Значение микроорганизмов в природе

Значение микроорганизмов  в природе.

С помощью  микроорганизмов органические соединения растительного и животного происхождения  минерализуются до углерода, азота, серы, фосфора, железа и др.

Круговорот  углерода. В круговороте углерода активное участие принимают растения, водоросли и цианобактерии, фиксирующие СО2 в процессе фотосинтеза, а также микроорганизмы, разлагающие органические вещества отмерших растений и животных с выделением СО2. При аэробном разложении органических веществ образуются СО2 и вода, а при анаэробном брожении — кислоты, спирты, СО2. Так, при спиртовом брожении микроорганизмы (дрожжи и др.) расщепляют углеводы до этилового спирта и диоксида углерода. Молочнокислое брожение, вызываемое молочнокислыми бактериями, характеризуется выделением молочной и уксусной кислот и диоксида углерода. Процессы пропионовокислого (вызываемого пропионибактериями), маслянокислого, ацетонобутилового (вызываемых клостридиями) и других видов брожения сопровождаются образованием различных кислот и диоксида углерода.

Круговорот  азота. Атмосферный азот связывают  только клубеньковые бактерии и свободноживущие  микроорганизмы почвы. Органические соединения растительных, животных и микробных  остатков подвергаются в почве минерализации  микроорганизмами, превращаясь в  соединения аммония. Процесс образования  аммиака при разрушении белка  микроорганизмами получил название аммонификации, или минерализации  азота. Активно разрушают белок  такие бактерии, как псевдомонады, протей, бациллы, клостридии. При аэробном распаде белков образуются диоксид углерода, аммиак, сульфаты и вода; при анаэробном — аммиак, амины, диоксид углерода, органические кислоты, индол, скатол, сероводород. Разложение мочевины, выделяющейся с мочой, осуществляют уробактерии, расщепляющие ее до аммиака, диоксида углерода и воды. Образующиеся аммонийные соли в результате ферментации бактериями органических соединений могут использоваться высшими зелеными растениями. Но наиболее усвояемыми для растений являются нитраты — азотнокислые соли. Эти соли появляются при распаде органических веществ в процессе окисления аммиака до азотистой, а затем азотной кислоты. Данный процесс называется нитрификацией, а микроорганизмы, его вызывающие, — нитрифицирующими. Нитрифицирующие бактерии выделил и описал русский ученый С. Н. Виноградский (1890—1892). Нитрификация проходит в две фазы: первую фазу осуществляют бактерии рода нитрозомонас и др., при этом аммиак окисляется до азотистой кислоты, образуются нитриты; во второй фазе участвуют бактерии рода нитробактер и др., при этом азотистая кислота окисляется до азотной и превращается в нитраты. Две фазы нитрификации являются примером метабиоза — взаимоотношений микроорганизмов, при которых один микроорганизм размножается, используя продукты жизнедеятельности другого микроорганизма.

Нитраты повышают плодородие почвы, однако существует и  обратный процесс: нитраты могут  восстанавливаться в результате процесса денитрификации до выделения  свободного азота, что обедняет его  запас в виде солей в почве, приводя к снижению ее плодородия.

Биосфера как глобальная экосистема.

Понятие биосферы впервые было введено австрийским  ученым геологом Эдуардом Зюссом в 1875 году. Понятие биосферы имеет два  аспекта: с одной стороны как  специфическая оболочка земного  пространства, с другой - как глобальная экосистема. С точки зрения составляющих компонентов биосфера - это нижняя часть атмосферы, гидросфера и верхняя  часть литосферы, населенные живыми организмами, или по выражению Владимира  Ивановича Вернадского - "область  распространения живого вещества".

Атмосфера. Атмосфера есть внешней газовой  оболочкой Земли, которая достигает  от ее поверхности в космическое  пространство приблизительно на 3000 км. История возникновения и развития атмосферы довольно сложная и  продолжительная, она насчитывает  близко 3 млрд лет. За этот период состав и свойства атмосферы неоднократно изменялись, но на протяжении последних 50 млн лет, как считают ученые, они стабилизировались.

Масса современной  атмосферы составляет приблизительно одну миллионную часть массы Земли. С высотой резко уменьшаются  плотность и давление атмосферы, а температура изменяется неравномерно и сложно. Изменение температуры  в границах атмосферы на разных высотах  поясняется неодинаковым поглощением  солнечной энергии газами. Наинтенсивнее тепловые процессы происходят в тропосфере, причем атмосфера нагревается снизу, от поверхности океана и суши.

Следует отметить, что атмосфера имеет очень  большое экологическое значение. Она защищает все живые организмы  Земли от губительного влияния космических  излучений и ударов метеоритов, регулирует сезонные температурные колебания, уравновешивает и выравнивает суточные. Если бы атмосферы не существовало, то колебание суточной температуры  на Земле достигло бы ±200 °С. Атмосфера есть не только животворным “буфером” между космосом и поверхностью нашей планеты, носителем тепла и влаги, через нее происходят также фотосинтез и обмен энергии — главные процессы биосферы. Атмосфера влияет на характер и динамику всех экзогенных процессов, которые происходят в литосфере (физическое и химическое выветривания, деятельность ветра, природных вод, мерзлоты, ледников).

Развитие  гидросферы также в значительной мере зависел от атмосферы из-за того, что водный баланс и режим  поверхностных и подземных бассейнов  и акваторий формировались под  влиянием режима осадков и испарений. Процессы гидросферы и атмосферы  тесно связанные между собою.

Одной из главнейших составных атмосферы есть водный пар, который имеет большую пространственно-временную изменяемость и сосредоточенный преимущественно в тропосфере. Важной изменчивой составной атмосферы есть также углекислый газ, изменчивость содержания которого связана с жизнедеятельностью растений, его растворимостью в морской воде и деятельностью человека (промышленные и транспортные выбросы). В последнее время все более большую роль в атмосфере сыграют аэрозольные пылеватые частицы - продукты человеческой деятельности, которые можно обнаружить не только в тропосфере, но и на больших высотах (щоправда, в мизерных концентрациях). Физические процессы, которые происходят в тропосфере, оказывают большое влияние на климатические условия разных районов Земли. Химический состав атмосферы (для сухого воздуха) представлен в табл. 5.

Гидросфера - водная оболочка Земли. Вследствие широкой  подвижности воды проникают повсеместно  в различные природные образования. Они находятся в виде паров  и облаков в земной атмосфере, формируют океаны и моря, существуют в замороженном состоянии в высокогорных районах континентов и в виде мощных ледяных панцирей покрывают  полярные участки суши. Атмосферные  осадки проникают в толщи осадочных  пород, образуя подземные воды. Вода способна растворять в себе многие вещества, поэтому любые воды гидросферы можно рассматривать в качестве естественных растворов различной  степени концентрации. Даже наиболее чистые атмосферные воды содержат 10 -50 мг/л растворенных веществ. Гидросфера находится в тесной взаимосвязи  с литосферой (подземные воды), атмосферой (парообразная влага) и живым веществом  биосферы, в которое она входит в качестве обязательного компонента (табл. 6).

Подавляющая часть массы вод (94 %) слагает Мировой  океан, который представляет собой  уникальную природную систему. В  ней происходит грандиозный процесс  обмена и трансформации энергии  и вещества нашей планеты. При  этом различные физические, химические и биологические процессы объединяются, образуя единую природу океана - древнейшую область биосферы Земли. Со времени образования океана протекало  изменение его природы под  воздействием различных природных  процессов: солнечного излучения, геологических  и геохимических факторов и, что  особенно важно, под влиянием биологических  процессов. Биологические процессы проявлялись и проявляются в  развитии живых организмов, в биологической  продуктивности и осадкообразовании  на всей площади дна Мирового океана, в формировании различного рода органогенных илов. Средний химический состав морской  воды, которая в гидросфере преобладает, представлен в табл. 7. В настоящее время можно считать, что в морской воде присутствуют все химические элементы таблицы Менделеева. Однако преобладающая часть растворенных веществ сложена немногими химическими элементами: O, H, Na, Mg, Ca, Cl, S.

Некоторые из элементов, несмотря на относительно низкую концентрацию, играют важную роль в  химических процессах моря и в  морских организмах. В этом отношении  ведущая роль принадлежит азоту, фосфору и кремнию, которые усваиваются  живыми организмами, и их концентрация в морской воде контролируется ростом и размножением морских животных и растений.

Следует отметить одну особенность океанической воды - главные ионы характеризуются постоянным соотношением во всем объеме Мирового океана. Это указывает на устойчивость динамического равновесия между  количеством растворенных веществ, поступающих с поверхности континентов  в океан, и их осаждением. Земная кора - наиболее неоднородная твердая  оболочка Земли, сложенная различными минеральными ассоциациями в виде осадочных, изверженных и метаморфических  горных пород. В учебной и научной  литературе применяется термин "литосфера", предложенный Э. Зюссом. В настоящее  время под литосферой понимают более  обширную, чем земная кора, область. Литосфера - это верхняя твердая  оболочка Земли, имеющая большую  прочность и переходящая в  нижележащую астеносферу, прочность  которой относительно мала. Она включает земную кору и верхнюю мантию до глубин примерно 200 км. Выделяются два  основных типа земной коры - континентальный  и океанический. Между ними находится  промежуточный тип, который называют субконтинентальным. Из данных табл. 8 видно, что общий химический состав земной коры определяют немногие элементы: O, Si, Al, Fe, Ca, Mg, Na, K, которые слагают основную ее массу. При этом наиболее распространенным элементом является кислород, составляющий едва ли не половину массы земной коры ( > 47,3 %) и 92 % ее объема. Он прочно связан химически с другими элементами в главных породообразующих минералах.

Земная кора сложена породами различного типа и  различного происхождения. Из них на осадочные породы приходится 9,2 %, на метаморфические - 20 % и на магматические - 70,8 %. Поверхность континентов на 80 % занята осадочными породами, а океаническое дно - почти полностью свежими осадками. Живое вещество биосферы в общем занимает ничтожное пространство в масштабе всего земного шара. Широкое распространение самого термина "живое вещество" связано с работами В.И. Вернадского. Он показал, что все живые организмы Земли образуют единое целое - живое вещество планеты. Жизнь на Земле - самый выдающийся процесс на ее поверхности, получающий живительную энергию Солнца и приводящий в движение едва ли не все химические элементы таблицы Менделеева. Биосфера есть часть земного пространства, охваченного жизнью с ее активным химическим проявлением. В биосфере возможно существование организмов в любых возможных концентрациях - от единичных бактерий и спор в 1 см3 атмосферного воздуха до мощных тропических лесов экваториальной зоны и следов жизни в пучинах Мирового океана. По своим требованиям к условиям внешней среды организмы расселяются в разных верхних горизонтах Земли: в нижней атмосфере, в гидросфере, в почвах, в глубинах литосферы, пропитанных природными водами и нефтяными месторождениями. Все живое вещество по своей массе занимает ничтожную долю по сравнению с любой из верхних оболочек земного шара. По современным вероятностным оценкам общее количество массы живого вещества в современную эпоху составляет порядка 2420 млрд. т. Эту величину можно сравнить с массой оболочек Земли, в той или иной степени охваченных биосферой (табл. 9). 

Таким образом, все живое вещество нашей планеты  составляет ~1/10000000 часть массы земной коры. Однако в качественном отношении  живое вещество представляет собой  наиболее высокоорганизованную часть  материи Земли. По своему активному  воздействию на окружающую среду  живое вещество занимает особое место  и качественно резко отличается от других оболочек земного шара, так  же, как живая материя отличается от мертвой. Оценка среднего химического  состава живого вещества была произведена  А.П. Виноградовым. Из данных табл. 10 видно, что главные составные части  живого вещества - это элементы, широко распространенные в природе: в атмосфере, гидросфере, литосфере и космосе. Средний элементарный состав живого вещества отличается от состава земной коры высоким содержанием углерода. По содержанию других элементов организмы  не повторяют состава среды своего обитания. Они избирательно поглощают  элементы, необходимые для построения их тканей. В процессе жизнедеятельности  организмы используют наиболее доступные  атомы, способные к образованию  устойчивых химических связей. Атомы  углерода имеют способность создавать  длинные цепи соединений с другими  атомами, что приводит к построению бесчисленных полимеров и других сложных органических высокомолекулярных соединений. 

По оценкам  разных источников биосфера возникла 3,5 - 4,5 млрд лет назад. Область современного обитания живых организмов охватывает в среднем 12 - 17 км - несколько меньше на суше, больше в океане; сфера случайного попадания организмов и биогенных элементов колеблется до 40 - 50 км. Считается, что нижняя граница биосферы в среднем лежит на глубине 3 км от поверхности суши и 0,5 км ниже дна океана, хотя в буровых скважинах живые микроорганизмы обнаружены на глубине 4 км, а микробиологические остатки - до 7 км. В "черных курильщиках" - выходах термальных вод на дне океана на глубинах в 3 км при давлении около 300 атм (3Ч107 Па) обнаружены живые организмы при температуре 250 ЬС (с повышением давления при t > 100 ЬС вода не кипит). Растения поднимаются в горы до высоты ~ 5 км. Дальше царствует вечный холод, но жизнь здесь теплится - обитают некоторые паукообразные и микроорганизмы. Верхняя граница биосферы находится на высоте 20 - 25 км на уровне озонового слоя, защищающего все живое от жесткого ультрафиолетового излучения. Выше случайно залетают только споры бактерий и грибов. Масса биосферы составляет ~0,05 % массы Земли, объем - 0,4 %. Но именно эта незначительная по размерам оболочка планеты есть область зарождения, развития и сохранения на протяжении миллиардов лет жизни в одной из точек Вселенной.

Компоненты биосферы и  ее структура.

В буквальном переводе термин “биосфера” обозначает сферу жизни, и в таком смысле он впервые был введен в науку  в 1875 г. австрийским геологом и палеонтологом Эдуардом Зюссом (1831 – 1914). Однако задолго до этого под другими названиями, в частности "пространство жизни", "картина природы", "живая оболочка Земли" и т.п., его содержание рассматривалось многими другими естествоиспытателями.