Несолевые растворенные биогенные 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.