Процессы биосферы

Какие метаболические процессы протекают на уровне биосферы? В чем их принципиальное значение для живых организмов, обитающих на нашей планете?

Основными метаболическими процессами на уровне биосферы являются биогеохимические циклы основных биогенных веществ — углерода (С), кислорода (O2), воды (H2O), серы (S), азота (N2), других элементов и веществ.

Круговорот воды. Вода — основа жизни на Земле, универсальный растворитель, среда, в которой протекают биохимические реакции. Вода испаряется с поверхности Мирового океана и органов растений и образует облака. В атмосфере вода конденсируется под действием более низких температур и выпадает на Землю в виде осадков — дождя, росы, снега. С током рек и ручьев выпавшие осадки возвращаются в Мировой океан, часть их поглощается растениями и животными. Этот цикл повторяется в природе вновь и вновь.

Круговорот углерода и кислорода. Все организмы по принципу их питания можно разделить на автотрофные (в частности, фотосинтетики), синтезирующие органические вещества из углекислого газа и воды за счет энергии солнечного света, и гетеротрофные, использующие для питания готовые органические вещества. В результате процессов жизнедеятельности, смерти и разложения живых организмов на Земле совершается биогеохимический цикл углерода и кислорода — их круговорот. Так, под действием солнечной энергии фотосинтезирующие организмы преобразуют углекислый газ и воду в органическое вещество — глюкозу — и выделяют в качестве побочного продукта реакций фотосинтеза кислород. В процессе дыхания живые организмы поглощают кислород и выделяют углекислый газ. При гибели и разложении в присутствии кислорода органические составляющие организмов окисляются до углекислого газа и воды. Таким образом, при дыхании и расщеплении органических молекул в процессе метаболизма живые организмы выделяют углекислый газ и воду, которые впоследствии, в результате фотосинтеза, вновь преобразуются в органическое вещество и кислород.

Круговорот азота. В природе азот в основном существует в свободной молекулярной форме в виде химически малоактивного газа азота N2. Живые организмы способны усваивать только связанный азот в форме нитрат-иона NO3 или иона аммония NH4+. Поэтому азот является основным лимитирующим фактором среди элементов, необходимых для живых систем. Способностью связывать свободный азот обладают некоторые виды бактерий. Этот процесс называется азотфиксацией. Азотфиксирующие бактерии обитают в клубеньках бобовых растений (горох, фасоль и др.) и преобразуют свободный азот N2 В ион аммония NH4+, который используется для построения молекул аминокислот, белков и нуклеотидов. Большинство же растений, не способных к фиксации азота, получают его из почвы в виде нитрат-иона NO3, и ассимилируют его, превращая в ион аммония.

Гетеротрофные организмы поглощают азот в виде иона аммония NH4+ при поедании биомассы других организмов. После смерти тела живых организмов разлагаются бактериями и грибами в присутствии кислорода, а соединения азота окисляются по схеме: NH4+ + O2 → NO3 + Н2O. Таким же образом может происходить окисление аммиака нитрифицирующими бактериями (нитрификация), получающими энергию за счет окисления неорганических веществ, т. е. использующими хемотрофный путь питания.

Обратный процесс — превращение связанного азота в инертный — называется денитрификацией. Он происходит в бескислородных условиях под действием денитрифицирующих бактерий, вместо кислорода в качестве окислителя использующих нитрат ион (NO3): Cорг + NO3 → СO2 + N2. Таким образом, замыкается круговорот азота. В результате запасы этого важнейшего биогенного элемента в живых системах не истощаются.

Круговорот серы. Необходимым компонентом большинства белков является сера. В природе сера чаще всего встречается в виде соединений сульфат-иона (SO42–) — больше всего в виде гипса (CaSO4), пирита (FeS2) и самородной серы. Растения способны усваивать серу в виде сульфатов, животные могут удовлетворить свои потребности в сере только за счет других организмов. В целом цикл серы можно представить следующим образом. Растения поглощают из почвы сульфат-ион SO42–, используют его в построении собственных аминокислот и белков. Животные, поедая растения и других животных, также получают серу и используют ее в процессах пластического обмена. Умирая, животные и растения разлагаются в присутствии кислорода, и вновь образуется сульфат-ион (SO42–).

Таким образом, все глобальные метаболические процессы в биосфере связаны со сложными пищевыми взаимоотношениями между организмами. Основным биологическим смыслом круговорота веществ в природе является поддержание их необходимого количества в живых системах.