1.2. Вещественный состав среды обитания

Условия существования организмов тесно связаны с составом литосферы, гидросферы и атмосферы.

Литосфера - это каменная оболочка Земли или земная кора, в которой выделяют два основных типа: океанический (базальтовый) и континентальный (гранитный). Средняя мощность океанической коры – 6,5–7,0 км, однако под гребнями срединно-океанических хребтов и рифтовыми долинами она сокращается до 2,0–2,5 км. Мощность континентальной коры под древними платформами около 40 км. Под островными дугами она уменьшается до 20–25 км и под молодыми складчатыми поясами возрастает до 80 км.

Земная кора сложена преимущественно легкоплавкими силикатами с преобладанием алюмосиликатов. Элементный состав континентальной и океанической коры приведен в табл. 1. На континентах состав определяют четыре элемента: O – 47; Si – 29,5; Al – 8; Fe – 4,6%. В сумме они дают 92% ее массы. Если к перечисленным элементам добавить Ca, Na, K и Mg, то получим 99% массы. Содержание важнейших для любого организма элементов воды – около 10% и углерода – всего 2,3∙10^-3%.

Таблица 1. Средний химический состав литосферы
Окислы	Содержание, %
	Континентальная кора	Океаническая кора
SiO2	61,9	49,4
Al2O3	15,6	16,0
Fe2O3	2,6	2,3
FeO	3,9	7,6
CaO	5,7	11,4
MgO	3,1	8,0
Na2O	3,1	2,7
K2O	2,9	0,2

Вещественный состав земной коры неоднороден и определяется типом пород. Так, например, Виноградовым выделены биогеохимические провинции, для которых характерна специфическая геохимическая обстановка, характеризующаяся избытком или недостатком отдельных элементов. Это является одним из факторов, влияющих на эволюцию жизни при ее экспансии.

Гидросфера - это прерывистая оболочка, включающая океаны, моря, поверхностные и подземные воды континентов и ледяные покровы (табл. 2). Мировой океан занимает 70,8% поверхности Земли и играет важную роль в формировании климата и теплового баланса Земли.

Таблица 2. Запасы воды в гидросфере
Элементы гидросферы	Объем, тыс. км3	Процент от общего объема
Мировой океан	1,37·106	94
Подземные воды	6,0·104	4,1
Ледники	2,4·104	1,6
Озера	2,8·102	0,02
Почвенная влага	85	0,006
Пары атмосферы	14	0,001
Речные воды	1,2	0,0001

В процессе круговорота природные воды континентов взаимодействуют с большим числом минералов, газов и органических соединений. В силу этого они представляют сложный раствор веществ.

В настоящее время компоненты химического состава природных вод в гидрохимии подразделяют на шесть групп.

Макрокомпоненты («главные»), к которым относятся К⁺, Nа⁺, Мg²⁺, Са²⁺, Сl^-, SO₄^2–, НСО^з– (СО₃^2–). Со^–держание их в пресных поверхностных водах изменяется в широких пределах. Поступление макрокомпонентов в природные воды связано с многообразными процессами взаимодействия порода – вода, газ – вода; значительную роль играют биогенные факторы, а также техногенная деятельность человека.

Мезокомпоненты («второстепенные»), к которым относятся компоненты, характеризующиеся либо высоким кларком, но низкой растворимостью природных соединений, либо небольшим кларком, но сравнительно хорошей растворимостью солей. Мезокомпонентами обычно принято считать железо, алюминий, кремнекислоту и биогенные вещества. Биогенные вещества это, главным образом соединения азота (NH₄⁺, NО₃^-, NО₂^-) и фосфора, которые поступают в раствор за счет микробиологических процессов и деятельности человека. К биогенным относят также соединения кремния, находящегося в воде в виде коллоидных или истинно растворенных форм кремниевой и поликремниевой кислот, и железа, находящегося в природных водах в основном в форме микроколлоидного гидроксида или в виде фульватных комплексов.

Их концентрация в пресных поверхностных водах изменяется в очень широких пределах: от следов до 10 мг/л. Наиболее важными источниками биогенных элементов являются процессы, развивающиеся внутри водоемов, а также поступление с поверхностным стоком, атмосферными осадками, промышленными, хозяйственно-бытовыми и сельскохозяйственными сточными водами.

Микрокомпоненты, в группу которых входят все металлы, кроме главных ионов и железа (Cu²⁺, Мn²⁺, другие ионы переходных металлов), а также анионы (Вr^-, F^-, I^- и др.), встречающиеся в природных водоемах в очень малых концентрациях.

Растворенные органические вещества (РОВ), по существу, это органические производные биогенных элементов, которые, в принципе, могут также быть отнесены к мезокомпонентам. Эта группа веществ включает различные органические соединения: фонолы, гуминовые вещества, ароматические соединения, углеводы, азотсодержащие соединения (белки, аминокислоты, амины) и т.д. Ввиду сложности определения индивидуальных органических веществ, их многообразия и незначительных природных концентраций (< 0,1 мг / л, или < 10^-5 М) для количественной характеристики растворенных органических веществ используют косвенные показатели: общее содержание С_орг, N_орг, P_орг, перманганатную или бихроматную окисляемость воды (ХПК), биохимическое потребление кислорода (БПК).

Как правило, основной вклад в растворенные органические вещества вносят фульвокислоты, особенно в северных районах, где в гумифицированных водоемах содержание фульвокислот может достигать 100 мг/л.

По происхождению растворенные органические вещества можно разделить: на автохтонные - продукты метаболизма и биохимического распада остатков организмов, и аллохтонные - органические вещества, поступающие в водную среду с поверхностными стоками, атмосферными осадками, сточными водами.

Для речных вод, озер и водохранилищ наиболее характерны органические вещества, поступающие с их водосборной площади, а также вещества, образующиеся в результате внутриводоемных процессов. Усредненный состав растворенных органических веществ природных вод соответствует химической формуле С₁₃Н₁₇О₁₂.

Растворенные газы. Концентрация газов в воде (О₂, N₂, Н₂S, СН₄ и др.) определяется их парциальным давлением и константой Генри.

Токсичные загрязняющие вещества - тяжелые металлы, нефтепродукты, хлорорганические соединения, синтетические поверхностно-активные вещества (СПАВ), фенолы и т.д.

Следует отметить, что для большинства химических элементов достаточно хорошо изучены их пороговые концентрации, допускающие использование металлов в качестве биокатализаторов в клетках высших организмов, превышение которых ведет к биоаккумуляции металлов до токсичных уровней. Токсичность тяжелых металлов, к которым относят более 40 химических элементов с атомными массами свыше 50 а.е.м. (Pb, Hg, Cd и др.), накапливающихся в водных объектах обусловлена тем, что их прямая детоксикация («самоочищение») практически невозможна. Самоочищение водоемов от других загрязняющих веществ определяется их ассимиляционным потенциалом, т.е. способностью водных экосистем к самовосстановлению и саморегуляции.

Среди факторов, определяющих формирование химического состава природных вод, выделяются геологические физико-географические, физико-химические, биологические, антропогенные.

Геологические факторы являются определяющими при формировании минерализации и химического состава природных вод.

Физико-географические факторы (рельеф, климат и др.) оказывают влияние на состав природных вод посредством изменений условий водообмена, особенностей испарения, выветривания, взаимодействия вод с горными породами, почвенным покровом, донными отложениями и т.д.

Физико-химические факторы определяют способность химических элементов, присутствующих в природных водах, к миграции, зависящей от физико-химических констант соответствующего иона и условий среды, в которой происходит массоперенос. По А.Е. Ферсману, поведение химических элементов в природных водах определяется сочетанием внутренних и внешних факторов миграции. К внутренним факторам миграции химических элементов относят валентность, свойства связи, химические свойства соединений, энергетические свойства ионов, ионные радиусы, ионные потенциалы, гравитационные и радиоактивные свойства атомов. К внешним факторам миграции относят параметры, характеризующие среду, в которой перемещаются химические элементы. Основными параметрами водной среды миграции являются концентрация водного раствора, величины рН – Еh, температура и давление.

Биологические факторы определяют условия для биологического круговорота атомов, заключающегося в формировании и разрушении живого вещества. Живое вещество формируется в результате биогенной аккумуляции (фотосинтеза), а его разрушение с помощью процесса минерализации. Благодаря этим двум прямо противоположным процессам, биологический круговорот осуществляется повсюду, где имеется водная среда и создаются условия для деятельности микроорганизмов, определяющих «равновесие» в системе живое вещество – вода. Источниками биологических факторов являются отдельные живые организмы или их совокупность.

Техногенные факторы представляют собой любое воздействие на компоненты природной среды, в том числе и водную, с помощью технических средств. Различают непосредственные (изменение кислотности и щелочности водной среды) и косвенные техногенные факторы (изменение качества воды определяет перемены в видовом разнообразии гидробионтов).

Атмосфера. Ее масса около 5,2·10¹⁵ т (Г. В. Войткович, 1986). В атмосфере выделяют:

• тропосферу – достигает высоты 18 км на экваторе и до 8-10 км на полюсах;

• стратосферу – простирается на высоту до 50–55 км;

• мезосферу – распространяется до 80 км;

• ионосферу (термосфера) – высота верхней границы области ионизации около 800 км;

• экзосферу – на высоте порядка 2000 км переходит в межзвездную среду.

Биосфера расположена в первом от поверхности Земли слое – тропосфере. Ее верхняя граница − тропопауза – определяется температурой, исчезновения паров воды. 80% массы воздуха сосредоточено в тропосфере. Его состав определяют: азот ~78, кислород ~21 и аргон около ~1%. Газы, которые постоянно присутствуют в атмосфере в небольших концентрациях, принято называть малыми. К ним относят двуокись углерода (CO₂), окись углерода (CO), гелий (He), неон (Ne), ксенон (Xe), радон (Rn), криптон (Kr), аммиак (NH₃), водород. Содержание CO₂, необходимого растениям, в настоящее время составляет около 0,04%. Следует отметить, что состав воздуха меняется с высотой.

Для жизни на суше важен озоновый слой (озон – молекула кислорода, состоящая из трех атомов). Он расположенный в верхних слоях тропосферы и защищает биоту от губительного ультрафиолетового излучения.

Кроме перечисленных газов, в воздухе содержатся вещества природного и антропогенного происхождения, качественный и количественный состав которых меняется: пары воды, пыль, аэрозоли.