Азот на земле. Фосфор и кремний

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.