Основи біогеохімії

12.1 Базові концепції біогеохімії

12.2 Взаємодія біогеохімії з іншими науковими дисциплінами

12.3 Еволюційна біогеохімія

12.4 Біогеохімія оточуючого середовища (довкілля)

12.5 Напрями розвитку біогеохімії

 

 

Біогеохімія є міждисциплінарною наукою, яка виникла в ХХ столітті  на межі наук біології, геології і хімії. Біогеохімія концентрує всю свою увагу на вивченні ролі живих організмів в міграції і перерозподілі хімічних елементів в земній корі.

Теоретичною  основою  біогеохімії  є  концепція  живої  матерії  і  біосфери,  запропонована  російським  вченим  В.  І.

Вернадським на початку ХХ століття.

Концепція живої речовини. Відомо, що характерною рисою всіх живих організмів, незалежно від їх розміру, морфологічних і фізіологічних є трансформація оточуючого середовища в процесі їх життєдіяльності. Маса цих організмів представляє дуже незначну частину від маси всіх інших складових земної кори, однак, трансформуючий ефект біоти проявляється в глобальному масштабі і зачіпає всі біогеохімічні цикли. Живі організми поглинають селективно хімічні елементи  у  відповідності  зі  своїми  фізіологічними  потребами.  Серед  цих  елементів  виділяються  Карбон,  Гідроген, Оксиген, Нітроген, Фосфор, Калій, Сульфур, Силіцій, Кальцій, Магній та Ферум, які необхідні організмам в найбільшій мірі для побудови структурних органів, росту і розмноження.  Слід підкреслити,  що ті самі елементи також складають основу хімічного складу океану, атмосфери і гірських порід. Їх поглинання живими організмами приводить до біогенної трансформації  цих  земних  оболонок  і  диференціації  елементів  в  оточуючому  середовищі.  Більше  того,  газоподібні метаболіти,  які  виділяються  в  атмосферу,  поступово  змінюють  газовий  склад  атмосфери,  і  поява  кисню  є  самим характерним прикладом. Рідкі метаболіти і продукти розпаду залучаються в кислотно-лужні і окисно-відносні процеси в природних водах, які просочуючись крізь грунти і підсилюючі  геологічні породи, в свою чергу, трансформують їх мінералогічний і хімічний склад. Далі відбувається зміна хімічного складу води в морях і океанах. В кінцевому результаті це відображається на  формуванні осадових порід.

Концепція біосфери. На початку ХХ століття В. І. Вернадський визначив біосферу як зовнішню сферу Землі, в якій не тільки існує життя, але яка в тій чи іншій формі видозмінена або сформована під впливом життя і біологічної активності. Відповідно, біосфера – це єднання  живої  матерії і зовнішньої частини Земного шару (Вернадський,  1926 р.). Біосфера включає в себе шари тропосфери, гідросфери і літосфери сумарною товщиною біля 40 км.

Біокосні системи. Це системи, утворені живими організмами і середовищем їх перебування, включають в себе обмін хімічними елементами між живими організмами і оточуючим їх середовищем. Термін був введений В. І. Вернацьким в 1944 р.

Біогеохімічні цикли. Біогеохімічні цикли являють собою універсальну властивість біосфери. Це засновано на тому, що процеси біологічного обміну є циклічними за своїм характером. В біогеохімічних  циклах  відбувається  динамічний обмін масами хімічних елементів, який підтримує хімічний склад як живих організмів, так і основних складових біосфери: геологічних порід грунтів, вод і повітря.

Серед основних біогеохімічних принципів В. І. Вернадського є і положення про оборотність і необоротність біохімічних циклів. Слід пам'ятати, що ці цикли не є повністю оборотними (Вернадський, 1932 р.). Неповна оборотність біогеохімічних циклів  різними  елементами  і  їх  незамкненість,  відображає  геохімічну  неоднорідність  Землі  і  межі  адаптації  живих організмів у варіюванні вмісту хімічних елементів.

Необхідно згадати і концепцію біогеохімічного харчового ланцюга (трофічного ланцюга), який може бути визначений взаємовідношенням між організмами,  через які в екосистемі відбувається  трансформація  речовини і енергії.  Харчовий ланцюг,  зазвичай,  включає  в себе від 2 до 5 ланок. Наприклад,  фото- і хемосинтезуючі  організми  (продуценти),  які утворюють первинну продукцію у вигляді органічної речовини     рослинноїстівні тварини (фітофаги) як первинні споживачі (консументи)       плотоядні  тварини  як  вторинні  споживачі  (хижаки,  включаючи  людину)        організми,  які  руйнують відмираючу органічну речовину (мікроорганізми).

Прикладом глобального біогеохімічного циклу є цикл води, схематично зображений на рис. 2.11. На ньому показана маса води в різних резервуарах, потоки мас води при обміні між цими резервуарами і швидкості масообміну. Найбільша маса води сконцентрована в Світовому океані. В процесі випаровування під впливом сонячної радіації вода переходить в атмосферу, з якої вона може випадати назад на поверхню океану або суші. В подальшому вода, за рахунок поверхневого стоку  або випаровування, повертається назад в океан.

 

Рис. 2.11. Гідрологічний цикл як приклад глобального біогеохімічного циклу.

Розмірність: 1012 т Н2О (баланс) і 1012 т Н2О/год (потоки)

 

Представлений кругообіг води типовий для всіх глобальних біогеохімічних циклів.

 

 

Біогеохімія виникла на початку ХХ століття як типова міждисциплінарна  наука. Схематичний  опис різних  природних наук, в значній мірі переплетених з біогеохімією, показано на рис. 2.12.

Базові природні дисципліни  – хімія, біологія і геологія.  Ці та інші  науки  розташовані  на  рисунку  в  залежності  від переваги якісних і кількісних підходів при описі складних природних процесів.

 

Рис. 2. 12.Схематичний опис взаємопроникнення біогеохімії та інших природних наук

Біогеохімія як наука виникла в 20-х роках ХХ століття на стику біології, хімії і геології, сконцентрувавши  свою увагу на ролі тваринної речовини в міграції хімічних елементів.

 

 

Еволюційна