LINEBURG


страница 1
(всего 27)

ОГЛАВЛЕНИЕ

След. стр. >>

ВЫСШЕЕ ОБРАЗОВАНИЕ



В.В.ДОБРОВОЛЬСКИЙ




ОСНОВЫ
БИОГЕОХИМИИ




Допущено Министерством образования Российской Федерации в качестве учебника для студентов высших учебных заведений, обучающихся
по специальности 013000 и направлению 510700 «Почвоведение»


















УДК 550.47
ББК 28.080.3
Д56

Работа выполнена при поддержке Федеральной целевой программы «Интеграция»

Рецензенты:
доктор биологических наук, профессор Г. В. Мотузова;
доктор географических наук Ю. И. Пиковский

Добровольский В. В.
Д 56 Основы биогеохимии: Учебник для студ. высш. учеб, заведений / Всеволод
Всеволодович Добровольский. — М.: Издательский центр «Академия», 2003. — 400 с.
ISBN 5-7695-1098-6


Рассмотрены основные понятия биогеохимии как науки, приведен краткий обзор истории ее развития. Изложены основные черты геохимии литосферы. Раскрывается механизм биогеохимического преобразования состава газовой оболочки на протяжении геологической истории. Даны характеристика глобальных биогеохимических циклов элементов и систематический обзор биогеохимии природных зон. Изложены теоретические представления и фактические данные о деформации природных биохимических циклов хозяйственной деятельностью человека, рассмотрены типичные антропогенные региональные и локальные биогеохимические аномалии.
Для студентов почвенных и биологопочвенных факультетов, а также обучающихся по специальностям 12500 «География», 013100 «Экология», 013600 «Геоэкология».



УДК 550.47
ББК 28.080.3
ISBN 5-7695-1098-6 © Добровольский В.В., 2003
© Издательский центр «Академия», 2003















Предисловие

Биогеохимия — одно из научных направлений, представляющих состояние естествознания на рубеже II и III тысячелетий н. э. Идеи основоположника биогеохимии — выдающегося российского естествоиспытателя и мыслителя В.И.Вернадского, сформулированные им на протяжении 20 —30-х гг. XX в., опередили свое время и были должным образом оценены много позже. Принципы и подходы биогеохимии оказались весьма плодотворными для общего прогресса естествознания и создали научно-методическую основу для решения ряда актуальных практических задач.
Преподавание основ биогеохимии входит в систему университетского образования естественного профиля. Настоящая книга написана в соответствии с задачами подготовки современного специалиста в сфере почвоведения и физической географии. Знание закономерностей биогеохимии необходимо для творческого овладения теорией почвообразования и геохимии ландшафтов, организации и осуществления почвенного мониторинга, предупреждения и нейтрализации негативных последствий хозяйственной деятельности.
Книга состоит из трех частей. В первой изложены методологические основы биогеохимии и рассмотрены общепланетарные закономерности взаимодействия живых организмов с окружающей средой. Во второй обобщены достижения в изучении глобальных биогеохимических циклов массообмена. Третья часть посвящена биогеохимии природных зон. Преобладает материал, характеризующий природные зоны суши. Наряду с этим в ней приведены необходимые для почвоведов и физико-географов сведения по биогеохимии океана. Завершается книга главой, содержащей обзор результатов воздействия хозяйственной деятельности человечества на биогеохимические циклы.
За последнее десятилетие были установлены и опубликованы новые данные по биогеохимии педосферы, биосферной геохимии углерода, результаты изучения природных механизмов биосферных циклов массообмена тяжелых металлов, геохимии техногенеза, часть которых нашла отражение в опубликованной автором в США книге «Biogeochemistry of the World's Land». Все эти данные учтены в книге.
Автор глубоко признателен доктору биологических наук, профессору Г. В. Мотузовой и доктору географических наук Ю. И. Пи-ковскому за труд по рецензированию рукописи, декану географического факультета МГУ чл.-корр. РАН Н. С. Касимову и декану факультета почвоведения МГУ чл.-корр. РАН С. А. Шобе за поддержку в организации издания «Основ биогеохимии», а также научному сотруднику кафедры геологии и геохимии ландшафта МПГУ С.В.Литкенс за помощь при подготовке книги к изданию.

Автор



Введение

Биогеохимия — наука, изучающая жизнедеятельность организмов в качестве ведущего фактора миграции и распределения масс химических элементов на Земле. Основоположник биогеохимии — выдающийся естествоиспытатель и мыслитель XX в. В. И. Вернадский — созданием этой науки открыл совершенно новый и важный аспект познания сложного феномена жизни. Предметом изучения биогеохимии служат процессы миграции и массообмена химических элементов между живыми организмами и окружающей средой.

Основные понятия и представления

Теоретическую основу биогеохимии составляет учение о живом веществе и биосфере, разработанное В.И.Вернадским.
Живое вещество. При великом разнообразии размеров, морфологии и физиологии живых организмов общим условием их существования является обмен веществ со средой обитания. Несмотря на то, что живые организмы составляют ничтожную часть массы наружных оболочек Земли, суммарный эффект их геохимической деятельности с учетом фактора времени имеет важное планетарное значение. Организмы, поглощая химические элементы селективно, в соответствии с физиологическими потребностями, вызывают в окружающей среде биогенную дифференциацию элементов. Не менее существенное значение имеет геохимия метаболизма. Газообразные метаболиты, поступая в газовую оболочку, постепенно изменяют ее состав. Жидкие метаболиты и продукты отмирания влияют на кислотно-щелочные и окислительно-восстановительные условия природных вод, которые закономерно преобразуют верхнюю часть литосферы: извлекают из нее определенные химические элементы, вовлекают их в водную миграцию и в итоге способствуют формированию химического состава Мирового океана и осадочных горных пород.
Индивидуальный организм смертен, но жизнь в форме продолжающихся поколений бесконечна. Воздействие организмов на окружающую среду, не прерываясь ни на мгновение, продолжалось около 4 млрд лет, на протяжении всей геологической истории. Поэтому постоянно существующая планетарная совокупность организмов с позиций геохимии может рассматриваться как особая форма материи — живое вещество. Его главное свойство — постоянный и непрерывный массообмен химических элементов с окружающей средой. По этой причине живое вещество играет роль ведущего фактора геохимической эволюции наружной части Земли.
Учение о живом веществе — одна из областей соприкосновения естествознания и философии. В феномене живого вещества много неясного и загадочного. Образование живого только из живого не получило пока научного объяснения и дает основание рассматривать жизнь не только как земное, но и как космическое явление. Опираясь на труды Л.Пастера и П.Кюри, В.И.Вернадский считал, что живое вещество существует в особом пространстве, геометрия которого отличается от геометрии земных небиогенных тел. В. И. Вернадский был близок к взглядам другого выдающегося ученого и мыслителя XX в. — П.Тейяра де Шардена и разделял его идею о том, что «наличие жизни предполагает существование до беспредельно простирающейся преджизни» [1 Тейяр де Шарден П Феномен человека — М , 1987 — С 56]
. Не углубляясь в эти проблемы, можно уверенно констатировать весьма важное значение живого вещества для существующего химического состава наружных оболочек нашей планеты.
Биосфера. Термин биосфера был введен в научный лексикон австрийским геологом Эдуардом Зюссом (1831 — 1914) в 1875 г. Этим термином Э.Зюсс обозначил сферу обитания организмов. В.И.Вернадский разработал представление о биосфере как о наружной оболочке Земли, охваченной геохимической деятельностью живого вещества.
В современном понимании биосфера не среда жизни, а глобальная система, где в неразрывной связи существуют, с одной стороны, инертное вещество в твердой, жидкой и газовой фазах, а с другой — разнообразные формы жизни и их метаболиты. Биосфера представляет собой единство живого вещества и пронизанной им наружной части земного шара. Живое вещество так же немыслимо без биосферы, как последняя без живого вещества.
Биогеохимические процессы. Ответственное место в изложенной системе представлений занимают процессы взаимодействия между живым веществом и инертной материей Земли. Это взаимодействие происходит в форме массообмена химических элементов между живыми организмами и окружающей средой. Именно процессы массообмена элементов объективно характеризуют геохимическую деятельность организмов, благодаря им биосфера имеет и поддерживает определенную, как ее называл В.И.Вернадский, «геохимическую организованность». Эти процессы, геохимические по существу (как закономерные миграции химических элементов), но осуществляемые не под воздействием геологических факторов, а в результате жизнедеятельности организмов, были названы Вернадским биогеохимическими. Очевидно, что биогеохимические процессы и их результаты должны служить главным предметом изучения биогеохимии.
Цикличность биогеохимических процессов. С момента научного изучения взаимодействия живых организмов с окружающей средой было обнаружено, что процессы биогенного массообмена имеют циклический характер.
Исследования последних десятилетий показали, что жизненные циклы отдельных организмов и их групп сочетаются с циклическими процессами, обусловленными геофизическими и космическими причинами: вращением Земли вокруг своей оси и вокруг Солнца, закономерностями эволюции солнечного вещества, перемещением солнечной системы в Галактике и др. Циклы массообмена различной протяженности в пространстве и неодинаковой длительности во времени образуют динамическую систему биосферы.
В И. Вернадский считал, что история большинства химических элементов, образующих 99,7 % массы биосферы, может быть понята лишь с учетом круговых миграций. Он специально отметил, что «эти циклы обратимы лишь в главной части атомов, часть же элементов неизбежно и постоянно выходит из круговорота. Этот выход закономерен, т.е. круговой процесс не является вполне обратимым» [2 Вернадский В И Очерки геохимии — М , 1934 — С 31].
Неполная обратимость мигрирующих масс и несбалансированность миграционных циклов допускают определенные пределы колебания концентрации мигрирующего элемента, к которым организмы могут адаптироваться, но в то же время обеспечивают вывод избыточного количества элемента из данного цикла.

Из истории развития идей биогеохимии

Контуры биогеохимии вырисовывались постепенно на фоне общего развития естествознания и, главным образом, химии. Как показано выше, основные идеи биогеохимии ориентированы на оценку явлений жизни, деятельности живого вещества с научных позиций, т.е. «числом и мерой». Вместе с тем они невольно касались сферы исконных интересов религии, философии и,
следовательно, идеологии. Это обстоятельство во все времена требовало незаурядных качеств личности исследователя. Хотя развитию идей биогеохимии способствовали работы многих ученых, наиболее заметный след в истории этих идей оставили весьма неординарные фигуры, являвшиеся не только крупными учеными, но и яркими личностями.
В конце XVIII в. благодаря открытию кислорода, азота, диоксида углерода (углекислого газа) и расшифровке химического состава воздуха в научных кругах Парижа и Лондона активно обсуждалось значение газов в жизни растений. В это время один из основателей химии Антуан Лавуазье решил задачу количественной оценки химических элементов, участвующих в реакции, и изучил явление эквивалентного обмена кислорода и углекислого газа растениями. Этими работами он заложил основу современных представлений о геохимии углерода в биосфере. Убедившись в том, что главный химический элемент органического вещества — углерод — растения получают из воздуха, а при разложении растительных остатков углерод в составе углекислого газа вновь возвращается в атмосферу, А.Лавуазье пришел к выводу об универсальности механизма круговорота при взаимодействии живых организмов с природой.
Незадолго до трагической гибели от революционного террора А. Лавуазье написал трактат «Кругооборот элементов на поверхности земного шара», где обосновал идею циклического обмена химических элементов между тремя царствами природы: минеральным, растительным и животным. В этом трактате он поставил вопрос, на который спустя двести лет стремится дать ответ биогеохимия: «Какими путями осуществляет природа этот изумительный круговорот веществ между тремя своими царствами?» [3 Цит. по кн.: Барбье М. Введение в химическую экологию. — М., 1978. — С. 229.]

После работ А.Лавуазье стало очевидно, что живые организмы в основном состоят из элементов, образующих на поверхности Земли газы, и что в химии жизни исключительно важное значение имеет взаимосвязь организмов с газами атмосферы. Эта проблема продолжала оставаться в центре внимания в начале XIX в. В 1841 г. два выдающихся французских ученых — знаменитый химик, один из основателей органической химии Жан-Батист Дюма и Жан-Батист Буссенго, основатель агрохимии, путешественник и натуралист, — окончательно сформулировали идею циклического круговорота газов в системе живые организмы — атмосфера, изложив ее в яркой и несколько парадоксальной форме: «...мы видим, что первичная атмосфера Земли подразделилась на три большие части: одна из них образует современный атмосферный воздух, вторая представлена растениями, третья — животными... Таким образом, все, что воздух дает растениям, растения уступают животным, животные же возвращают воздуху; вечный круг, в котором жизнь трепещет и выявляется, но где материя только меняет свое место» [4 Цит. по кн.: Вернадский В.И. Очерки геохимии. — М., 1934. — С. 172.]
.
Как ни велико значение круговорота газов, этим обмен веществ между живыми организмами и окружающей средой не ограничивается. Следующий шаг в познании биогеохимических циклов на суше связан с исследованиями выдающегося немецкого химика Ю.Либиха. Он показал, что химические элементы поступают в растения двумя путями: одни как углерод из воздуха, другие — в виде водных растворов из почвы. Ю.Либих провел широкие исследования, последовательно определив состав почв и содержание минеральных веществ в разных органах растений и животных, продуктах их жизнедеятельности. По существу, он впервые применил метод сопряженного анализа, широко используемый в современной геохимии ландшафтов. Многочисленными экспериментами он доказал, что растения избирательно поглощают из почвы химические элементы. На основании этого открытия Ю.Либих разработал широко известную теорию минерального питания растений и положил начало изучению циклической миграции элементов в системе почва—растения —почва, получившей позже название биологического круговорота.
Значение работ Ю.Либиха для биогеохимии трудно переоценить. Он наметил пути экспериментального изучения биогеохимических циклов большей части химических элементов, перевел проблему взаимодействия живых организмов и минеральной природы из области философских построений в плоскость конкретных научных исследований и практической деятельности. После его работ биологический круговорот химических элементов приобрел осязаемую реальность. Либих показал, как человек может им управлять, искусственно вводя в миграционные циклы дополнительные массы элементов. В его знаменитой книге «Химия в приложении к земледелию и физиологии растений», изданной в Германии в 1840 г., впервые была предпринята попытка рассмотреть судьбу народов и стран в связи с нарушением естественного массообмена отдельных химических элементов. Аналитическое мастерство, широкая эрудиция, научная целеустремленность покоряют и современного читателя его трудов.
В 80-х гг. XIX в. в России возникло генетическое почвоведение. Его основатель — яркий и оригинальный ученый, профессор Петербургского университета В.В.Докучаев рассматривал образование (генезис) почвы как результат взаимодействия многих факторов-почвообразователей: почвообразующей горной породы, растений и животных, климатических условий, форм рельефа, грунтовых вод.
Учение В. В.Докучаева углубило и конкретизировало представления великих химиков о деятельности живых организмов на примере широко распространенного природного образования — почвенного покрова суши. Одновременно впервые было показано неразрывное единство живых организмов с другими компонентами природной системы и невозможность существования этой системы без явлений жизни.
Таковы основные вехи развития научной мысли о планетарном значении жизнедеятельности организмов и их тесной взаимосвязи с неживым веществом окружающей среды. Многочисленные, но разрозненные и трудно сопоставимые факты и гипотезы нуждались в обобщении на новой методологической основе. Эту основу предоставила геохимия.
Согласно принципам этой науки, любой объект можно охарактеризовать соотношением образующих его атомов химических элементов. Геохимический подход позволяет сопоставлять и сравнивать самые различные природные тела и процессы. В частности, определив средний суммарный состав живых организмов Земли и сопоставив его со средним составом земной коры, можно оценить направленность геохимической деятельности живого вещества во времени. Определив массы химических элементов, ежегодно захватываемых приростом растительности Мировой суши, и массы этих же элементов, выносимых с годовым стоком всех рек, можно получить представление о значимости каждого из планетарных процессов. Геохимический подход дает возможность объективно, на строго научной основе оценить планетарный эффект деятельности живого вещества или отдельных групп живых организмов.
Развитие геохимии в разных странах шло различными путями. В США было положено начало статистическому изучению распределения химических элементов. Химик геологической службы США Ф.У. Кларк с целью установления средних значений концентрации десяти главных химических элементов в основных типах горных пород, природных водах и других объектах в 80-х гг. XIX в. приступил к обобщению имевшихся аналитических данных. С 1889 г. по 1924 г. он несколько раз публиковал все более обоснованные сведения о среднем содержании химических элементов. Книга Ф. Кларка «The Date of Geochemistry» явилась первым объективным обоснованием закономерностей распределения главных химических элементов в земной коре.
В Европе геохимия складывалась на базе минералогии — науки о природных химических соединениях и процессах их образования. По этой причине главное внимание уделялось процессам, определявшим распределение химических элементов.
В Норвегии при университете в Осло сложилась сильная научная школа минералогов и химиков, представители которой изучали распределение и соотношение элементов в связи с физико-химическими процессами рудо- и породообразования. В недрах этой научной школы сформировался как ученый выдающийся геохимик В.М.Гольдшмидт. Он разработал учение о глобальных закономерностях распределения химических элементов в зависимости от строения их атомов и ионов.
В России становление геохимии происходило на кафедре минералогии Московского университета. Возглавлявший кафедру В. И. Вернадский читал оригинальный курс генетической минералогии, где внимание акцентировалось не только на внешних свойствах и признаках минералов, что было свойственно классической описательной минералогии, но и на динамике их образования. Проблемы истории образования минералов привели В.И.Вернадского к изучению природных процессов на атомном уровне. В дальнейшем он разработал основополагающие положения геохимии о миграции химических элементов, о значении изоморфизма для распределения элементов в земной коре, о формах нахождения элементов и явлении их рассеяния.
Перечисленные направления геохимии сыграли важную роль в формировании биогеохимии.

В. И. Вернадский и создание биогеохимии



В. И. Вернадский — одна из наиболее выдающихся личностей в истории науки XX в. Его разносторонняя деятельность оставила глубокий след в истории отечественной науки. Он является основателем нескольких крупных научных направлений в современном естествознании. Вершина его научного творчества — создание учения о живом веществе, его планетарной геохимической роли и уникальной оболочке Земли, порожденной живым веществом, — биосфере.
В.И.Вернадский получил высшее образование на естественном отделении физико-математического факультета Петербургского университета в 1881 — 1885 гг. В эти годы в столичном университете был представлен цвет российской науки. Наибольшее впечатление на юного студента произвел В.В.Докучаев. В 1904 г. В. И. Вернадский писал о своем учителе: «Это была крупная своеобразная фигура, резко выделявшаяся на фоне бледной русской общественности; и всякий, кто с ним сталкивался, чувствовал влияние и осознавал силу его своеобразной индивидуальности. В истории естествознания России в течение XIX в. немного найдется людей, которые могли бы быть поставлены наряду с ним по влиянию, какое они оказывали на ход научной работы, по глубине и оригинальности их обобщающей идеи» [5 Вернадский В.И Страница из истории почвоведения // Научное слово. — М., 1904.-Кн. 6.-С. 5.]
.

Идеи В.В.Докучаева о всеобщей взаимосвязи компонентов природы и живых организмах как неотъемлемой составной части почвы и одновременно важнейшем факторе ее образования явились отправной научно-философской основой, на которой сформировались разработанные В. И. Вернадским генетическая минералогия и геохимия, а затем биогеохимия и учение о биосфере.
Концепция живого вещества создавалась на рубеже XIX —XX вв. В.И.Вернадский указывал, что биогеохимические проблемы начали его интересовать с 1891 г., когда он приступил к работе над созданием курса генетической минералогии в Московском университете. Но можно предполагать, что мысли о направленном воздействии живых организмов на неживую природу возникли еще раньше под влиянием лекций Докучаева о факторах почвообразования.
С 1916 г. В. И. Вернадский начинает многолетнюю работу по созданию «науки о жизни». Прежде всего необходимо было разработать подход к объективной оценке живого вещества и эффекта его деятельности. Пути решения этой совершенно новой задачи Вернадский наметил в 1918 —1919 гг., когда под его руководством проводились первые биогеохимические исследования на Украине, где он возглавлял только что организованную Украинскую академию наук. В начале 20-х гг. он излагает свои идеи в докладах в Петрограде, Праге, а затем в курсе лекций, прочитанных в Сорбонне. В.И.Вернадский считал: «...чтобы правильно оценить геохимическое значение живого вещества, мы должны знать для этого, во-первых, средний элементарный химический состав всех организмов, живого вещества и, во-вторых, выразить его количественно, знать вес живого вещества. Этот состав и этот вес мы должны связать с весом и составом среды, в которой земное вещество находится» [6 Вернадский В И Химический состав живого вещества в связи с химией земной коры // Биогеохимические очерки. — М. — Л , 1940. — С. 12.]
.
В результате настойчивых усилий В. И. Вернадского в 1928 г. была создана Биогеохимическая лаборатория АН СССР, которую он возглавлял до конца своих дней. К сожалению, по причине малочисленности сотрудников лаборатории и недостаточности средств экспериментальные исследования были ограничены определением содержания химических элементов в разных организмах. Большая и весьма трудоемкая работа по определению масс живых организмов осталась неосуществленной. Эта работа была широко развернута после смерти В. И. Вернадского во второй половине XX в. экологами, почвоведами, океанологами. Полученные данные о динамике живого вещества полностью подтвердили мысли В. И. Вернадского о биогеохимических циклах миграции химических элементов как основе существования биосферы.
В. И. Вернадский был убежден в перспективности биогеохимических исследований не только для познания фундаментальных законов жизни, но и для решения конкретных производственных задач. Для оказания практической помощи народному хозяйству он настойчиво добивался постановки биогеохимических исследований на различных производственных объектах. Его предложения не вызвали интереса у руководителей сельского хозяйства страны, но получили поддержку геологической службы. По инициативе Вернадского в середине 30-х гг. XX в. была начата работа по созданию биогеохимического метода поисков месторождений руд.

Соотношение биогеохимии с геохимией,
биологией и почвоведением

Биогеохимия методологически тесно связана с геохимией. Эти науки изучают распределение химических элементов в пространстве и во времени, возникновение и трансформацию разных форм нахождения элементов, процессы их миграции, проявления рассеяния и аккумуляции в разных природных условиях. Различие двух наук заключается в том, что геохимия преимущественно изучает поведение элементов в природных растворах, расплавах и продуктах кристаллизации, состояние и взаимопереходы которых определяются законами термодинамики, физической химии и кристаллохимии, а биогеохимия изучает миграцию и распределение химических элементов в биосфере, где главной движущей силой является деятельность организмов. Это различие такое же глубокое, как различие между неорганической и молекулярной химией. Разумеется, существуют природные обстановки и процессы, в которых действие законов геохимии и биогеохимии тесно переплетаются. Идеи В.И.Вернадского о планетарной роли живого вещества обогатили теорию геохимии и создали основу для выяснения некоторых важных геологических процессов, в том числе процессов осадочного рудообразования.
Биогеохимия связана и с другими науками о Земле, особенно с теми, что изучают состав горных пород, минералов, природных вод и газов, а также развитие природной среды на протяжении геологической истории.
Своеобразно складывались взаимоотношения идей Вернадского с биологическими науками. В.И.Вернадский полагал, что изучение живого организма изолированно от среды обитания методологически ошибочно, ибо и то, и другое неразрывно связаны. Он считал, что, изучая живые организмы, биологи в большинстве своих работ оставляют без внимания неразрывную связь, тончайшую функциональную зависимость, существующую между окружающей средой и живым организмом, заменяют сложные явления природы упрощенными моделями.
В то же время известно критическое отношение к биогеохимии представителей физико-химической биологии, которые не видели смысла в определении содержания химического элемента в организме без изучения его конкретных органических соединений, расшифровки их молекулярной структуры, изучения типа связей данного элемента с другими. Здесь уместно еще раз вспомнить, что главной задачей биогеохимических исследований является изучение массообмена химических элементов между живыми организмами и окружающей средой. Эта задача не входит в сферу интересов комплекса наук физико-химической биологии (биохимии, молекулярной и биоорганической химии), но близка к целям биологических наук, изучающих связи между организмами и средой их обитания: геоботаники, биоценологии и особенно экологии. Идеи и подходы биогеохимии весьма перспективны для развития экологии. Изучению массообмена в экосистемах уделяется большое внимание при экологических исследованиях.
Благодаря очень непродолжительным жизненным циклам микроорганизмов геохимический эффект их деятельности наглядно свидетельствует о справедливости главного положения биогеохимии: глубокой взаимозависимости состава окружающей среды и живого вещества. По этой причине принципы биогеохимии были органично восприняты микробиологией. С одной стороны, микробиологи установили закономерное преобразование химического состава воды замкнутых бассейнов под влиянием микробиологической деятельности и важную роль микроорганизмов в глобальном газовом режиме. С другой стороны, было обнаружено, что микроорганизмы, обитающие в илах и почвах (бактерии и актиномицеты), могут адаптироваться к сильно различающимся уровням концентрации кобальта, молибдена, меди, ванадия, урана, селена и бора. Эта способность передается по наследству, благодаря чему адаптация сопровождается перестройкой популяций микроорганизмов.
Важное место в развитии идей В.И.Вернадского о живом веществе и биосфере занимают его работы по геохимии почв. Ясно представляя, что ни в одном из природных образований нет такого тесного взаимопроникновения и взаимодействия живых организмов и неживого вещества, как в почве, Вернадский называл ее биокосным телом. Можно предполагать, что именно углубленное изучение почвы как части биосферы, максимально насыщенной жизнью, было одним из первых шагов в разработке В. И. Вернадским концепции живого вещества. Понятие о живом веществе было впервые им изложено в статье, написанной в 1919 г. и посвященной роли организмов в почвообразовании [7 См Вернадский В. И. Об участии живого вещества в создании почв // К. Н. Ситник и др. В. И. Вернадский. Жизнь и деятельность на Украине. — Киев, 1988. — С. 186 — 214.].
В.И.Вернадский рассматривал почву как центральное звено биосферы, где сходятся разнообразные миграционные циклы химических элементов. «С каждым годом... все яснее становится значение почвы в биосфере — не только как субстрата, на котором живет растительный и животный мир, но как области биосферы, где наиболее интенсивно идут разнообразные химические реакции, связанные с живым веществом» [8 Вернадский В. И. К вопросу о химическом составе почв // Почвоведение. — 1913.-№2-3.-С. 2.]
.
В 1936 г. В. И. Вернадский ввел в науку понятие о педосфере, которое в настоящее время широко используется при глобальных геохимических построениях. Он отмечал, что химический состав Мирового океана тесно связан с мобилизацией химических элементов в педосфере и с планетарным миграционным циклом почвы — воды рек — воды океана. Не менее ответственную роль играет педосфера в газовом обмене. В. И. Вернадский считал, что многие химические элементы поступают в почву не столько из почвообразующих пород, сколько осаждаются из атмосферы и вновь уходят в нее, захватываясь ветром. Предположение Вернадского о циклической миграции химических элементов в системе почва — атмосфера подтвердилось спустя несколько десятилетий при изучении динамики аэрозолей, их «времени жизни» и дальности переноса.
Принципы биогеохимии оказались весьма перспективными для генетического почвоведения. Крупный почвовед, геохимик и географ Б.Б.Полынов, опираясь на идеи В.И.Вернадского, разработал учение о геохимии ландшафта. Последователи Б. Б. Полынова геохимики-почвоведы и геохимики-ландшафтоведы своими исследованиями способствовали развитию биогеохимии. В настоящее время разграничение биогеохимических, эколого-геохими-ческих, почвенно-геохимических и ландшафтно-геохимических исследований весьма условно.

Практическое значение биогеохимии

По причине того, что основные виды производственной деятельности людей — сельское хозяйство и промышленность — осуществляются на суше, направленность практического использования биогеохимии также связана с изучением процессов, протекающих в пределах Мировой суши. До последних лет основное практическое применение биогеохимии было связано с деятельностью геологической службы, с так называемым биогеохимическим методом поисков месторождений полезных ископаемых. Сущность этого метода заключается в выявлении участков повышенных концентраций рудообразующих элементов в растениях, продуктах их отмирания и метаболизма. Участки повышенных концентраций металлов в растениях и верхнем горизонте почвы — биогеохимические аномалии — дают основание предполагать наличие на глубине залежей руд, не выходящих на поверхность. В этом случае биогеохимические аномалии могут рассматриваться как ореолы рассеяния рудных аккумуляций. Они образуются в результате вовлечения металлов в биологический круговорот и накопления их в растительности и почве. Применение биогеохимического метода поисков месторождений полезных ископаемых в труднопроходимых лесных районах или на территориях, перекрытых рыхлыми аллохтонными отложениями, облегчает обнаружение месторождений и способствует удешевлению комплекса геолого-поисковых работ.
Опыт применения биогеохимического метода в нашей стране обобщен в трудах А.П.Виноградова (1954), Д.П.Малюги (1963), А. Л. Ковалевского (1984).
Биогеохимические исследования сыграли важную роль в открытии многих месторождений руд цветных и редких металлов, сырья для атомной промышленности и других полезных ископаемых. В настоящее время биогеохимический метод значительно усовершенствован, имеются его различные варианты, разработанные с учетом достижений биогеохимии и современных технических возможностей.
Второе направление биогеохимии, важное в практическом отношении, заключается в изучении влияния содержания химических элементов в окружающей среде на организмы животных и человека. Подчеркнем, что речь идет о концентрации химических элементов, обусловленной исключительно природными факторами. В отдельных районах геохимические отклонения настолько велики, что вызывают ответные, часто патологические реакции организмов. Такие районы получили название биогеохимических провинций (Виноградов А.П., 1962).
В.В.Ковальский и его сотрудники (1974) обнаружили связь между продуктивностью сельскохозяйственного скота и избытком и недостатком бора, кобальта, меди, молибдена, селена. Аналогичные исследования в 1973 г. были выполнены в Англии и Ирландии под руководством Дж.Уэбба (1964, 1966), в США — Р. Ибинсом и др.
В некоторых местах установлено влияние содержания микроэлементов в питьевой воде и местных продуктах на здоровье человека. Одним из первых за рубежом к этой проблеме привлек внимание канадский биогеохимик Х.Уоррен (1961). Помимо широко известных примеров заболевания щитовидной железы от недостатка иода необходимо отметить интересное исследование о связи содержания микроэлементов в почвах и растениях с сердечнососудистыми заболеваниями в Джорджии (США), проведенное X. Шаклеттом (1970). Финский геохимик М.Сальми (1963) обнаружил связь между содержанием свинца в горных породах и заболеванием рассеянным склерозом. Для организации методико-гигиенических мероприятий была разработана методика картографирования природных геохимических условий (Добровольский В. В., 1967).
Во второй половине прошлого столетия было развернуто изучение микроэлементов в связи с проблемами сельского хозяйства и медицины. Одним из инициаторов этих исследований стал крупный отечественный почвовед В.А. Ковда. В нашей стране начиная с 1950 г. систематически проводились научные конференции по проблемам микроэлементов: в Москве (1950), Баку (1954), Риге (1958), Киеве (1962), Улан-Удэ (1966), Ленинграде (1970), Риге (1975), Ивано-Франковске (1978), Кишиневе (1981), Чебоксарах (1986) и Самарканде (1990). Биогеохимики принимали активное участие в этой деятельности. Информация о результатах изучения биогеохимии микроэлементов в разных научных центрах публиковалась в ежегодных сборниках в форме систематических обзоров. Наиболее значительны достижения в изучении микроэлементов в системе почва — растения. Под руководством В. А. Ковды и Н.Г. Зырина впервые были составлены карты содержания бора, марганца, цинка, меди и молибдена в почвах на обширной территории Восточно-Европейской равнины.
Рассмотренные выше направления существуют длительное время и стали традиционными в биогеохимии. Третье направление начало складываться в конце 1960-х — начале 1970-х гг. и окончательно определилось в 1972 г. после Стокгольмской конференции ООН, посвященной проблемам состояния и охраны окружающей среды.
Мировое сообщество серьезно озабочено тем, что производственная деятельность достигла опасного уровня и стала отрицательно сказываться на состоянии природы. Предпринимаются усилия по координации исследований в области изучения содержания и распределения опасных загрязнителей и разработке национальных и международных программ, направленных на организацию контроля за загрязнением окружающей среды, изучением закономерностей, поддерживающих нормальное состояние биосферы. Были созданы программы ООН по окружающей среде (UNEP — United Nation Environment Programme), глобального мониторинга (GEMS — Global Environmental Monitoring System), «Человек и биосфера» (МАВ — Man and the Biosphere), «Глобальные изменения» (Global Changes). Программы курируют ЮНЕСКО и Научный комитет по проблемам окружающей среды Международного союза научных обществ (SCOPE — Scientific Committee on Problems of the Environment).
Биогеохимия, предметом изучения которой служат процессы миграции и массообмена химических элементов, связывающих в единое целое окружающую среду и живые организмы, может стать теоретической основой для комплексных биосферных исследований и осуществления упомянутых выше программ. Биогеохимики принимают самое активное участие в изучении современного геохимического состояния природных систем и их трансформации под воздействием хозяйственной деятельности человечества.
На Стокгольмской конференции ООН среди приоритетных загрязнителей были названы тяжелые металлы. Их воздействие на живые организмы привлекло пристальное внимание ученых. Результаты исследований в этой области были рассмотрены на серии конференций, посвященных проблеме «Тяжелые металлы в окружающей среде» («Heavy metals in the Environment»). Первая конференция была проведена в Торонто (Канада) в 1975 г., затем в Амстердаме (Нидерланды) в 1991 г., в Гейдельберге (Германия) в 1983 г. и в Афинах (Греция) в 1985 г.
По инициативе Доми С. Адриано, руководителя отдела биогеохимической экологии Саванахской экологической лаборатории США, были предприняты усилия по консолидации исследований в области биогеохимии рассеянных элементов на международном уровне в форме регулярных международных конференций: International Conference on the Biogeochemistry of Trace Elements — ICOBTE. Первая конференция ICOBTE состоялась в г. Орландо (США) в 1990 г., вторая — в Тайбее (Тайвань) в 1994 г., третья — в Париже (Франция) в 1995 г., четвертая — в г. Беркли (США) в 1997 г., пятая — в Вене (Австрия) в 1999 г., шестая — в г. Гуэлф (Канада) в 2001 г., седьмая предполагается в г. Упсала (Швеция) в 2003 г.
Результаты биогеохимических исследований публикуются в периодической научной литературе многих стран. Среди отечественных журналов — это «Почвоведение», «Вестник МГУ» (серии почвоведения и географии), «География и природные ресурсы». Ценные материалы печатаются в трудах биогеохимической лаборатории Российской Академии Наук.
Следует обратить особое внимание на актуальность преподавания основ биогеохимии для подготовки специалистов естественного профиля в высшей школе. Знание теоретических основ биогеохимии необходимо для предотвращения экологически негативных последствий хозяйственной деятельности людей и нейтрализации уже возникших экологических обострений.

Рекомендуемая литература

Вернадский В. И. Биогеохимические очерки.-М.-Л.: Изд-во АН СССР, 1940. - 241 с.
Вернадский В. И. Очерки геохимии // Избр. соч.: В 5 т. — М.: Изд-во АН СССР, 1954.-Т. 1.
Вернадский и современность / Под ред. Б.С. Соколова и А.Л.Яншина. - М.: Наука, 1986. - 232 с.
Вернадский В.И. Труды по биогеохимии и геохимии почв. — М.: Наука, 1992. - 437 с.

Контрольные вопросы

1. В чем заключается сущность и научное новаторство идей В. И.Вернадского о живом веществе?
2. Дайте определение понятия «биосфера».
3. Каковы соотношения биогеохимии с геохимией, биологией и почвоведением?
4. Охарактеризуйте основные этапы развития научных взглядов на цикличность миграции вещества под воздействием проявлений жизни.
5. В каких отраслях народного хозяйства используются результаты биогеохимических исследований?
6. Для решения каких актуальных общемировых проблем принципы биогеохимии приоритетны?






























Часть I
ОБЩАЯ ГЕОХИМИЧЕСКАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ БИОСФЕРЫ

Глава 1
ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ ЗЕМНОЙ КОРЫ
КАК ФАКТОР БИОСФЕРЫ

Три наружные оболочки Земли, различающиеся фазовым состоянием, — твердая земная кора, жидкая гидросфера и газовая атмосфера — тесно связаны между собой, а вещество каждой из них проникает в пределы других. Подземные воды пронизывают верхнюю часть земной коры, значительный объем газов находится не в атмосфере, а растворен в гидросфере и заполняет пустоты в почве и горных породах. В свою очередь, вода и мелкие твердые минеральные частицы насыщают нижние слои атмосферы.
Наружные оболочки связаны не только пространственно, но и генетически. Происхождение оболочек, формирование их состава и его дальнейшая эволюция взаимосвязаны. В настоящее время эта связь в значительной мере обусловлена тем, что наружная часть планеты охвачена геохимической деятельностью живого вещества.
Массы оболочек сильно различаются. Масса земной коры оценивается в 28,46Ч1018 т, Мирового океана — 1,47Ч1018 т, атмосферы — 0,005Ч1018 т. Следовательно, в земной коре находится основной резерв химических элементов, которые вовлекаются в миграционные процессы под воздействием живого вещества. Концентрации и распределение химических элементов в земной коре оказывают сильное влияние на состав живых организмов суши и всего живого вещества Земли.
Рассматривая проблему состава живого вещества, В. И. Вернадский отмечал: «...химический состав организмов теснейшим образом связан с химическим составом земной коры; организмы приноравливаются к нему» [9 Вернадский В. И. Химический состав живого вещества в связи с химией земной коры // Биогеохимические очерки. — М. — Л., 1940. — С. 18.]
.

Относительное содержание
химических элементов в земной коре

Химики и петрографы начиная со второй половины XIX в. изучали химический состав горных пород методами весового и объемного химического анализа. Суммируя результаты многочисленных анализов горных пород, Ф. Кларк показал, что в земной коре преобладают восемь химических элементов: кислород, кремний, алюминий, железо, магний, кальций, калий и натрий. Этот основной вывод неоднократно подтвержден результатами последующих исследований. Методами химического анализа, которыми пользовались в XIX в., определение низких концентраций элементов было невозможно. Требовались принципиально иные подходы.
Мощный импульс изучению химических элементов с очень низкой концентрацией в веществе земной коры дало применение более чувствительного метода — спектроскопического анализа. Новые факты позволили В. И. Вернадскому сформулировать принцип «всюдности» всех химических элементов. В докладе на XII съезде российских естествоиспытателей и врачей в декабре 1909 г. он заявил: «В каждой капле и пылинке вещества на земной поверхности, по мере увеличения тонкости наших исследований, мы открываем все новые и новые элементы... В песчинке или в капле, как в микрокосмосе, отражается общий состав космоса» [10 Вернадский В. И. Заметки о распространении химических элементов в земной коре // Избр. соч. - М., 1954. - Т. 1. - С. 401.]
.
Идея «всюдности» химических элементов долгое время вызывала настороженность даже со стороны крупных ученых. Это было связано с тем, что элементы, содержащиеся в количестве ниже уровня чувствительности метода, при анализе не обнаруживались. Создавалась иллюзия их полного отсутствия, что отразилось на терминологии. В геохимии возникли термины редкие элементы (die seltene Elementen — нем.; rare elements — англ.), частота (die Haufigkeit — нем.) обнаружения. В действительности имеет место не реальная редкость или малая частота встречаемости элемента при анализах, а его низкая концентрация в изучаемых пробах, которая не может быть определена недостаточно чувствительными методами анализа.
Низкая чувствительность метода часто не позволяла определять количество элемента, а лишь констатировать присутствие его «следов». С тех пор в геохимической литературе широко используется термин? применявшийся В.М.Гольдшмидтом и его коллегами в 1930-х гг.: элементы-следы (die Spurelemente — нем.; trace elements — англ.; des elements traces — фр.).
В итоге усилий ученых разных стран в 20-х гг. XX в. сложилось общее представление о составе земной коры. Средние значения относительного содержания химических элементов в земной коре и других глобальных и космических системах известный геохимик А. Е. Ферсман предложил называть кларками в честь ученого, который наметил путь к количественной оценке распространения химических элементов.
Кларк — весьма важная величина в геохимии. Анализ значений кларков позволяет понять многие закономерности распределения химических элементов на Земле, в Солнечной системе и доступной нашим наблюдениям части Вселенной. Кларки химических элементов земной коры различаются более чем на десять математических порядков. Столь существенное количественное различие должно отразиться на качественно неодинаковой роли двух групп элементов в земной коре. Наиболее ярко это проявляется в том, что элементы первой группы, содержащиеся в относительно большом количестве, образуют самостоятельные химические соединения, а элементы второй группы с малыми кларками преимущественно распылены, рассеяны среди химических соединений других элементов. Элементы первой группы называют главными, элементы второй — рассеянными. Их синонимами в английском языке являются minor elements, rare elements, наиболее употребляемый синоним trace elements. Условной границей между группами главных и рассеянных элементов в земной коре может служить величина 0,1 %, хотя кларки большей части рассеянных элементов значительно меньше и измеряются тысячными и меньшими долями процента. Понятие о состоянии рассеяния химических элементов, так же как и о их «всюдности», было введено в науку В. И. Вернадским.
Полный химический состав верхнего, так называемого гранитного, слоя континентального блока земной коры приведен в табл. 1.1.
Таблица 1.1
Кларки химических элементов гранитного слоя коры континентов (в порядке убывания значений) (по А. А Беусу, 1976)

Химический
элемент
Атомный номер

Среднее содержание, 1Ч10-4 %
Химический элемент
Атомный номер

Среднее содержание, 1Ч10-4 %


О
8

481 000
Mg
12

12000


Si
14

399 000
Ti
22

3300


А1
13

80 000
H
1

1000


Fe
26

36000
P
15

800


К
19

27000
F
9

700


Са
20

25000
Мn
25

700


Na
11

22000
Ва
56

680


S
16
400

Ег

68

3,6

С
6
300

Yb

70

3,6

Sr
38
230

Hf

72

3,5

Rb
37
180

Sn

50

2,7

Cl
17
170

и

92

2,6

Zr
40
170

Be

4

2,5

Се
58
83

Br

35

2,2

V
23

страница 1
(всего 27)

ОГЛАВЛЕНИЕ

След. стр. >>

Copyright © Design by: Sunlight webdesign