Циклы некоторых токсичных элементов

Второстепенные для живых организмов химические элементы, также как и жизненно важные, мигрируют между организмами и средой. В естественных экологических системах они содержатся в таких концентрациях и формах, что не оказывают отрицательного влияния на организмы. В настоящее время стала весьма острой проблема токсичных веществ в связи с региональными и глобальным техногенным загрязнением биосферы. Ниже рассмотрим лишь некоторые примеры токсичных химических элементов, оказывающих значительный отрицательный биологический эффект.

Ртуть, также как и другие тяжелые металлы, почти не влиял на организмы до наступления индустриальной эры, потому что ее концентрации в природе были невелики, а она сама химически малоподвижна. Разработка месторождений и промышленное использование ртути (в электротехническом оборудовании, термометрах, красках и фунгицидах) увеличили ее поток в экосистемы. Чистый элемент не токсичен. Превращение в токсичные органические соединения ртути, такие как метилртуть CH₃Hg и этилртуть C₂H₅Hg, происходит благодаря бактериям, присутствующим в детритах и осадках. Эти соединения легко растворимы, подвижны и очень ядовиты. Химической основой агрессивного действия ртути является ее сродство с серой, в частности с сероводородной группой в белках. Эти молекулы связываются с хромосомами и клетками головного мозга. Рыбы и моллюски могут накапливать их до концентраций опасных для человека, употребляющего их в пищу, вызывая болезнь "Минамата".

Тяжелый металл кадмий представляет собой один из самых опасных токсикантов среды, он значительнее токсичнее свинца. В последние 30-40 лет он находит все большее техническое применение. Его попадание в пищевые цепи связано с его промышленными выбросами в воздух и воду. Например в среднем тонна угля содержит 2 г кадмия. Кадмий имеет свойство накапливаться в организмах животных и растений. Так, растения аккумулируют до 70% кадмия содержащегося в почве. В Финляндии, Норвегии и Швеции ветеренарные учреждения предостерегают от употребления печени, почек и легких лосей, оленей, косуль и зайцев, в связи с высоким содержанием в них кадмия.

Вследствие деятельности цинкового рудника произошло загрязнение кадмием реки Дзинцу в Японии от хронического отравления умерло более 150 человек, сопровождавшегося атрофией костей всего скелета. Этот случай вошел в историю эндемических отравлений тяжелыми металлами под названием "болезнь итаи-итаи". Именно с такими словами умирали больные.

Стронций-90 и цезий-137 - продукты деления атома, имеющие большой период полураспада. Эти ранее малоизученные элементы теперь являются объектами пристального внимания в связи с их большой опасностью для человека и животных. Они попадают в окружающую среду при производстве и использовании различных источников ядерной энергии. Эти вещества активно циркулируют по пищевым цепям и накапливаются в тканях животных и растений. Это связано с тем, что стронций по свойствам похож на кальций, а цезий - на калий. По мнению некоторых ученых в костях людей уже содержится такое количество стронция, что он может оказывать канцерогенное действие.

Дихлордифенилтрихлорэтан или просто ДДТ - пестицид (пестис - зараза, циде - убиваю, лат.), использовавшийся, а местами используемый до сих пор в сельском хозяйстве для борьбы с насекомыми. В свое время его открытие было отмечено Нобелевской премией. Он малорастворим и никогда не поступает в верхние слои атмосферы и при этом встречается повсюду. Его обнаруживают в тканях пингвинов Антарктиды. Он в основном мигрирует по пищевым цепям, при этом в конце пищевого цикла его концентрация может увеличиться в 1000 раз. Сейчас его использование запрещено.

Диоксины - это группа веществ, в которую входят сотни видов хлор-, бром- и хлорброморганических циклических эфиров. Диоксины образуются во многих технологических процессах различных производств, включая сжигание отходов, биологическую очистку сточной воды и сгорание топлива в двигателях. Эти вещества превосходят по своей токсичности соединения тяжелых металлов. Являются сильными канцерогенами. Они способны накапливаться в организме, являясь причиной многих тяжелых заболеваний.

Глава 6. Hаучное наследие В.И.Веpнадского. Биосфера и место в ней человека

Открытие биосферы

Биосфера - живая оболочка земли. Автором термина "биосфера" является французский естествоиспытатель Жан Батист Ламарк, который употребил его в 1803 г. в труде по гидрогеологии Франции для обозначения совокупности организмов, обитающих на земном шаре. Затем термин был забыт. В 1875 г. его "воскресил" профессор Венского университета геолог Эдуард Зюсс (1831 - 1914) в работе о строении Альп. Он ввел в науку представление о биосфере как особой оболочке земной коры, охваченной жизнью. В таком общем смысле впервые в 1914 г. использовал этот термин и В. И. Вернадский в статье об истории рубидия в земной коре. Однако, учение В. И. Вернадского о биосфере было еще впереди. Его книга "Биосфера", переведенная затем на французский и английский языки, вышла в 1926 г. Статьи по этой тематике он публиковал до конца жизни. Изучение геохимической роли живого вещества В. И. Вернадский считал своей основной научной задачей. Но его главные мысли о биосфере, глубина и значение его идей только теперь начинают осознаваться обществом. К сожалению, как зарубежные, так и отечественные исследователи раньше мало опирались на труды В. И. Вернадского, часть из которых впервые была опубликована только в конце 70-х гг. Идеям В. И. Вернадского предстоит сыграть ключевую роль в формировании мировоззрения современного человека, в понимании им своего места в природе и ответственности за будущее биосферы, в формировании новой экологической морали

Естественно, что в своих построениях В. И. Вернадский опирался на эмпирические данные своего времени, которые во многом устарели с позиций современности. Но главные его мысли об уникальной роли "живого вещества", которое неразрывно связано с окружающей материей и космическим пространством, учение о биосфере как развивающейся и самоорганизующейся системе, еще долго будут служить науке. Многие затронутые им проблемы остаются до сих пор нерешенными или спорными: возникновение жизни, ноосфера и другие. Их актуальность в наши дни свидетельствует о могуществе и гениальности теоретических обобщений В. И. Вернадского, который во многом опередил свое время.

Взглянем на нашу планету глазами В. И. Вернадского. Он подчеркивал, что не строил никаких гипотез, а пытался описать картину планетного процесса на основе эмпирических обобщений. "Основные физические и химические свойства нашей планеты меняются закономерно в зависимости от их удаления от центра. В концентрических отрезках они идентичны, что может быть установлено исследованием" (В. И. Вернадский, 1926). Возможно выделить большие концентрические области и дробные внутри них, называемые земными оболочками, или геосферами. Можно предполагать, что в глубоких областях Земли имеются достаточно устойчивые равновесные системы: ядро и мантия, а над ними - земная кора.

Вещество ядра, мантии и земной коры, вероятно, отделено друг от друга, и если переходит из одной области в другую, то очень медленно.

Можно ли открыть биосферу? Если согласиться с определением В.И., что:
"Биосфера - это среда нашей жизни, это та "природа" которая нас окружает, та "природа" о которой мы говорим в разговорном языке", если учесть, что "Человек - прежде всего - своим дыханием, проявлением всех своих функций, неразрывно связан с этой "природой", хотя бы он жил в городе или в уединенном домике", вопрос о возможности открытия биосферы звучит чисто риторически.

И все-таки открытие биосферы состоялось. Состоялось потому что понятие Биосферы и ее синонима Лика Земли, введенные австpийским геологом Э.Зюссом, оказались "... коренным образом измененные ходом дальнейшего исследования...". Потому что в результате этих исследований стало "...ясно, что Лик Земли не является результатом "случайных явлений", а отвечает определенной резко ограниченной геологической земной оболочке – биосфере. Одной из многих других, оболочек, имеющих определенную структуру, характерную для земных планет." Эту структуру удобно называть организованностью по характеру идущих в ней геологических процессов". И далее уточняется: "Живые организмы являются функцией биосферы и теснейшим образом материально и энергетически с ней связаны, являются огромной геологической силой, ее определяющей". Соответственно, "...совокупность всех живых организмов, в данный момент существующих" определена В.И.Вернадским как живое вещество, "численно выраженное в элементарном химическом составе весе и энергии".

Здесь, в этом определении места и значения живого вещества в геологических процессах, в геологической истории земли и кроется формула открытия биосферы, влекущая за собой множество следствий, которые в такой же мере являются открытиями и ориентирами новых научных направлений.

Приведем пять постулатов В.И.Вернадского, относящихся к функции биосферы.

Постулат первый: "С самого начала биосферы жизнь, в нее входящая, должна была быть уже сложным телом, а не однородным веществом, поскольку связанные с жизнью ее биогеохимические функции по разнообразию и сложности не могут быть уделом какой-нибудь одной формы жизни". Смысл сказанного однозначен: первобытная биосфера изначально была представлена богатым функциональным разнообразием.

Постулат второй: "Организмы проявляются не единично, а в массовом эффекте... ". И далее: "Первое появление жизни... должно было произойти не в виде появления одного какого-нибудь вида организмов, а их совокупности, отвечающей геохимической функции жизни. Должны были сразу появиться биоценозы".

Третий постулат: "В общем монолите жизни, как бы не менялись его составные части, их химические функции не могли быть затронуты морфологическим изменением". Смысл приведенных постулатов таков: первичная биосфера была представлена "совокупностями" организмов типа биоценозов, которые и были главной "действующей силой" геохимических преобразований, а морфологические изменения компонентов этих "совокупностей" не отражались на их "химических функциях".

Постулат четвертый: "Живые организмы... своим дыханием, своим питанием, своим метаболизмом... непрерывной сменой поколений... порождают одно из грандиознейших планетных явлений... миграцию химических элементов в биосфере", поэтому "на всем протяжении протекших миллионов лет мы видим образование тех же минералов, во все времена шли те же циклы химических элементов, какие мы видим и сейчас".

И пятый постулат: "Все без исключения функции живого вещества в биосфере могут быть исполнены простейшими одноклеточными организмами".

Какие же именно "геохимические функции" имел в виду Вернадский? Он определил их такими терминами: газовая, кислородная, окислительная, кальциевая, восстановительная, концентрационная, разрушение органических соединений, восстановительное разложение, метаболизм и дыхание. Функций этих было достаточно, чтобы "былая биосфера" сыграла свою определяющую роль в становлении оболочек Земли - атмосферы, гидросферы, литосферы и геосферы. Современная наука о биосфере те же функции классифицирует по пяти категориям: энергетическая, концентрационная, деструктивная, средообразующая, транспортная.

Естественно возникает вопрос, какой же механизм функционировал и продолжает обеспечивать способность биосферы выполнять геологические. а также и экологические функции?

В классических направлениях современной геологической науки движущими силами развития Земли как планеты полагаются ее внутренние процессы, приводящие, в конечном итоге, к тем или иным деформациям ее поверхности, к борьбе эндогенных (внутренних) и экзогенных (внешних) сил. В лучшем случае геологи нисходят до признания роли накопления органики при формировании некоторых видов осадочных пород, например каустобиолитов, органогенных известняков и их метаморфических производных. Между тем именно биосфера принимает на себя и перерабатывает основную часть притока к поверхности Земли космической, главным образом - солнечной энергии. Попробуем сопоставить несколько цифр.

Биологическая продуктивность биосферы, всего живого вещества Земли составляет 1,7*10¹⁵ МДж/год. По абсолютному своему значению она сопоставима, в пределах одного порядка величин, с такими глобальными геологическими процессами, как энергия приливно-отливных течений 2,3*10¹⁵ MДж/год, энергия движения воздушных масс атмосферы - 1,3*10¹⁵ МДж/год и величина теплового потока из недр Земли, равная 1,3*10¹⁵ МДж/год; на порядок выше энергии землетрясений Земли и на два порядка выше энергии речного стока и вулканических извержений.

Сопоставляя приведенные цифры, необходимо иметь в виду, что значение биологической продуктивности отвечает энергии, накопленной в массе сухого вещества. Однако хорошо известно, что накопление какой то массы органического вещества, требует поглощения солнечной энергии на два порядка выше. Следовательно, реальное поглощение солнечной энергии биосферой Земли по своим масштабам превышает не меньше чем на порядок любой из глобальных геологических процессов, формирующих Лик Земли.

• Часть солнечной энергии поглощенная биосферой и вторично освобождающаяся при дыхании, испарении и обмене веществ всех живых организмов, фактически расходуется на ход:
• процессов стабилизации состава атмосферы и водных масс,
• биогеохимической миграции атомов,
• биогеохимической переработки горных пород приповерхностной части Земной коры,
• почвообразовательных процессов,
• формирования термовлажностного режима приземного слоя тропосферы.

Однако энергия развития живого вещества, биогенная энергия, не есть нечто постоянное. Любая биологическая или биокосная система, находясь в состоянии "устойчивой неравновесности", т.е. подвижного динамического равновесия с окружающей ее средой, и эволюционно развиваясь, увеличивает свое воздействие на среду. Эти позиции закреплены в двух биогеохимических принципах В.И.Вернадского:

• Геохимическая биогенная энергия стремиться в биосфере к максимальному проявлению (первый биогеохимический принцип) и
• При эволюции видов выживают те организмы, которые своей жизнью увеличивают биогенную геохимическую энергию (второй биогеохимический принцип).

Все сказанное делает необходимым уточнить "что есть биосфера, каков ее состав?" и мы снова обращаемся к трудам В.И.Вернадского [2.1, c.58-60] "...Вещество ее (биосферы, прим.авт.) состоит из семи глубоко разнородных частей, геологически не случайных.

• Во первых - из совокупности живых организмов, живого вещества, рассеянного в мириадах особей, непрерывно умирающих и рождающихся, обладающих колоссальной действенной энергией (биогеохимической энергией) и являющихся могучей геологической силой, нигде на планете больше не существующей, связанной с другим веществом биосферы только биогенной миграцией атомов. Концентрация живым веществом определенных химических элементов в биосфере есть, по-видимому - биогенный - геологический процесс".
• "Во вторых мы имеем дело с веществом, создаваемым и перерабатываемым жизнью, т.е. живыми организмами, с биогенным веществом, источником чрезвычайно мощной потенциальной энергии (каменный уголь, битумы, известняки, нефть и т.д.)".
• "В третьих, мы имеем вещество, образуемое процессами, в которых живое вещество не участвует: косное вещество, из которых только газообразное и жидкое (и дисперсное твердое) являются на поверхности биосферы носителями свободной энергии".
• "Четвертая часть вещества - это биокосное вещество, которое создается одновременно живыми организмами и косными процессами, представляя динамические равновесные системы тех и других. Таковы вся океаническая и почти вся другая вода биосферы, нефть, почва, кора выветривания и т.д. "В этих сложных биокосных "организованных массах" резко проявляется "геохимическая энергия живого вещества - биогеохимическая энергия".
• "В пятых - вещество, находящееся в радиоактивном распаде в форме немногих относительно прочных радиоактивных элементов.."
• "...шестой формой вещества, рассеянными атомами, которые непрерывно создаются из всякого рода земного вещества под влиянием космических излучений..."проникнуто все вещество биосферы".
• Наконец седьмым типом вещества является вещество космического происхождения, поступающее на поверхность Земли из космоса."

И так, известны состав вещества биосферы и в определенной степени соотношение отдельных компонентов ее вещества и основной источник энергии его развития и преобразования. Каковы же ее пределы? По В.И.Вернадскому "Пределы биосферы обусловлены, прежде всего, полем существования жизни". Каковы же критерии его существования, в частности в пределах земных недр?

"Неизбежно существует нижняя граница биосферы в области, в которой по условиям температуры, химической активности и физического состояния вещества явления жизни иметь место не могут" Это вызывается тремя факторами, проявляющимися в том, что происходит:

1) повышение температуры по направлению к центру планеты, геотермическая ступень..."

2) переход воды в газообразное состояние и

3) исчезновение трех физических состояний химических соединений (твердого, жидкого и газообразного, прим.авт.) и замена их единым глубинно-планетным состоянием материи".

При этом неоднократно подчеркивается, что "Стратисфера - оболочка осадочных пород - в значительной мере явно биогенного происхождения и находится очень часто, может быть всегда, в верхней своей части в области подземного живого вещества (частью в форме латентной жизни) т.е. в биосфере". В какой то мере сказанное относится и к метаморфическим породам и к интрузивам, которыми переработаны осадочные образования либо которые подняты тектоническими процессами в биосферу. Полностью к биосфере относится также и тропосфера и часть стратосферы.

Однако при всей этой огромной мощности биосферы и ее проникновения в смежные оболочки земной коры, образование живого вещества и реализация его энергетического потенциала осуществляется в тонком слое на поверхности континентов и океана.

На земной поверхности живое вещество сосредоточено в области геохор "...в виде тонкого слоя (иногда В.И. называет его пленкой жизни) подвижного и изменяющегося, огромная геологическая роль которого только сейчас начинает выявляться, и геологами, к сожалению мало учитывается". Последнее замечание В.И. правомерно и по сию пору. Надобно пояснить и непривычный для нас, но обычный для сибирских географов термин "Геохора": он применен В.И. в соответствии с греческим началом geo - Земля и hora - пространство, место, как пояс ландшафтов, взамен понятия ландшафт. В дальнейшем этот термин был широко использован учеными Института географии СО РАН.

Нельзя не отметить, что плодотворные идеи В.И., касающиеся степени воздействия живого вещества на земную кору, нашли отражение и у ландшафтоведов, определяющих мощность ландшафтной сферы по крайней мере не менее мощности осадочной оболочки Земли. Хотя есть и иные точки зрения, и не всегда, изучая ландшафты, целесообразно достигать подобных глубин.

Живое вещество и жизнь

И так, "Я буду называть живым веществом, - писал В.И, - совокупность организмов, участвующих в геохимических процессах. Организмы, составляющие совокупность, будут являться элементами живого вещества. Мы будем при этом обращать внимание не на все свойства живого вещества, а только на те, которые связаны с его массой (весом), химическом составом и энергией. В таком употреблении живое вещество является новым понятием в науке".

Однако новым в науке является и оценка роли живого вещества в геологических процессах и необходимость отказаться от идеи, что живое вещество Земли, жизнь на Земле формировались и развивались, как следствие развития вещества косного. Этот вопрос в трактовке В.И. мы рассматривался выше, при обсуждении проблем зарождения жизни на Земле. Здесь мы подчеркнем лишь, что:

• Современное живое вещество генетически родственно всем прошлым организмам;
• В современную эпоху живое вещество так же влияет на химический состав земной коры, как и в прошлые эпохи.
• Существует константное (постоянное, прим. авт.) количество атомов, захваченных в данный момент живым веществом и
• Энергия живого вещества есть преобразованная, аккумулированная энергия Солнца".

Постоянство количества живого вещества определяется следующими обстоятельствами.

• Во первых - предельно максимальной... величиной биогеохимической энергии размножения;
• Во вторых - "ограниченностью площади, (территории, прим.авт.), доступной заселению организмами", включая как территории континентов, так и океанические пространства.
• В третьих - постоянством в многолетнем режиме величины солнечной радиации - энергетической основы развития жизни и биогеохимической миграции на Земле.

Ранее (Глава 1) мы останавливались на свойствах живого вещества. Вернемся еще раз к рассмотрению различия между живыми и косными естественными телами в их проявлениях в биосфере, вслед за В.И.Вернадским с некоторыми сокращениями его текста (табл.6.1).

Таблица 6.1.

Живые и косные естественные тела и их проявления в биосфере

Косные естественные тела	Живые естественные тела
I. Тел, аналогичных живым естественным дисперсным телам, - в косной части биосферы нет. Дисперсное косное вещество сосредотачивается в биосфере; в более глубоких частях планеты оно заглушается давлением. Оно (косное вещество) создается или при умирании живого вещества или под влиянием газовых или жидких фаз, всегда являющихся биокосными	Проявляются только в биосфере и только в форме дисперсных тел в виде живых организмов и их совокупностей - в макроскопических (поле тяготения) и в микроскопических разрезах реальности.
II. В косных естественных телах нет проявления правизны и левизны, не подчиненных законам симметрии твердого тела	Правизна-левизна характеризует состояние пространства занятого телом живого организма и его проявлений в окружающей организм среде
III. Новое косное естественное тело создается физико-химическими и геологическими процессами, безотносительно к ранее бывшим естественным телам, живым или косным. Процессы его образования могут идти и в живых телах, изменяясь в своих проявлениях и давая биокосные естественные тела, внедренные в живое естественное тело.	Новое живое естественное тело - живой организм родиться только от другого организма. Абиогенеза в биосфере нет. Нет и признаков его былого проявления в геологическом времени. Живой организм родиться поколениями из живого такого же (в сущности близкого) организма. В ходе геологического времени происходят по невыясненным еще сейчас законам процессы мутации и рождение морфологически и физиологически иного нового поколения организмов, отличного от старого (эволюция видов)
IV. Процессы, создающие косное естественное тело, обратимы во времени. Пространство, в котором они идут, неотличимо от изотропного или анизотропного пространства Евклида.	Процессы, создающие живое естественное тело, необратимы во времени. Возможно. что это окажется следствием особого состояния пространства-времени, имеющего субстрат, отвечающий неевклидовой геометрии
V. Размножения нет. Создается косное естественно тело физико-химическими и геологическими процессами, синтетически воспроизводимыми экспериментом.	Живое естественно тело создается размножением - созданием нового живого естественного тела из предшествующего живого естественного тела из поколения в поколение. Оно создается сложным биохмическим процессом, не выходя из своего состояния пространства.
VI. Число косных естественных тел не зависит от размеров планеты, а определяется свойствами планетной материи-энергии. Биосфра получает и отдает непрерывно материю-энергию в космическое пространство. Существует с ним непрерывный материально-энергетический обмен.	Число живых естественных тел количественно связано с размерами определенной земной оболочки биосферы. Допустима и требует проверки - рабочая научная гипотеза о космическим обмене живых естественных тел.
VII. Площадь и объем проявления косных естественных тел не ограничены в пределах планеты и масса их колеблется в геологическом времени.	Масса живых веществ (совокупностей живых естественных тел) близка к пределу и, по-видимому, остается подвижно-неизменной (квазистационарной, прим.авт.) в течение геологического времени. Она определяется в конце концов количеством и колебаниями лучистой солнечной энергии, охватывающей биосферу.
VIII. Минимальный размер косного естественного тела определяется дисперсностью материи-энергии - атомом, электроном, корпуксулой, нейтроном и т.д. Максимальный размер определяется размерами планеты, которая само по себе может быть рассматриваема как биокосное естественное тело. Диапазон размеров огромен - 10^22	Минимальный размер живого естественного тела определяется дыханием, главным образом газовой миграцией атомов Максимальный размер по наблюдению в течение геологического времени, не превышает размеров для животных и растений, равных сотням метров. Дипазон колебаний равен 10^10
IX. Химический состав косных естественных тел всецело является функцией состава окружающей среды, в которой они создаются	Химический состав живых организмов образуется ими самими из окружающей среды, из которой они питанием и дыханием выбирают нужные им для жизни и размножения - для создания новых живых естественых тел – химические элементы...
Х. Количество разных химических соединений - молекул и кристаллов - в косных естественных телах земной коры, следовательно и биосферы, ограничено. Существуют немногие тысячи естественных "земных"-, а вероятно и "космических" соединений - молекул и кристаллических пространственных решеток. Этим определяется ограниченное количество видов косных естественных тел биосферы и ее биокосных естественных тел.	Количество химических соединений в живых естественных телах и количество характеризуемых ими живых естественных тел безгранично. Мы знаем уже миллионы видов организмов и миллионы миллионов отвечающих им молекул и кристаллических решеток.
XI. Все природные процессы в области естественных косных тел - за исключением явлений радиоактивности - уменьшают свободную энергию среды (процессы обратимые), в данном случае - свободную энергию в биосфере.	Природные процессы живого вещества в их отражении в биосфере увеличивают свободную энергию биосферы

 

Мы опускаем здесь сопоставление живого и косного вещества на изотопном уровне, поскольку в этом отношении в последние годы получено много новых данных, которые В.И.Вернадским не могли анализироваться.