Биогеохимические функции человека

Связаны с биогенной миграцией атомов, многократно усиливающейся под влиянием деятельности человека, его разума, созданной им техники.

По расчетам Ф. Я. Шипунова (1971), на расход, связанный с техникой жизни, приходится основная часть современного расхода вещества на планете - примерно 97%. А это значит, что человек и техника в принципе способны изменить все вещество биосферы, а также и вещество Земли. Возрастающее воздействие человечества на биосферу и ее окружение В. И. Вернадский рассматривал с точки зрения биогеохимического эффекта, т.е. как проявления биогенной миграции атомов 2-го и 3-го рода. Рассматривая с этой точки зрения деятельность человечества в биосфере, Ф. Я. Шипунов выделил ряд наи-более важных групп биогеохимических функций человека: газовые, водные, пылевые, нефтяные, тяжело металлические, хлоруглеводородные и легко летучие органические. Антропогенное поступление веществ в биосферу, связанное с этими функциями человека, составляет от долей процента до десятков и даже сотен и тысяч процентов от природного их поступления. Более того, в биосфере возникли и такие биогеохимические функции человека, которые в естественных ее условиях проявлялись незначительно или отсутствовали совсем. Отличительная особенность многих биогеохимических функций человека - их чужеродность биосфере, поэтому с ними связана нецикличность антропогенных веществ, которая проявляется как их неразлагаемость, синергизм, токсичность и, в конечном счете, подавление естественных биогеохимических функций живого вещества.

Вопрос 38.

В 1961 году А. И. Перельман ввел в науку понятие о геохимических барьерах. Геохимические барьеры - это те участки земной коры, в которых на коротких расстояниях происходит резкое уменьшение интенсивности миграции химических элементов и, как результат, их накопление.

Гомогенные барьеры же вохзникают на пути техногенной миграции.

Выделяют макро-, мезо- и микробарьеры. К макро-барьерам относятся, например, дельты рек - зоны смешения пресных речных и соленых морских вод. Ширина таких барьеров может достигать сотен и тысяч метров (но это не большая величина по сравнению с протяженностью реки и акваторией моря).

К мезобарьерам относятся краевые зоны болот, водоносные горизонты артезианских бассейнов. В результате здесь накапливаются многие элементы, выщелоченные из почв водоразделов и склонов. Ширина таких барьеров может достигать десятки и сотни метров.

Микробарьеры встречаются гораздо чаще, в том числе в почвах. По сути, накопление в почвенных горизонтах таких новообразований, как белоглазка, ортштейны, различные коры (солевые, латеритные) - результат изменения интенсивности миграционных потоков в почвенном профиле. Причина уменьшения скорости - изменение условий.

В основу классификации геохимических барьеров положены различия в миграции. Выделяют два основных типа барьеров - природные и техногенные. В свою очередь, и в тех и в других выделяют по 3 класса: ме-ханические, физико-химические, биогеохимические.

Механические барьеры - участки резкого уменьшения механической миграции. К ним приурочены различные продукты механической дифференциации осадков.

В местах резкого уменьшения интенсивности физико-химической миграции формируются физико-химические барьеры. Это участки земной поверхности, где резко меняются температура, давление, окислительно-восстановительные, щелочно-кислотные и другие условия

Геохимические барьеры классифицируются по накоплению химических элементов на виды. Выделяют следующие виды.

1. Кислородные (окислительные) барьеры. Их образование связано с изменением окислительно-восстановительных условий в ландшафте. Резкая смена восстановительных условий на окислительные, смена резко восстановительных на слабо восстановительные, слабо окислительных на сильно окислительные.

2. Сероводородные восстановительные (сульфидные) - кислые или глеевые воды контактируют с сероводородной средой: рН>7, Eh<0. Концентрируются металлы, образуя сульфиды железа, свинца, меди, цинка.

3. Глеевые восстановительные барьеры - кислые воды. Встречаются с восстановительной средой (Eh<300-200 мВ). Накапливаются трудно растворимые соединения ванадия, селена, меди, урана.

4. Щелочные барьеры - возникают в почвенных горизонтах, где наблюдаются скачок pH и смена кислой или слабо кислой среды на щелочную.

5. Кислые барьеры - формируются в зонах ландшафта при резкой смене условий pH в более кислую сторону. На кислых барьерах осаждаются мышьяк, молибден, селен.

6. Испарительные барьеры - проявляются в аридных условиях. Есть две разновидности испарительных барьеров: а) верхние - на поверхности почвы и б) нижние - на уровне грунтовых вод. Здесь наблюдается образование засоленных почв.

7. Сорбционные барьеры - характерны для иллювиальных и гумусовых горизонтов почв. В основе сорбционного поглощения лежит поглотительная способность почвы.

В природе наблюдается приуроченность основных гео-имических барьеров к определенным почвам, породам.

А. И. Перельман дает следующие примеры распространенности геохимических барьеров.

Сернокислые барьеры - рудные тела сульфидных месторождений.

Кислые барьеры - дерново-подзолистые, красноземные, серые лесные, бурые лесные почвы, солоди. С

Нейтрально-карбонатные барьеры - черноземные, каштановые, сероземные почвы, рендзины.

Хлоридно-сульфатные барьеры - верхние горизонты некоторых солончаков.

Содовые барьеры - солонцы.

Бескарбонатные глеевые барьеры - луговые и болотные почвы северных степей, лесной и тундровой зон.

Соленосный глеевый - солончаки со слабо восста-новительной средой.

Гипсовый глеевый - гипсовые горизонты луговых почв.

Содовый глеевый - содовые луговые солонцы.

Соленосно-сульфидный - нижние горизонты солончаков.

Содовый сероводородный - солонцеватые солонцы.

Биогеохимические барьеры - результат уменьшения интенсивности биогенной миграции. Угольные залежи, торф, концентрация элементов в телах организмов - следствие таких процессов.

Техногенные барьеры также разделяют на механические, физикохимические, биогеохимические. Сущность этих барьеров становится понятной только при учете социальной формы движения, техногенной миграции.

В зависимости от направления потоков миграции химических элементов в ландшафте, на пути которых возникают геохимические барьеры, последние делят на 2 группы: радиальные (вертикальные) и латеральные. Радиальные барьеры становятся на путях миграции химических элементов при их вертикальном движении. Во многом именно благодаря существованию этих барьеров наблюдается дифференциация химических элементов в почвенном профиле.

Латеральные барьеры возникают на границах геохимически контрастных элементов ландшафта (например, на границах фаций, краевых зонах болот и т.д.).

Для характеристики геохимических барьеров применяют следующие показатели.

Градиент барьера (G), который характеризует изменение геохимических показателей в направлении миграции химических элементов

G = dm/d,, или G-ml —т2/1,

где mf - значение геохимического показателя до барьера;

т2~ его значение после барьера;

I - ширина барьера.

Контрастность барьера (S)- характеризуется отношением величины геохимических показателей в направлении миграции до и после барьера:

S=mi/m2,

Интенсивность накопления элемента, например при рудообразовании, увеличивается с ростом контрастности и градиента барьера.

На геохимических барьерах образуются рудные тела большинства месторождений полезных ископаемых, и само понятие геохимических барьеров оказалось очень полезным для разработки методики поисков полезных ископаемых. Изучение барьеров важно и в борьбе с загрязнением окружающей среды.

Вопрос 39.

Связано с биогенной миграцией атомов, многократно усиливающейся под влиянием деятельности человека, его разума, созданной им техники. В. И. Вернадский смысл этого понятия раскрыл в своей работе «Химическое строение биосферы Земли и ее окружения»: «Биогеохимические функции человечества так же, как и других многоклеточных организмов, проявляются, прежде всего, в биогенной миграции атомов 2-го рода, но создаваемая этим путем энергия отходит на второй план перед той биогенной миграцией атомов 3-го рода, о которой сейчас идет речь. Отличие человека в этих проявлениях его жизни на косной и живой природе несравнимо по разнообразию и глубине захвата всех элементов с тем, что мы наблюдаем для других живых существ. Биогеохимическая функция человека является, таким образом, новой геологической силой, которая никогда не существовала на нашей планете в таком размере».

По расчетам Ф. Я. Шипунова (1971), на расход, связанный с техникой жизни, приходится основная часть современного расхода вещества на планете - примерно 97%. А это значит, что человек и техника в принципе способны изменить все вещество биосферы, а также и вещество Земли. Возрастающее воздействие человечества на биосферу и ее окружение В. И. Вернадский рассматривал с точки зрения биогеохимического эффекта, т.е. как проявления биогенной миграции атомов 2-го и 3-го рода. Рассматривая с этой точки зрения деятельность человечества в биосфере, Ф. Я. Шипунов выделил ряд наиболее важных групп биогеохимических функций человека: газовые, водные, пылевые, нефтяные, тяжело металлические, хлор-углеводородные и легко летучие органические. Антропогенное поступление веществ в биосферу, связанное с этими функциями человека, составляет от долей процента до десятков и даже сотен и тысяч процентов от природного их поступления. Более того, в биосфере возникли и такие биогеохимические функции человека, которые в естественных ее условиях проявлялись незначительно или отсутствовали совсем. Отличительная особенность многих биогеохимических функций человека - их чужеродность биосфере, поэтому с ними связана нецикличность антропогенных веществ, которая проявляется как их неразлагаемость, синергизм, токсичность и, в конечном счете, подавление естествееных биогеохимических функций живого вещества.

Вопрос 40.

1.Ноосфера образовалась и развивается в биосфере, другими словами, ноосфера - это биосфера, преобразующаяся под воздействием человека, изменяющего геохимию планеты и ее ландшафты.

2. Основная преобразующая геохимическая сила в ноосфере - человек. Деятельностью человечества создан новый тип миграции химических элементов - техногенный. Этот тип миграции обусловливает перераспределение и рассеивание химических элементов, образование техногенных аномалий.

3. Ноосфера характеризуется значительным ускорением миграции.

4. Ноосфера характеризуется уменьшением геохимической контрастности.

5. Ноосфера отличается от биосферы большим объемом и разнообразием информации.

6. Ноосфера использует и расходует энергию, накопленную биосферой.

7. Ноосфера создает новые типы ландшафта - куль-турный, техногенный и агроландшафт, для которых воз-можно регулирование круговорота химических элемен-тов. Оптимизация круговорота элементов - непременное, обязательное условие развития ноосферы.

Развитие ноосферы вызвало образование не только нового типа миграции элементов, но привело к проявлению новых процессов, ведущих к загрязнению окружающей среды - биосферы. Поэтому охрана окружающей среды в этих условиях становится важнейшей задачей человечества. Пути решения этой проблемы состоят в переходе от современных незамкнутых технологических систем к замкнутым системам производства, миграционные потери которых значительно меньше. Процесс эволюции поверхности нашей планеты можно рассматривать как процесс превращения земной коры в биосферу, а биосферы в ноосферу: земная кора биосфера ноосфера.

Ноосфера зарождается в недрах биосферы и направлена на ее преобразование. Это преобразование предусматривает создание новых ландшафтов, в которых возникает и может существовать новый тип круговорота химических элементов, исключающий загрязнение окру-жающей среды.

Оптимизация перехода биосферы в ноосферу включает в себя оптимизацию биологического круговорота, оптимизацию круговорота воды. Оптимизированный биологический круговорот должен характеризоваться энергичным фотосинтезом, высокой продуктивностью и разнообразием биологической продукции, а также быстрым разложением остатков организмов и включением продуктов их минерализации в новый цикл круговорота. Необходима также минимализация выхода химических элементов из биологического круговорота.Очень важна мобилизация внутренних ресурсов биосферы для усиления биологического круговорота, например, использование сапропеля, торфа, бурого угля для удобрений.

Оптимизация круговорота воды достигается орошением пустынь, осушением болот, опреснением морских вод, охраной их от загрязнения. Однако геохимическое обоснование инженерных проектов часто оказывается несостоятельным, что приводит к различным нежелательным последствиям. Причины аридиза- ции суши сложны и многообразны. Все возможные причины аридизации суши Ковда разделил на две большие группы (1981):

1. Космические и геологические.

2. Антропогенные.

К первой группе он отнес:

а) возможное охлаждение климата;

б) поднятие суши и рост поверхности континентов;

в) снижение уровня океана и уменьшение испаряемости влаги;

г) смены морских и воздушных течений.

Вторая группа более разнообразна:

а) уничтожение лесной и травянистой растительности;

б) уменьшение гумусности почв на обширных тер-риториях;

в) распашка больших массивов, разрушение и уничтожение почв, запыление и задымление атмосферы.

Все это влечет за собой увеличение альбедо на 10-30%, усиление континентальное и учащение явлений опускания воздушных масс, что всегда способствует их ис-сушению и уменьшению количества атмосферных осадков.

Различают также периоды возрастающей сухости и интервалы между ними, составляющие циклы в 100-200 и более лет. На фоне этих продолжительных циклов развертываются не очень упорядоченные, различные 2-3, 5-7, 11-13, 22-28-летние климатические колебания.

На данный момент после сурового холодного периода от конца средневековья и включая XVIII век (так называемый «малый ледниковый период») началось устойчивое потепление, установилась сравнительно устойчивая повторяемость и равномерность времен года. После засух конца XIX и начала XX вв. на северном полушарии планеты в 30-40-х и частично в 50-х годах сохранялся относительно теплый и благоприятный по увлажненности климатический режим, облегчивший освоение севера и сухих степей и устойчивое повышение продуктивности земледелия в индустриально развитых странах. Потепление климата в среднем составило 0,4- 0,6°С. Однако в 50-х и особенно в 70-х годах стала проявляться противоположная тенденция - похолодание, смещение к югу границы арктических снегов и льдов, смещение границ и времени наступления муссонных дождей в Азии и Африке, учащение засух и заморозков. Похолодание к настоящему времени составляет в среднем 0,3-0,4°С. Наметилась общая нестабильность, неравномерность, изменчивость погоды, учащение засух и таких явлений, как снежные лавины, ураганы, торнадо, наводнения, оползни.

Сельское хозяйство степей, сухих степей, полупустынь может в перспективе чаще, чем в прошлом, подвергаться влиянию засух. Данные метеорологических наблюдений свидетельствуют, что вегетационный период степей Русской равнины делается суше. Периоды засухи могут незакономерно перемежаться с влажными годами.

В гидрологии вне лесных территорий в настоящее время наметился ряд тревожных тенденций:

v постепенно уменьшается сток, и исчезают многие малые реки в Поволжье, Сибири, на Украине, в Казахстане;

v увеличилась общая загрязненность речных вод нитратами, фосфатами, биоцидами, нефтеотходами, патогенными микроорганизмами;

v сокращается площадь озер и увеличивается минерализация воды в них;

v углубляется уровень подземных вод и растет их соленость.

Снижение уровня грунтовых вод даже на 8-15 см заметно повышает сухость почв и увеличивает Конти-нентал ьность местности. Сухие почвы сильнее и быстрее нагреваются, быстрее охлаждаются. В почвах наблюдаются усиление минерализации гумуса и потеря поверхностными горизонтами комковато-зернистой структуры. Это способствует повышению коэффициента завядания растений. Низкая доступность воды растениям вообще характерна для почв аридных территорий. Связано это с тем, что почвы эти часто глинистые, содержат легкорастворимые соли и обменный натрий, а это повышает осмотическое давление почвенных растворов.

В. А. Ковда, основываясь на этих признаках, а также на определении вероятности засух по их повторяемости в прошлом, составил схематическую карту аридности суши, засоленности грунтов и почв и вероятности засух. Эта карта была опубликована в качестве официального документа ООН в 1977 году и явилась первым опытом в этой области. Идея, положенная в основу карты, и первая общая картина аридности и засоленности суши, сводка сведений о вероятности засух дают достаточно впечатляющую информацию о значении процессов опустынивания на континентах и необходимости мобилизации науки, техники и экономики на борьбу с этим глобальным явлением, разрушающим биосферу Земли и прежде всего ее почвенный покров и затрудня-ющим земледелие.