Основы биогеохимии. Учебник для студентов высших учебных заведений

Рассмотрены основные понятия биогеохимии как науки, приведен краткий обзор истории ее развития. Изложены основные черты геохимии литосферы. Раскрывается механизм биогеохимического преобразования состава газовой оболочки на протяжении геологической истории. Даны характеристика глобальных биогеохимических циклов элементов и систематический обзор биогеохимии природных зон. Изложены теоретические представления и фактические данные о деформации природных биохимических циклов хозяйственной деятельностью человека, рассмотрены типичные антропогенные региональные и локальные биогеохимические аномалии.

Для студентов почвенных и биологопочвенных факультетов, а также обучающихся по специальностям 12500 «География», 013100 «Экология», 013600 «Геоэкология».

Биогеохимия — одно из научных направлений, представляющих состояние естествознания на рубеже II и III тысячелетий н. э. Идеи основоположника биогеохимии — выдающегося российского естествоиспытателя и мыслителя В.И.Вернадского, сформулированные им на протяжении 20 —30-х гг. XX в., опередили свое время и были должным образом оценены много позже. Принципы и подходы биогеохимии оказались весьма плодотворными для общего прогресса естествознания и создали научно-методическую основу для решения ряда актуальных практических задач.

Преподавание основ биогеохимии входит в систему университетского образования естественного профиля. Настоящая книга написана в соответствии с задачами подготовки современного специалиста в сфере почвоведения и физической географии. Знание закономерностей биогеохимии необходимо для творческого овладения теорией почвообразования и геохимии ландшафтов, организации и осуществления почвенного мониторинга, предупреждения и нейтрализации негативных последствий хозяйственной деятельности.

Книга состоит из трех частей. В первой изложены методологические основы биогеохимии и рассмотрены общепланетарные закономерности взаимодействия живых организмов с окружающей средой. Во второй обобщены достижения в изучении глобальных биогеохимических циклов массообмена. Третья часть посвящена биогеохимии природных зон. Преобладает материал, характеризующий природные зоны суши. Наряду с этим в ней приведены необходимые для почвоведов и физико-географов сведения по биогеохимии океана. Завершается книга главой, содержащей обзор результатов воздействия хозяйственной деятельности человечества на биогеохимические циклы.

За последнее десятилетие были установлены и опубликованы новые данные по биогеохимии педосферы, биосферной геохимии углерода, результаты изучения природных механизмов биосферных циклов массообмена тяжелых металлов, геохимии техногенеза, часть которых нашла отражение в опубликованной автором в США книге «Biogeochemistry of the World's Land». Все эти данные учтены в книге.

Автор глубоко признателен доктору биологических наук, профессору Г.В.Мотузовой и доктору географических наук Ю.И.Пиковскому за труд по рецензированию рукописи, декану географического факультета МГУ чл.-корр. РАН Н.С.Касимову и декану факультета почвоведения МГУ чл.-корр. РАН С.А.Шобе за поддержку в организации издания «Основ биогеохимии», а также научному сотруднику кафедры геологии и геохимии ландшафта МПГУ С.В.Литкенс за помощь при подготовке книги к изданию.

Биогеохимия — наука, изучающая жизнедеятельность организмов в качестве ведущего фактора миграции и распределения масс химических элементов на Земле. Основоположник биогеохимии — выдающийся естествоиспытатель и мыслитель XX в. В. И. Вернадский — созданием этой науки открыл совершенно новый и важный аспект познания сложного феномена жизни. Предметом изучения биогеохимии служат процессы миграции и массообмена химических элементов между живыми организмами и окружающей средой.

Теоретическую основу биогеохимии составляет учение о живом веществе и биосфере, разработанное В.И.Вернадским.

Живое вещество. 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»[1]. Не углубляясь в эти проблемы, можно уверенно констатировать весьма важное значение живого вещества для существующего химического состава наружных оболочек нашей планеты.

Биосфера. Термин биосфера был введен в научный лексикон австрийским геологом Эдуардом Зюссом (1831 — 1914) в 1875 г. 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.

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.

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