Биогеохимия

Биогеохимия - раздел геохимии, наука, изучающая геохимические процессы, происходящие в биосфере при участии живых организмов. Миграция химических элементов на Земле не может быть понята без учёта влияния организмов. Отражение биогеохимических процессов находит место на геологических картах. Впервые задачи биогеохимии были сформулированы в СССР академиком В.И. Вернадским и разрабатывались в специально созданной биогеохимической лаборатории (ныне институт геохимии и аналитической химии им. В.И. Вернадского РАН). Проблемы биогеохимии широко изучались в бывшем СССР и зарубежных странах.

Биогеохимия рассматривает не отдельные особи или виды организмов, а всю их совокупность, т.н. "живое вещество", выраженное в массе, химическом составе и энергии, которую оно привносит в биогеохимические процессы. Живое вещество неравномерно распределяется по поверхности Земли. Известны области его скопления, или сгущения, например планктона в океанах и морях, лесов на суше, гумуса, торфяника в почвах; плотность населения неравномерна и в значительной степени зависит от почвенно-климатических зон. Растительные организмы составляют главную массу живого вещества (около 1% падающей солнечной энергии поглощается растениями, что эквивалентно 3×10¹⁴ кг. углерода: это примерно соответствует массе живого вещества на земном шаре). Одна масса живого вещества не даёт правильного представления об интенсивности участия его в биогеохимических процессах. Огромное значение имеет скорость размножения организмов, т. е. общая продукция органического вещества, образуемая за определённое время. Особенно это относится к низшим организмам - бактериям, грибкам, водорослям и прочим, обладающим высокой скоростью размножения. В состав живого вещества входят все известные химические элементы и их изотопы. Но основную массу любого организма составляет ограниченное число известных химических элементов, которые в условиях биосферы образуют легкоподвижные и легкорастворимые соединения, например газы CO₂ или NH₃, H₂O, ионы Н⁺, OH^-, NO₃^-, SO₄^2-, PO₄^3-, Na⁺, К⁺, Са²⁺, Mg²⁺, а также тяжёлые металлы, образующие высокоокисленные комплексные ионы.

Химические элементы, не образующие, подобно, например, Ti, Zr, Th, в биосфере растворимых и легкоподвижных соединений, несмотря на их заметное количество в породах земной коры, в организмах содержатся лишь в очень малых количествах. Организмы не повторяют полностью химические состава среды, а активно выбирают те или иные соединения. Нередко тот или иной вид организмов накапливает определённый химический элемент, т. е. химический состав организмов является характерным признаком для определённого вида. Таким образом, организмы выполняют геохимическую функцию, участвуя в биогенной миграции того или иного химического элемента. Например, кальций использовался и продолжает использоваться организмами для образования известкового скелета в виде CaCO₃. Эта очень древняя геохимическая функция была характерна для многих низших организмов. Позже, наряду со скелетом из CaCO₃, появились организмы со скелетом из фосфата кальция (в первую очередь среди брахиопод), который утвердился и у всех высших организмов. У многих древних низших организмов (включительно до морских губок) встречается также скелет из кремнезёма. Это указывает на направление эволюции организмов.

Участие живого вещества в биогеохимических процессах проявляется прямо либо косвенно. Так, после гибели организмов живое вещество непосредственно участвует в образовании диатомита, известняков, углей, нефти и др. Зелёные растения в результате фотосинтетической деятельности создают всю массу кислорода современной атмосферы Земли. Морские водоросли концентрируют значительные количества иода; после их гибели в морских илах происходят захоронение и процесс превращения органического детрита в вещество нефтей. В результате выпрессовывания из захороненных илов жидкой нефти в пористые породы (пески и другие коллекторы) выдавливаются иловые воды, содержащие большое количество иода.

Химические элементы участвуют в ключевых метаболических процессах, таких, как дыхание, фотосинтез, фиксация и ассимиляция некоторых питательных веществ, в защитных механизмах морозостойких и засухоустойчивых разновидностей растений, активизируют энзимы или входят в их состав. В целом растения более устойчивы к повышенным, нежели к пониженным концентрациям элементов. Низшие растения – микроорганизмы, мхи, печеночники и лишайники – имеют высокую степень адаптации к токсичным концентрациям некоторых элементов.
Хотя высшие растения менее устойчивы к повышенным концентрациям элементов, однако они также могут накапливать эти металлы и развиваться на почвах, загрязненных большим количеством разнообразных элементов. Развитие толерантности к металлам происходит довольно быстро и имеет генетическую основу. Устойчивость растений к химическим элементам имеет видовой характер.
Так, представители семейств Aryophyllaceae, Cruciferae, Cyperaceae, Yratineae, Leguminose и Chenopodiaceae проявляют как высокоспецифичную, так и групповую толерантность к элементам. Растения различных систематических групп выработали в процессе эволюции способность к синтезу определенных биологически активных соединений.
Значительные успехи в развитии биогеохимии были достигнуты В.В. Ковальским и его учениками, в частности в изучении биогеохимической экологии лекарственных растений. Они, в зависимости от мест их обитания и свойств среды, изменяют качественный и количественный состав действующих веществ. Некоторые из них отличаются очень высоким содержанием действующих веществ и избирательным накоплением одного или нескольких химических элементов.
Сопоставляя огромный фактический материал о химическом элементном составе организмов различных типов, классов, родов и видов А.П. Виноградов пришел к выводу, что "химический состав организмов есть его признак - видовой, родовой и др.". Растения со сходным химическим составом содержат близкое количество определенных элементов независимо от места произрастания. Изучение лекарственных растений в геохимическом аспекте открывает новые пути для практики рациональной заготовки сырья, применения микроудобрений при возделывании культивируемых растений и создания комплексных лечебных препаратов из растительного сырья с высоким содержанием определенных групп биологически активных соединений и химических элементов.

Ещё более разнообразно косвенное влияние организмов и продуктов их жизнедеятельности на геохимические процессы. Микроорганизмы участвуют, например, в окислении соединений железа, марганца и других элементов, что ведёт к выпадению их из природных растворов и отложению в осадках. Микроорганизмы восстанавливают сульфаты, образуя биогенные месторождения серы и т.д. Под влиянием живого вещества изменяются во времени геохимические процессы. Так, когда на Земле ещё не было биосферы, уран, германий и ванадий концентрировались в осадочных железных рудах, а с её появлением уран, ванадий и германий накапливаются и в некоторых ископаемых углях и битумах.

Исключительную роль живое вещество наряду с H₂O и CO₂ играет в процессах выветривания и образования осадочных пород (биогенных осадков в морях и океанах). Представляет интерес участие организмов в процессах разделения близких по свойствам пар химических элементов, например Si/Ge, Fe/Mn, K/Na, Ca/Sr и т.д. В свою очередь среда обитания отражается на составе организмов. В пределах т.н. биогеохимических провинций возникают формы организмов, накапливающие иногда значительные количества химического элемента, т.е. имеет место интенсивная биогенная миграция. Известно также, что организмы участвуют в нарушении изотопного состава ряда лёгких химических элементов (углерода, кислорода, серы). Как правило, в биогенных процессах организмами поглощаются преимущественно более лёгкие изотопы.

Огромную биогеохимическую роль выполняет в результате своей геологической деятельности человек. Ежегодно из недр Земли извлекается до нескольких десятков тонн горной породы на душу населения. Человек влияет на химический и изотопный состав атмосферы, биосферы и земной коры, и это влияние с каждым столетием непрерывно растёт.

Литература

Вернадский В.И. Химическое строение биосферы Земли и ее окружения. - М., 1965
Виноградов А.П. Геохимия живого вещества. Л., 1932
Виноградов А.П. Химический элементарный состав организмов моря. - "Труды Биогеохимической лаборатории АН СССР", 1935-1944, т. 3, 4, 6.
Добровольский В.В. Основы биогеохимии. Москва, "Высшая школа", 1998, 411с.
Кабата-Пендиас, Пендиас. Микроэлементы в почвах и растениях. М.: Мир, 1989
Ковда В.А. Биогеохимические циклы в биосфере. М., 1976, 298с.
Ковальский В.В. Геохимическая экология. М.: Наука, 1974
Перельман А.И. Геохимия элементов в зоне гипергенеза. М.: Недра, 1972
Перельман А.И. Геохимия биосферы. М., 1973, 344с.
Перельман А.И. Геохимия ландшафта. М., 1966, 391с.
Перельман А.И. Геохимический ландшафт как самоорганизующаяся система. - Вестн. МГУ, сер. 5, География, 1995, № 4
Якушевская И. В. Микроэлементы в природных ландшафтах. М.: Изд-во МГУ, 1973