Название: Основы биогеохимии - Добровольский В.В.

Жанр: Химия

Рейтинг:

Просмотров: 1649

Главной чертой живого вещества является его биогеохимическая динамичность. Каждый организм и вся генеральная совокупность организмов 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 состояниисамообновления 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 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»[14].

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 СО2, а 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 СО2, О2, Н2О, а также многих других элементов, захватываемых в биологический круговорот в отдаленном геологическом прошлом в водной среде, а затем и на суше.