Реферат: Основы биогеохимии

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.

1. Основные понятия и представления

1.1 Живое вещество

Теоретическую основу биогеохимии составляет учение о живом веществе и биосфере, разработанное В.И. Вернадским.

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». Не углубляясь в эти проблемы, можно уверенно констатировать весьма важное значение живого вещества для существующего химического состава наружных оболочек нашей планеты.

1.2 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.

1.3 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.

1.4 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».

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.

2. 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?»

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».

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.

--> ЧИТАТЬ ПОЛНОСТЬЮ <--