ГЕОХИМИЯ, 2015, № 3, с. 203-221
ГЕОХИМИЧЕСКАЯ ЭКОЛОГИЯ И БИОГЕОХИМИЧЕСКИЕ КРИТЕРИИ ОЦЕНКИ ЭКОЛОГИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ ТАКСОНОВ БИОСФЕРЫ
© 2015 г. В. В. Ермаков
Институт геохимии и аналитической химии им. В.И. Вернадского РАН 119991ГМП-1 Москва, ул. Косыгина, 19 e-mail: ermakov@geokhi.ru Поступила в редакцию 18.02.2014 г. Принята к печати 06.05.2014 г.
Статья посвящена формированию и развитию современного научного направления — геохимической экологии как базиса биогеохимического нормирования. Рассмотрены место геохимической экологии в системе экологических наук и основные ее положения (биогеохимические пищевые цепи и параметры, биогенная миграция химических элементов, реакции организмов, включая гомео-стаз, биоритмы, пороговые концентрации химических элементов и др.). Представлены новые данные о вкладе геохимической экологии в решение вопросов биогеохимического нормирования и районирования, профилактики биогеохимических эндемий и микроэлементозов. Подчеркивается актуальность проблем геохимической экологии, особенно в связи с техногенной эволюцией таксонов биосферы.
Ключевые слова: биогеохимия, биогеохимические критерии, геохимическая экология, гомеостаз, микроэлементы, нормирование, эндемии.
Б01: 10.7868/80016752515030061
ВВЕДЕНИЕ
Развивая экологическую направленность идей натуралистов Европы 18-го столетия, В.И. Вернадский в 30-х гг. прошлого века разработал научную биогеохимическую концепцию биосферы как геологической оболочки Земли, структура и энергетика которой созданы деятельностью живого вещества в течение геологической истории планеты. Он является основателем нового научного направления — биогеохимии — изучения жизни в аспекте миграции атомов химических элементов (Вернадский, 1992). Предшественниками биогеохимии следует считать Лавуазье, Дж. Кювье, Е. Зюсса, Ю. Либиха и Ч. Дарвина.
Направленность биогеохимических исследований была определена В.И. Вернадским весьма широко: от геологической (геохимической) роли живого вещества до биологической роли химических элементов и их соединений (Уегпаё8ку, 1939). Изучение элементного состава живого вещества сопровождалось необходимостью сочетания геохимических исследований с решением проблем биохимии, медицины и сельского хозяйства.
Экологические аспекты биогеохимии были реализованы в концепции биогеохимических провинций (Виноградов, 1960) и геохимической экологии (Ковальский, 1974). Практически геохимическая экология явилась синтезом биогеохимии, экологии, биохимии, ряда геологических и биологических наук и представляет собой системное комплексное научное направление изучения явлений жизни в условиях техногенного преобразования таксонов биосферы. Ее основная направленность — изучение закономерностей взаимодействия отдельных организмов и их сообществ с природной и техногенной средой через формирование миграционных потоков атомов химических элементов и преобразование энергии (Ковальский, 1971, 1982, 1991).
Геохимическая экология — основа биогеохимического изучения таксонов биосферы. Согласно В.В. Ковальскому, геохимическая экология — раздел биогеохимии и экологии, наука о взаимодействии организмов и их сообществ с геохимической средой в биосфере, а также организмов между собой в условиях популяций, биоценозов, биогеохимических провинций и зон как структурных частей единой организованной экосистемы — биосферы (Ковальский, 1974).
ГЛОБАЛЬНАЯ ЭКОЛОГИЯ
(Экология биосферы)
Микроорганизмов Насекомых Человека Растений t Животных
Э К О Л О
Аутэкология _q_ Демэкология ^
И_Я.
(особей)
Синэкология (популяций) (сообществ, биоценозов)
Геоэкология
Геохимическая
экология Химическая экология
Эволюционная экология
Социальная экология
Палеэкология
Радиоэкология
Историческая экология
ГЛОБАЛЬНАЯ ЭКОЛОГИЯ
(Экология биосферы)
Рис. 1. Связь геохимической экологии с различными направлениями экологии.
Круг рассматриваемых проблем весьма широк: от глобальных причин вымирания динозавров и других организмов, эволюции их химического состава и геохимических функций, локальных и глобальных циклов химических элементов до механизмов биологического действия макро- и микроэлементов, а также практических приложений в почвоведении, растениеводстве, животноводстве и медицине. Основной задачей геохимической экологии служит выяснение процессов приспособлений организмов, популяций и других сообществ к условиям окружающей геохимической среды (адаптаций). Не менее важным является познание среды, ее свойств, процессов миграции химических элементов, форм миграции и влияние техногенных процессов. Изучение точек приложения химических элементов среды к обменным процессам, выявление причинных зависимостей нормальных и патологических реакций организмов от факторов геохимической среды в природных условиях и эксперименте составляют конечную цель этого раздела экологии. Данные геохимической экологии используются для экспертных оценок состояния таксонов биосферы на различных уровнях жизни (Риш, 1983; Башкин, 2013).
Следует подчеркнуть, что в геохимической экологии центральное место занимает геохимический фактор воздействия (химические элементы или их ассоциации). Попытки рассмотрения проблем геохимической экологии в рамках химической экологии не совсем удачны, так как в последней первостепенное значение имеет химический язык организмов (Барбье, 1978). Исторически элементы геохимической экологии заложены еще в 18-ом ве-
ке. Особую роль играют работы А.Л. Лавуазье (1743-1794) и Юстаса Либиха (1803-1873). Антуан Лоран Лавуазье был одним из основателей современной химии. У него было ясное понимание роли живых существ в круговороте элементов на Земле. Это следует из его доклада, представленного французской Академии Наук в 1792 г. незадолго до его гильотины: "...Брожение, гниение и сгорание непрерывно возвращают в воздух атмосферы и в минеральное царство те исходные вещества, которые у них позаимствовали растения и животные. Какими путями природа осуществляет этот изумительный круговорот веществ между тремя своими царствами" — И далее: ".Поскольку сгорание и гниение суть средства, которые природа использует для того, чтобы вернуть в минеральное царство те материалы, которые она из него извлекла, чтобы создать растения и животных, то развитие растений и животных должны представлять собой явления, обратные сгоранию и гниению". Эти высказывания Лавуазье, приведенные в работе М. Барбье, интересны тем, что в них одновременно предугадываются будущие исследования Л. Пастера и закладываются основные идеи геохимической экологии (Барбье, 1978).
Немецкий ученый Ю. Либих известен как основатель агрохимии. Он открыл закон минимума в 1840 г. (Justus Freiherr von Liebig, 1843). Именно этот закон наиболее полно отражает зависимость между геохимическим фактором воздействия (например, уровень микроэлементов в среде и рационе и проявление биологических реакций организма). Место геохимической экологии среди экологических наук отражено на схеме (рис. 1).
ПОЧВЕННЫЕ ' ' КОРМА И
ПОЧВЫ*- МИКРООРГАНИЗМЫ-»-НАЗЕМНЫЕ—.-НАЗЕМНЫЕ—ПРОДУКТЫ
" И ЖИВОТНЫЕ --РАСТЕНИЕ ЖИВОТНЫЕ ПИТАНИЯ
к * V *
ГОРНЫЕ" ПОРОДЫ^
"АТМОФСФЕРНЫЙ1 ^ ВОЗДУХ
¡м.
/ V
ВОДА
ДОННЫЕ / ВОДНЫЕ / ОРГАНИЗМЫ
ВОДНЫЕ РАСТЕНИЯ
ВОДНЫЕ ЖИВОТНЫЕ
ЖИВОТНЫЕ
И И Ы
ЧЕЛОВЕК
КОРМА И ПРОДУКТЫ ПИТАНИЯ
Рис. 2. Биогеохимическая пищевая цепь.
Наиболее тесные взаимодействия у геохимической экологии с геоэкологией и с различными направлениями общей экологии. Естественно, что геохимическая экология использует методы и знания большинства биологических, гео- и химических наук (физиология, биохимия, аналитическая химия, геохимия).
Фундамент геохимической экологии составляют:
— особенности химического элементного состава организмов и среды;
— биогеохимические пищевые цепи и параметры;
— биогенная миграция химических элементов и их биогеохимические циклы;
— разнообразные биологические реакции организмов, включая ферментные адаптации и биоритмы метаболизма химических элементов;
— пороговые или критические концентрации химических элементов;
— биогеохимическая модель гомеостатических регуляторных процессов организма, сообществ, биогеоценоза и их устойчивое функционирование;
— эволюция химического состава живого вещества и биосферы как отражение планетарных и космических процессов;
— биогеохимическое нормирование.
Одной из основных проблем геохимической экологии является раскрытие адаптивной измен-
чивости регуляторных систем организма в условиях конкретных геохимических сред жизни.
Известно, что живое вещество биосферы гете-рогенно по составу и взаимодействует с геохимической средой через биогеохимические пищевые цепи. Последние представляют собой звенья путей осуществления первичной связи организмов и геохимической среды (химические элементы почвообразующих пород, почв, почвенных растворов, илов, воды, воздуха, атмосферных выпадений, микроорганизмов, растений, кормов, пищевых продуктов, рационов, различных организмов, включая микроорганизмы, насекомые, растения, животных и человека), а также биогенного цикла элементов в биосфере. В отличие от трофических и пищевых цепей, биогеохимическая пищевая цепь содержит абиогенные компоненты среды (породы, воды, воздух) и техногенные факторы, исходящие от человека (рис. 2).
Среда и адаптивные возможности организмов, определяемые гено- и фенотипом, формируют диапазон изменений, при которых организм остается здоровым или проявляет определенные реакции на избыток или недостаток микроэлементов, включая патологические состояния (Ковальский, 1982, 1991). Под адаптацией (на биологическом уровне) подразумевается процесс сохранения и развития биологических свойств вида, популяции, биоценоза, обеспечивающий прогрессивную эволюцию биологических систем в неадекватных условиях среды; на организменном уровне адапта-
ция — процесс поддержания функционального состояния гомеостатических систем и организма в целом, обеспечивающий его сохранение, развитие, работоспособность, максимальную продолжительность активной жизни в неадекватных условиях среды (Нефедов и др., 1991).
Среди адаптивных реакций организмов необходимо отметить значение биол
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.