены кислород, углекислый газ и азот. Их количество зависит от ряда физических и биологических факторов. Один из факторов, определяющих растворимость газа в воде — температура. Как вы узнаете из четвертой главы, холодная вода может содержать больше растворенного газа, чем теплая. Активность метаболизма растений и животных также сильно влияет на количество и состав растворенных газов.

Растения в процессе фотосинтеза поглощают углекислый газ и выделяют кислород, в то время как животные в процессе дыхания используют кислород и выделяют углекислый газ.

Хотя большую часть растворенных в морской воде твердых веществ составляют морские соли — неорганические вещества - есть и органические вещества или такие, которые активно взаимодействуют с организмами. Эти элементы необходимы для жизни и отличаются от солей в нескольких аспектах.

Первое отличие в том, что принцип постоянной пропорции (неизменность соотношения разных солей в морской воде) к этим веществам не применим. Количество этих веществ в воде переменно, и их соотношение меняется.

Эти изменения связаны с биологической и геологической активностью и не зависят от солености. Например, некоторые органические вещества могут присутствовать в небольших количествах в сообществах с высокой биологической активностью. В других районах те же вещества могут быть в переизбытке из-за загрязнения или выброса минеральных вод из-под земли.

Вся жизнь на Земле зависит от веществ, поступающих из неживой природы. Постоянный круговорот элементов между организмами (биологическая форма) и неживой природой (геологическая форма) называется биогеохимическим циклом.

Биогенные вещества.Кроме газов, используемых для дыхания и фотосинтеза, живым организмам для существования необходимы питательные элементы, называемые биогенными. Основные биогенные элементы, встречающиеся в морской воде, - это углерод, азот, фосфор, кремний, железо и еще несколько металлов. Когда водный организм погибает, сто останки (то, что не пожирают падальщики) тонут и в конце концов опускаются на дно ниже фотической зоны. Бактерии и другие организмы разлагают органический материал, лежащий на морском дне. В результате разложения образуются неорганические биогенные вещества. Апвеллинг (подъем вод из глубины к поверхности) — одна из сил, возвращающих неорганические биогены в мелководную зону. Попав в освещенную зону, неорганические биогены захватываются растениями и возвращаются в пищевую цепь.

Не все элементы и вещества циркулируют с одинаковой скоростью. Одни перемещаются быстро, другие выпадают из цикла и могут задерживаться на морском дне на долгое время. Биогеохимические циклы разных веществ накладывают отпечаток на жизнь и распределение организмов в море.

Распределение биогенов отчасти зависит от глубины: в то время как растения поглощают неорганические биогены только в мелководной (освещенной) зоне, продукты жизнедеятельности животных и их останки присутствуют в океане на всех глубинах. Следовательно, биогены расходуются в мелководной зоне и запасаются на глубине.

Кислород же, напротив, расходуется на глубине и запасается на мелководье. В целом весь биологический цикл можно описать так: первичное производство растительного материала, потребление этого материала водными животными, и, в конечном итоге, выделение животными отходов жизнедеятельности, то есть высвобождение биогенных веществ.

Углерод.Углерод - основной строительный материал всех живых организмов. Его способность образовывать химические связи и сложные молекулы не имеет аналогов. Эти свойства углерода настолько выделяют его из других элементов, что большинство биологов полагают: жизнь не могла бы возникнуть на основе какого-либо другого элемента. Иными словами, нет углерода - нет жизни. Почти все органические молекулы содержат один или несколько атомов углерода. В водных экосистемах углерод присутствует в разных формах.

Некоторые минералы, например, известняк, служат естественным источником углерода. По мере того, как вода размывает известняковые отложения, соединения углерода попадают в океан. Растворенные органические соединения углерода поступают в воду вместе с продуктами жизнедеятельности морских обитателей и в процессе разложения органических останков. Органические соединения углерода переносятся океанскими течениями, но большая часть этих соединений опускается на глубину, где разлагается бактериями до неорганических соединений. В результате соединения углерода и других биогенов накапливаются в донных отложениях. Данный процесс иногда называют «биологическим насосом». Он играет ключевую роль в глобальном цикле углерода. Этот «насос» перекачивает углерод из атмосферы в глубину океана, где гот накапливается и остается на века. Ученые полагают, что этим объясняется 75% разницы между концентрацией соединений углерода у поверхности и в глубине океана.

Соединения углерода присутствуют в воздухе и в воде, а также входят в состав минералов. В воздухе углерод присутствует в форме двуокиси углерода (углекислого газа) - продукта дыхания. Углекислый газ попадает в атмосферу также благодаря вулканической активности и пожарам, особенно лесным пожарам. Человек увеличил поступление углекислого газа в атмосферу, сжигая ископаемое топливо. Углерод присутствует в горючих полезных ископаемых, поскольку они имеют органическое происхождение. На протяжении многих тысячелетий останки животных и растений постепенно захоранивались под слоем осадочного материала, и углерод, входящий в состав их организмов, со временем превратился в горючие вещества. Сжигание топлива приводит к образованию углекислого газа и выброс)' его в атмосферу. До индустриальной революции содержание углекислого газа в атмосфере, по оценкам, составляло 0,028%. Сегодня этот показатель достиг примерно 0,0365% и продолжает быстро увеличиваться. Углекислый газ обладает парниковым эффектом, и многие ученые называют его основным виновником повышения температуры на Земле — гак называемого глобального потепления.

Чтобы углерод стал доступен гетеротрофам (организмам, которые используют для питания готовые органические соединения растительного или животного происхождения), он должен входить в состав органических молекул. Растения, прокариоты, водоросли и другие содержащие хлорофилл автотрофы (организмы, которые сами синтезируют органические вещества из неорганических, используя внешний источник энергии) в процессе фотосинтеза превращают углекислый газ в углеводы.

Фотосинтезирующие организмы используют энергию света, чтобы перевести углерод из неорганической формы (углекислый газ) в органическую. В результате синтезируются углеводы - молекулы с большим количеством запасенной химической энергии. Фотосинтез возвращает углерод в биосферу, превращая его в более сложные химические соединения. Получается, что в ходе этого процесса солнечная энергия прямо или опосредовано питает практически всю жизнь на Земле. Без фотосинтеза, жизнь - такая, как мы се знаем, - была бы невозможна. Движение углерода между биосферой и неживой природой называется круговоротом углерода.

Азот на земле

Азот - еще один элемент, необходимый для жизни. Азот входит в состав белков, хлорофилла и нуклеиновых кислот. Азот составляет 78% воздуха и 48% газов, растворенных в воде. Однако газообразный азот не может быть напрямую использован животными или растениями. Он должен быть преобразован в другие химические вещества. Только специфические бактерии, называемые азотфиксирующими, могут захватывать атмосферный азот и превращать его в нитраты (N03-), нитриты (N02-) и ноны аммония (NH4+).

Эти бактерии поглощают атмосферный азот и включают его в состав своих клеток в виде белков. Азот проходит по пищевой цепи и возвращается в почву после смерти организма. На этой стадии сложные соединения азота распадаются до аммония. Растения поглощают часть аммония, а оставшаяся часть растворяется в воде или остается в почве. Микроорганизмы окисляют аммоний до нитритов и нитратов (нитрификация). Нитраты из разлагающихся остатков могут быть захоронены на морском дне или подвергнуться денитрификации и превратиться в газообразный азот.

Важный момент, иллюстрирующий связь между наземными и водными экосистемами: хотя морские организмы нуждаются в соединениях азота, считается, что фиксации азота в море практически не происходит. Азотфиксирующие бактерии синтезируют азотсодержащие вещества в наземных экосистемах, а затем эти вещества попадают в океан с поверхностными стоками, пометом птиц и другими способами.

Кислород.Большинству организмов (но не всем) для дыхания нужен кислород. Дыхание - процесс окисления углеводов с выделением энергии, используемой для жизненных функций. Кислород — очень активный элемент (он легко соединяется с другими веществами), что принципиально важно для данной реакции. Даже автотрофы, выделяющие кислород при фотосинтезе, используют этот газ в процессе дыхания.

Основная часть растворенного в воде кислорода — это побочный продукт фотосинтеза. Также небольшое количество кислорода поступает в воду из атмосферы. В результате поверхностные слои Мирового океана богаты кислородом, а глубины обычно бедны, что свидетельствует о ключевой роли растений в распределении кислорода. На больших глубинах для фотосинтеза недостаточно света, поэтому здесь меньше кислорода и живых организмов.

Фосфор и кремний.Фосфор — еще один элемент, принципиально важный для жизни, так как он используется в цикле АТФ/АДВ - процессе преобразования химической энергии ч форму, пригодную для использования организмом. Фосфор также входит в состав ДНК и других нуклеиновых кислот - молекул, ответственных за передачу наследственной информации от родителей к детям. Фосфор вместе с карбонатом кальция является основой костей и зубов.

В морских экосистемах раковины и скелеты некоторых микроорганизмов (диатомовых и радиолярий) состоит из кремния. В телах этих организмов кремний присутствует в виде гидроокиси кремния, часто называемой кремнеземом. Большая часть песка состоит из кремнезема, поскольку он входит в состав многих минералов и очень трудно разрушается. Фосфор и кремний легко переходят в форму фосфатов и кремнезема, доступных для поглощения бактериями и фитопланктоном. Но когда они входят в состав скелетов и раковинок, цикл может очень сильно удлиняться, потому что после смерти организма его останки опускаются на большую глубину. Оказавшись в составе морских донных отложений, эти элементы могут очень надолго выпадать из цикла, прежде чем они вернутся к поверхности и снова станут доступны для других организмов.

Железо и микроэлементы.Железо и еще несколько металлов попадают под определение микроэлементов. Микроэлементы необходимы для жизни, но в очень малых количествах. Живые организмы включают железо в состав специализированных протеинов и ферментов, например, гемоглобина (подробнее о гемоглобине мы расскажем в пятой главе). Растениям железо необходимо для синтеза хлорофилла, хотя оно и не является частью молекулы хлорофилла. В состав ферментов помимо железа также входят цинк, магний и медь.

Железо необходимо для жизни водных организмов, особенно фитопланктона, и является одним из самых распространенных металлов на Земле. Однако в воде его очень немного, потому что соединения железа малорастворимы. То немногое количество, которое растворено в воде, быстро реагирует с другими веществами, образуя нерастворимые частицы, и опускается на дно.

Ученые обнаружили, что в некоторых районах океана недостаток железа ограничивает продуктивность фитопланктона. Поэтому, теоретически, поступление большого количества железа в морскую воду (в планетарном масштабе) запустит массовое развитие фитопланктона, что приведет к поглощению углекислого газа из атмосферы. Это может помочь в борьбе с глобальным потеплением, которое, как считается, вызвано увеличивающимся количеством углекислого газа, поступающего в атмосферу при сжигании ископаемого топлива.

Если бы это весьма спорное предложение решили осуществить, то, скорее всего, это сделали бы в южном полушарии. Как вы знаете, площадь суши в этом полушарии меньше, чем в северном. Так как соединения железа поступают в океан именно с суши - с речным стоком и ветрами, несущими пыль - то в южном полушарии в океанах меньше железа. Содержание других биогенных веществ в морях южного полушария велико, а причиной, ограничивающей развитие фитопланктона, иногда является недостаток железа. Следовательно, увеличение содержания железа должно вызвать пропорциональный рост количества фитопланктона.





Дата добавления: 2020-04-28; просмотров: 179;


Поделитесь с друзьями:

Вы узнали что-то новое, можете расказать об этом друзьям через соц. сети.

Поиск по сайту:

Введите нужный запрос и Знаток покажет, что у него есть.
Znatock.org - Знаток.Орг - 2017-2021 год. Материал предоставляется для ознакомительных и учебных целей. | Обратная связь
Генерация страницы за: 0.007 сек.