В 1936 г. В.И. Вернадский ввел в науку понятие о педосфере, которое в настоящее время широко используется при глобальных геохимических построениях. Он отмечал, что химический состав Мирового океана тесно связан с мобилизацией химических элементов в педосфере и с планетарным миграционным циклом почвы – воды рек – воды океана. Не менее ответственную роль играет педосфера в газовом обмене. В.И. Вернадский считал, что многие химические элементы поступают в почву не столько из почвообразующих пород, сколько осаждаются из атмосферы и вновь уходят в нее, захватываясь ветром. Предположение Вернадского о циклической миграции химических элементов в системе почва – атмосфера подтвердилось спустя несколько десятилетий при изучении динамики аэрозолей, их «времени жизни» и дальности переноса.
Принципы биогеохимии оказались весьма перспективными для генетического почвоведения. Крупный почвовед, геохимик и географ Б.Б. Полынов, опираясь на идеи В.И. Вернадского, разработал учение о геохимии ландшафта. Последователи Б.Б. Полынова геохимики-почвоведы и геохимики-ландшафтоведы своими исследованиями способствовали развитию биогеохимии.
В настоящее время разграничение биогеохимических, эколого-геохимических, почвенно-геохимических и ландшафтно-геохимических исследований весьма условно.
5. Факторы влияющие на устойчивость функционирования экосистем
С экологической точки зрения среда обитания организма – это вся совокупность тел и сил внешнего по отношению к живому организму мира. Среда обитания характеризуется огромным разнообразием пространственных и временных элементов, условий и явлений, которые рассматриваются в качестве экологических факторов. Таким образом, экологический фактор – это любой элемент, условие или явление окружающей среды. Способные оказать прямое или косвенное влияние на живые организмы.
Экологические факторы классифицируются по нескольким критериям. Внешние факторы воздействуют на организм, популяцию, экосистему, но не испытывают непосредственного обратного действия: солнечная радиация, атмосферное давление, воздух, скорость течения воды, интенсивность заноса питательных веществ или семян, зачатков и особей других видов из других экосистем. В отличие от них внутренние факторы связаны со свойствами самой экосистемы и образуют ее состав: численность, плотность и структура популяции, пища и ее доступность, концентрации веществ, участвующих в экосистемном круговороте, состав и свойства воздушной, водной, почвенной среды.
Часто важно оценить значимость факторов, выделить главные и второстепенные. Те из них, без которых невозможны жизнь и развитие организма – пища, вода, тепло, свет, кислород – императивные факторы или условие существования. Другие, действующие не обязательно постоянно, но влияющие на различные проявления жизнедеятельности и распространения организмов, называют факторами воздействия.
По природе источников и характеру действия факторов среды разделяют на абиотические и биотические.
Абиотические факторы – это факторы неорганической природы. Это свет, температура, влажность, давление и другие климатические и геофизические факторы; природа самой среды – воздушной, водной, почвенной; химический состав среды, концентрация веществ в ней. К абиотическим факторам также относят физические поля( гравитационное, магнитное, электромагнитное), ионизирующую и проникающую радиацию, движение сред( акустические колебания, волны, ветер, течения, приливы), суточные и сезонные изменения в природе и другие внешние факторы периодичности или цикличности. Многие абиотические факторы имеют скалярное и векторное выражение, они могут быть охарактеризованы количественно и объективно изменены.
Биотические факторы – это прямые или опосредованные воздействия других организмов, населяющих среду обитания данного организма. Все биотические факторы обусловлены внутривидовыми и межвидовыми взаимодействиями. Внутривидовые факторы – это контакты между членами семьи, группы, стада, популяции одного вида – отношения полов, размножение, уход за потомством, взаимопомощь и защита или наоборот, возникновение внутривидовой конкуренции, отношений доминирования и подчинения, иерархии в стаде или популяции[5].
Особую группу составляют антропогенные факторы. Проблемы народонаселения и ресурсов биосферы тесно связаны с реакциями окружающей природной среды на антропогенные воздействия. Естественное экологически сбалансированное состояние окружающей среды обычно называют нормальным. Это состояние, при котором отдельные группы организмов биосферы взаимодействуют друг с другом и с абиотической средой без нарушения равновесия круговоротов веществ и потоков энергии в пределах определённого геологического периода, обусловлено нормальным протеканием природных процессов во всех геосферах.
Природные процессы могут иметь катастрофический характер, например извержения вулканов, землетрясения, наводнения, что, однако, также составляет «норму» природы. Эти и другие природные процессы постепенно, с геологической скоростью, эволюционируют и в то же время в течение тысячелетий (на протяжении одного геологического периода) остаются в квазистатическом сбалансированном состоянии. При этом квазистатически протекают малый (биологический) и большой (геологический) круговороты веществ и устанавливаются квазистатические энергетические балансы между различными геосферами и космосом, что объединяет природу в единое целое. Круговороты веществ и энергии в биосфере характеризуются определёнными количественными параметрами, которые квазистатичны и специфичны для данного геологического периода и для каждого элемента земной поверхности в соответствии с их географией.
Обычно в качестве основных параметров, характеризующих состояние окружающей природной среды, выделяют следующие:
1. Энергетический:
Е = Е0 + DЕ,
где Е0 – запас энергии в системе в момент времени t0;
DЕ – энергетический баланс системы за время Dt, т.е. в период от t = t0 до t = t0 + Dt .
2. Водный:
W = W0 + DW,
где W0 – запас воды в системе в момент времени t0;
DW – водный баланс системы за время Dt, т.е. в период от t = t0 до t = t0 + Dt .
3. Биологический:
В = В0 + DВв - DВm,
где B0 – начальная биомасса;
DВв – биологическая продуктивность;
DВm – минерализация органики за время Dt .
4. Биогеохимический:
G = G0 + DGв - DGg,
где G0 – запас химических элементов в системе;
DGв и DGg – изменение запаса химических элементов вследствие биологического и геологического круговоротов веществ.
Эти параметры состояния окружающей среды могут быть количественно определены экспериментальным путём для каждой точки, района, крупного региона, природной зоны или ландшафтно-географического пояса, наконец, для земного шара в целом; они количественно характеризуют состояние и пространственную неоднородность среды.
Геохимический параметр состояния окружающей среды также существенно изменился, особенно в отношении биологического и геологического круговоротов. Под влиянием человеческой деятельности происходят большие изменения в распределении химических элементов в биосфере, природная и антропогенная трансформация веществ, а также переход химических элементов из одних соединений в другие. Природный биологический круговорот веществ нарушен человеком на площади, достигающей почти половины всей поверхности суши: антропогенные пустыни, индустриальные и городские земли, пашни, сады, вторичные низкопродуктивные леса, истощённые пастбища и т.д.
Нарушению геологического круговорота веществ способствовали такие факторы:
1. Эрозия почвенного покрова и возрастания твёрдого стока в океан;
2. Перемещение огромных масс земной коры;
3. Извлечение из недр значительных количеств руд, горючих и других ископаемых;
4. Перераспределение солей в почвах, грунтовых и речных водах под влиянием орошаемого земледелия;
5. Применение минеральных удобрений и ядохимикатов;
6. Загрязнение среды сельскохозяйственными, промышленными и коммунальными отходами;
7. Поступление в природную среду энергетических загрязнений.
Таким образом, исследование изменений параметров состояния окружающей природной среды (хотя и на качественном уровне) позволяет сделать вывод об отсутствии в настоящее время глобального экологического кризиса. В то же время есть все основания считать теперешнее состояние биосферы нарушенным и аномальным. Такое состояние может перейти в кризисное, если человечество не проведёт специальные мероприятия по оздоровлению окружающей его среды.
6. Практическое значение биохимии
По причине того, что основные виды производственной деятельности людей – сельское хозяйство и промышленность – осуществляются на суше, направленность практического использования биогеохимии также связана с изучением процессов, протекающих в пределах Мировой суши. До последних лет основное практическое применение биогеохимии было связано с деятельностью геологической службы, с так называемым биогеохимическим методом поисков месторождений полезных ископаемых. Сущность этого метода заключается в выявлении участков повышенных концентраций рудообразующих элементов в растениях, продуктах их отмирания и метаболизма. Участки повышенных концентраций металлов в растениях и верхнем горизонте почвы – биогеохимические аномалии – дают основание предполагать наличие на глубине залежей руд, не выходящих на поверхность. В этом случае биогеохимические аномалии могут рассматриваться как ореолы рассеяния рудных аккумуляций. Они образуются в результате вовлечения металлов в биологический круговорот и накопления их в растительности и почве. Применение биогеохимического метода поисков месторождений полезных ископаемых в труднопроходимых лесных районах или на территориях, перекрытых рыхлыми аллохтонными отложениями, облегчает обнаружение месторождений и способствует удешевлению комплекса геолого-поисковых работ.