Понятие биогенной миграции

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, H2
S, 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:

Индекс БГХК =

где Sб
– суммаэлементов (или количество одного элемента) в годовом приросте биомассы;

Sx
- сумма этих же элементов (или одного элемента), выносимых водами рек данного бассейна (или части бассейна).

3. Интенсив­ность (индекс интенсивности кругооборота)
(Н. И. Базилевич, Л. Е. Родин,1964) - характеризует разложение опада и длительность сохранения под­стилки в условиях данного биогеоценоза:

4. Средняя продолжительность общего цикла синтеза
(В. А. Ковда, 1966) - отношение учтенной фитобиомассы к годичному фотосинтетическому приросту фитомассы.

5. Коэффициент био­логического поглощения (КБП):

Круговорот углерода