Добровольский В.В. Основы биогеохимии

Подождите немного. Документ загружается.

металлов летучими органическими соединениями, образующимися

анаэробными микроорганизмами, деятельность которых на суше сосредоточена

в гидроморфных ландшафтах, а активизируется на урбанизированных

территориях под асфальтовыми покрытиями.

Многочисленные данные свидетельствуют, что процесс преобразования

природной среды, сопровождающий жизнь городов, настолько своеобразен, что

наряду с процессом техноге-неза, происходящим в результате индустриальной

деятельности, следует учитывать особый процесс урбогенеза в качестве важной

стороны геохимического воздействия человечества на биосферу.

Геохимические аномалии городов имеют сложную структуру, в которой

на общем геохимически аномальном урбаногенном фоне выделяются

отдельные более интенсивные аномалии, связанные с деятельностью

определенных производственных предприятий и крупными транспортными

артериями. В качестве примера может служить структура урбаногенной

аномалии одного из городов Украины — Мелитополя, изученной

Т.А.Алексеевой. На основании данных о содержании цинка в почвенном

покрове и коре деревьев можно считать, что на всей территории города

урбаногенный фон в 1,5 раза превышает уровень местного природного

геохимического фона. На убраногенном аномальном фоне выделяются

отдельные участки с более высокой концентрацией цинка, обусловленной

производственной деятельностью машиностроительных предприятий и

тепловой станции. В центре города, где сосредоточена значительная часть

промышленных предприятий, локальные аномалии соединяются в более

крупную, где концентрация цинка в 2 раза и более превышает уровень

урбаногенного фона (рис. 16.12).

Итак, современные мегаполисы и индустриальные урбанизированные

агломерации представляют собой огромные антропогенные геохимические и

биогеохимические аномалии. Парадоксальность ситуации заключается в том,

что абсолютная и относи- тельная численность городского населения

неуклонно возрастает, в то время как эмиссия всех видов отходов

индустриальной цивилизации наиболее интенсивно происходит именно в

городах. Геохимически аномальная окружающая среда не только отражается на

состоянии здоровья населения в настоящем, но будет иметь непредсказуемые

последствия для последующих поколений. Биогеохимия городов должна стать

одной из приоритетных проблем науки в третьем тысячелетии нашей эры.

РЕКОМЕНДУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА

Апексеенко В. А. Геохимия ландшафта и окружающая среда. — М.: Наука, 1990. - 140

с.

Беус А. А, Грабовская Л. И., Тихонова Н. В. Геохимия окружающей среды. - М.:

Недра, 1976. - 248 с.

Биогеохимическая оценка состояния природной среды: В.В.Батоян, В. С. Вшивцев, Н.

С. Касимов и др. // Тр. Биогеохимической лаборатории. — М.: Наука, 1990.-Т. 21. - С. 108-

125.

Геохимия окружающей среды. — М.: Недра, 1990. — 335 с.

341

Глазовский Н. Ф. Техногенные потоки вещества в биосфере // Добыча | полезных

ископаемых и геохимия природных экосистем. — М.: Наука, 1982.-С. 7-28.

Добыча полезных ископаемых и геохимия природных экосистем / Под ! ред. М.А.

Глазовской — М.: Наука, 1982. — 272 с.

Перельман А.И., Касимов Н.С. Геохимия ландшафта — М.: Астрея-2000, 1999. - 768 с.

Петров К. М. Общая экология. — СПб.: Химия, 1998. — 352 с.

342

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Проанализируйте развитие воздействия человеческого общества на

биогеохимические процессы на протяжении истории человечества.

2. Рассмотрите деформацию глобальных, региональных и локальных

биогеохимических циклов в результате производственной деятельности человеческого

общества.

3. Какие глобальные проблемы возникают в результате включения в природный цикл

углерода масс СО

индустриального происхождения?

4. Каковы последствия техногенной эмиссии двуокиси серы? Какие территории

подвержены «кислотным дождям» и где это явление отсутствует?

5. Рассмотрите деформацию биогеохимических циклов массообмена под

воздействием сельскохозяйственного производства на примере циклов азота, фосфора и

калия.

6. Дайте оценку явлениям импактного загрязнения на примере образования

техногенных аномалий тяжелых металлов.

7. Раскройте понятие «урбогенез». Каковы специфические биогеохимические

проявления урбогенеза?

8. Каковы особенности структуры геохимических аномалий городов?

ТЕМЫ ДЛЯ САМОСТОЯТЕЛЬНОЙ РАБОТЫ

1. Поданным, приведенным в гл. 7 и 16, сопоставьте массы углерода азота, серы и

фосфора, участвующие в природных глобальных цикГх массообмена, и поступление в

биосферу масс этих элементов в результате производственной деятельности человека.

2. По опубликованным статистическим данным проследите динамику изменения

соотношения городского и сельского населения России в аб солютном (млн чел.) и

относительном (%) выражении. Сравните с показателями роста производства угля, нефти,

металлов и минеральных удобрений в эти же годы.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Характерная черта естествознания XX в. — возникновение на стыке

устоявшихся классических наук комплекса новых научных направлений. Эта

черта — следствие естественного хода развития научной мысли и ее

определенный этап, когда решение очередных задач одной отрасли

естествознания становится невозможным без использования достижений

других, соседних, отраслей. Целенаправленное взаимопроникновение наук не

только позволяет обнаружить неизвестные ранее факты, но также способствует

открытию новых областей познания.

Как отражение этого этапа развития естествознания, на контакте проблем

биологии и геохимии возникла биогеохимия, призванная, по мнению ее

основоположника В.И.Вернадского, оценить жизнь как планетарное явление.

Роль и значение живого вещества (постоянно существующей совокупности

живых организмов) в истории Земли можно выяснить путем изучения

биогеохимических процессов, т.е. результатов воздействия жизнедеятельности

организмов на миграцию и распределение масс химических элементов.

В.И.Вернадский обосновал совершенно новый взгляд на феномен жизни как на

фактор геохимической организации планеты.

Каждый организм биогеохимически индивидуален. В то же время состав

организмов, образующих систематические группы или обитающих в сходных

эколого-геохимических условиях, имеет общие черты. При генерализации

результатов химических анализов различных организмов обнаруживаются

общие черты состава всей планетарной совокупности организмов. Можно

констатировать, что в живом веществе преобладают компоненты, активно

дегазировавшиеся в процессе формирования Земли: вода и газы атмосферы.

Вместе с тем в состав живого вещества входят все химические элементы,

содержащиеся в земной коре. Они присутствуют в совершенно особых

соотношениях, неадекватных соотношениям в других наружных оболочках

нашей планеты. При этом имеются сходные черты относительной

распространенности атомов химических элементов в составе живого вещества,

с одной стороны, и в составе межзвездного газа и газового вещества комет — с

другой. Отмеченное обстоятельство наряду с другими фактами дает основание

рассматривать жизнь как космическое явление.

Химический состав живого вещества обусловлен соотношением состава и

массы разных групп организмов. На протяжении геологической истории

органический мир непрерывно менялся. Соответственно происходили

колебания среднего состава живого вещества, но они не изменяли его основных

особенностей. В настоящее время доминирующую часть живого вещества

составляют высшие растения суши, средний состав которых определяет состав

всего живого вещества Земли.

Главной чертой живого вещества является его биогеохимическая

динамичность. Каждый организм и вся генеральная совокупность организмов

345

находятся в постоянном геохимическом взаимодействии с веществом

окружающей среды.

Принципы и подходы биогеохимии позволили обнаружить глобальную

биокосную систему биосферы, в которой газовая, жидкая и твердая оболочки

Земли связаны циклическими процессами массообмена химических элементов.

Деятельное начало системы — непрестанно действующее живое вещество —

захватывает из окружающей среды соединения определенных химических

элементов, закономерно трансформирует эти соединения в другие и выделяет

их в окружающую среду, изменяя ее состав. В свою очередь, химический

состав среды обусловливает особенности состава организмов и геохимическую

направленность их жизнедеятельности. Следовательно, жизнь формирует

химический состав окружающей среды, непрерывно взаимодействуя с ее

существующим составом. Акцентируя внимание на развитии

биогеохимических процессов во времени, В.И.Вернадский отмечал, что

биогеохимия должна изучать жизнь в аспекте истории атомов.

Масса живого вещества по сравнению с наружными оболочками Земли

ничтожна. Соотношение масс живого вещества, атмосферы, Мирового океана,

земной коры составляет соответственно 1: 1000: 100˜000n : 1 000˜000n.

Несмотря на такое соотношение, живое вещество постоянно находится в

состоянии самообновления и по этой причине медленно, но неотвратимо

изменяет состав вещества наружных фазовых оболочек Земли. Наиболее

глубокое изменение претерпела газовая оболочка. Существенно изменился

состав вод суши и Мирового океана. Была преобразована наружная часть

земной коры, которая подверглась воздействию наземных биоценозов. На

поверхности Мировой суши сформировалась биокосная система педосферы.

В основе всех жизненных процессов лежит обмен веществ. По этой

причине биогеохимическое взаимодействие организмов с окружающей средой

происходит в форме циклических процессов массообмена. Для большинства

природных процессов, происходящих на поверхности Земли, также характерна

цикличность.

Биогеохимическая деятельность отдельных групп организмов

первоначально развивалась применительно к отдельным звеньям природных

абиогенных циклов миграции химических элементов. Благодаря непрерывному

возобновлению поколений и столь же непрерывному их массообмену с

окружающей средой биогеохимическая деятельность соответствующих групп

организмов все более расширялась и совершенствовалась. Постепенно эта

деятельность приобрела значение фактора, регулирующего процессы

циклического массообмена и миграции химических элементов.

Функционирование современной биосферы обусловлено сочетанием

множества циклов массообмена химических элементов, совершающихся с

неодинаковой скоростью и имеющих различную протяженность. Одни

ограничены сферой биогеохимической деятельности единичного организма,

другие распространяются на площадь элементарной экогеосистемы, третьи

охватывают значительные территории бассейнов стока, четвертые — еще более

обширные области циркуляции воздушных масс между материками и

346

океанами. Циклы разных рангов в совокупности обусловливают глобальную

систему массообмена химических элементов во всей биосфере, между земной

корой, Мировым океаном и атмосферой. Как писал В.И.Вернадский:

«...биосфера представляет огромной важности часть организованности планеты.

Она определяет и поддерживает атомы Земли... в энергичном непрерывном

движении новой формы — в разнообразных миграциях, главным образом в

круговых геохимических процессах. Биосфера в этом смысле может быть

рассматриваема как своеобразный закономерный механизм»

Биогеохимическая деятельность живых организмов обеспечивается

энергией Солнца. Соответственно циклы массообмена в разных природных

поясах и зонах имеют определенные различия. При вовлечении химических

элементов в тот или иной цикл, равно как и в процессе миграции, происходит

их закономерная дифференциация. В определенных условиях одни элементы

переходят в подвижные состояния, другие — прекращают миграцию и входят в

состав устойчивых образований. Сочетания геохимических и геофизических

условий внутри природных зон весьма разнообразны, что отражается на

сложной структуре циклов массообмена. Самой мелкой пространственной

единицей биосферы, обладающей полным набором видов миграционных

циклов, в пределах мировой суши является элементарный ландшафт

(элементарная эко-геосистема). Организация и динамика живого вещества

суши и океана существенно различаются, соответственно разный характер

имеют циклы массообмена.

Глобальная система циклической миграции химических элементов

обладает высокой способностью к саморегуляции. Циклы массообмена нельзя

представлять как круговые процессы, замкнутые в непроницаемых границах.

Скорее, это вихри материи, потоки химических элементов, неразрывно

связанные с окружающей средой. Важная особенность миграционных циклов в

биосфере — их незамкнутость, возможность свободного перехода

мигрирующих масс из одного цикла в другой или частичного вывода и

аккумулирования в природном резервуаре. Сочетание множества незамкнутых

циклов обусловливает замечательное свойство устойчивости биосферы:

нарушение в ту или иную сторону баланса масс одного цикла компенсируется

за счет других, сопряженных с ним. Так, избыточные массы углекислого газа,

поступавшие в биосферу в периоды напряженной тектоно-вулканической

деятельности, выводились из миграционных циклов — они связывались в

мощные толщи карбонатных осадков.

Незамкнутость циклов обусловливает не только саморегулирование

биосферы, но и ее развитие. Поступление масс свободного кислорода в океан, а

затем в атмосферу могло происходить только при условии систематического

вывода из цикла масс углерода и консервации их преимущественно в виде

дисперсного органического вещества в осадочных и осадочно-

метаморфических толщах. Если бы цикл углерода был замкнут и все

синтезированное органическое вещество полностью окислялось до СО

, а

Вернадский В.И. Очерки геохимии. — М. — Л., 1934. — С. 88.

347

углекислый газ вновь полностью расходовался на фотосинтез, то накопление

кислорода в окружающей среде со всеми последствиями для развития

органического мира было бы невозможным.

Согласно второму принципу биогеохимии В. И. Вернадского эволюция

органического мира развивалась в направлении усиления биогенной миграции.

Циклы массообмена химических элементов все в большей мере

контролировались, а затем стали полностью обуславливаться

биогеохимическими процессами. Одновременно происходило усложнение

глобальной системы циклов. Так, на протяжении огромного периода

длительностью около 3 млрд лет продуцирование кислорода осуществлялось

организмами, не выдерживавшими присутствия свободного кислорода. Этот

элемент как метаболит процесса фотосинтеза поступал в воду и поглощался

растворенными неокисленными соединениями серы, железа и марганца. Лишь

после химической фиксации колоссальных масс биогенного кислорода в

древних осадочных толщах и начала его накопления в атмосфере появились

организмы, способные осуществлять фотосинтез не только в океане, но и на

суше. Соответственно усложнилась структура циклов массообмена СО

, О

О, а также многих других элементов, захватываемых в биологический

круговорот в отдаленном геологическом прошлом в водной среде, а затем и на

суше.

Появление мыслящих организмов и начало их деятельности ознаменовало

наступление качественно нового этапа истории планеты. Хозяйственная

деятельность человеческого общества развивалась с прогрессирующей

скоростью и в настоящее время достигла уровня природных процессов. При

этом массы элементов, мобилизуемые хозяйственной деятельностью человека,

находятся в совершенно иных соотношениях, чем в системе природных

массопотоков. Это вызывает деформацию природных циклов массообмена и в

силу обратной связи — изменение состава окружающей среды. Указанные

изменения происходят значительно быстрее, чем совершаются процессы

генетической адаптации организмов и видообразования. Есть веские основания

полагать, что процесс развития деятельности человечества не гармонизирован с

действующим механизмом поддержания стационарного процесса

функционирования биосферы как открытой неравновесной системы.

В этой ситуации биогеохимия как наука приобретает особую

актуальность. Изучая процессы массообмена, связывающие в единое целое

окружающую среду и живое вещество на разных уровнях организации

биосферы, биогеохимия создает научно-теоретическую базу для выяснения

сложных закономерностей взаимодействия организмов со средой в

конкретных условиях. Биогеохимией накоплен обширный фактический

материал и создан научно-методический аппарат, который может быть успешно

использован для создания действенной системы контроля за эколого-

геохимическим состоянием окружающей среды, а также для разработки научно

обоснованного прогноза эколого-геохимических последствий хозяйственных

действий и новых технологий.

348

ПРИЛОЖЕНИЕ

СПРАВОЧНЫЕ ДАННЫЕ ДЛЯ ОРИЕНТИРОВОЧНЫХ

РАСЧЕТОВ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ И МИГРАЦИИ

МАСС ХИМИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ В БИОСФЕРЕ

1. Для определения масс химических элементов, которые содержатся в

главных составных частях биосферы и могут рассматриваться в качестве

резервуаров:

Атмосфера, масса, т.......................................................................................5,210

Мировая суша, км

общая площадь............................................................................................... 15010

площадь, за исключением территории,

занятой ледниками ........................................................................................13510

площадь, за исключением территории, занятой ледниками

и бесплодными пустынями...........................................................................12010

Растительность суши (до нарушения человеком)

, т:

живая масса.........................................................................................6,2510

сухая масса............................................................................................2,510

Органическое вещество педосферы, т:

лесные подстилки (сухая масса).........................................................0,2 10

аккумуляция торфа (сухая масса).......................................................0,510

общая масса С

орг

в педосфере..............................................................2,510

в том числе С

орг

в рыхлых континентальных

отложениях плейстоценового возраста..............................................0,310

Земная кора, т:

гранитный слой континентального блока.......................................820010

осадочная оболочка (за исключением эффузивов) .......................240010

в том числе, %:

глины и глинистые сланцы.......................................................................50

пески и песчаники.....................................................................................21

карбонатные породы................................................................................29

Мировой океан:

площадь, км

.......................................................................................36010

объем, км

......................................................................................... 137010

фотосинтезирующие организмы (сухая масса), т........................... 3,410

растворенное и высокодисперсное органическое вещество

(сухая масса), т.................................................................................411010

Биомасса природной растительности к настоящему времени уменьшилась на 25-30%

349

растворенные соли

, т ..................................................................4795010

2. Для определения масс элементов, мигрирующих на протяжении года из

одного резервуара в другой:

Мировая суша:

Биологический круговорот (продукция фотосинтеза — деструкция

отмершего органического вещества), т/год —

продукция растительности до воздействия человека

(сухая масса)

......................................................................................17210

с учетом антропогенного сокращения на 25 %................................129 10

Круговорот воды, л/год: испарение с поверхности суши:

с дренируемой части суши...................................................................6210

с бессточной части суши.....................................................................7,510

Сумма.....................................................................................................7010

Атмосферные осадки, л/год:

на дренируемой части суши, включая 4410

л/год

осадков океанического происхождения

......................................... 10610

на бессточной части суши....................................................................7,510

Сумма................................................................................................... 11410

Сток воды с суши в океан, 310

л/год

включая сток с ледников: ....................................................................4410

вынос растворимых солей с речным стоком

, т/год.........................4,910

вынос взвесей с речным стоком

, т/год...........................................20,510

Круговорот пыли, т/год:

поступление пылевых частиц с суши в тропосферу.........................5,810

осаждение пылевых частиц на поверхность суши

.........................4,010

вынос пылевых частиц в океан и область ледников.........................1,8 10

Мировой океан:

Биологический круговорот фотосинтезирующих организмов

(сухая масса), т/год.............................................................................11010

Испарение с поверхности океана, л/год...........................................45610

Атмосферные осадки на поверхности океана

, л/год....................41110

Перенос атмосферных осадков с океана через

тропосферу на сушу, л/год.................................................................4410'

По реакции фотосинтеза связывание 1 г углерода углекислого газа

сопровождается выделением 2,7 г кислорода.

Средняя соленость океанической воды 35 %о-

Средняя концентрация С

орг

в сухой биомассе суши = 45 %.

Средняя минерализация атмосферных осадков над дренируемой частью суши = 25 мг/л.

Средняя минерализация воды рек = 120 мг/л; средняя концентрация С

орг

растворимого = 6,9 мг/л.

Средняя мутность воды рек 500 мг/л; средняя концентрация С

орг

взвешенного 5 мг/л.

Средний модуль осаждения пыли на Мировой суше 6 г/м

в год.

Средняя минерализация атмосферных осадков над океаном 10 мг/л.

350