3) те, что иногда обнаруживают в тканях, но их количество и физиологическая роль неясны (Sc, Tl, Nb, J, La, Pr, Nd, Sm, Eu, Tb, Dv, Er, Ib, W, Re, Au).
Основную массу нашего тела, так же как растений и микроорганизмов, составляют так называемые макроэлементы - углерод, водород, азот, кальций и т. д. Микроэлементы дают в сумме всего лишь 0,04-0,06 процента веса тела. Но без них невозможны нормальный рост и развитие организма.
Казалось бы, какое значение может иметь крупица меди? Ее всего-то в организме около 100 миллиграммов.
Но если не хватает даже 1/3 этой "крупицы", в крови снижается уровень адреналина, замедляется биосинтез гемоглобина, процессы кроветворения нарушаются. Самым отрицательным образом сказывается недостаток меди на тканевом дыхании, обменных процессах. Вот почему медь относится к группе незаменимых микроэлементов. В эту же группу входят цинк, марганец, кобальт и некоторые другие элементы. Все они обеспечивают высокую химическую и биологическую активность окислительно-восстановительных биосинтетических процессов.
При этом каждый элемент выполняет свою функцию.
Цинк, например, участвует в синтезе ряда ферментов, а также инсулина и полового гормона. Главная роль марганца - активизация окислительно-восстановительных процессов, но он также благотворно действует на рост и половое развитие, участвует в регуляции уровня артериального давления. Без кобальта невозможно образование витамина B12.
Совершенно особое место занимает железо. По количественному содержанию - в органах и тканях взрослого человека около четырех граммов железа - его относят к макроэлементам, а по участию в биохимических процессах - к микроэлементам. Значение железа трудно переоценить. 70 процентов этого элемента содержится в гемоглобине. Железо - важная составная часть ферментов крови, а также дыхательного пигмента мышц - миоглобина.
До сих пор речь шла о незаменимых микроэлементах.
Но в организме имеются еще и такие элементы, которые физиологически неактивны и токсичны. Их роль недостаточно изучена.
Неоднократно пытались выяснить, есть ли какая-то закономерность распределения биологически важных химических элементов в таблице Д. И. Менделеева. По мнению академика А. П. Виноградова, существует один закон для распространения химических элементов в литосфере и в живом веществе: состав организмов отражает химический состав окружающей среды. Виноградов установил также, что количество тех или иных химических элементов в живом веществе находится в обратной зависимости от их атомного веса, то есть живой организм богаче легкими элементами. Такие элементы и их ионы меньше по размеру и при прочих равных условиях "подвижнее".
Кроме того, очень важно, насколько легко вовлекаются элементы в круговорот воды. Академик Б. Б. Полынов предложил определять интенсивность водной миграции как отношение количества элементов в минеральном остатке речной или грунтовой воды к содержанию этого же элемента, в земной коре, водоносной породе и т. д.
Оказалось, что наиболее подвижными мигрантами в биосфере являются Cl, S, В, Вг, J, Ca, Na, Mg, F, Sr, Zn, U, Mo.
Какие же неорганические вещества служат пищей растениям?
На 90 процентов растительные ткани состоят из воды.
Значение ее для живых организмов общеизвестно - это и среда, в которой находятся компоненты клетки, и растворитель, и химический реагент.
Примерно 9 процентов от веса растения составляет углерод, входящий в состав всех органических соединений. Растения получают его из углекислого газа, находящегося в воздухе. Углерод усваивается растением в процессе фотосинтеза, идущего с поглощением световой энергии и с выделением кислорода.
На долю остальных элементов приходится лишь один процент от веса растения, причем около четверти этого процента составляет азот. Усваивать атмосферный азот растения не могут (такой способностью наделены только некоторые микроорганизмы) и вынуждены всасывать его корнями из почвы в виде соединений. Обычно в почве таких соединений недостаточно, поэтому земледельцам приходится подкармливать выращиваемые растения искусственно полученными производными азота - азотными удобрениями.
Фосфора содержится в растениях 0,06 процента.
В почве его тоже часто не хватает, поэтому и производятся в огромном количестве фосфорные удобрения. Например, суперфосфат, состоящий из смеси гидрофосфата кальция с сульфатом кальция. Комбинированное фосфорное удобрение, аммофос, помимо фосфора, содержит и ионы аммония, то есть может удовлетворять потребность растений в обоих важнейших элементах-биогенах.
Когда в середине XIX века родилась агрохимия, земледельцы получили действенное средство для повышения урожая. В 1832 году был пущен первый завод по производству суперфосфата.
Роль фосфора в организме велика. Он входит в состав вещества наследственности - нуклеиновой кислоты. Благодаря аденозинтрифосфорной кислоте клетка запасает впрок, переносит, хранит и использует по мере надобностп энергию. Кроме того, фосфор входит составной частью в другие важные биологические вещества.
Металлы, в частности калий, позволяют растению всасывать из почвы воду и необходимые соли: полупроницаемые для солей клеточные перегородки и повышенная концентрация калия в клетке создают "насос", постоянно накачивающий воду в растение.
Подобно азоту и фосфору, калия тоже в почве не хватает. Его дефицит восполняется калийными удобрениями.
Они представляют собой смесь хлоридов калия и натрия или смесь хлорида калия с сульфатом магния.
Но, помимо калия, растение нуждается и в других металлах. Так, кальций служит для нейтрализации, связывания органических кислот; магний входит в состав хлорофилла - непременного участника фотосинтеза; железо, марганец, кобальт, молибден, медь участвуют в окислительно-восстановительных процессах. Правда, потребность в этих элементах невелика, и их почти всегда оказывается достаточно в почве. Из неметаллов растениям необходима также сера, входящая в состав аминокислот и других веществ.
Одна из важнейших задач, поставленных Продовольственной программой перед химиками, - дальнейшее увеличение производства минеральных удобрений, повышение их эффективности и качества. Ведь, чтобы получать высокие и устойчивые урожаи, в почву нужно вносить все то, что она отдает растениям, прежде всего соединения азота, фосфора и калия.
Животные и человек также нуждаются в солях, но в отличие от растений сами не могут синтезировать ни органических соединений, ни витаминов, а должны потреблять их готовыми, в пище. А пищу нашу составляют три основных компонента: белки, жиры, углеводы. Мы получаем их вместе с растительными и животными продуктами питания. А поскольку мясо-молочными продуктами нас обеспечивают травоядные животные, то получается, что органическими веществами нас снабжают в конечном счете именно растения.
Химические преобразования в почве, которые происходят под воздействием живых организмов, не ограничиваются накоплением тех или иных элементов. Не меньшее значение имеет воздействие микробов, а также продуктов жизнедеятельности растений, животных и тех же микробов на почвенные минералы, на подстилающую материнскую породу. Образование почвенных минералов и их "биогенная деструкция" давно находятся в поле зрения микробиологов. Разлагая алюмосиликаты, микробы способны накапливать железо, алюминий, кремний, марганец. Они же образуют новые минералы с этими элементами.
В нашей стране профессор Московского университета М. А. Глазовская, а затем Т. В. Аристовская из Центрального музея почвоведения имени В. В. Докучаева в Ленинграде исследовали роль микробов в разрушении горных пород и образовании новых минералов. Американские микробиологи доказали, что микробы могут растворять даже базальтовые скалы.
Так что недаром почву сравнивают с гигантским химическим комбинатом, который перерабатывает не только все вещества, которые в него попадают, но и окружающие его воду, воздух, горные породы.
Биомасса, гумус и их превращения
Все живые существа состоят из разнообразных химических соединений углерода, иначе говоря - из органических соединений. Поэтому познание круговорота органики в природе необходимо, чтобы разобраться в жизни биогеоценозов, в образовании почвы.
Органика, углерод - отличные энергоносители. Человек привык пользоваться газом, нефтью, углем, дровами, а в основе - это все углерод, который выделяет энергию при реакции окисления. То же самое происходит и в живой природе. Еще в конце XVIII века Лавуазье установил, что дыхание это медленное горение, то же окисление углерода. А энергия нужна всюду, где есть жизнь.
В том числе и для фиксации атмосферного азота: для накопления 1 грамма азота бактерия азотобактер утилизирует 50 граммов углеводородов, а другая бактерия, клостридиум, - 170 граммов.
Не случайно говорят, что гумусовая оболочка Земли - аккумулятор и распределитель энергии в масштабах всей планеты. Даже глубинные химические процессы в поверхностных горизонтах горных пород, то есть уже под почвой, в значительной мере идут за счет энергии, первоначально накопленной гумусом, а уже потом преобразованной в энергию химической связи минералов. Этой проблемой плодотворно занимались почвоведы Азербайджана:
академик В. Р. Волобуев и С. А. Алиев. Фактически они стали родоначальниками особого направления - энергетики почвообразования, за что в 1980 году оба были удостоены Государственной премии СССР.
Энергия, накопленная в гумусе (а в нашей стране "рекордсменом" в этом смысле являются черноземы), настолько значительна, что если производить расчет в калориях, то в Венгрии, например, она составит более 60 процентов энергетических ресурсов страны, включая уголь, нефть и газ. Тот факт, что гумус является энергоносителем в почве, отмечался еще в 30-е годы известным агрохимиком и микробиологом 3. Ваксманом в США и В. Р. Вильямсом в нашей стране.
Любая биомасса, как и любой человек, рано или поздно погибает и, разлагаясь, превращается в более простые химические соединения и, наконец, в углекислоту. Но для развития растений нужна именно углекислота, поэтому органические соединения почвы - след жизни прошлой и предпосылка жизни будущей.
Итак, на поверхность почвы падают осенние листья, засохшие ветви, отмершие деревья; в толще те почвы отмирают корни деревьев, трав, умирают микроорганизмы, почвенные животные.
Какие превращения ждут их дальше? Отмершие ткани растений подвергаются действию микроорганизмов, особенно низших грибков. В первую очередь разрушается клетчатка, а затем лигнин. При этом образуется много сильных органических кислот: щавелевой, масляной, уксусной, муравьиной, янтарной. Эти кислоты растворяют известняки, фосфаты, апатиты, разлагают алюмосиликаты, то есть разрушают саму горную породу.
И вот теперь настало время подробно рассказать о гумусе, о котором не раз упоминалось выше. Гумус - аморфное органическое вещество, которое образуется в почве в результате микробиологического и физико-химического преобразования органических соединений растительного и животного происхождения. Процесс образования гумуса называют гумификацией.
Вся цепь превращений органических веществ от растений к разного вида животным - это так называемая трофическая, или пищевая, цепь. Каждый живой организм в процессе питания преобразует органическое вещество и передает его дальше по цепи. Почва помогает веществам и элементам, потребленным животным, снова включиться в природный круговорот. Точнее сказать, не сама по себе почва, а те микроорганизмы, которые в ней живут.
Каждый комочек, каждая крупица почвы содержат мириады невидимых обитателей. От этих микробов зависит существование и растений, и животных, и человека на поверхности нашей планеты. Если бы в результате какойнибудь катастрофы погибли все почвенные микроорганизмы, то уже через 30 лет растения израсходовали бы весь запас двуокиси углерода из воздуха и весь азот из почвы и погибли бы от голода. А животные? Они не "протянули" бы и месяца. Дольше продержались бы только те, которые находились бы в состоянии спячки, или анабиоза.
Механически разрушают растительный материал в почве только животные. В процессе такого разрушения многократно увеличивается поверхность растительных тканей, доступная для микроорганизмов. Таким образом, животные одним лишь механическим воздействием на растительные остатки стимулируют процессы химического разложения, осуществляемые микрофлорой. В разных типах почв животные поедают от 20 до 100 процентов массы растительных остатков, ежегодно поступающих в почву в виде опада.
При разложении органических веществ, попадающих в почву, наблюдается сложная сукцессия (смена стадий)
комплексов организмов, которые зависят сначала от характера разлагающегося вещества, а затем от стадии разложения, от наличия или отсутствия других организмов.
Связано это с тем, что одни из организмов потребляют других. Так, известно избирательное поедание многими видами панцирных клещей и ногохвосток отдельных видов грибов и бактерий.
Много органического вещества попадает в почву в виде навоза. В почве и на ее поверхности он разрушается не только микроорганизмами, но и беспозвоночными. Известно, что экскрементами травоядных млекопитающих питаются различные навозники, причем некоторые из этих жуков "специализируются" на помете определенных видов млекопитающих. Масса растительного вещества, перерабатываемого навозниками на пастбищах, достигает */4 растительной массы, потребленной скотом. Известны случаи, когда, например, в Австралии из-за отсутствия навозников пастбища теряли свою продуктивность, так как кучи навоза не разлагались и мешали возобновлению травы.
Минеральные вещества, прошедшие весь цикл от растения до животного, тоже поступают в почву, освободившись из органического вещества. Из почвы углекислый газ выделяется в атмосферу, откуда его перехватывают растения, а освободившиеся минеральные вещества поглощаются корнями растений.