WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!


Pages:     || 2 | 3 | 4 | 5 |   ...   | 7 |
УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКОЕ ПОСОБИЕ ДЛЯ ЛЕКЦИОННОГО КУРСА БИОГЕОХИМИЯ Казань 2008 КАЗАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ Химический институт им. А.М. Бутлерова Кафедра неорганической химии УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКОЕ ПОСОБИЕ ДЛЯ ЛЕКЦИОННОГО КУРСА БИОГЕОХИМИЯ Казань 2008 2 Печатается по решению кафедры неорганической химии Протокол № 7 от 1 февраля 2008 г.

и секции научно – методического совета Казанского государственного университета Составители:

доктор химических наук, профессор Н.А.Улахович, кандидат химических наук, доцент М.П.Кутырева, доктор химических наук, профессор С.С.Бабкина Научный редактор доктор химических наук, профессор Э.П.Медянцева Учебно-методическое пособие для лекционного курса «Биогеохимия» / Н.А.Улахович, М.П.Кутырева, С.С.Бабкина. – Казань: Казанский государственный университет, 2008. - 47 с.

Учебно-методическое пособие предназначено студентам третьего курса Химического института им. А.М.Бутлерова для углубленного изучения отдельных разделов элективного курса «Биогеохимия». Рассмотрены базовые концепции биогеохимии, этапы ее развития как науки, особенности распределения химических элементов в земной коре, их миграции, дается представление о геохимических классификациях химических элементов.

Изложенный материал дополняет также некоторые разделы курса «Неорганической химии», поскольку содержит сведения о формах нахождения многих химических элементов в земной коре, которые на первоначальном этапе обучения не рассматривались. Методическое пособие полезно также студентам смежных факультетов, изучающих геохимию, почвоведение, биологию.

© Казанский государственный университет, 2008 3 Оглавление 1. Введение…………………………………………………………………….5 2. Базовые концепции биогеохимии…………………………………………5 2.1.Концепция живого вещества……………………………………………..5 2.2.Концепция биосферы……………………………………………………..6 2.3. Биокосные системы……………………………………………………....7 2.4. Биогеохимические циклы………………………………………………..3. Этапы развития биогеохимии……………………………………………..4. Эволюционная биогеохимия……………………………………………..5. Распределение химических элементов в земной коре……………….....5.1. Состав литосферы. Кларки и кларки концентрации………………….5.2. Почва и развитие биосферы…………………………………………...6. Формы нахождения химических элементов в земной коре……………6.1. Минералы………………………………………………………………..6.2. Рассеянные элементы…………………………………………………...6.2.1. Изоморфизм…………………………………………………………...6.2.2. Акцессорные минералы………………………………………………7. Состав живого вещества………………………………………………….7.1. Состав биомассы суши…………………………………………………7.2. Состав биомассы океана……………………………………………….7.3. Роль рассеянных химических элементов в функционировании биомассы………………………………………………8. Миграция веществ………………………………………………………...8.1. Механическая миграция………………………………………………..8.2. Физико-химическая миграция…………………………………………8.2.1. Внутренние факторы миграции……………………………………...8.2.2. Внешние факторы миграции…………………………………………8.3. Биогенная миграция…………………………………………………….8.4. Техногенная миграция………………………………………………….9. Геохимические классификации элементов……………………………...9.1. Геохимическая классификация В.М.Гольдшмидта…………………..9.2. Геохимическая миграционная классификация……………………….9.2.1. Воздушные мигранты………………………………………………...9.2.2. Водные подвижные мигранты……………………………………….9.2.3. Малоподвижные водные мигранты………………………………….10. Биологический круговорот химических элементов…………………..10.1. Интенсивность биологического поглощения……………………….10.2. Факторы, влияющие на концентрацию микроэлементов в растениях…………………………………………………………………...Список рекомендуемой литературы………………………………………..Краткий словарь терминов………………………………………………….ВВЕДЕНИЕ Биогеохимия – это часть геохимии, изучающая геохимические процессы, происходящие в биосфере при участии живого вещества. Как наука биогеохимия возникла в 20-х годах ХХ века на стыке химии, биологии и геологии. Особое внимание при этом уделялось роли живого вещества в миграции химических элементов. Методологической основой биогеохимии являются разработанные в 1924 г. В.И.Вернадским принципы взаимодействия между живым и косным (неживым) веществом. Биогеохимия изучает как биологическое воздействие на химический состав окружающей среды, так и геохимическое регулирование структуры и функций экологических систем.

Термин биогеохимия был впервые использован В.И.Вернадским более 80 лет назад. Однако гносеологические корни этой дисциплины можно проследить в естественных науках еще до подразделения их на биологию, химию и геологию. В настоящее время происходит противоположный процесс.

Биогеохимия в определенной степени объединяет многие направления этих дисциплин. Биогеохимия изучает пути миграции химических элементов, географические закономерности распределения элементов, используемых живыми организмами, влияние жизни на историю химических элементов, их накопление, роль в геохимических процессах зоны гипергенеза и почвообразования. Биогеохимия рассматривает биосферу как единую систему живого вещества и минеральных соединений, изучает химический обмен в системе человек – организмы – окружающая среда, а также химический состав живых организмов и роль химических элементов в развитии организмов Кроме того. в задачи биогеохимии входит анализ биогеохимических циклов миграции, которые будут рассмотрены нами в отдельном учебном пособии.

2. БАЗОВЫЕ КОНЦЕПЦИИ БИОГЕОХИМИИ 2.1. Концепция живого вещества Характерной чертой всех живых организмов, независимо от их размера, морфологических и физиологических признаков, является трансформация окружающей среды в процессе их жизнедеятельности. Масса этих организмов представляет очень незначительную часть от массы всех остальных составляющих земной коры, однако, трансформирующий эффект биоты проявляется в глобальном масштабе и затрагивает все биогеохимические циклы. Живые организмы поглощают селективно химические элементы в соответствии со своими физиологическими потребностями. Среди этих элементов можно выделить углерод, водород, кислород, азот, фосфор, калий, серу, кремний, кальций, магний и железо, которые необходимы организмам в наибольшей степени для построения структурных органов, роста и размножения. Эти элементы также составляют основу химического состава океана, атмосферы и горных пород. Их поглощение живыми организмами приводит к биогенной трансформации земных оболочек и дифференциации элементов в окружающей среде. Более того, выделяемые в атмосферу газообразные метаболиты постепенно изменяют газовый состав атмосферы и появление в ней кислорода является самым характерным примером. Жидкие метаболиты и продукты распада вовлекаются в кислотно-щелочные и окислительно-восстановительные процессы в природных водах, которые просачиваются через почвы и подстилающие геологические породы и трансформируют их минералогический и химический состав. Далее происходит изменение химического состава воды в морях и океанах. В конечном итоге это сказывается на формировании осадочных пород.



Биогеохимические циклы и живое вещество играли особенно заметную роль в формировании биогенных горючих ископаемых.

2.2. Концепция биосферы Термин биосфера был впервые предложен в конце Х1Х века австрийским ученым Э.Зюссом (1831-1914), который определил биосферу как внешнюю оболочку Земли, населенную живыми организмами. В начале ХХ столетия В.И.Вернадский внес уточнение, согласно которому биосфера представляет собой внешнюю оболочку Земли, сформировавшуюся под воздействием жизни и биогеохимической активности. Существенное отличие этого определения заключается в том, что В.И.Вернадский понимал биосферу не только как место сосредоточения живых организмов, но и как глобальную систему взаимодействия живого и неживого вещества. Живое вещество включает в себя все разнообразие живой материи и различных форм жизни, а косное – материю твердой, жидкой и газовой фаз. Примеры образующихся биокосных тел – почва, морская, речная и озерная вода, нефть, битумы.

Следовательно, биосфера – это единение живой материи и внешней части земного шара. Живое вещество невозможно без биосферы также, как понятие биосферы бессмысленно без понятия живой материи. Биосфера включает в себя слои тропосферы, гидросферы и литосферы суммарной мощностью около 40 км.

2.3. Биокосные системы Эти системы, образованные живыми организмами и средой их обитания, включают в себя обмен химическими элементами между живыми организмами и окружающей их средой. Термин «биокосные системы» был преложен В.И.Вернадским в 1944 г. Обмен химическими элементами в биокосных системах.ответственен за биогеохимическую организованность биосферы. В.И.Вернадский обозначил процессы, являющиеся по сути геохимическими (например, природная геохимическая миграция элементов), но находящиеся под воздействием двух мощных факторов (геологическим и биологическим воздействием), как биогеохимические процессы. Таким образом, предмет биогеохимии связан с изучением биогеохимических процессов.

2.4. Биогеохимические циклы Биогеохимические циклы представляют собой уникальное свойство биосферы. Это связано с тем, что процессы биологического обмена являются цикличными по своему характеру. Динамический обмен массами химических элементов поддерживает химический состав как живых организмов, так и основных слагаемых биосферы: геологических пород, почв и воздуха.

Универсальность биогеохимических циклов основана на универсальности природы в целом. Круговороты химических элементов в организмах и их сообществах отражают круговорот Земли вокруг своей оси и Солнца, природную эволюцию солнечной энергии, местоположение солнечной системы в нашей Галактике и место Галактики во Вселенной. Таким образом, пространственные и временные циклы массообмена структурируют биосферу. Среди основных биогеохимических принципов В.И.Вернадского находится и положение об обратимости и необратимости биогеохимических циклов. Он считал, что история большинства химических элементов, составляющих 99.7% массы биосферы, определяется в рамках концепции биогеохимических циклов. Эти циклы не являются полностью обратимыми.

Неполная обратимость биогеохимических циклов различных элементов и их незамкнутость отражает геохимическую неоднородность Земли и пределы адаптации живых организмов к варьированию содержания элементов.

Концепция биогеохимической пищевой (трофической) цепи определяет взаимоотношения между организмами, через которые в экосистеме происходит трансформация вещества и энергии. В состав пищевых цепей входят группы особей, связанных друг с другом отношениями «пищапотребитель», следовательно, пищевые цепи представляют собой сумму звеньев, в которой каждое предыдущее звено служит пищей для каждого последующего звена. Пищевая цепь обычно включает в себя от 2 до звеньев. Например, фото- и хемосинтезирующие организмы (продуценты), создающие первичную продукцию в виде органического вещества – растительноядные животные (фитофаги) как первичные потребители (консументы) – плотоядные животные как вторичные потребители (хищники) –организмы, разрушающие отмирающее органическое вещество (микроорганизмы).

3. ЭТАПЫ РАЗВИТИЯ БИОГЕОХИМИИ Истоки биогеохимии следует искать в работах известных химиков, биологов и геологов ХУШ – ХIХ веков. Знаменитый французский химик А.Лавуазье (1743-1794) изучал реакции обмена оксидов углерода и кислорода в растениях и доказал, что важнейший элемент органического вещества углерод поглощается растениями из воздуха и выделяется в атмосферу в процессах разложения органических соединений. Он заложил основы современной геохимии углерода в биосфере, показав универсальность обмена веществ растений и животных со средой обитания. Также во Франции химик-органик Ж.Дюма (1800-1884) и один из основателей агрохимии Ж.Буссинго (1802-1887) разработали концепцию круговорота газов в системе живые организмы – атмосфера. В дальнейшем эти идеи развивались знаменитым немецким химиком Ю.Либихом (1802-1887), который показал, что поглощение химических элементов происходит не только из воздуха, но и из почвы, причем селективно. С точки зрения современной биогеохимии его работы были одними из первых, рассматривающих круговорот элементов в системе почва – растения – почва. Ю.Либих также открыл закон минимума питательных элементов, согласно которому продуктивность растений определяется питательным элементом, находящимся в относительном минимуме в почвенном растворе.





На стыке Х1Х и ХХ веков начала стираться граница между традиционными естественными науками такими, как геология, химия и биология. Многие исследования стали выполняться в пограничных областях, что привело к появлению междисциплинарных наук. Появление в России генетического почвоведения в 1880-ых годах является характерным примером подобных исследований. Основателем этого направления был русский ученый В.В.Докучаев (1846-1903). В его понимании генезис (зарождение и развитие) почвы представляет собой комбинацию многих почвообразующих факторов: геологические породы, биологическая активность растений и животных, климатические условия, рельеф, грунтовые воды, физическое и химическое выветривание. В результате почва представляет единение двух различных компонентов: живого (биотического) и неживого (абиотического), будучи биокосным телом. Это отличает почву от других сходных природных тел, например, геологических пород. К числу биокосных тел принадлежит также кора выветривания и илы.

Другое научное направление, интенсивное развитие которого началось в Х1Х веке, связано с геохимическими исследованиями, осуществляемыми на стыке химии и геологии. Основной целью геохимии в то время было установление химического состава различных природных объектов в виде составляющих элементов и их соотношения. Это позволяло ученым проводить сравнительный анализ различных природных тел и сопоставлять разнообразные их трансформации. Геохимия развивалась в разных странах различными путями. В США во второй половине Х1Х века были установлены статистические закономерности распределения химических элементов в геологических породах. В 1880-е годы руководитель химической лаборатории американского геологического комитета Ф.Кларк (1847-1931) определил содержания 10 основных химических элементов в преобладающих геологических породах, природных водах и других средах с использованием имеющихся в то время аналитических методов. В настоящее время термин «кларк» (г/т, %), предложенный советским геохимиком А.Е.Ферсманом (1883-1945), широко используется для характеристики среднего содержания различных химических элементов в земной коре, гидросфере, атмосфере, почве, различных типах горных пород, космических объектах. В Европе геохимия развивалась как раздел минералогии (наука, изучающая условия природного формирования и распространения различных минералов). Такие исследования по глобальному распределению и миграции химических элементов выполнялись В.М.Гольдшмидтом (1888-1947) в университете г.Осло (Норвегия). Им были вычислены размеры ионных радиусов, установлены соотношения между положением элементов в периодической таблице и размерами их атомов и ионов, разработана геохимическая классификация химических элементов, открыт первый закон кристаллохимии и правила изоморфизма. Влияние его идей было так велико, что в 30-е и 40-е годы ХХ века геохимия развивалась по кристаллохимическому направлению.

В России В.И.Вернадский (1863-1945) примерно в это же время проводил минералогические исследования в Московском университете. Он изучал происхождение минералов, миграцию химических элементов, роль изоморфизма в распределении элементов в земной коре, установил на основании обобщения огромного фактического материала изоморфные ряды элементов для различных термодинамических оболочек земного шара, которые в геологической литературе известны под названием «эмпирических изоморфных рядов Вернадского». Таким образом, В.И.Вернадский внес генетический подход в минералогию, тесно связывая форму кристаллизации, твердость, цвет и другие физические свойства минералов с их химическим составом и условиями образования. Отсюда возник естественный интерес ученого к химии отдельных элементов не только в земной коре, но и в других оболочках Земли. В.И.Вернадский впервые полностью включил в таблицу кларков химический состав гидросферы, атмосферы и биосферы, внес существенные поправки в величины кларков некоторых органогенных элементов в связи с изучением живого вещества. Эти исследования во многом определили возникновение биогеохимии. Базовым ядром научной концепции В.И.Вернадского, положенным в основу генетической минералогии, геохимии и биогеохимии, была научная идея о тесном переплетении всех природных факторов и о преобладающей роли живого вещества в формировании биосферы в целом. В.И.Вернадский опубликовал ряд работ, имевших огромное значение в становлении биогеохимии как наука В 1926 г.

Pages:     || 2 | 3 | 4 | 5 |   ...   | 7 |










© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.