osnovy_geokhimii

семенах и в клетках коры деревьев в зимнее время (береза, липа и др.). При прорастании масличных семян и весной в коре деревьев жиры превращаются в углеводы.

Липиды содержатся в каждой клетке живых организмов. Они представлены жирами и жироподобными веществами – стероидами, воском, фосфоролипидами, которые выполняют структурные, энергетические, защитные функции, а также роль запасных питательных веществ.

Липиды, как и углеводы, состоят из С, Н, О, но соотношение между ними не подчиняется какой-либо закономерности. В составе молекулы липидов обязателен радикал СООН, например С2Н7СООН, С17Н31СООН. Липиды могут входить в состав сложных белков или углеводов. Свободные липиды в живых клетках делятся на протоплазматические (конституционные участвуют в построении клетки) и запасные (резервные, т. е. энергетические). Запасные жиры характерны для человека и животных.

Растительные жиры состоят преимущественно из ненасыщенных жирных кислот (95 % от общего количества жира). К ним относятся жирные кислоты в жидком состоянии: олеиновая, линоленовая, арахидоновая, нервоновая, гидроксинервоновая. К насыщенным жирным кислотам, имеющим твердую консистенцию, относятся масляная, лауриновая, пальмитиновая, стеариновая, лигноцериновая. Эти кислоты входят в состав растительных жиров. Ненасыщенные жирные кислоты в большем количестве накапливаются в растениях умеренного и холодного пояса, предохраняя их от низких температур, а насыщенные жирные кислоты – в растениях тропического пояса.

В живых организмах содержится более 800 разнообразных жирных кислот, из которых в организме человека доминируют только 20 жирных кислот. Поэтому другие жирные кислоты растительного происхождения выделяются из организма в качестве биологического мусора или циркулируют в межклеточной среде и осаждаются на стенках сосудов, приводя к серии заболеваний – атеросклероза, диабета, ожирения, гипертонии, инфекции.

Ряд органических соединений (фенолы, алкалоиды, воск и др.) образуются только в растениях в ходе метаболизма веществ, а в животные организмы они поступают в процессе потребления растительной пищи.

Фенолы разнообразны по структуре, физиологической роли. Они принимают участие в процессах дыхания, роста, заживления механических повреждений, создают окраску (антоцианы) и относятся к ароматическим веществам. Среди фенольных соединений преобладают лигнин и дубильные вещества. Лигнином пропитаны одревесневшие стенки растительных клеток (в древесине хвойных деревьев содержится около 50 % лигнина). Лигнин с большим трудом разрушается микроорганизмами, отдельные части его молекул конденсируются , присоединяют аминогруппы, образуя стойкий почвенный гумус. Дубильные вещества (танниды) осаждают белки и

алкалоиды	из	разбавленных91растворов. В растениях тропических	и
экваториальных лесов дубильных веществ содержится больше, чем			в

растениях близкого вида растений умеренного пояса. По отношению к общему содержанию органических соединений в ели – 5 % дубильных веществ, в дубе – 15, в мангровых растениях – 48 %. Дубильные вещества выполняют антисептическую и вяжущую функции, снимают ожоговую боль, вместе с другими физиологически активными соединениями вырабатывают у растений иммунитет к противогрибковым заболеваниям.

Алкалоиды (кофеин, никотин, колхицин и др.) относятся к соединениям вторичного белкового метаболизма. Известно более 5000 алкалоидов. По составу они не представляют химически однородной группы, поэтому воздействие их на живые организмы различно. Среди них выделяют наркотические, кардиоактивные, стимуляторы дыхания, сокращения гладкой мускулатуры и др. При значительном разнообразии алкалоиды имеют общее свойство – в клеточном соке они присутствуют в виде солей органических кислот, выступая при этом в роли оснований. Алкалоиды более характерны для некоторых семейств двудольных (пасленовых, лютиковых, маковых и др.).

Воска (ланолин, спермацет, пчелиный воск и др.) состоят из сложных эфиров высших спиртов и жирных кислот с большим числом углеродных атомов. Они обеспечивают устойчивость и эластичность тканей, выполняют защитную функцию, концентрируясь во внешней оболочке (кожуре) плодов.

Таким образом, основу жизни составляют соединения белковой природы, отличающиеся высокой организацией. Многие из них выполняют свои функции только при участии металлов. Вместе химическими элементами-органогенами (С, О, Н, N) металлы образуют комплексные органо-минеральные соединения, или хелаты (например, хлорофилл, гемоглобин, ферменты).

Магний составляет ядро хлорофилла, выполняя синтезирующие и метаболические функции. В клетках животных и человека образуют комплексы с нуклеиновыми кислотами. Они служат для передачи нервного импульса, сокращения мышц, участвуют в процессе метаболизма углеводов.

Избыток или недостаток железа в растениях приводит к развитию у них заболеваний – сидероз, хлороз. В организме животных и человека железо составляет ядро гемоглобина, который выполняет функцию переноса кислорода к органам и тканям.

В состав ферментов входят Cu, Mn, Co, Mo, Zn и другие металлы. Основные сведения, по выполняемой ими физиологической роли, приведены в справочном пособии Н. К. Чертко, Э. Н. Чертко «Геохимия и экология химических элементов» (Минск, 2008).

По данным П. А. Цуркан (1977), в растениях на 60 млн. атомов Н приходится в среднем 35 млн атомов С и О, 1 млн атомов N, 250 тыс. – К, 125 тыс. – Са, 80 тыс. – Мg, 60 тыс. – Р, 30 тыс. – S, 3 тыс. – Cl, по 2 тыс. – Fe и В, 1 тыс. – Мn, 300 – Zn, 100 – Cu, 1 атом Мо. Структурная формула хлорофилла представлена 1 атомом Mg, 4 – N, 5 – О, 55 – С, 64 атома – Н. Химические элементы поступают92вместе с водой через корневую систему, частично через устьица листа. Химические элементы распределяются в

ландшафтах неравномерно, у них разная степень перехода из минерала в раствор, поэтому встречаются ландшафты с избытком или недостатком их, что приводит к различным заболеваниям живых организмов, вызванным геохимическим фактором.

Основным переносчиком металлов от кишечника к органам и системам человека является низкомолекулярный белок металлотионен. Один моль его способен связывать 7–10 моль металлов. Он обладает обеззараживающим свойством, предохраняет организм от интоксикации металлами. Желудочнокишечный тракт представляет собой природный конвейер, по которому непрерывно движется пищевое вещество и подвергается последовательной обработке для освобождения органических комплексов и химических элементов и всасыванию на контакте с лимфоцитами эпителиального пласта.

Распределение химических элементов в живых организмах.

Химический состав организмов определяется двумя основными факторами:

условиями их жизни и наследственностью.

Растения пустынь на засоленных почвах обогащены Na, Cl, S; растения степей на карбонатных почвах – Са. Бобовые содержат кальция больше, чем злаки; пасленовые и лютиковые аккумулируют литий в большей степени, чем другие семейства. Эти различия могут достигать значительной величины.

По данным А. Е. Ферсмана (1937), содержание углерода в некоторых видах организмов распределяется следующим образом: лишайники – 21,8 % от веса, кукушкин лен – 19,3, колокольчик – 10,2, незабудка – 4,7, бабочка капустница – 20,5, муравьи рыжие – 16,5, мышь белая – 12,5, тритон – 8,5 %. Среднее содержание углерода в составе живого вещества – 18 %. Содержание кремния, мало распространенного в живом веществе (в среднем 0,21 %), колеблется в широких пределах по отдельным видам: кремниевая губка – до 30 %, диатомовые водоросли – 3, хвощ полевой – 1,5, пшеница – 0,5, осока обыкновенная – 0,3, клевер – 0,2 %.

Видовые особенности химического состава растений – консервативный признак: при распространении данного вида за границу определенного типа ландшафта растением сохраняются общие видовые особенности химического состава с изменениями, обусловленными средой обитания. Например, в листьях белой полыни, произрастающей в степях, содержится 0,11 % натрия и следы хлора, а в полыни, произрастающей в пустынях, – 0,44 % натрия и

0,60 % хлора.

Живой организм аккумулирует химические элементы в соответствии с содержанием их воднорастворимых форм в почве. Накоплению избыточного количества элемента препятствует предохранительный механизм корневой системы. В случае недостатка какого-либо элемента в ландшафте организм стремится к накоплению необходимого количества элемента в соответствии с генетическим кодом.

Для естественного ландшафта характерны определенные сообщества растительных и животных организмов. Поскольку химический состав в

растениях	этих	сообществ	93	различный,	то	все	необходимые
элементы		усваиваются		равномерно и возвращаются в почву при

отмирании. Таким образом, в ландшафте сохраняется более или менее постоянное соотношение содержания химических элементов и они равномерно вовлекаются в биологический круговорот.

В агроландшафте любая монокультура постоянно потребляет из почвы необходимые ей элементы в большем количестве и создает недостаток их в почве при длительном ее выращивании на одном месте. Например, злаковые культуры потребляют много кремния, бобовые – кальция, пасленовые (картофель) – калия и т. д. Нарушается равновесие по соотношению и содержанию химических элементов, которое устраняется введением рациональной системы севооборота (последовательное чередование на полях злаковых, бобовых, пасленовых, крестоцветных и других семейств растительности. Таким путем химические элементы равномерно вовлекаются в биологический круговорот, сохраняется соотношение содержания химических элементов, хотя общее количество их уменьшается за счет выноса с урожаем. Потери химических элементов восполняются внесением минеральных и органических удобрений.

Несмотря на видовое разнообразие растительности в ландшафте, средний химический состав их будет определяться господствующими видами растений. Н. И. Базилевич и Л. Е. Родин ввели понятие «тип химизма» растительности. Он определяется одним или двумя ведущими элементами в составе золы, исключая О, С, Н. На втором месте указывается ведущий из двух элементов. Например, в ландшафтах тундры растения относятся к азотному типу химизма, тайги – кальциево-азотному, широколиственных лесов – к азотно-кальциевому, влажных тропических и экваториальных лесов

– к азотно-кремниевому.

Для характеристики концентрации химических элементов в растениях, животных и человека имеет значение распределение их по органам. Для растений Д. А. Сабанин (1955) предложил использовать термины базипетальное и акропетальное распределение элементов по органам. При базипетальном распределении содержание элементов от листьев к стеблям и корням уменьшается, при акропетальном – увеличивается. Для злаков природных ландшафтов свойственно акропетальное распределение химических элементов, для злаков агроландшафтов – базипетальное. Химические элементы, содержащиеся в древесных и кустарниковых породах, распределяются, как правило, базипетально.

Расчет содержания химических элементов может производится двумя путями: количество элемента на 1 кг веса или на общую массу определенной части растения (корни, листья и т. д.).

Органические и минеральные соединения по органам живых организмов распределены неравномерно. Содержание белка в коже человека 27 %, в мышцах и печени – 22, в скелете – 20, в мозге – 11, в жировой ткани – 6 %. Содержание неорганических веществ в эмали зубов 96, 5 %, дентине – 72, костях – 22 %. Такое распределение веществ обусловлено выполняемой

функцией органов.	94
В организме человека и животных концентрация химических

элементов отражает его значимость для функционирования органа. Иод максимально накапливается в щитовидной железе, фтор – в эмали зубов, железо – в эритроцитах и т. д.

Возрастные изменения химического состава живых организмов.

Химический состав живых организмов колеблется в зависимости от сезона и возраста.

Сезонные изменения химического состава растений обусловливаются следующими факторами: динамикой развития по фазам и экотопом. В процессе вегетации увеличивается потребление химических элементов. Они концентрируются частично в клетках в виде запасных питательных веществ или балласта. Например, максимальная аккумуляция магния ячменем приходится на фазу выхода в трубку, а кальция – на фазу колошения. В фазе кущения естественных злаков увеличивается усвоение N, P, Mg. К концу вегетации содержание N в злаках снижается, а кремния, который используется растением для прочности тканей, – увеличивается. Минимальное содержание серы в разнотравно-злаковом травостое таежного ландшафта отмечено в середине вегетационного периода. Содержание Fe, Al, Mn, Na изменяется незначительно. Большинство элементов накапливается в растениях к концу вегетации. Учитывая динамику химического состава растений, отбор их образцов следует производить в разное время в зависимости от цели исследования.

В многолетних органах древесных и кустарниковых пород с возрастом содержание химических элементов увеличивается, так как в стареющем организме замедляются обменные процессы, в том числе диссимиляция. Изменяется состав органических соединений: образуется меньше белков, витаминов, ферментов, увеличивается содержание липидов, углеводов. Одна из гипотез старения организма связывает возрастные изменения с накоплением токсических химических элементов и их соединений.

Аккумуляцию элементов растительными организмами определяют также условия среды. При недостатке влаги замедляется поступление химических элементов через корневую систему, при избытке – элементы смываются с поверхности листьев, веток, коры. В ландшафтах с гумидным климатом отмечена тенденция большего накопления растениями анионогенных элементов, а в ландшафтах с аридным климатом – катионогенных. Растения, произрастающие на плодородных почвах, потребляют больше химических элементов, чем те же виды на почвах с низким плодородием. Организмы засоленных ландшафтов (океаническая среда, солончаки, солонцы) усваивают повышенное количество наиболее распространенных ионов – Na, Cl, Ca, K, Mg. Поступление питательных элементов в растения регулирует фотопериодизм – потребность живых организмов в определенном соотношении светового и темнового периода для нормального роста.

Концентрация металлов в живых организмах. С

физиологическойточки зрения накопление металлов в живых организмах является нормальным явлением,95так как некоторые металлы выполняют в организме определенную функци. Однако при концентрации металла выше

кларка в десятки раз это приводит к изменению морфологических особенностей растений и заболеванию животных и человека. Концентрация металлов более характерна для морских организмов: медузы накапливают Pb, Zn, Sn, а лангусты – Со. Имеется ряд наземных растений, концентрирующих металлы. Многие из них по этой причине служат индикаторами при поисках полезных ископаемых: ареал распространения галмейной фиалки указывает на концентрацию меди в коренной породе, некоторые виды астрагалов – на наличие селена.

Концентрация металлов в живых организмах в определенных условиях приводит к образованию в них минералов биологического происхождения, или биолитов. Биогенное минералообразование протекает, с одной стороны, в процессе метаболизма в тканях живых организмов и, с другой стороны, после их отмирания при разложении органических веществ.

Минералы образуются в результате нарушения или замедления обмена веществ при избыточном поступлении в организм некоторых металлов. Например, в почках образуются «камни» – минералы, по составу близкие образованиям в неживой природе (уратные, фосфатные, оксалатные). В ландшафтах влажных тропических и экваториальных лесов избыток в водах кремния приводит к накоплению его в листьях растений. Кремний выстилает стеки растительных клеток, изолирует их в обменных процессах и приводит к отмиранию листьев. Образуется минерал опал, сохраняющий форму тех клеток или органов, в которых возник. Такая структура минерала называется органоморфной. Она непрочная и при минерализации клетки минерал превращается в порошок. Таким же путем образуется карбонат кальция в тканях многих высших растений. Тяжелые металлы способны образовывать прочные связи с различными биологически активными центрами, угнетая деятельность металлофермента.

6.4. Разрушение органического вещества

Вторая часть биологического круговорота связана с разрушением органического вещества с его полной минерализацией как при жизни живых организмов, так и после их отмирания.

В живых организмах в ходе метаболизма вещества процесс разрушения органического вещества значительно уступает его образованию. Лишь при патологическом состоянии и недостатке элементов питания диссимиляция в процессе роста может преобладать над ассимиляцией, что приводит к уменьшению массы , прекращению жизнедеятельности и в конечном итоге к гибели организма. В результате разрушения органического вещества химические элементы окисляются и превращаются в золу, газ и воду, возвращаясь в педосферу, гидросферу и атмосферу.

В процессе жизнедеятельности часть органических соединений превращается в конечные продукты распада, выделяясь из организма. Важнейшее звено метаболизма – диссимиляция, которая включает дыхание, брожение, гликолиз. 96

Отмершее органическое вещество постепенно минерализуется. Происходит ряд преобразований с участием беспозвоночных животных и микроорганизмов. Сапрофиты и сапрофаги используют органику в качестве корма, подготавливая пищу для микроорганизмов. Это положение подтверждают соотношения биомассы главных продуцентов и потребителей (консументов) в расчете на 1 га для дубово-букового леса в возрасте 120 лет. Из общей биомассы надземной части 274 т на долю ежегодно опадающей листвы приходится 4 т. Отмирающие травянистые растения составляют 1 т. Крупные млекопитающие, измельчающие отпад при ходьбе, составляют 5 кг, птицы – 1,3, дождевые черви – 600 кг. Таким образом наибольшую плотность в лесу создают дождевые черви. Они пропускают через пищеварительный тракт смесь из отпада и почвы, вес которой 400 г из расчета на одного червя в год. Количество червей на гектар колеблется от десятков тысяч до нескольких миллионов. Экскременты (капролиты) червей достигают сотен тысяч в год на гектар. Эта сложная смесь минеральных и органических соединений равномерно распределяется в почве вследствие постоянного передвижения червей. Всего около 50 лет необходимо для того, чтобы черви пропустили через пищеварительный тракт поверхностный пласт почвы глубиной 25 см.

Одновременно с механическим разрушением протекают процессы химического растворения клеточных оболочек – соединительного материала растительных тканей. Они состоят в основном из пектина и лигнина и гидролизуются с участием ферментов.

Разложение органического вещества до минеральных соединений продолжают микроорганизмы. Наука располагает сведениями лишь о 10 % микроорганизмов. Они делятся на группы соответственно характеру их участия в биохимических процессах – аммонификации (гниения), нитрификации, денитрификации, брожения, окисления, восстановления. Геохимическая деятельность микроорганизмов тесно связана с окружающей средой. Микроорганизмы живут в различных условиях: от суровой Арктики до тропических пустынь, от пресных до сильно засоленных водоемов. По В. И. Вернадскому, скорость «растекания» жизни микроорганизмов 33 100 см /с, т. е. приближается к скорости звука. В сутки сменяется до 65 поколений (возможно и более), т. е. каждое поколение живет 22–23 мин.

Таким образом, сами микроорганизмы являются участниками одного из важнейших звеньев интенсивного круговорота химических элементов. По экологическому признаку микроорганизмы относятся к космополитам, однако в ландшафтах они образуют определенные группировки, более или менее характерные для данного экотопа. Количество неспорообразующих бактерий в два раза ниже в степных и пустынных ландшафтах по сравнению с тундровыми и таежными. Грибная микрофлора предпочитает условия

жизни в тундровых и таежных, актиномицеты – в степных			и пустынных
ландшафтах.
Различное	специфическое97воздействие на отпад		разных групп
микрофлоры	приводит	к одновременному	постепенному

разрушению устойчивых и легко распадающихся соединений. С большим трудом разлагается лигнин, легче – целлюлоза, пектин, белок, легко распадаются углеводы. В общем виде разложение органического остатка можно представить по схеме (рис. 6.2) (Л. Н. Александрова, 1980).

Белки при участии ферментов протеазы распадаются на пептиды, неклеотиды и ряд других компонентов вне живых клеток микроорганизмов. при дальнейшем распаде образуются менее высокомолекулярные соединения, проникающие через мембранные оболочки непосредственно в живые клетки микроорганизмов, где происходит их дальнейшая трансформация под действием ферментов пептидаз до аминокислот , пуриновых и пиримидиновых оснований, моносахаридов и других более простых органических соединений. Конечные процессы разложения белков – декарбоксилирование, аммонификация, нитрификация осуществляются оксиредуктазами.

Углеводы расщепляются под действием гидролаз. В аэробных условиях образуются гексозы, пентозы, уроновые кислоты, в анаэробных – низкомолекулярные органические кислоты и спирты.

Расщепление целлюлозы по сравнению с другими углеводами происходит медленнее, так как волокна пропитаны лигнином и воском. В аэробных условиях целлюлоза разлагается с образованием глюкозы, в анаэробных – с образованием низкомолекулярных органических кислот (уксусной, молочной, масляной, муравьиной) и спиртов. В итоге при трансформации из них образуется СО2 и Н2О.

98

Рис. 6.2. Схема разложения – минерализации органических остатков:

R – Ca, Mg, K, Na, NH4

Жиры гидролизуются липазой с последующим окислением в аэробных условиях и брожением при анаэробиозисе. Менее исследован процесс трансформации восков. Продуктами гидролитического расщепления восков являются высокомолекулярные жирные кислоты, глицерин и другие спирты жирного и ароматического рядов, углеводороды. Спирты подвергаются микробиологическому окислению с образованием альдегидов, кетонов, кислот; углеводороды – с образованием кислот. Расщепление фенольных соединений, алкалоидов, пигментов и других органических соединений, повидимому, происходит по общей схеме гидролиза и окисления.

Конечный продукт трансформации любых органических соединений – минеральные соединения (см. рис. 6.2). В условиях аэробиозиса образуются соли фосфорной, серной, азотной кислот, аммиак, углекислый газ и вода. Анаэробиозис приводит к образованию метана, сероводорода, аммиака, частично углекислого газа, воды, свободного водорода и азота.

Параллельно с процессами разложения–минерализации органического вещества в поверхностном слое почвы протекает не менее сложный процесс гумификации, конечным результатом которого является образование гумуса.

Гумус – сложная многокомпонентная система, включающая три группы

веществ:	органические соединения,	постепенно
подвергающиеся	трансформации;99промежуточные	продукты

трансформации; гумусовые кислоты и их производные (гумусовые вещества). В подстилках, торфе, компостах количество гумусовых веществ значительно ниже, преобладают негумифицированные компоненты органического вещества, т. е. относящиеся к первым двум группам.

Гумификация – био-физико-химический процесс синтеза особого класса органических веществ (гумусовых кислот) при участии микроорганизмов. Для гумификации характерны синтез микробной плазмы, взаимодействие с компонентами минеральной части почвы. Существует много гипотез, объясняющих суть процесса гумификации. По Л. Н. Александровой (1980), элементарными звеньями гумификации являются окислительное кислотообразование, формирование азотистой части молекул, фракционирование и дальнейшая трансформация новообразованных гумусовых кислот (ароматизация и гидролитическое расщепление, сорбция, конденсация), а также процессы взаимодействия с минеральной частью почвы (рис. 6.3).

На первом этапе при участии оксидаз протекает биохимическое окислительное кислотообразование. Предполагается, что этот процесс идет по типу С → СОН → СНО → СООН с формированием кислых функциональных групп, в первую очередь карбоксилов. Окислительному кислотообразованию, которое интенсивно протекает на первом этапе гумификации, подвергаются высокомолекулярные органические соединения с образованием гумусовых кислот и молекулярной массой (ММ) 50000– 60000. Гумусовые кислоты делятся на гуминовые и фульвокислоты, характеризующиеся различной степенью растворимости и агрессивности воздействия на минеральные соединения.

На втором этапе гумификации формируется азотистая часть молекул гумусовых кислот путем присоединения или отделения аммиака, трансформации аммиака в азотсодержащие группировки, поглощения аминокислот, формирования гетероциклических и алифатических компонентов путем усиления ароматизации молекул гуминовых кислот.

100