5. Циклічність біогеохімічних процесів.

З моменту наукового вивчення взаємодії живих організмів з навколишнім середовищем було виявлено, що процеси біогенного масообміну мають циклічний характер.

Цикли масообміну різної довжини в просторі й неоднакові по тривалості в часі утворюють динамічну систему біосфери.

БГхімічна циклічність в екосистемах багато в чому визначається біотою, особливо процеси первинної продуктивності і розкладу відмерлої органічної речовини.

БГХ цикли являють собою сумарне відображення параметрів циркуляції речовин між різними компонентами біосфери – грунтами, поверхневими і грунтовими водами, донними відкладами, біотою і атмосферою.

Рис.2 – узагальнена схема біогеохімічних харчових ланцюгів в наземних екосистемах.

Неповна оборотність мігруючих мас і незбалансованість міграційних циклів допускають певні межі коливання концентрації мігруючого елемента, до яких організми можуть адаптуватися, але в той же час забезпечують виведення надлишкової кількості елемента з даного циклу.

Історія розвитку біогеохімії.

Контури біогеохімії вимальовувалися поступово на тлі загального розвитку природознавства й, головним чином, хімії.

Хоча розвитку ідей біогеохімії сприяли роботи багатьох учених, найбільш помітний слід в історії цих ідей залишили досить неординарні фігури, що були не тільки великими вченими, але і яскравими особистостями.

Наприкінці XVIII в. завдяки відкриттю кисню, азоту, діоксида вуглецю (вуглекислого газу) і розшифровці хімічного складу повітря в наукових колах Парижа й Лондона активно обговорювалося значення газів у житті рослин.

У цей час один із засновників хімії - Антуан Лавуазьє - вирішив задачу кількісної оцінки хімічних елементів, що беруть участь у реакції, і вивчив явище еквівалентного обміну кисню й вуглекислого газу рослинами. Цими роботами він заклав основу сучасних уявлень про геохімію вуглецю в біосфері.

Переконавшись у тім, що головний хімічний елемент органічної речовини - вуглець - рослини одержують із повітря, а при розкладанні рослинних залишків вуглець у складі вуглекислого газу знову вертається в атмосферу, А.Лавуазьє дійшов висновку про універсальність механізму круговороту при взаємодії живих організмів із природою.

Незадовго до трагічної загибелі від революційного терору (був гільйотований) А. Лавуазьє написав трактат «Кругообіг елементів на поверхні земної кулі», де обґрунтував ідею циклічного обміну хімічних елементів між трьома царствами природи: мінеральним, рослинним і тваринним. У цьому трактаті він порушив питання, на яке через двісті років прагне дати відповідь біогеохімія: «Якими шляхами здійснює природа дивний кругообіг речовин між трьома своїми царствами?»

Після робіт А.Лавуазьє стало очевидно, що живі організми в основному складаються з елементів, що утворюють на поверхні Землі гази, і що в хімії життя винятково важливе значення має взаємозв'язок організмів з газами атмосфери.

Ця проблема продовжувала залишатися в центрі уваги на початку XIX в.

В 1841 р. два видатних французьких учених — знаменитий хімік, один із засновників органічної хімії, Жан-Батист Дюма й Жан-Батист Бусенго, засновник агрохімії, мандрівник і натураліст, — остаточно сформулювали ідею циклічного круговороту газів у системі «живі організми — атмосфера», виклавши її в трохи парадоксальній формі: «...ми бачимо, що первинна атмосфера Землі підрозділилася на три великі частини: одна з них утворить сучасне атмосферне повітря, друга представлена рослинами, третя — тваринами. Таким чином, усе, що повітря дає рослинам, рослини уступають тварині, тварини ж повертають повітрю; вічне коло, у якому життя тріпотить і проявляється, але де матерія тільки міняє своє місце».

Наступний крок у пізнанні біогеохімічних циклів на суші пов'язаний з дослідженнями видатного німецького хіміка Ю. Лібіха.

Він показав, що хімічні елементи надходять у рослини двома шляхами: одні як вуглець із повітря, інші - у вигляді водяних розчинів із ґрунту.

Ю.Лібіх провів широкі дослідження, послідовно визначивши склад ґрунтів і вміст мінеральних речовин у різних органах рослин і тварин, продуктах їхньої життєдіяльності.

По суті, він уперше застосував метод спряженого аналізу, який широко використовується у сучасній геохімії ландшафтів. Численними експериментами Ю.Лібіх довів, що рослини вибірково поглинають із ґрунту хімічні елементи. На підставі цього відкриття вчений розробив широко відому теорію мінерального живлення рослин і поклав початок вивченню циклічної міграції елементів у системі «ґрунт-рослини–ґрунт», що пізніше одержав назву біологічного кругообігу.

Значення робіт Ю.Лібіха для біогеохімії важко переоцінити. Він

- намітив шляхи експериментального вивчення біогеохімічних циклів більшої частини хімічних елементів,

- показав, як людина може управляти біологічним круговоротом, штучно вводячи в міграційні цикли додаткові маси елементів.

У його знаменитій книзі «Хімія в додатку до землеробства й фізіології рослин», виданій в Німеччині в 1840 р., уперше була спроба розглянути долю народів і країн у зв'язку з порушенням природного масообміну окремих хімічних елементів.

В 80-х рр. XIX в. у Росії виникло генетичне ґрунтознавство. Його засновник - професор Петербурзького університету В.В.Докучаєв розглядав утворення (генезис) ґрунту як результат взаємодії багатьох факторів-грунтоутворювачів: гірської породи, рослин і тварин, кліматичних умов, форм рельєфу, ґрунтових вод.

Вчення В. В.Докучаєва поглибило й конкретизувало уявлення хіміків про діяльність живих організмів на прикладі широко розповсюдженого природного утворення - ґрунтового покриву суходолу. Одночасно вперше була показана нерозривна єдність живих організмів з іншими компонентами природної системи й неможливість існування цієї системи без явищ життя.

Це були основні віхи розвитку наукової думки про планетарне значення життєдіяльності організмів і їхнього тісного взаємозв'язку з неживою речовиною навколишнього середовища.

Численні, але розрізнені й важко порівнянні факти й гіпотези мали потребу в узагальненні на новій методологічній основі. Цю основу надала геохімія.

Відповідно до принципів цієї науки, будь-який об'єкт можна охарактеризувати співвідношенням утворюючих його атомів хімічних елементів. Геохімічний підхід дозволяє співставляти й порівнювати всілякі природні тіла й процеси. Зокрема,

- визначивши середній сумарний склад живих організмів Землі й зіставивши його із середнім складом земної кори, можна оцінити спрямованість геохімічної діяльності живої речовини в часі;

- визначивши маси хімічних елементів, щорічно захоплюваних приростом рослинності Світового суходолу, і маси цих же елементів, що виносяться з річним стоком всіх рік, можна одержати уявлення про значимість кожного із даних планетарних процесів.

Геохімічний підхід дає можливість об'єктивно, на науковій основі оцінити планетарний ефект діяльності живої речовини або окремих груп живих організмів.

Розвиток геохімії в різних країнах йшов різними шляхами.

У США був покладений початок статистичному вивченню розподілу хімічних елементів. Хімік геологічної служби США Ф.У. Кларк із метою встановлення середніх значень концентрації десяти головних хімічних елементів в основних типах гірських порід, природних водах і інших об'єктах в 80-х рр. XIX в. приступив до узагальнення існуючих аналітичних даних.

З 1889 р. по 1924 р. він кілька разів публікував усе більше обґрунтовані відомості про середній вміст хімічних елементів. Робота Ф. Кларка «The Date of Geochemistry» з'явилася першим об'єктивним обґрунтуванням закономірностей розподілу головних хімічних елементів у земній корі.

У Європі геохімія складалася на базі мінералогії - науки про природні хімічні сполуки й процеси їхнього утворення. Із цієї причини головна увага приділялася процесам, що визначали розподіл хімічних елементів.

У Норвегії при університеті в Осло утворилася сильна наукова школа мінералогів і хіміків, представники якої вивчали розподіл і співвідношення елементів у зв'язку з фізико-хімічними процесами рудо- і породоутворення. У надрах цієї наукової школи сформувався як учений видатний геохімік В.М.Гольдшмідт. Він розробив вчення про глобальні закономірності розподілу хімічних елементів залежно від будови їхніх атомів і іонів.

У Росії становлення геохімії відбувалося на кафедрі мінералогії Московського університету. Очолював кафедру В. І. Вернадський, який читав оригінальний курс генетичної мінералогії, де увага акцентувалася не тільки на зовнішніх властивостях і ознаках мінералів, що було властиво класичній описовій мінералогії, але й на динаміці їхнього утворення.

Проблеми історії утворення мінералів привели В.И.Вернадського до вивчення природних процесів на атомному рівні. Надалі він розробив основні положення геохімії про міграцію хімічних елементів, про значення ізоморфізму для розподілу елементів у земній корі, про форми знаходження елементів і явища їхнього розсіювання...

В.И.Вернадський одержав вищу освіту на природничому відділенні фізико-математичного факультету Петербурзького університету в 1881 - 1885 р. У ці роки в столичному університеті викладали видатні вчені російської науки. Найбільше враження на молодого студента справив В.В.Докучаєв.

Ідеї В.В. Докучаєва про загальний взаємозв'язок компонентів природи та живих організмів як невід'ємної складової частини ґрунту й одночасно найважливішого фактору його утворення стали відправною науково-філософською основою, на якій сформувалися розроблені В. И. Вернадським генетична мінералогія й геохімія, а потім біогеохімія й вчення про біосферу.

З 1916 р. В. И. Вернадський починає багаторічну роботу зі створення «науки про життя».

Насамперед необхідно було розробити підхід до об'єктивної оцінки живої речовини й ефекту її діяльності. Шляхи рішення цього зовсім нового завдання Вернадський намітив на 1918 -1919 р., коли під його керівництвом проводилися перші біогеохімічні дослідження на Україні, де він очолював тільки що створену Українську академію наук.

На початку 20-х рр. він викладає свої ідеї в доповідях у Петрограді, Празі, а потім у курсі лекцій, прочитаних у Сорбоні.

Вивчаючи живу речовину, В. И. Вернадський підійшов до аналізу будови тієї оболонки Землі, у межах якої жива речовина існує – біосфери (дав пояснення терміну).

Вернадський окреслив межі біосфери, включивши в неї всю гідросферу, атмосферу й верхню частину земної кори, визначив загальну масу живої речовини біосфери й закономірності її розподілу в просторі, поклав початок вивченню циклів хімічних елементів, що проходять через живу речовину біосфери.

В.И.Вернадський вважав: «...щоб правильно оцінити геохімічне значення живої речовини, ми повинні знати для цього, по-перше, середній елементарний хімічний склад всіх організмів, живої речовини й, по-друге, виразити його кількісно, знати вагу живої речовини. Цей склад і цю вагу ми повинні зв'язати з вагою й складом середовища, у якому земна речовина знаходиться».

Першою працею, що містила загальну концепцію біосфери й основи нової науки, була книга В.И. Вернадського «Біосфера» (1926), написана на основі лекцій, прочитаних їм в 1922-1926 роках у Карловому університеті в Празі й у Сорбоні.

Причому, за кордоном ці лекції були видані ще раніше, ніж у нас.

В 1924 році в Парижі вийшла 1-я частина цих лекцій за назвою «La Geochime», а в СРСР «Нариси геохімії» були опубліковані лише в 1927 році.

У результаті наполегливих зусиль В. И. Вернадського в 1928 р. була створена Біогеохімічна лабораторія АН СРСР, яку він очолював до кінця своїх днів. На жаль, через нечисленність співробітників лабораторії й недостатність коштів експериментальні дослідження були обмежені визначенням вмісту хімічних елементів у різних організмах. Більша й досить трудомістка робота з визначення мас живих організмів залишилася нездійсненою.

Ця робота була широко розгорнута після смерті В. И. Вернадського в другій половині XX в. екологами, ґрунтознавцями, океанологами. Отримані дані про динаміку живої речовини повністю підтвердили думки В. И. Вернадського про біогеохімічні цикли міграції хімічних елементів як основу існування біосфери.

Ще при житті Вернадського біогеохімічні дослідження отримали підтримку у геологічної служби. З ініціативи Вернадського в середині 30-х рр. XX в. була розпочата робота зі створення біогеохімічного методу пошуків родовищ руд.