Темы для самостоятельной работы

1. Поданным, приведенным в гл. 7 и 16, сопоставьте массы углерода азота, серы и фосфора, участвующие в природных глобальных цикГх массообмена, и поступление в биосферу масс этих элементов в результате производственной деятельности человека.

2. По опубликованным статистическим данным проследите динамику изменения соотношения городского и сельского населения России в аб солютном (млн чел.) и относительном (%) выражении. Сравните с показателями роста производства угля, нефти, металлов и минеральных удобрений в эти же годы.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Характерная черта естествознания XX в. — возникновение на стыке устоявшихся классических наук комплекса новых научных направлений. Эта черта — следствие естественного хода развития научной мысли и ее определенный этап, когда решение очередных задач одной отрасли естествознания становится невозможным без использования достижений других, соседних, отраслей. Целенаправленное взаимопроникновение наук не только позволяет обнаружить неизвестные ранее факты, но также способствует открытию новых областей познания.

Как отражение этого этапа развития естествознания, на контакте проблем биологии и геохимии возникла биогеохимия, призванная, по мнению ее основоположника В.И.Вернадского, оценить жизнь как планетарное явление. Роль и значение живого вещества (постоянно существующей совокупности живых организмов) в истории Земли можно выяснить путем изучения биогеохимических процессов, т.е. результатов воздействия жизнедеятельности организмов на миграцию и распределение масс химических элементов. В.И.Вернадский обосновал совершенно новый взгляд на феномен жизни как на фактор геохимической организации планеты.

Каждый организм биогеохимически индивидуален. В то же время состав организмов, образующих систематические группы или обитающих в сходных эколого-геохимических условиях, имеет общие черты. При генерализации результатов химических анализов различных организмов обнаруживаются общие черты состава всей планетарной совокупности организмов. Можно констатировать, что в живом веществе преобладают компоненты, активно дегазировавшиеся в процессе формирования Земли: вода и газы атмосферы. Вместе с тем в состав живого вещества входят все химические элементы, содержащиеся в земной коре. Они присутствуют в совершенно особых соотношениях, неадекватных соотношениям в других наружных оболочках нашей планеты. При этом имеются сходные черты относительной распространенности атомов химических элементов в составе живого вещества, с одной стороны, и в составе межзвездного газа и газового вещества комет — с другой. Отмеченное обстоятельство наряду с другими фактами дает основание рассматривать жизнь как космическое явление.

Химический состав живого вещества обусловлен соотношением состава и массы разных групп организмов. На протяжении геологической истории органический мир непрерывно менялся. Соответственно происходили колебания среднего состава живого вещества, но они не изменяли его основных особенностей. В настоящее время доминирующую часть живого вещества составляют высшие растения суши, средний состав которых определяет состав всего живого вещества Земли.

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 состоянии самообновления 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.

Появление мыслящих организмов и начало их деятельности ознаменовало наступление качественно нового этапа истории планеты. Хозяйственная деятельность человеческого общества развивалась с прогрессирующей скоростью и в настоящее время достигла уровня природных процессов. При этом массы элементов, мобилизуемые хозяйственной деятельностью человека, находятся в совершенно иных соотношениях, чем в системе природных массопотоков. Это вызывает деформацию природных циклов массообмена и в силу обратной связи — изменение состава окружающей среды. Указанные изменения происходят значительно быстрее, чем совершаются процессы генетической адаптации организмов и видообразования. Есть веские основания полагать, что процесс развития деятельности человечества не гармонизирован с действующим механизмом поддержания стационарного процесса функционирования биосферы как открытой неравновесной системы.

В этой ситуации биогеохимия как наука приобретает особую актуальность. Изучая процессы массообмена, связывающие в единое целое окружающую среду и живое вещество на разных уровнях организации биосферы, биогеохимия создает научно-теоретическую базу для выяснения сложных закономерностей взаимодействия организмов со средой в конкретных условиях. Биогеохимией накоплен обширный фактический материал и создан научно-методический аппарат, который может быть успешно использован для создания действенной системы контроля за эколого-геохимическим состоянием окружающей среды, а также для разработки научно обоснованного прогноза эколого-геохимических последствий хозяйственных действий и новых технологий.

ПРИЛОЖЕНИЕ

Дата добавления: 2014-11-20