85. Окисно-відновна функція живої речовини

Окисно-відновні функції складаються з двох взаємопротилежних функцій – окиснення і відновлення.

Окисна функція виконується бактеріями. Окиснюються бідніші киснем сполуки (у ґрунті, в корі вивітрювання, в гідросфері): солі заліза і марганцю, нітрити, H₂S, N₂ та ін.

Відновна функція виконується специфічними бактеріями і грибами, які обумовлюють розвиток реакцій десульфатації, денітрифікації, з утворенням сірководню, оксидів азоту, сірчистих металів, метану, водню.

Окисно-відновні реакції найбільш поширені і відіграють значну роль у природі. Вони є основою життєдіяльності, адже з ними пов’язані  найважливіші функції живої системи – це дихання, обмін речовин, фотосинтез у рослин.  Під час дихання органічні речовини окиснюються до кінцевих продуктів- вуглекислого газу і води, використовуючи для цього кисень. А під час  фотосинтезу вуглекислий газ відновлюється  в органічних сполуках, а кисень вивільняється у повітря.

Процеси гниття, бродіння, тління, утворення перегною; утворення мінеральних солей з перегною в ґрунті  - це все окисно-відновні реакціії. Дуже велике значення окисно-відновних реакцій в природі полягає в тому, що за допомогою цих реакцій постійно відбувається кругообіг всіх хімічних елементів, які входять до складу живих організмів: Оксигену, Карбону, Нітрогену, Гідрогену.

Процес фотосинтезу:

6C⁺⁴O₂^-2 + 6H₂⁺¹O^-2  =  C₆⁰H₁₂⁺¹O₆^-2 + 6O₂⁰

Денітрифіка́ція — клас мікробіологічних процесів відновлення нітратів до нітритів і далі до газоподібних оксидів і молекулярного азоту. В результаті цих процесів азот повертається до атмосфери і стає недоступним для більшості організмів.

Особливо виділяють асиміляційну денітрифікацію, що приводить до синтезу азотовмісних клітинних компонентів і властива всім рослинам і мікроорганізмам, здатним рости на середовищах з нітратами

86. Значення хімічних елементів у житті живих організмів

Залежно від кількісного вмісту хімічних елементів і їх функціональної значущості в живих організмах виділяють три групи хімічних елементів: макроелементи,мікроелементи, незамінні мікроелементи.

У більшості випадків елементи різних груп виконують різні функції. До макроелементів відносяться елементи органічних і неорганічних субстратів живої речовини; ці елементи необхідні організмам постійно й досить великих кількостях для існування, росту, розвитку, розмноження. Їх вміст становить від 0,001% до 60% маси організму. Макроелементи є, образно кажучи, будівельним матеріалом для організмів. Для рослин особливо біологічно важливими є мікроелементи: Бор, Марганець, Магній, Ферум, Купрум, Цинк, Кобальт, Молібден та ін. Мікроелементи – зазвичай є компонентами гормонів, ферментів і інших життєво важливих сполук. Їх відсутність або нестача негативно позначається на життєдіяльності організму аж до його загибелі. Їх організмові потрібно в значно менших кількостях, а вміст у живій речовині змінюється в межах 10^-5– 10^-3%.

Мікроелементи, як правило, виконують роль каталізаторів (входять до складу ферментів). У склад багатьох важливих ферментів - біологічних каталізаторів - входять комплексоутворюючі - Cu²⁺, Co²⁺ ,Zn²⁺, Mo²⁺, Mg²⁺. Це металвміщуючі ферменти - сполуки з дуже високою специфічністю іонів металів. Наприклад, Со2+ активує білковий обмін і регулює склад крові організму. Мідьвміщуючі ферменти сприяють процесам біологічного окиснення. Іони Fe²⁺, Mg²⁺ як комплексоутворювачі, входять до складу найважливіших природних сполук - гемоглобіну і хлорофілу.

Вміст ультрамікроелементів не перевищує 10^-5 маси тіла. (Ag, Ca, Ba, Au, Pb, Hg, Ra) Фізіологічну роль їх в організмах ще повністю не з’ясовано. Ультрамікроелементи поки залишаються загадкою як за їх роллю в життєдіяльності організму, так і за їх впливом на еволюцію біосфери.

87. Вплив геохімічного середовища на розвиток та хімічний склад рослин.

У залежності від реакції на геохімічне середовище (на вміст хімічних елементів або їх концентрацію) виділяють дві великі групи рослин:

1. рослини, що адаптувались до зміни концентрації хімічних елементів;

2. рослини, що не адаптувались до зміни концентрації хімічних елементів.

Рослини, що адаптовані до змін концентрації хімічних елементів у середовищі, як правило, розвиваються нормально. Але в процесі їх еволюційного розвитку серед них можуть з’явитися нові форми, які називаються фізіологічними формами. У цих форм зовнішні морфологічні ознаки можуть бути зміненими.

Особливу групу серед нових фізіологічних форм рослин складають ендемічні види або “ендеміки” – види (або різновиди) рослин, які мають дуже вузький ареал розповсюдження, обмежений геохімічним середовищем, яке відрізняється підвищеною концентрацією одного (або декількох) хімічних елементів. Ендемічні види характеризуються стійкими морфологічними ознаками, які властиві тільки їм. У понятті “морфологічна мінливість” мається на увазі як характер змін зовнішніх форм, так і порушення фізіологічних функцій. Морфологічна мінливість проявляється по-різному. Наприклад, це може бути поліморфізм квітів (розсічення або махровість пелюстків) – під впливом свинцю, цинку або молібдену або порушення чи зміна пігментації – Mo, Ni, Hg, Zn, Cu, Mn, I.

Хімічний склад організмів, як правило, відображає фоновий вміст хімічних елементів у ландшафтах (грунті, водах). Вважається, що середній хімічний склад живої речовини – це систематична ознака ландшафту. Так, рослини, що ростуть на солончаках, завжди збагачені Na, Cl, S. Лісова рослинність збагачена Fe, Al, збіднена на Ca. Степова, навпаки, багата на Са і збіднена на Al, Fe. Більшість видів рослин і тварин у процесі еволюційного розвитку виробили здатність до зберігання свого середнього хімічного стану. Тому, в деяких видах хімічний склад організму характеризується підвищеним вмістом якихось окремих елементів, а деяких ні.

У залежності від розповсюдження хімічних елементів по органам рослин, їх класифікують на дві групи:

1) базипетальні – найбільший вміст хімічних елементів у листі;

2) акропетальні – найбільше накопичення хімічних елементів у коренях.

Біоіндикатор — організм, вид або біоценоз, за наявністю і станом якого можна судити про властивості середовища, в тому числі про присутність і концентрацію забруднювачів.По присутності деяких стійких до забруднення видів та відсутності нестійких видів (наприклад, лишайників) визначається рівень забруднення атмосфери міст. Здатність деяких видів біоіндикаторів акумулювати забруднюючі речовини дозволила Швеції виявити наслідки аварії на Чорнобильській АЕС при аналізі лишайників. Береза і осика можуть сигналізувати про підвищений вміст барію та стронцію в навколишньому середовищі неприродно зеленим кольором листя. Аналогічно в ареалі розсіювання урану навколо родовищ пелюстки іван-чаю стають білими (в нормі — рожеві), у лохини темно-сині плоди набувають білий колір

88. Біогеохімічне районування

Таксони біосфери — таксономічні одиниці біосфери як цілого, що характеризуються певними біосферними параметрами: регіони біосфери, субрегіони біосфери, біогеохімічні провінції. Концепція таксономічного поділу була розроблена В. В. Ковальським. В основу районування В. В. Ковальський поклав біогеохімічні зони і біогеохімічні провінції.

Таксони першого порядку об'єднують регіони біосфери, що мають географічні ознаки грунтово-кліматичних зон або їх поєднань, але з урахуванням якісної і кількісної характеристики біогеохімічного харчового ланцюга хімічних елементів (біогенних циклів) і переважаючих біологічних реакцій організмів на природний хімічний склад середовища або його техногенні зміни (до останніх відносяться, наприклад, зміна хімічного складу організмів, обміну речовин, порогової чутливості, різних реакцій у вигляді ендемічних захворювань).

Таксони другого порядку, іменовані субрегіонами, розділяються на дві групи:

• субрегіони біосфери, в якій комбінуються ознаки регіону по концентраціях, що досягають порогових

величин, і можливі прояви специфічних біологічних реакцій;

• субрегіони, ознаки яких не сприяють характеристиці регіону — вони зазвичай утворюються під рудними тілами при розсіянні концентрованих в них елементів, у безстічних районах, в районах вулканізму, а також при техногенних забрудненнях біосфери.

Таксони третього порядку включають біогеохімічні провінції — території різних розмірів у складі субрегіонів біосфери з постійними характерними реакціями організмів (наприклад, ендемічні захворювання). Розрізняють природні і техногенні біогеохімічні провінції.

Біогеохімічний харчовий ланцюг — східці здійснення первинного зв'язку організмів і геохімічного середовища (хімічні елементи грунтоутворюючих порід, грунтів і мулів, води, повітря, мікроорганізмів, рослин, тварин, кормів, харчових продуктів та ін.) з біогенними циклами у біосфері. Термін ввів в науку В. В. Ковальський (1965).

Регіони біосфери — таксони першого порядку глобальної екосистеми (біосфера), що мають ознаки грунтово-кліматичних зон або їх поєднань, але з урахуванням біогеохімічного харчового ланцюга хімічних елементів і переважаючих біохімічних реакцій на природний хімічний склад або його техногенні зміни.

Субрегіони біосфери — таксони біосфери другого порядку, що характеризуються біогеохімічною мозаїчністю і виділяються за принципом географічної безперервності. Біогеохімічна провінція — окрема ділянка поверхні Землі, що відрізняється від інших подібних ділянок за вмістом (надлишок або нестача) і складом хімічних елементів і речовин, що містяться в грунтах, водах, рослинах і тваринах. Живі організми специфічним чином реагують на хімічні характеристики біогеохімічної провінції, внаслідок чого виникають, напр., ендемічні захворювання (при нестачі йоду в об'єктах середовища виникає ендемічний зоб у людини і тварин; при нестачі цинку — розетковість або дрібнолистність у плодових дерев, при надлишку міді у поєднанні з надлишком вапна — хлороз рослин і т. д.). Термін і обгрунтування концепції біогеохімічної провінції належать О. П. Виноградову.

89. Біологічний та біогеохімічний кругообіги елементів у біосфері

У природі відбувається постійний рух і пересування хімічних елементів. Переміщення хімічних елементів в навколишньому середовищі називають міграцією. Виділяють типи міграції хімічних елементів: механічну, фізико-хімічну, біогенну і техногенну.

Механічна міграція полягає в перенесенні хімічних елементів у складі мінералів гірських порід, органічних залишків без їх хімічної зміни. Це знос мінералів по схилах гір, перенесення їх текучими водами у вигляді суспензій, сольових потоків і т. д.

Фізико-хімічна міграція полягає в переміщенні, перерозподілі хімічних елементів у земній корі і на її поверхні. Фізико-хімічна міграція складається з водної і повітряної міграції. Водна міграція хімічних елементів відбувається в розчиненому вигляді, але в різних станах – у вигляді дійсних розчинів, колоїдів, іонних розчинів. Повітряна міграція – це перенесення газів, вулканічних попелів, пилу, аерозолів повітряними потоками хімічних елементів з вологою солей вітром з поверхні водойм на сушу.

Біогенна міграція полягає в участі хімічних елементів у малому біологічному кругообігу.

Техногенна міграція – це переміщення хімічних елементів у будь-якому вигляді за результатом діяльності людини (перекачування води, нафти, газів, транспортування вугілля, нафти, руди, деревини та ін.).

Одна з найбільш складних форм міграції, яка обумовлена життєдіяльністю живих організмів – біогенна міграція. Рослинні та тваринні організми утримують у своїх тканинах мільярди тон мінеральних речовин. Чим більше біогенне значення хімічних елементів, тим менша їх міграція. Тому елементи з високою мірою біогенності (P, Ca, K, S, C, N) володіють меншою міграційною здатністю. Ці елементи легко відкидаються живими організмами, тому вони і виносяться далеко за межі ареалу утворення, беруть участь в процесах соленакопичення.

Великий геологічний кругообіг (ВГК) – це процеси руйнування кристалічних решіток мінералів, міграція різних водних розчинів і синтез нових мінеральних сполук. Він зв'язує в єдину систему земну кору, поверхню суші, гідросферу і атмосферу. Вік ВГК 3,5–4 млрд. років.

Малий біологічний кругообіг (МГК) – це сукупність процесів утворення, відмирання і розкладання живої речовини, які забезпечують міграцію хімічного елементу в системі середа–жива речовина–середовище. Тривалість МБК – від годин до сотень років. Головним чинником МБК є живі організми. В результаті МБК відбувся перерозподіл вмісту хімічних елементів в ґрунті, гірських породах і так далі.

Біогеохімічний кругообіг Кальцію

90. Ноосфера як етап розвитку біосфери

Ноосфе́ра — сучасна стадія розвитку біосфери, пов'язана з появою в ній людства. Частина планети й навколопланетного простору зі слідами діяльності людини. Термін ноосфера запропонував французький математик Едуард Леруа.

Можна умовно виокремити такі послідовні етапи еволюції біосфери: синтез простих органіч­них сполук, біогенез, антропогенез, техногенез і ноогенез.

1. Синтез простих органічних сполук(хімічна еволюція) в геосфе­рах Землі здійснювався під дією ультрафіолетової радіації: мета­ну, аміаку, водню, пари води. Початок етапу — 3,5—4,5 млрд ро­ків тому.

2. Біогенез — перетворення відсталої речовини геосфери Землі в живу речовину біосфери (утворення високомолекулярних орга­нічних сполук з простих сполук під дією геофізичних чинників). Початок етапу — 2,5—3,5 млрд років тому (поява живої речови­ни біосфери).

3. Антропогенез— поява людини і перетворення її на соціаль­ну істоту, формування суспільної організації людських співтова­риств у процесі виробничої трудової діяльності. Початок етапу — 1,5—3 млн років тому (поява людини).

4. Техногенез — перетворення природних комплексів біосфе­ри в процесі виробничої діяльності людини і формування техно­генних і природно-технічних комплексів, тобто техносфери, як складової біосфери. Початок етапу — 10—15 тис. років тому (по­ява міських поселень).