Биогеохимия: история и современность

Сибирское отделение Российской Академии наук Институт философии и права Кафедра философии Биогеохимия: история и современность Работа выполнена аспирантом ЦСБС СО РАН Васильевой Марией Сергеевной Философ-консультант:

(к.ф.н., ученый секретарь, Бобров Виктор Васильевич Научный руководитель:

д.б.н., профессор, зав. лабораторией фитохимии Высочина Галина Ивановна Новосибирск 2010

Содержание Введение

1. Биогеохимия как научная дисциплина

2. История формирования предмета биогеохимии

3. Современные представления о биогеохимии Заключение Список использованной литературы

Биогеохимия — наука, изучающая жизнедеятельность организмов в качестве ведущего фактора миграции и распределения масс химических элементов на Земле. Предметом изучения биогеохимии служат процессы миграции и массообмена химических элементов между живыми организмами и окружающей средой /7, 4/.

Считается, что биогеохимия зародилась и развивалась под влиянием основополагающих трудов В. И. Вернадского, который ввёл в науку представление о живом веществе и показал его роль в планетарных геохимических процессах. Однако в возникновение и развитие биогеохимии, как самостоятельной науки, внесли вклад многие выдающиеся ученые, обратившие внимание на химический состав почвы, на особенности питания растений и т. п.

Человек влияет на химический и изотопный состав атмосферы, биосферы и земной коры, и это влияние с каждым столетием непрерывно растет /6, 217/. Биогеохимия стала особенно актуальна во второй половине XX века, явившись наиболее целостной научной основой при решении многих проблем, связанных с загрязнением природной среды /2, 5/

Целью настоящей работы является рассмотрение возникновения и становления биогеохимии как науки, изучение современных направлений ее развития.

Основными задачами реферата являются: рассмотрение биогеохимии как научной дисциплины, обобщение данных по истории возникновения и развития биогеохимии, выяснение современных направлений развития биогеохимии.

1. Биогеохимия как научная дисциплина

Биогеохимия представляет собой междисциплинарную науку, возникшую в XX веке в пограничной области между биологией, геологией и химией. Биогеохимия концентрирует свое внимание изучении роли живых организвов в миграции и пререраспределении химических элементов в земной коре. Термин «биогеохимические цикл» используется для качественного и количественного понимания трансформации и перемещения вещества как в природной, так и антропогенно-модифицированной окружающей среде /9, 3/.

Основной задачей биогеохимии является изучение жизни и геохимической среды в их единстве как системы организованности развития, строения и функций биосферы. В этом заключается методологическая основа биогеохимии — науки о химии жизни и геохимии среды, их взаимодействии, взаимообусловленности. Биогеохимия исследует жизнь как явление биологическое и биосферное, используя различные области биологии: биохимию, биофизику, морфологию, генетику, а также химию, геохимию и другие науки. Все эти обстоятельства заставили В. И. Вернадского, создателя биогеохимии, считать необходимым выделение ее в самостоятельную область естествознания.

Биогеохимия изучает геохимические процессы, протекающие при участии живых организмов, их совокупности — живого вещества (по терминологии принятой В. И. Вернадским) как вещества, обладающего максимальной геохимической энергией в биосфере и формирующего геохимическую среду жизни.

Изучение организмов, живого вещества, как биологическое, так и биогеохимическое, с учетом биогенных циклов элементов невозможно без знания химического элементарного состава организмов, метаболизма и процессов его регуляции. Здесь биогеохимия занимает соответствующее место рядом с биохимией и физиологией. Но биогеохимия при этом трансформирует биологическое, биохимическое изучение микроэлементов в биогеохимическое, биосферное и вводит его в круг проблем экологического строения биосферы.

Проблемы биогеохимии живого вещества необходимо рассматривать в связи с локальными свойствами биосферы, в которых развивалось данное живое вещество и составляющие его организмы, так же как локальные свойства биосферы необходимо рассматривать в связи с ее глобальными свойствами и свойства всей биосферы Земли — в связи с её космическим окружением /10, 12/.

Теоретическую основу биогеохимии составляет учение о живом веществе и биосфере, разработанное В. И. Вернадским. Основными понятиями биогеохимии являются: живое вещество, биосфера, биогеохимические процессы, биогеохимические циклы. /7, 5/.

Живое вещество биосферы есть совокупность ее живых организмов /4,56/. 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 /7, 5/.

Биосфера. Термин «биосфера» был введён в биологии Жаном-Батистом Ламарком в начале XIX в., а в геологии предложен австрийским геологом Эдуардом Зюссом в 1875 году. 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 /7, 6/.

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 /5, 98/.

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 /7, 7/.

Биогеохимия рассматривает не отдельные особи или виды организмов, а всю их совокупность, т. е. 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; см. фотосинтез). 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 др., 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 (см. табл.), которые в условиях биосферы образуют легкоподвижные и легкорастворимые соединения, например газы CO2 или NH3, H2O, ионы Н+, OH-, NO3-, Na+, К+, Са2+, Mg2+, а также тяжёлые металлы, образующие высокоокисленные комплексные ионы /12, 151/.

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. Т. е., организмы выполняют геохимическую функцию, участвуя в биогенной миграции того или иного химического элемента. Например, кальций издавна использовался организмами для образования 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 кремнекислоты. 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, нефтей 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 йода /6, 146/.

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 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 растет /6, 147/.

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 /7, 13/.

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 /3, 14/.

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 /7, 14/.

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-геохимических, почвенно-геохимических и ландшафтно-геохимических исследований весьма условно /1, 7/.

2. История формирования предмета 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 /7, 8/.

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 /7,9/.

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 /7,10/.

Руководствуясь фундаментальными законами физики и идеей изменения, биолог Г. Спенсер, более известного как философ, сформулировал понятие эволюции как «интеграции материи, сопровождаемой рассеянием движения, переводящей материю из неопределённой, бессвязной однородности в определённую, связную разнородность, и производящей параллельно тому преобразование сохраняемого материей движения».

Он считал, что все элементы материального мира имеют общее происхождение, но через наследование черт, приобретённых в процессе адаптации к окружающей среде, происходит их дифференциация. Когда же процесс приспособления заканчивается, то возникает связная, упорядоченная Вселенная /8, 500/.

На стыке XIX и XX столетий начала размываться видимая прежде граница традиционными естественными науками, такими как геология, химия и биология, и многие исследования стали выполняться в пограничных областях, что привело к появлению новых междисциплинарных наук.

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.

К.А. Тимирязев в своих исследованиях показал разложение под влиянием солнечной энергии атмосферной углекислоты зелёными растениями /3,12/.

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 /7,10/.

Развитие геохимии в разных странах шло различными путями. В США было положено начало статистическому изучению распределения химических элементов в геологических породах. 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 рудои 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 /7,11/.

В России становление В. И. Вернадский проводил минералогические исследования в Московском университете. Исследуя происхождение минералов, он изучал миграцию химических элементов, роль изоморфизма в распределении элементов в земной коре, формы химических минералов и их присутствие в различных породах.

Эти исследования во многом определили возникновение биогеохимии. Базовым ядром научной концепции В. И. Вернадского, положенным в основу генетической минералогии, геохимии и в дальнейшем биогеохимии и науке о биосфере, была научная идея о тесном переплетении всех природных факторов и о преобладающей роли живого вещества в формировании биосферы в целом.

В1918;1919 гг. он организовал первые биогеохимические исследования в Крымском (Таврическом) университете. В начале 1920 годов В. И. Вернадский пропагандировал свои биогеохимические идеи в Санкт-Петербурге и Праге, а затем и в Сорбонне, где он читал первый курс по биогеохимии в 1926;1927 гг.

В 1928 г. Была организована Биогеохимическая лаборатория Академии наук СССР, и В. И. Вернадский возглавил эту лабораторию вплоть до его кончины в 1945 г. Научная программа лаборатории по количественной оценке химического состава живых организмов начала выполняться в СССР в начале 30-х годов XX в. Эта программа послужила основой широких биогеохимических исследований как в России (СССР), так и во многих странах мира во второй половине XX в.

Перечисленные направления геохимии сыграли важную роль в формировании биогеохимии /3,13/.

3. Современные представления о биогеохимии

Современная биологическая наука в значительной мере занята решением проблем взаимоотношения организмов и среды.

Общепризнанно, что организмы и среда совместно определяют весь ход эволюции организмов. С каждым годом понятие среды углублялось и усложнялось. В настоящее время ясно обозначились направления, по которым изучается воздействие разнообразных физических факторов, затем химических; далее биологических, в частности воздействие самого биоценоза на организм; и т. д. Наиболее изучены в этом направлении физические факторы — температура, влажность, свет и т. д., их влияние на организмы, особенно в свете представлений о зональности климата, почв, природных вод и т. д.

Факторы химические далеко еще не дифференцированы и, за некоторым исключением, до сих пор у многих исследователей входят в общее представление о физико-химической среде. Вместе с тем мы привыкли к тому, что например, различие морской и пресноводной флоры и фауны связано с различием химического состава этих природных вод. Хорошо известно также, что не только ботанический и зоологический состав организмов, населяющих дно моря и составляющих планктон морей или озер, различен, но и химический состав этих организмов правильно изменяется в зависимости от места обитания. Сотни лет известно, что почвы, развитые на песках, песчаниках, гранитах и т. п., часто неплодородны, несут болезни и т. д. Многочисленные наблюдения показывают, что границы распространения флоры или фауны совпадают с границами определенных геологических формаций. Одним словом, различные почвы несут различные на глаз фауну и флору. Достаточно вспомнить растительность на серпентинитах, дунитах, известняках или на разных склонах французской юры, границу леса и степи и т. д.

Разнообразному составу почвы соответствует различная растительность. С другой стороны, луговая растительность, например, в зависимости от ботанического состава имеет и различный химический состав.

Огромное число наблюдений в этом направлении позволило некоторым авторам поставить вопрос о географическом распространении организмов на физиологической или физико-химической основе. В результате были описаны многочисленные параллельные вариации видов (иногда подвиды и виды), образовавшиеся на специфическом субстрате, — виды и вариации maritima, sacallina, sarea, serpentinea, fluviatilis и т. п. и вместе с тем в науку вошло представление о существовании известковой, галофитной, серпенгиновой и т. п. флор. Специфичность и, в известной мере, глубина влияния неорганических соединений, ионов химических элементов, на организмы была установлена, в частности, в результате накопления за последние сто лет многочисленных данных по химическому составу организмов и их сопоставлению с составом вод, почв и пород, а также благодаря успехам экспериментальной биохимии /2, 61/.

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) /7,16/.

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 /7,17/.

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. /7, 18/.

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.

Биогеохимия микроэлементов эволюционировала после образования геохимических школ, основанных Ф. У. Кларком, В. И. Вернадским, А. Е. Ферсманом, В. М. Гольдшмидтом и Г. С. Вашингтоном. В настоящее время биогеохимия тесно связана с экологией, потому что химические процессы определяют химическое загрязнение Земли. Таким образом, новое направление — биогеохимическая экология — стало центральной темой многих других дисциплин. Несмотря на огромный вклад биогеохимиков в понимание законов, которые контролируют основные процессы в окружающей среде, некоторые области все еще открыты для дальнейшего изучения:

а) баланс и циклы микроэлементов и радионуклидов в специфических биогеохимических условиях;

б) распределение (формы нахождения) элементов в почвах, почвенном растворе и других средах;

в) переход микроэлементов из почвы в растения;

г) риск для здоровья людей, вызванный микроэлементным дисбалансом в окружающей среде;

д) изучение генов гипераккумуляции и транспорта микроэлементов в растениях;

е) оценка состояния и ремедиация загрязненных земель, предотвращение загрязнения;

ж) естественные процессы, приводящие к самоочистке экосистемы.

Состояние окружающей среды и здоровье населения зависят от подвижности и биодоступности некоторых микроэлементов. Поэтому поведение микроэлементов в экосистемах является приоритетной проблемой современных биогеохимических исследований /11, 15/.

Методологически биогеохимические подходы тесно переплетаются с геохимическими, особенно теми, что используются в органической геохимии. Обе дисциплины изучают распределение химических элементов в пространстве и во времени, включая возникновение элементов в различных условиях, их трансформацию, миграцию и рассеивание. Идеи В. И. Вернадского о планетарной роли живого вещества были положены в основу геохимической теории формирования горючих ископаемых.

Биогеохимия тесно переплетена с другими науками о Земле, особенно изучающими состав геологических пород, минералов, природных вод и газов, а также с биологическими науками, исследующими взаимосвязи между организмами и средой их обитания, например экологией. При изучении экосистем основное внимание уделяется массообмену и миграции элементов в биогеохимических пищевых цепях. Известными исследователями в области биогеохимии океана являются А. П. Лисицын и Е. А. Романкевич /3,14/.

Принципы биогеохимии нашли широкое применение и в микробиологии. Состав микроорганизмов и среды тесно взаимозависим, поэтому биогеохимические исследования широко используются многими микробиологами. Бактериальная биогеохимия служит наглядным примером применения биогеохимических подходов для оценки воздействия бактерий на состав атмосферы, природных вод и почв, процессы миграции и глобальные биогеохимические циклы различных элементов Принципы биогеохимии интенсивно развивались в науках о почвах и ландшафтах. Широко известны работы Б. Б. Полынова (1877—1952), основателя геохимии ландшафтов. Его последователи: В. А. Ковда, Б. Г. Розанов, А. И. Перельман, М. А. Глазовская, В. В. Добровольский и др. — обусловили дальнейший прогресс биогеохимии. А. И. Перельман внес большой вклад в понимание геохимии биосферы. В его книгах дано детальное описание биогеохимических условий в различных регионах Земли, им разработана биогеохимическая классификация ландшафтов. В книге В. А. Ковды «Биогеохимия почвенного покрова» (1985 г.) описаны многие вопросы миграции и трансформации элементов в почвах, особое внимание уделено биогеохимии кремния. В работе Б. Г. Розанова «Учение об окружающей среде» (1984 г.) дано систематическое описание биогеохимических подходов в почвенных исследованиях. В. В. Добровольский в книге «Biogeochemistry of the World’s Land» (1994 г.) показал, что наземные биогеохимические процессы очень обширны и играют важнейшую роль в поддержании динамического равновесия всей биосферы. В то же время именно эти процессы подвержены наибольшей трансформации и деградации вследствие интенсивного антропогенного воздействия; их сохранение будет чрезвычайно важным для устойчивого развития планеты в целом. В связи с этим большой интерес представляют работы М. А. Глазовской по биогеохимии техногенеза (1970;2000 гг.).

Практическое приложение биогеохимических идей и методов развивается в геологии, геохимической экологии и биотехнологии. Среди этих направлений наибольшее развитие получили:

применение биогеохимических методов при поиске полезных ископаемых;

количественная характеристика геохимических условий для оценки здоровья животных и человека;

применение биогеохимических стандартов для минимизации антропогенного воздействия на окружающую среду.

Биогеохимические методы поисков рудных тел включают в себя идентификацию геоботанических зон, где растения и их метаболиты и экссудаты содержат повышенные количества тех или иных рудных металлов. Площади с повышенным содержанием металлов в растениях и верхних почвенных слоях представляют биогеохимические аномалии и предполагают наличие руд на глубине. Этот метод стали использовать в геологоразведке в СССР в 1930 годах. Сподвижник В. И. Вернадского А.П. Виноградов был в числе первых, кто его использовал. В 50—60-х годах XX в. такие работы в Швеции и Финляндии проводились Н. Брундином. В дальнейшем биогеохимические методы поиска полезных ископаемых стали развиваться в Канаде, Австралии, Новой Зеландии, Индонезии, Шри Ланке, Гвинее и других странах /3, 15/.

Вторым важным направлением в применении биогеохимических исследований является геохимическая экология, изучающая биогеохимические аномалии, в которых наблюдается дефицитное или избыточное содержание жизненно важных элементов в пищевых цепях, приводящее к нарушениям здоровья животных и проживающего населения. Ученый В. В. Ковальский в своих работах показал, что продуктивность скота коррелирует с содержанием в кормах бора, кобальта, меди, молибдена, селена и ряда других элементов. Аналогичные исследования были проведены учеными в США (J. Webb, 1964, 1966), в Англии и Ирландии (R. Ebens, 1973).

Установлено, что содержание микроэлементов в местных питьевых водах и продуктах питания влияет на здоровье проживающих людей. Такие исследования были проведены в Канаде (Warren, 1961), США (Shakklette, 1970) и Финляндии (Salmi, 1963). С 1950 г. эти биогеохимические подходы развивались в России (СССР) под руководством В. А. Ковды и Н. Г. Зырина. В начале 80-х годов была опубликована монография А. Л. Ковалевского «Биогеохимия растений», в которой рассмотрен химический состав многих растений в зонах геохимических аномалий. Эти данные важны как для поиска рудных тел, так и для понимания биогеохимических механизмов миграции элементов по пищевым цепям. В 1993 г. автором с соавторами в книге «Биогеохимические основы экологического нормирования» были обсуждены проблемы экологического нормирования с биогеохимических и физиологических позиций.

Важным направлением прикладной биогеохимии являются также исследования в области микробной биогеохимии, направленные на повышение нефтеотдачи скважин, предотвращение метанообразования в шахтах и микробную экстракцию металлов из геологических пород (биометаллургия). В данной области известны работы М. В. Иванова и его учеников: А. Ю. Леин, С. С. Беляева, В. Ф. Гальченко и др.

Знаменитый немецкий биогеохимик Э. Дегенс в книге «Перспективы в биогеохимии» (1989) представил оригинальное, последовательное историческое описание различных научных школ в биогеохимии и особенно в изучении биогеохимических циклов. Первое место в описании занимает русская школа с именами таких известных ученых, как В. И. Вернадский, А. П. Ферсман, М. М. Кононова, А. Опарин и А. В. Ронов, которые более 70 лет назад распознали значимость биогеохимических процессов в экзогенном круговороте веществ. Второй следует немецкая школа с наиболее известными именами: В. М. Голдшмидт, Р. Бринкманн и А. Трейбс. Цалее британская и американская школы: ученые Г. Хатчинсон, ГГ. Полинг, Г. Бриндли и Дж. Бернал.