Геофизика и геохимия ландшафта. Конспекты лекций

впитательной среде и в них самих важнее фактической концентрации отдельных элементов. Это связано с тем, что все элементы, входящие

всостав питательных веществ почвы и пищи, являются либо антагонистами, либо синергистами. Поэтому необходимо учитывать не только физиологическую роль элементов по отдельности, но и оказываемое влияние в результате их совместного действия.

Воснове синергических и антагонистических отношений элементов лежит сходство строения их атомов и ионов. Сходство ведет к конкурен-

ции между элементами и замещению одних элементов другими, аналогичными по строению. Такое замещение либо усиливает (синергизм), либо угнетает (антагонизм) активность замещаемого элемента. Так, Be2+ и Mg2+ сходны между собой по химическим характеристикам, и Be2+ замещает Mg2+ с ингибированием содержащих магний ферментов (антагонизм). По той же причине Ca2+ и Sr2+ взаимозамещаемы: первый замещается вторым в костной ткани, вызывая стронциевый рахит (антагонизм). Напротив, Mg2+ и Mn2+ являются синергистами – активируют одни и те же ферменты (например, участвующие в гидролизе АТФ ферменты). Mn2+, Fe2+, Ca2+, Co2+ также проявляют синергизм в процессах кроветворения, поэтомувключаются в состав препаратов для лечения анемии.

Характер отношений между элементами влияет на их поглощение корневой системой растений. Например, чрезмерное количество азота снижает поглощение фосфора, калия, железа и некоторых других элементов (антагонизм). Избыток фосфора уменьшает поглощение железа, марганца, цинка, меди (антагонизм). Установлено, что достаточный уровень азота способствует оптимальному поглощению из почвы калия, а также фосфора, магния, железа, марганца, цинка (синергизм). Достаточное количество меди и бора в почве обеспечивает оптимальное поглощение азота (синергизм).

Наряду с этими двумя группами элементов (антагонистов и синергистов) часто выделяют как третью группу элементы, блокирующие действие друг друга. Например, совместное присутствие в питательном растворе меди и кальция ведет к поглощению растением лишь одного из этих компонентов.

Явления синергизма и антагонизма приобретает критическое значение для растений, когда содержание нужных элементов в почве приближено к дефициту. Несбалансированное их поступление может привести к несбалансированным реакциям внутри самого растения с губительными последствиями. Эти взаимодействия элементов зависят от

101

типа почвы, физических свойств, рН, окружающей среды, температуры и доли участвующих питательных веществ.

Синергизм и антагонизм в отношениях элементов, поступающих в организм человека, приобретает еще более сложные формы. Например, при избытке марганца в пище уровень меди в плазме повышается (синергизм), а в почках он снижается (антагонизм). Повышение содержания молибдена в продуктах питания приводит к увеличению количества меди в печени (синергизм). Избыток цинка в пище вызывает угнетение активности железосодержащих ферментов (антагонизм).

Особый интерес представляет распределение химических элементов в организме человека. Оказалось, что они концентрируются в разных тканях и органах по-разному, проявляя специфическое сродство к ним. Так, большинство микроэлементов, особенно многие металлы, накапливаются в печени, костной и мышечной ткани. Zn накапливается в поджелудочной железе; I – в щитовидной железе; V, Al, As – в волосах и ногтях; Cd, Hg, Mo – в почках; Sn – в тканях кишечника; Sr – в предстательной железе и костной ткани; Mn – в гипофизе и т. д. Формы нахождения элементов также различны. Например, Al, Cu, Ti в тканях головного мозга находятся в виде комплексов с белками, а Mn – в виде иона.

Место концентрации и место проявления токсичности элемента в организме, как выяснилось, не всегда совпадают. К примеру, ионы свинца, оказавшись в основной массе иммобилизованными в костях, проявляют токсичность за счет той небольшой части, отложившейся в других тканях организма. Иммобилизация (лат. immobile – неподвижный) токсичных элементов представляет собой один из механизмов детоксикации организма

Контрольные вопросы

1.Элементный состав живых организмов. Почему организмы можно считать геохимической аномалией на Земле?

2.В чем заключается функция макро- и микроэлементов? Перечислите «неорганические» макроэлементы.

3.Каковы причины и следствия антагонизма и синергизма химических элементов?

4.Приведите примеры избирательного накопления химических элементов в тканях и органах организма.

5.Назовите и объясните один из возможных способов детоксикации организма.

102

ТЕМА 8. Геохимический фактор

вжизнедеятельности организмов

1.Отражение химизма ландшафта на живых организмах.

2.Понятия о геохимическом фоне, геохимической аномалии, гео- и биогеохимических провинциях.

3.Геохимические эндемии, их лечение и профилактика.

Геохимия ландшафта есть производное географического положения, определяющего климат, геологического строения и рельефа. Ландшафты разнятся, подчиняясь общегеографическим закономерностям по широте, долготе и высоте местности. Дифференциация ландшафтов, наиболее наглядно проявляющаяся на растительном компоненте, глубоко затрагивает их геохимическую основу. Минерализация, классы и типы вод, химизм горных пород и почв природных ландшафтов различны. Эти особенности химизма ландшафта влияют на живые организмы, прежде всего, через почву и природные воды. Вредное влияние на организм оказывают как дефицит, так и избыток элемента в ландшафте, поскольку в обоих случаях нарушается химический гомеостаз организма.

Новые научные направления в экологии и геохимии, как «Геохи-

мическая экология» и «Экологическая геохимия», призваны решать ак-

туальные проблемы взаимоотношения организмов, популяций и биоценозов с геохимической средой, а также геохимические отношения самих живых организмов в пределах экосистем. Геохимические исследования важны тем, что позволяют устанавливать распространение химических элементов и их соединений в горных породах, водах, атмосфере, растительности и т. д. В перечень этих исследований входят определение геохимического фона, выявление геохимических аномалий и сравнение их с фоновыми или с предельно допустимыми концентрациями химических агентов.

Факт влияния химизма среды на растения впервые был облечен в форму закона в 1840 г. немецким агрохимиком Ю. Либихом. Этот закон гласит: рост растений ограничивается тем химическим элементом, концентрация которого лежит в минимуме. Например, концентрация

103

бора в почве всегда незначительна, и при систематическом выращивании одной и той же культуры его запасы могут быть исчерпаны. В результате растения будут угнетены, несмотря на наличие всех остальных необходимых элементов.

Химизм среды отражается не только на растениях. Например, известно, что в бедных кальцием областях из фауны исчезают моллюски с раковиной, для построения которой необходим кальций. Существует немало болезней, в том числе человека, связанных с недостатком или избытком в ландшафте тех или иных элементов.

Таким образом, геохимический фон, на котором протекает жизнедеятельность организмов, имеет для них большое значение. Геохимический фон – региональная или местная характеристика, отражающая среднее содержание химического элемента в горных породах и почвах. Этот фон может быть не однородным. Участок территории, в пределах которого распределение химического элемента достоверно отличается от геохимического фона, называется геохимической аномалией. Аномалии могут наблюдаться также ввоздухе, водных потоках и снежных покровах.

Геохимические аномалии, в пределах которых содержание загрязняющих веществ достигает неблагоприятных для здоровья концентраций, определяются как зоны загрязнения. Уровень загрязнения определяется величиной коэффициента концентрации, отражающей превышение содержания элемента в контролируемой пробе над его фоновым содержанием: Кс = С/СФ, где С – концентрация загрязнителя; Сф – то же фона (мг/кг). Обычно загрязнение бывает с участием нескольких загрязнителей, и тогда эффект суммарного превышения определяется по формуле:

Zc = КCi + … +КСn – (n – 1),

где n – количество учитываемых химических элементов; КCi – коэффициент концентрации i-го компонента загрязнения, превышающий единицу. Для расчета Zc рекомендуется использовать не менее семи химических элементов – Pb, As, Cd, Zn, Hg, Cu, Ni. По цифровому показателю Zc различают четыре категории загрязненности почв: допустимая (менее 16), умеренно опасная (16–32), опасная (32–128), чрезвычайно опасная (более 128).

104

Крупные геохимические области с определенной ассоциацией химических элементов и повышенным или пониженным содержанием ка- ких-либо из них в горных породах по сравнению с кларком названы геохимическими провинциями. Их границы устанавливаются на основе различных признаков (тектонических, петрографических, металлогенических и др.), а также по данным геохимических исследований. Характерной особенностью таких провинций является повышенное содержание определенных типоморфных элементов. В частности, на Кавказе – это Cu и Mo, на Урале – Fe, в Приморье – Sn.

Области, где возникают определенные биологические реакции со стороны местной флоры и фауны в ответ на избыток или недостаток геохимического фактора, называются биогеохимическими провинциями. В их формировании большое значение имеет климат. Для биогеохимических провинций влажного климата характерен дефицит элементов вследствие их интенсивного вымывания из почвы. Напротив, в аридном климате бессточных областей наблюдается их избыток.

Избыточное содержание химических элементов в среде возникает в местах рассеяния рудного вещества месторождений, отложений солей, вулканогенных эманаций (истечений) и т. д. Помимо природных аномалий существуют антропогенные аномалии, сформировавшиеся в районах горнорудных предприятий, где в местных почвах, водах и растительности создается избыток тех или иных элементов или их целого комплекса.

Биогеохимическим провинциям в связи с недостаточным или избыточным поступлением в организм того или иного микроэлемента сопутствует ряд заболеваний человека, домашних животных и культурных растений. Характерное для территории заболевание, вызванное ее геохимическими особенностями, носит название «геохимическая эндемия». Ниже приведены несколько таких болезней из довольно обширного их перечня.

Наиболее широко распространенной геохимической эндемией является эндемический зоб, связанный сдефицитом йода во внешней среде. Он же являет собой пример «исправления» этого геохимического дефекта ландшафта поставкой йодированной поваренной соли в дефицитные по йоду районы, куда относится и Северный Кавказ. Эта бо-

105

лезнь (гипотиреоз) наступает при отсутствии нормального (100–200 мг

всутки) для развития и функционирования щитовидной железы поступления в организм йода. В случаях, когда в воде и пище содержится слишком мало йода, его не хватает для синтеза гормона тироксина. В таком случае сама железа стремится компенсировать дефицит, увеличиваясь в размерах. Такое увеличение, называемое простым зобом, может выражаться в небольшой припухлости на шее или же огромном, обезображивающем человека наросте весом более 1 кг. Болезнь сопровождается значительными нарушениями роста и развития организма вплоть до умственной отсталости.

Флюороз и кариес – так же геохимические эндемии. Флюороз возникает при избыточном поступлении в организм фтора и проявляется

впятнистости зубов и разрушении эмали. Кариес (лат. caries – гниение), напротив, связывается с недостатком фтора в воде, хотя это многофакторная болезнь, в том числе с участием различных бактерий. При кариесе происходит деминерализация неорганической части эмали и разрушение ее органического матрикса.

Фтор имеет ярко выраженный противокариозный эффект, поэтому самым радикальным методом профилактики кариеса считается фторирование воды (до концентрации 1 мг/л). Данный эффект связывается как с непосредственным воздействием фтора (замещение гидроксильной группы гидроксилапатита эмали на фтор), так и подавлением им кислотообразующих (кариесогенных) бактерий. Противники фторирования воды, ссылаясь на некоторые исследования последних лет, предупреждают о возможности провоцирования этой процедурой остеосаркомы – злокачественной опухоли костей.

Уровская болезнь (название от реки Уров – места первого выявления болезни) представляет собой эндемическое заболевание суставов с нарушением процессов окостенения, роста, преждевременным изнашиванием костно-суставного аппарата. Болезнь сопровождается развитием деформирующего артроза с ограничением подвижности суставов. Очаги этой болезни наблюдаются в Восточной Сибири, Северном Китае и Северной Корее. Причиной ее возникновения является дисбаланс химических элементов – избыток стронция и бария и недостаток кальция.

106

Лечение уровской болезни включает целый комплекс мероприятий – лекарственную терапию, бальнеотерапию, лечебную физкультуру, общеукрепляющую терапию, борьбу с мышечными контрактурами, устранение болей, а при необходимости ортопедическую коррекцию деформаций. Профилактика же болезни предполагает использование только тех продуктов питания и воды, которые имеют нормальный минеральный состав.

Геохимические эндемии, возникающие в районах горнорудных предприятий, обусловлены поступлением в окружающую среду избыточных количеств химических элементов. Это могут быть молибден, провоцирующий молибденовую подагру, бор, вызывающий желудоч- но-кишечные болезни, никель – причина никелевой слепоты овец, медь – виновник малокровия домашних животных и т. д.

Если с последствиями дефицита в ландшафте химического элемента (например, йода или фтора) можно справиться добавлением в продукты питания и воду недостающего элемента, то бороться с последствиями их избытка (например, стронция) гораздо сложнее.

Знание биологической роли химических элементов широко применяется в практической деятельности человека. На нем основано использование в сельском хозяйстве азотных и фосфорных удобрений, без которых невозможно получение устойчивых урожаев. Стало известно, что внесение в почву незначительных количеств B, Mn, Zn, Co, Mo резко увеличивает урожайность многих культур, а добавление микроэлементов в корм животным повышает их продуктивность. Различные элементы и их соединения используются в медицине в качестве препаратов, используемых как в лечебных, так и профилактических целях.

Контрольные вопросы

1.В чем проявляется геохимическая неоднородность ландшафта?

2.Расшифруйте понятия «геохимический фон», «геохимическая аномалия», «геохимическая провинция».

3.Приведите наиболее известные примеры геохимических эндемий, методы их лечения и профилактики.

4.Что дает человеку знание биологической роли химических элементов и основ геохимии ландшафта?

107

РАЗДЕЛ 5. ГЕОХИМИЧЕСКИЙ ФАКТОР В ЛАНДШАФТНОЙ ДИФФЕРЕНЦИАЦИИ

ТЕМА 9. Катенный градиент – основа разнообразия элементарных геохимических ландшафтов

1.Понятие о катенах и катенарном парагенезисе ландшафтов.

2.Роль мезо- и микрорельефа в формировании катенного градиента.

3.Гравитационное движение воды и миграционные процессы на катенном градиенте.

4.Участие почвы в перераспределении химических элементов на катенном градиенте.

5.Элементарные ландшафты-звенья на катенном градиенте.

6.Концепция парагенетического катеногенеза в теории и практике природопользования.

Причиной ландшафтного разнообразия Земли является не только неравномерный приход на ее поверхность солнечной энергии и атмосферных осадков, но и характер их распределения, опосредованный неровностями самой этой поверхности, т. е., элементами ее мезо- и микрорельефа. Согласно закону гравитации, на неровностях сверху вниз происходит ток воды, захватывающий с собой механические частицы с эродируемой поверхности и растворенные по ходу химические вещества. Происходит механическая и физико-химическая латеральная (боковая, склоновая) миграция веществ, осуществляемая водным потоком: то, что сносится сверху, трансформируясь по пути, отлагается внизу. Идет канализованная разгрузка, транзит и загрузка вещества.

Действующее начало в этом процессе – водный поток, но и сама почва, которая промывается этим потоком, выступает не инертной массой, а его активным участником. Содержащиеся в почве тонкодисперсные компоненты (предколлоидные и коллоидные частицы), обладая чаще отрицательным зарядом, сорбируют (поглощают) своей поверхностью катионы, находящиеся в растворе. Поэтому при фильтрации водного потока через почву из него поглощается часть растворенных катионов. Это явление получило название поглотительной способности почвы. При этом сами частицы нерастворимы в воде, что позволяет транспортировать удерживаемые ионы, которые в то же время могут

108

быть обменены на другие из водного раствора. В реакции обмена участвуют только сорбированные катионы, не образующие химических соединений.

В поглощенном почвенными коллоидами состоянии в большом количестве обычно встречаются ионы кальция, магния, натрия и водорода. Лучше всего растения чувствуют себя на почвах, в которых больше половины мест для обменных ионов занято кальцием, поскольку кальций обеспечивает хорошую структурированность почвы, доступ воздуха и влаги, а сам он необходим растениям.

Поглотительная, или обменно-поглотительная, способность, открытая отечественным почвоведом-химиком К.К. Гедройцем, – одна из самых важных геохимических особенностей почвы, благодаря которой почва приобретает свойства саморегулирующейся системы. Так, в почве растворимые соединения не могут долго сохраняться, поскольку они будут вынесены атмосферными водами. Этому противостоит механизм обменно-поглотительной способности. Катионы, находящиеся в сорбированном состоянии на поверхности почвенных частиц, настолько прочно связаны, что не могут вымываться просачивающимися водами. В то же время эти катионы всегда могут перейти в раствор, будучи вытесненными ионами водорода, а из раствора – в растение. Это важно, поскольку основная форма химических элементов, доступная для растений, – это ионы в водном растворе. Путь катиона из кристаллической структуры минерала в растение таков: минерал → раствор → поглощенное состояние → раствор → растение.

Таким образом, именно элементы, находящиеся в ионносорбированном состоянии играют важную роль в геохимии почв. Об- менно-поглотительная способность почвы обеспечивает непрерывное поступление азота, фосфора, калия и других элементов в биологический круговорот.

Как результат взаимодействия водной миграции химических элементов с их избирательным поглощением почвенными частицами складывается череда разновидностей почв с разным геохимическим обликом, приуроченная к сменяющимся сверху вниз элементам рельефа. В свою очередь, это ведет к формированию каскада различных экосистем от местного водораздела к местной депрессии. Такая цепочка экосистем с разным высотным положением в рельефе относительно друг друга и сопряженная гравитационным движением воды, получила

109

название «катена» (от лат. catena – цепь), а сам процесс ее формирования – «парагенезис» (совместное образование) с эпитетами «катенарный» или «катенный». Отсюда катену можно представить местом в пространстве, где в реальном времени происходит непрерывное утверждение единства физико-географического и геохимического процессов, обеспечивающих согласованность функционирования сопряженной цепи элементарных ландшафтов.

Экосистемы-звенья этой цепочки являются маркерами и наглядными отражателями происходящих по высотному градиенту процессов выноса, транзита и аккумуляции веществ. Границы между ними (латеральные геохимические барьеры), по классификации М.А. Глазовской, относятся к макробарьерам как границы элементарных ландшафтов в геохимических сопряжениях. Это еще одно из проявлений функционирования геохимических барьеров в качестве важных природных механизмов увеличения степени дифференциации ландшафтов путем избирательной концентрации химических элементов.

Термин «катена» впервые ввел в науку англичанин Джеффри Милн в 1936 г., который рассматривал катену как сопряженный по рельефу ряд почв, различия между которыми связаны с различиями высотного уровня и уклона, определяющего дренаж. Таким образом, очевидный факт ландшафтного разнообразия, обусловленного мезо- и микрорельефом, получил соответствующее название и научное обоснование.

В отечественной геохимии ландшафтов смысловым аналогом ка-

тены являются словосочетания «парагенетическая ассоциация сопряженных элементарных ландшафтов» (по А.И. Перельману), «почвен-

но-геохимическое сопряжение» (по М.А. Глазовской). Во всех этих дефинициях просматривается геохимическая подоплека и геохимическая зависимость одного звена катены от другого. Закономерные звенья катен – это элементарные ландшафты геохимиков, фации ландшафтоведов, биогеоценозы экологов, почвенные ряды почвоведов.

Катенный градиент, как указано ранее, изначально определяется гравитационным движением воды и растворенных в ней веществ по геоморфологическому профилю от самого высокого места данной территории к самому низкому, включая водоемы. Классический пример катенарного парагенезиса являет степь, где катену образует ряд экосистем от вершины холма по его склону к депрессии между холмами. Эта

110