Биокосные системы

Биокосные системы (коры выветривания, почвы, природные воды, илы)

Биокосными называют системы, в которых неразрывно связаны и взаимодействуют живое и неживое вещества. Примером биокосной системы является почва, представляющая собой единство минерального вещества (порода, вода, воздух), живых организмов и мертвого биоорганического вещества (гумус и др.). Если изъять из почвы один из этих компонентов, то она утратит свои характерные свойства (прежде всего плодородие), т.е. станет другой системой.

В соответствии с системным  принципом организации биосферы, а также с тем, что в основе ее функционирования лежат круговороты  веществ и энергии, современной  наукой сформулированы биохимическая, термодинамическая, био-геоценотическая, кибернетическая концепции биосферы.

Согласно В.И. Вернадскому, биосфера — это такая оболочка, в которой существует и существовала в прошлом жизнь и которая подвергалась и подвергается воздействию живых организмов.

Эта оболочка включает в  себя:

· живое вещество, образованное совокупностью организмов;

· биогенное вещество, которое создается и перерабатывается в процессе жизнедеятельности организмов (газы атмосферы, каменный уголь, нефть, сланцы, известняки и др.);

· костное вещество, которое образуется без участия живых организмов (продукты тектонической деятельности, метеориты);

· биокостное вещество, представляющее собой совместный результат жизнедеятельности организмов и абиогенных процессов (почвы).

Биокосные системы Земли разных уровней организации (почвы, илы, коры выветривания, водоносные горизонты, ландшафты, артезианские бассейны, моря, океаны и др.) являются естественно-историческими образованиями, сформировавшимися в конкретной геохимической обстановке при участии живого вещества в процессе развития физико-географической оболочки.

Как и все другие объекты  Природы, биокосные системы обладают энергоинформационной и физической структурами.

Энергоинформационная структура, в силу специфических ее свойств, несет информацию о развитии биокосных систем; находится в непрерывном взаимообмене на уровне энергии и информации с конкретно-материальной физической структурой и способна оказывать на нее влияние путем передачи информации по голографическому принципу.

Изменение энергоинформационной программы развития биокосных систем может быть обусловлено внутренними, в результате аутоэволюции, и внешними факторами, обусловленными действием активных химических веществ, повышенного радиоактивного фона, магнитных и гравитационных полей, космических излучений, энергоинформационных и информационных воздействий и др.

Изменение энергоинформационной структуры биокосных систем ведет к адекватным изменениям их физической структуры.

Энергоинформационные структуры  биокосных систем находятся во взаимосвязи с аналогичными структурами своего окружения, изменяясь и оказывая влияние на другие системы.

Под биокосными понимаются системы, для которых характерно взаимопроникновение живых организмов и неорганической (косной) материи. В ходе кругооборота биокосные системы не возвращаются в прежнее состояние, для них характерно поступательное развитие. В результате кругооборота формируется окислительно-восстановительная зональность биокосных систем. Например, в верхней зоне озер, где развит фотосинтез и О₂выделяется растениями, формируется окислительная обстановка, в глубоких частях, где происходит разложение органического вещества, растет содержание в воде СО₂, а в илах может сложится восстановительная (глеевая или сероводородная) среда.

Так в озерах формируется  окислительно-восстановительная зональность, тоже происходит и в других биокосных системах и биосфере в целом. Следовательно, работа живого вещества создает резко окислительные условия на земной поверхности и резко восстановительные в болотах, илах и особенно подземных водах.

Геохимическое своеобразие  биокосных систем определяется сочетанием биогенной, физико-химической и механической миграции. По уровням организации среди них выделяются низкоорганизованные (почвы, илы, коры выветривания) и более высокоорганизованные (ландшафты, моря, океаны и т.д.).

Во всех биокосных системах происходит взаимодействие горных пород с природными водами и организмами. Характерны два противоположных процесса: выветривание и цементация. Для первого (выветривания) типичен вынос из пород элементов – водных мигрантов (Ca, Mg, K, Na) и присоединение воздушных мигрантов (О₂, Н₂О, СО₂). Для цементации наиболее характерны аккумуляция водных мигрантов на геохимических барьерах, уменьшении пористости. Выветривание и цементация – разные стороны одного процесса, но в конкретных системах соотношение между ними неодинаково. Выветривание особенно широко развито в почвах и коре выветривания, хотя происходит и цементация; в водоносных горизонтах доминирует цементация.

Все биокосные системы литосферы богаты свободной энергией и неравновесны, дифференцированы в пространстве, и в них формируется окислительно-восстановительная и кислотно-щелочная зональность.

Почва – это верхний горизонт литосферы, вовлеченный в биологический кругооборот при участии растений, животных и микроорганизмов; это область наивысшей геохимической энергии живого вещества. Геохимическая сущность почвообразования заключается в разложении органических веществ микроорганизмами. Эти процессы интенсивны во влажных тропиках и угнетены в тундре. В почвах происходит биогенная аккумуляция веществ, направленная снизу вверх, а также нисходящая миграция водных растворов, вызывающих выщелачивание. Почвообразование приводит к дифференциации элементов, то есть, однородная горная порода превращается в неоднородный зональный почвенный профиль со многими горизонтами. И с геохимической точки зрения сущность почвообразования состоит в окислительно-восстановительных реакциях; для всех почв характерна окислительно-восстановительная зональность, которая отражает процессы разложения органических веществ.

Выделяют почвы окислительные (сухопутные растительные), в том  числе черноземы, буроземы, каштановые почвы равнин) и восстановительные: глеевые (почвы заболоченных равнин влажного климата) и сероводородные (солончаки и некоторые другие).

Ил – природное тело, аналогичное почве, где роль атмосферы занимает гидросфера. Для илов также характерен профиль, расчленяющийся на горизонты, окислительно-восстановительная зональность, геохимические барьеры. Характерно постоянное увлажнение, при образовании ила не принимают участия высшие растения, он более однороден, чем почва.

Систематизируются илы по окислительно-восстановительной обстановке. Окислительные илы образуются в океанах, морях, реках, где господствуют кислородные воды, преимущественно на небольших глубинах в прибрежных частях океанов и морей или на больших глубинах, но там где в холодной воде растворено много О₂ и мало органики (например, красные глубоководные глины Тихого океана). Глеевые илы – в озерах влажного климата, где разлагается много органического вещества. В озерах лесной зоны формируются глеевые илы – сапропели. Сероводородные илышироко развиты в морях, океанах, озерах степей и пустынь.

Биогенная аккумуляция элементов

Живое вещество биосферы в своем составе  отражает особенности химического  состава литосферы и гидросферы. Наиболее близко живое вещество по своему составу к гидросфере - преобладает  в составе живого вещества кислород (70%) и водород (10,5%). Сравнительно мало в живом веществе распространенных в литосфере, но не характерных для гидросферы кремния (0,15%), железа (0,02%) и алюминия (0,02%).

С другой стороны, живое вещество по содержанию ряда элементов резко отличается и от литосферы, и от гидросферы. К таким элементам относятся  углерод С и азот N. Содержание углерода в литосфере 0,27%, азота 0,002%, а в живом веществе, соответственно, 18% и 0,3% (степень концентрирования от 60 до 150 раз).

Накопление  химических элементов в живом  веществе характеризуется коэффициентом биофильности – отношением кларка элемента в живом веществе ( в зольной части) к его кларку в литосфере. Следует отметить накопление в живом веществе таких элементов, как фосфор Р, сера S, марганец Mn, а также “тяжелых” элементов – меди Cu, молибдена Mo, цинка Zn и др. , кларки которых в живом веществе в несколько раз выше, чем в литосфере.

Как тяжелые металлы, так и галогенированные углеводороды особенно опасны ввиду способности к биоаккумуляции. Она заключается в том, что малые, кажущиеся безвредными дозы, получаемые в течение длительного периода, накапливаются в организме, создают в итоге токсичную концентрацию и наносят ущерб здоровью. Биоаккумуляция происходит из-за отсутствия биодеградации. Тяжелые металлы, как простые элементы, невозможно разрушить или преобразовать в ходе химических процессов.

Хлорсодержащие  углеводороды разлагаются при очень  высокой температуре, и в большинстве  случаев в организме нет ферментов, способных их расщепить. Эти вещества легко поглощаются, но если и выводятся, то очень медленно. Организм неспособен освобождаться от них с мочой, поскольку тяжелые металлы прочно связываются с белками, а галогенированные углеводороды растворяются в жирах гораздо лучше, чем в воде. В результате, поступая с пищей и жидкостями, эти вещества удерживаются и накапливаются в организме, как в фильтре.

Биоаккумуляция может усугубляться в пищевой цепи. Организмы, находящиеся в ее основе, поглощают химикаты из внешней среды и аккумулируют их в своих тканях. Питаясь этими организмами, животные следующего трофического уровня получают исходно более высокие дозы, накапливают более высокие концентрации и т.д. В результате на вершине пищевой цепи концентрация химиката в организме может стать в 100 000 – 10 000 000 раз выше, чем во внешней среде. Hеудивительно, что при этом случаются летальные исходы. Такое накопление вещества при прохождении через пищевую цепь называют биоконцентрированием.

К большому сожалению, и биоаккумуляцию, и биоконцентрирование трудно заметить до достижения опасного уровня химиката. А тогда уже поздно что-либо предпринимать.

Опасность биоаккумуляции и биоконцентрирования хлорсодержащих углеводородов стала очевидной в 60-е гг., когда обнаружилось, что сокращение популяций многих видов хищных птиц, в частности, белоголового орлана и скопы, вызвано биоаккумуляцией пестицида ДДТ. Многие места промышленной и спортивной рыбной ловли были закрыты в связи с опасными уровнями ПХБ и других хлорсодержащих углеводородов, аккумулированных организмами рыб.

Биологическая роль микроэлементов

Хорошо  известно, что организм человека нуждается  в сбалансированной по химическим элементам  пище. Вредно сказывается как недостаток, так и избыток почти каждого  из них. Около 99% массы тела приходится на пять химических элементов –  водород, кислород, углерод, азот и кальций. Они поступают в организм преимущественно  в связанном виде с пищей, питьевой водой, вдыхаемым воздухом; участвуют  в большинстве химических реакций, протекающих в организме; входят в состав белков, жиров и углеводов.

Проблема  сбалансированного поступления  этих элементов в организм решается сравнительно просто. Еще шесть элементов  – фосфор, хлор, калий, натрий, сера и магний – вместе "весят" примерно 1%. Роль этих элементов в поддержании  здоровья в главных чертах выяснена. Известно, как в случае необходимости  подпитывать ими организм.

Гораздо сложнее ситуация со "следовыми" химическими элементами. Во-первых, концентрации их таковы, что не поддаются  аналитическому определению простыми методами. Во-вторых, даже если их содержание удается определить в пище или  пищевых добавках, то выяснить участие  и роль в жизненных процессах - гораздо более сложная задача. В-третьих, эти элементы из-за их ничтожных  концентраций легко передозировать, что ведет к обратному эффекту: больше – не значит лучше, их избыток  отравляет организм.

Микроэлементы неравномерно распределены между тканями  и часто обладают сродством к  определенному типу тканей и органов. Так, цинк аккумулируется в поджелудочной  железе; молибден – в почках; барий  – в сетчатке глаза; стронций –  в костях; иод – в щитовидной железе. Незначительные отклонения содержания микроэлементов от нормы вызывают тяжелые заболевания. Анализ на содержание отдельных микроэлементов в органах и тканях – чувствительный диагностический тест, позволяющий обнаруживать и лечить различные заболевания. Так, снижение содержания цинка в плазме крови – обязательное следствие инфаркта миокарда. Уменьшение содержания лития в крови – показатель гипертонического заболевания.

Существуют  минеральные удобрения или химические мелиоранты, в которых наряду с основными питательными веществами присутствуют микроэлементы – бор, цинк, медь, кобальт, марганец, молибден в очень малых концентрациях (0,0005% — 1%). Микроэлементы оказывают заметное влияние на фитосинтетическую активность растений и катализируют ряд биохимических процессов и тем самым влияют на урожайность сельскохозяйственных культур и качество продукции.

Традиционные  органические удобрения, такие как  торф, навоз, сапропель, также содержат микроэлементы, но они не нормируются, т.к. нет технологии регулирования  их содержания в готовых удобрениях

Микроэлементы – вещества, необходимые организму  в ничтожных количествах (обычно микрограммы) являются жизненно важными  для него. Если в организме не хватает всего лишь одного элемента, то может нарушиться вся цепь химических реакций, что в дальнейшем послужит причиной нарушений работы некоторых  органов и систем; в худшем случае со смертельным исходом (дефицит  селена, меди и др.).

Учесть  все факторы питания очень  трудно, тем более, что для продления жизни нам необходимы дозы некоторых из них, заметно большие обычных. Поэтому, идеальный вариант – это принимать специально разработанные комплексы.

Геохимическое своеобразие биокосных систем

Во  второй половине ХIХ столетия В.В. Докучаев открыл новый класс природных систем, в которых живые организмы и неорганическая материя неразрывно связаны между собой, т.е. образуют единое целое. Одной из таких систем ученый присвоил наименование почвы, использовав при этом термин, существовавший уже очень давно. Но, к сожалению, до этого данный термин применялся в различных смыслах: агрономы под почвой имели в виду лишь пахотный слой, геологи подразумевали кору выветривания и т.д. Работы Докучаева положили начало новой науке – почвоведению. Геохимические идеи проникли в почвоведение в начале ХХ столетия. Основоположниками геохимии почв были В.И. Вернадский и К.К. Гедройц. Развивая идеи своего учителя, В.В. Докучаева, В.И. Вернадский ввел в науку понятие о биокосных системах, т.е. системах, где неразрывно связаны живое и мертвое (косное) вещество. Типичным представителем таких систем как раз и является почва. В дальнейшем значительный вклад в развитие биогеохимии почв внесли труды Б.Б. Полынова, А.П. Виноградова, М.А. Глазовской, ..Орлова, Г.В. и В.В. Добровольских и др.