Реферат: Основы биогеохимии
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.
3. 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».
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».
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.
4. 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.
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».
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.
5. 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).