Зарегистрироваться

Биогеохимия

Категории Биогеохимия | Под редакцией сообщества: Биология

Эта версия статьи от 24 Ноябрь 2010 13:04, редактировал Богатырев Лев Георгиевич
Список всех версий Перейти к списку версий
Перейти к последней версии

Биогеохимия - наука о системной организованности биосферы и биогенных циклах химических элементов, в основе которых лежит эволюционное единство жизни, живого вещества и среды, определяющее закономерности биогенной миграции атомов и форм их биогенных соединений.

Отрасль геохимии, которая занимается изучением состава живых организмов и участии живого вещества и продуктов его разложения в процессах миграции, распределения, рассеивания и накопления химических элементов.

Комплексная научная дисциплина на стыке биологии и геохимии, изучающая химию живых организмов и их участие в геохимических процессах, происходящих в биосфере земли.

В основе биогеохимии лежит концепция ведущей роли живого вещества в геохимических процессах, происходящих в пределах Земли, как в современный период, так и в прошлые геологические эпохи.

Задачи биогеохимии

Детальное изучение роли живых организмов в геохимических процессах – биогеохимических циклов элементов и биологического круговорота. Исследование функциональной организации биосферы.

Разделы биогеохимии

  1. Глобальная биогеохимия. Это направление касается характера взаимодействия земных оболочек на уровне Земли и вопросов их эволюционного взаимодействия. На современном этапе глобальная биогеохимия самым тесных образом связана с вопросами техногенеза и тех явлений, которые происходят на земной поверхности в целом.
  2. Биогеохимия континентов. Этот раздел биогеохимии самым тесным образом связан с происхождением континентов, их современным состоянием  и особенностями не только их литологического состояния, но и растительного покрова, который отражает особенности климата.
  3. Биогеохимия регионов. В наиболее полной мере эта проблема решена для Русской равнины, для которой В.А.Ковдой предложена гипотетическая схема ее развития в послеледниковый период.
  4. Биогеохимия биомов. Одна из наиболее детально разработанных в биогеохимическом отношении систем - классификация биологического круговорота, предложенная Н.И.Базилевич. В рамках биогеохимии это дает принципиально важную основу для анализа особенностей биогеохимических процессов в пределах биомов.
  5. Биогеохимия геохимических ландшафтов. Ее основу составляет учение о геохимических ландшафтах по Б.Б.Полынову. Важнейшая биогеохимическая идея для геохимических ландшафтов была реализована А.И.Перельманом. Последний поднял значение биологического круговорота до его логического конца, подчеркивая, что биологический круговорот является одним из важнейших законов геохимии ландшафтов. Обращая существенное внимание на значение биологической составляющей геохимического ландшафта А.И. Перельман предложил группировку биогенных ландшафтов основываясь на характеристиках продукционного процесса.
  6. Биогеохимия биогеоценозов. Реализация исследования биогеохимических процессов на этом уровне связана и обусловлена использованием систематики биогеоценозов и самого этого понятия по В.Н.Сукачеву. Многочисленные модели разработаны для разных типов биогеоценозов.
  7. Биогеохимия отдельных блоков биогеоценозов. Исследования на этом уровне осуществляется в зависимости от степени детальности разделения биогеоценозов на составляющие, при условии, что данная подсистема обладает определенным уровнем целостности и может быть выделена не только как компонент биогеоценоза, но и определена в точных и, причем дискретных границах, которые обусловливают ее минимальную эмерджентность. Именно на этом уровне речь может идти о биогеохимии почв, природных вод, живых организмов. При дальнейшей детализации речь может идти, например, о биогеохимии лесных подстилок, почвенно-грунтовых водах, об определенных видах растений и т.д.
  8. Биогеохимия изотопов. В этом отношении хорошо известно в почвоведении использование С12/,.С14.в целях определения возраста почв. Академик И.П.Герасимов в свое время сформулировал положение о двух формах углерода. Первая форма – это та, которая активно вращается в круговороте и другая часть, которая вышла из круговорота и относительно накапливается в почве. В настоящее время огромное значение имеет биогеохимия таких загрязняющих элементов, как цезий 137 и ряд других.
  9. Историческая биогеохимия.
  10. Биогеохимия техногенных ландшафтов. В последние годы значение исследований в этой области резко возросло, что требует особых методик и особых подходов. Причем довольно часто проблемы в техногенных зонах чрезвычайно специфичны и обусловлены спецификой загрязнения и ее источниками. Так, широко известны техногенные зоны около заводов, свалок, шахт и так далее, а также загрязнение нефтью и т.д. Индикационная роль живых организмов признана чрезвычайно важной.
  11. Биогеохимия специфических районов, обусловлена природными аномалиями - недостатком или избытком элементов. В этом отношении фундаментальные идеи были заложены еще В.В.Ковальским и реализованы в виде так называемых биогеохимических провинций.
  12. Экспериментальная биогеохимия. Фактически в интегральном виде эксперимент проводится на всей планете, начиная от первого акта воздействия человека на природу. Распашка территорий, внесение удобрений, смена одних ценозов на другие, масштабные осушения и орошения громадных территорий – это все примеры изменения изначальных циклов органического вещества и элементов.

Основные понятия и принципы, используемые в биогеохимии

Биосфера – термин австрийского геолога Зюсса (1875 г.), под которым он понимал область, пронизанную жизнью. Учение о биосфере, ее строении, свойствах, структуре и функциях разработано В.И. Вернадским. В основе учения о биосфере лежат представления о планетарной геохимической роли живых организмов. Согласно В.А. Ковде, биосфера – это сложная многокомпонентная общепланетарная термодинамически открытая саморегулирующаяся система живого вещества и неживой материи, аккумулирующая и перераспределяющая огромные ресурсы энергии и определяющая состав и динамику земной коры, атмосферы и гидросферы. Основными компонентами биосферы являются: живое вещество (совокупность живых организмов), биогенное вещество (продукты, созданные живым веществом, например: угли, торфа, сапропели, гумус) и биокосное вещество (продукты, образовавшиеся в результате взаимодействия живых организмов и неживой материи – почвы, осадочные породы, некоторые газы). К важнейшим свойствам биосферы относят: разнообразие живых организмов, ассиметричность распределения живого вещества по лику планеты, а также пластичность и резистентность. Толщина биосферы составляет около 40 км. Основной элементарной ячейкой биосферы является биогеоценоз. Таксоны биосферы – единицы иерархического подразделения биосферы:

1) таксоны первого порядка объединяют регионы биосферы, имеющие географические признаки почвенно-климатических зон или их сочетаний, но с учетом качественной и количественной характеристики биогеохимической пищевой цепи химических элементов (биогенных циклов) и преобладающих биологических реакций организмов на естественный химический состав среды или ее техногенные изменения (к последним относятся, например, изменение химического состава организмов, обмена веществ, пороговой чувствительности, различных реакций в виде эндемических заболеваний); 

2) таксоны второго порядка, именуемые субрегионами, разделяются на две группы:

  • субрегионы биосферы, в которых комбинируются признаки региона по концентрациям, достигающим пороговых величин, и возможному проявлению специфических биологических реакций;
  • субрегионы, признаки которых не способствуют характеристике региона - они обычно образуются под рудными телами при рассеянии концентрированных в них элементов, в бессточных районах, в районах вулканизма, а также при техногенных загрязнениях биосферы;

3) таксоны третьего порядка включают в себя БГХ провинции – территории различных размеров в составе субрегионов биосферы с постоянными характерными реакциями организмов (например, эндемические заболевания). Различают естественные и техногенные БГХ провинции (Ковальский, 1978).

 

Круговорот

Закон биологического круговорота – один из основных законов геохимии ландшафта, суть которого сводится к поступательному развитию ландшафта вследствие многочисленных циклов химических элементов: их поступления в живые организмы (организация) и выхода из них (минерализация). Эти явления сопровождаются поглощением и выделением энергии. Круговорот биогеохимический – совокупное действие биогенных и абиогенных процессов, сложившихся в период появления биосферы. По Ю. Одуму биогеохимические циклы в пределах биосферы разделяют на два типа: 1) круговорот газообразных веществ с резервным фондом в атмосфере или гидросфере: 2) осадочный цикл с резервным фондом в земной коре. Параметры биогеохимического круговорота характеризуют состояние биосферы. Основные характеристики построены на расчете соотношений показателей для биогенных и биокосных систем. Среди них важнейшими являются количество элементов или энергии, заключенное в живом веществе (Одум, 1986). Круговорот биологический – совокупность следующих взаимосвязанных явлений: биохимический синтез и закрепление химических элементов в органическом веществе растений; превращения химических соединений в цепях питания микроорганизмов и животных; возврат элементов в атмосферу и почву в процессах жизнедеятельности живых организмов и в процессах разложения органических остатков; новообразование почвенного органического вещества и его распад. Биологический круговорот включает в себя полную систему обменных процессов биогеоценоза в целом: 1) поглощение ассимилирующей поверхностью; 2) газообмен между ассимилирующей поверхностью растений и атмосферным воздухом, так же как между корневой поверхностью и почвенным воздухом; 3) прижизненные выделения надземными и подземными органами растений некоторых элементов в почву и атмосферу; 4) потребление химических элементов животными, их дальнейшее превращение в новые соединения и поступление элементов в почву с экскретами или трупами, вовлечение их в новые циклы круговорота другими группами организмов на следующих трофических уровнях; 5) разложение органических остатков с выделением элементов и их соединений в почву или атмосферу; 6) синтез органического вещества почвы и его распад. Существует много других синонимов и определений БИКа, приводимых в настоящем словаре.

Параметры биогеохимического круговорота – совокупность параметров (в т/км2), характеризующих 5 важнейших видов миграции:

1) биогенное потребление фитоценозами;

2) миграция веществ через атмосферу (поступление с осадками, пылью);

3) миграция веществ с речными водами (с делением на ионный и твердый сток);

4) миграция солей с региональным подземным стоком (вынос и привнос солей);

5) техногенное геохимическое давление (Глазовский, 1987).  

Показатели биогенного круговорота - две группы показателей:

1) емкостные величины – общее количество химических элементов в живом веществе и экотопе (в последнем, с учетом его доступности растения). Для характеристики распределения элемента между биотопом и экотопом используют коэффициент накопления элемента – отношение концентраций химического элемента в живом организме и среде обитания (почва, почвенный раствор);

2) скорость круговорота характеризуется величинами:

  • временем, за которое в системе переносится количество химического элемента, равное его содержанию в растениях;
  • показателем скорости круговорота – удельным его потоком через единицу массы растений за единицу времени, приходящуюся на единицу концентрации элемента в среде (Снакин, 1987).

 

Законы и принципы, используемые в биогеохимии.

Закон Вернадского – положение о миграции химических элементов в биосфере при непосредственном участии живого вещества или миграции в среде, свойства которой обусловлены действием живого вещества в настоящем или прошлом.

Закон Кларка-Вернадского – положение о всеобщем рассеянии химических элементов. Для редких элементов оно является основным, так как они не образуют собственных минералов; для большинства элементов это положение преобладающее, и только для кислорода, кремния, алюминия, железа, кальция, натрия, калия и магния главной формой нахождения являются собственные минералы.

Закон сохранения общей биомассы – математическое выражение эмпирического обобщения В.И. Вернадского о постоянстве количества живого вещества в течение всего геологического времени, которое имеет вид:

               (t)

N(t) = SNi(t) = const,

              i=1

где Ni(t) – биомасса i-вида в момент времени t, n(t) – меняющееся во времени число видов (достаточно большое, чтобы его можно было аппроксимировать непрерывной функцией).

Закон физико-химического единства живого вещества (В.И. Вернадского). Сущность заключается в физико-химическом единстве живого вещества. Частным следствием из закона является то, что вредное для одной части живого вещества не может быть безразлично для другой его части.

Биогеохимические принципы В.И. Вернадского:

  • биогенная миграция атомов химических элементов в биосфере всегда стремится к максимальному своему проявлению;
  • эволюция видов в ходе геологического времени, приводящая к созданию форм жизни, устойчивых в биосфере, идет в направлении, увеличивающем биогенную миграцию атомов биосферы;
  • в течение всего геологического времени заселение планеты применительно к тому или иному периоду должно быть максимально возможным для всего живого вещества, которое всегда существовало.

Основной принцип системного подхода при изучении биологического круговорота сводится к:

  • выделению экосистемы как самостоятельной единицы изучаемого объекта;
  • расчленению экосистемы на компоненты того или иного уровня агрегации (например, растения, животные, почва и т.д.);
  • установление внутренних связей между компонентами и связей экосистемы с другими экосистемами, а также связей с внешними атмосферными и гидротермическими объектами

Принцип эмерджентности – следствие иерархической организации природных систем, результатом которой является возникновение новых (неожиданных) свойств по мере объединения компонентов в более крупные функциональные единицы, отсутствующие на предыдущем уровне. Возникновение новых свойств обязано взаимодействию компонентов, процессу интегрирования, а не изменению природы этих компонентов. Различают эмерджентные свойства, описанные выше, и совокупные свойства, представляющие собой сумму свойств компонентов. Принцип эмерджентности объясняет возможность изучения целого без тщательного рассмотрения всех компонентов. Эмерджентность или интегрированность системы – это свойства целого, не выводимые из свойств частей, т.е. не присущи ни одной отдельно взятой части. Таким свойством, например, является продуктивность.

Эта статья еще не написана, но вы можете сделать это.