16. Основные причины разрушения биосферы

Человечество разрушало биосферу всегда. Австралийские, африканские, центрально-азиатские и северо- и южно-американские пустыни возникли в результате уничтожения лесов человечеством на протяжении десятков тысяч лет. Эта самая мощная по своим последствиям деградация биосферы происходила, однако, медленно и не была заметна на протяжении жизни одного поколения. Скорость современного разрушения биосферы катастрофична, и человечество непрерывно сталкивается с различными элементами этого разрушения на протяжении жизни одного поколения. Замедление этого разрушения до уровня, на котором оно, по крайней мере, перестанет быть заметным на протяжении жизни одного поколения, возможно при сокращении численности людей в десять раз. Стационарное состояние биосферы с медленным восстановлением нарушенных функций биосферы возможно при стократном сокращении численности людей на Земле.

Подчеркнем, что при современной численности населения Земли остановка деградации биосферы невозможна ни при каких достижениях технологии и прогресса. Остановка деградации биосферы при десятикратном сокращении численности и полное самовосстановление нарушенных функций биосферы при стократном сокращении численности населения возможно только при правильном, научно обоснованном взаимодействии с биосферой. Возможность разрушения биосферы остается и при стократном сокращении населения в случае безграмотного взаимодействия с биосферой, главным образом с окружающими людей лесами. Это следует из возникновения антропогенных пустынь на суше в последние сотни тысяч лет. На этом можно закончить краткий ответ на поставленный вопрос. Дальнейший текст дает сжатое обоснование этого ответа.

Сокращение численности людей на Земле — чрезвычайно сложная проблема, которую трудно не только решить, но до сих пор не удается поставить перед большинством человечества. И эти трудности лежат в основе генетически закрепленных инстинктов человека как биологического вида. Если бы поведение человека, как и всех остальных биологических видов, определялось только его инстинктами, то и ставить и заниматься этими проблемами было бы бессмысленно. Человечество разрушило бы биосферную основу своего существования и вымерло, как и многие другие биологические виды прошлого.

Однако человек отличается от других биологических видов тем, что обладает уникальным умом, который позволяет осознавать свои инстинкты и противодействовать направляемому ими поведению. И только это вселяет надежду на возможность положительного решения проблемы сохранения биосферы и жизни. Ваш вопрос — также одно из свидетельств реальности этой надежды. Уникальный ум человека привел к другому уникальному свойству людей — способности к культурному (а не только генетическому) наследию — передаче следующему поколению знаний, накопленных в предшествующих поколениях. Это свойство поддерживается генетически закрепленной также уникальной в животном мире социальностью человека. Следствием этого является инстинкт стремления к общению с людьми, в котором и должны были передаваться накопленные знания — культура. Все эти свойства обеспечили беспрецедентную конкурентоспособность человеческого общества, оказавшегося способным вытеснять и подавлять остальные биологические виды биосферы. Сейчас стремление к общению выродилось в тусовки, на которых обсуждаются сплетни, изменяющие престиж отдельных людей, но в целом приводящие к понижению конкурентоспособность общества.

Вплоть до настоящего времени человечество использовало свои преимущества для усиления давления на биосферу, приводившие к росту численности людей. Все достижения науки и культуры расценивались с позиции их эффективности в усилении давления людей на биосферу. Робкие высказывания о возможности разрушения биосферы подавлялись убежденностью в возможности замены биосферы на техносферу, удовлетворяющую все потребности человека. Эта убежденность базируется не на разуме, а на инстинкте уничтожения слабых — инстинкте, общем для всех видов биосферы. Слабость — это распад, уродство, которые должны уничтожаться для сохранения высокой упорядоченности жизни. Поэтому единственная позиция, которая могла бы помочь людям осознать необходимость восстановления и сохранения биосферы, — это научная демонстрация их собственной слабости перед возможностями биосферы.

Люди не могут предотвратить обмеление рек и озер, пожары, наводнения, засухи, ураганы и смерчи. Мы знаем теперь, что с этим прекрасно справляются ненарушенные человеком естественные леса, покрывающие большие пространства континентов. Мы знаем теперь также, что климат Земли поддерживается в пригодном для жизни состоянии управляющими действиями биоты — естественными экологическими сообществами суши и океана. Без этого управления климат Земли перешел бы либо в состояние Марса (жуткого холода), либо Венеры (жуткой жары). Управление биоты основано на генетических программах десятка миллионов биологических видов, населяющих биосферу. Поток информации, перерабатываемый клетками живых организмов — естественными компьютерами — на 20 порядков (единица с двадцатью нулями) превосходит потоки информации во всех компьютерах (включая интернет) современной цивилизации. Биотический поток информации никогда не сможет быть заменен техническими средствами.

Предположим, что Вы согласились со всем, что прочли здесь до этого, но что же нужно делать, чему посвятить свою жизнь? Ответ также один: надо думать, а не жить во власти инстинктов. В существующем обществе эффективность действий может оказаться наибольшей в самых необычных направлениях, требующих моральной силы и смелости. И прежде всего надо подключить к решению этих проблем до сих пор малоактивную, мыслительно угнетенную половину человечества — женщин, которые напрямую ответственны за рост численности населения.

Как показали многочисленные уроки прошлого, ни самые страшные войны, революции с разрушениями цивилизации, ни эпидемии не приводят к долгосрочному сокращению роста численности населения, а, наоборот, стимулируют и ускоряют этот рост. Очевидно, что остановить деградацию биосферы и восстановить ее в пригодном для жизни, прежде всего жизни человека, состоянии можно только путем сокращения рождаемости. И это — самая трудная проблема.

Различные страны — современные социальные структуры общества — поддерживают свою высокую организацию за счет конкурентного взаимодействия с другими странами. Всегда в прошлом наибольшей конкурентоспособностью обладали страны с наибольшим населением. Они могли выставить наибольшие армии, обеспечить их наиболее современным оружием, производимым большим количеством людей внутри страны. Те социальные структуры общества, которые, как и все биологические виды биосферы, поддерживали стабильную численность, не могли противостоять обществам с быстро растущей численностью населения. Однако рост плотности численности внутри любой страны нарушает основную, закрепленную в генетической программе, т.е. инстинктивную потребность человека в большой индивидуальной территории, приходящейся на одного человека. Поэтому всегда рост численности населения приводил и приводит к попыткам расширения территории страны, захвату новых территорий.

В далеком прошлом этот захват осуществлялся за счет вытеснения других видов животных, проживавших на этих новых территориях, что естественно также приводило к деградации биосферы. Так из Африки, где возник вид Homo sapiens, человечество распространилось по всему свету. И везде это сопровождалось уничтожением естественных видов растений и животных и опустыниваниям целых континентов (Австралия) или значительных их частей (в Африке, Азии, Америке). Численность многих аборигенных сообществ человека сохранялась на постоянном уровне, что предотвращало дальнейшую деградацию биосферы на территории их проживания. Так существовали папуасы Новой Гвинеи, индейцы Севера Америки и Канады, индейцы амазонских лесов, народы крайнего севера России и Канады, народности Дальнего Востока России, аборигены Новой Зеландии и не подвергшихся опустыниванию территорий Австралии.

Однако быстрый рост населения Западной Европы, средневековой Монголии, Средней Азии привел к военному захвату территорий, принадлежавших народностям, сохранявшим постоянную численность. Вся история войн является иллюстрацией этому: захватнические войны во времена Древней Греции (Александр Македонский и др.), Древнего Рима (Цезарь и др.), средневековой Средней Азии (Тимур и др.), средневековые захваты Африки, Индии, Северной и Южной Америки растущей популяцией Западной Европы. В ХХ-ом веке это вылилось в две самые разрушительные мировые войны. Везде эти войны сопровождались либо полным уничтожением коренных народов, либо отбором у них территорий и превращением их в рабов с навязанным неприемлемым для них укладом жизни. Появление ядерного оружия сдерживания у крупнейших стран мира сделало невозможным продолжение мировых войн, и сейчас война за территории выродилась в террористические акты.

Поэтому до сих пор распространяющаяся по всему миру культура европейцев, обязанная столь широким своим распространением именно высокой численности популяции, содержит элементы панического ужаса перед возможностью стабилизации или сокращения (депопуляции) численности населения. Процесс депопуляции рассматривается как смерть нации и ассоциируется с ужасным словом "геноцид".

Рост численности людей требует экономического роста. А экономический рост, в свою очередь, неизбежно приводит к росту численности. Это так называемая положительная обратная связь. Военная и экономическая экспансия стран с растущей численностью населения приводила к деградации биосферы, поддерживавшейся в стационарном состоянии коренными народами. Полное уничтожение естественных лесов в Западной Европе, включая Украину, не привело к полному опустыниванию Европейского субконтинента только благодаря его уникальному географическому расположению, т.е. многочисленным внутренним морями и изрезанной береговой линией океана. Однако как только европейская "культура" уничтожения лесов была распространена на захваченные европейцами территории, это немедленно привело к образованию на этих территориях не поддающихся восстановлению пустынь.

Современная цивилизация, распространившаяся по всем участкам суши с образованием городов-мегаполисов и сокращением индивидуальной территории человека до размеров квартир и комнат, удовлетворяет инстинкт, основанный на социальности человека и его потребности в общении. Но эта цивилизация резко противоречит потребности человека в обладании большой индивидуальной территорией, величина которой закреплена в генетической программе человека, как и всех других животных биосферы. Это четко проявляется в том, что самым страшным наказанием является многолетнее заключение в тюремных камерах. Чтобы не сойти с ума и как-то компенсировать страшную потерю индивидуальной территории, люди вынуждены все время обходить или объезжать эту территорию, которая уже не является индивидуальной. Это выражается в непрерывных, кажущихся бессмысленными разъездах на индивидуальном или хотя бы общественном транспорте, тяге к туристическим поездкам, путешествиям, инстинктивном выборе места работы на значительном удалении от места проживания в городах, чтобы иметь "законную" возможность путешествовать туда и обратно каждый день. Утрата удовлетворения инстинкта обладания территорией в городах приводит к попыткам ее компенсации усилением удовлетворения инстинкта к социальному общению. Это проявляется в многотысячных собраниях, тусовках, карнавалах, паломничестве по святым местам и пр.

Всех этих явных проявлений недостатка в удовлетворенности естественных инстинктов человека не было и нет в сообществах коренных народностей, сохраняющих постоянную плотность численности и необходимую человеку индивидуальную территорию. Но "западная" культура европейцев распространилась всюду, и на Земле почти не осталось территорий с не растущей численностью населения. Социальность человека, как и других социальных животных, выражается в том, что большая территория является общей для всех членов социальной группы, величина которой также закреплена в генетической программе, и у человека, судя по данным об аборигенных народностях, сохраняющих постоянную численность общества, не превосходит нескольких сотен. Все члены такой группы хорошо знают друг друга, говорят на одном диалекте и совместно отстаивают свою территорию в конкурентном взаимодействии с другими социальными группами. Этот генетически закрепленный инстинкт удовлетворен в сельских районах. Но эти сельские группы не могли и не могут противодействовать конкурентному прессингу крупных городов, способных выставить большие единые армии и обладающие большими экономическими ресурсами.

Все сказанное выше показывает, насколько сложна проблема сокращения численности населения до уровня остановки деградации и необходимого восстановления биосферы. Еще раз подчеркнем, что этот процесс может быть осуществлен только путем сокращения рождаемости с переходом к однодетному рождению и полного отказа от рождения детей у значительной части населения. Молчаливо распространяемое как очевидное для всех мнение, что это невозможно по (1) экономическим, (2) военным и (3) этическим соображениям, оказывается бессодержательным при элементарном умственном анализе.

1) Главная экономическая нагрузка на общество — это нагрузка детьми. Дети не могут противодействовать своему рождению и не отвечают за свое появление на свет. Современное общество не должно рожать детей в непригодные для жизни человека условия. Оно обязано воспитывать и обучать детей, предоставляя им жизнь в условиях удовлетворения естественных инстинктов-потребностей человека и, прежде всего, обеспечивая их индивидуальной территорией. До 15 лет все дети требуют обучения и огромных экономических затрат для того, чтобы стать нормальными взрослыми членами общества. В старости люди сохраняют трудоспособность и возможность самообеспечения в подавляющем большинстве до самой смерти. Надуманное пенсионное обеспечение, не зависимое от сохранения или потери трудоспособности, не соответствует нормальной природе человека, который, сохраняя трудоспособность, стремится работать. Поэтому пенсионный возраст может быть повышен до любого уровня, совместимого с экономическими потребностями общества.

2) Создание ядерного оружия сдерживания предотвращает необходимость содержания армий с большой численностью военнослужащих. Переход на контрактную основу немногочисленных высококвалифицированных военнослужащих может обеспечить оборону любой страны.

3) Наконец, неэтичным является не отказ от рождаемости, а бесконтрольное производство многочисленных детей, которым не могут быть предоставлены ни нормальные условия развития в детстве, ни нормальные условия последующей жизни во взрослом состоянии. Отказ от рождаемости является нормальным процессом регуляции численности у всех естественных видов биосферы.

Таким образом, сокращение рождаемости не может привести ни к экономическим, ни к оборонным, ни к этическим трудностям в современном обществе.

Инстинкты человека эволюционно возникли при его существовании в биосфере. Удовлетворение этих инстинктов-потребностей невозможно при деградации биосферы. Остановка деградации и восстановление биосферы является высшим приоритетом человеческой деятельности, наряду с сохранением истинных достижений цивилизации. И решение этой проблемы с научных позиций вполне реально и посильно для современного человечества. Решение этой проблемы возможно только с использованием всех достижений современной науки и цивилизации, возникшей в Европе и развившейся далее во всем мире, к сожалению, как раз за счет разрушения биосферы.

17. Негативные последствия разрушения биосферы

18. Причины и экологические последствия разрушения озонового экрана

Наиболее вредным последствием выброса парниковых газов в атмосферу является разрушение ими озонового слоя – своеобразного щита от «жёстких» солнечных лучей. Дело в том, что наряду с видимым светом Солнце излучает ультрафиолетовые волны. Ультрафиолетовое излучение похоже на световое, но длина его волн несколько короче, чем у фиолетовых волн, самых коротковолновых из воспринимаемых глазом человека. Хотя ультрафиолетовые лучи невидимы, они обладают большей энергией, чем видимые. Проникая сквозь атмосферу и поглощаясь тканями живых организмов, они разрушают молекулы белков и ДНК. Именно это происходит, когда мы загораем. Если бы всё ультрафиолетовое излучение, попадающее на верхние слои атмосферы, достигало поверхности Земли, то вряд ли на ней сохранилась бы жизнь; все растения и животные просто «зажарились» бы. Даже небольшая, доступная нам часть этого количества (менее 1%) вызывает загар и ежегодно 200 -600 тыс. случаев рака кожи в США.¹ Мы защищены от агрессивного воздействия ультрафиолетового излучения, так как большая его часть (свыше 99%) поглощается слоем озона в стратосфере на высоте около 25 километров от поверхности земли. Этот слой обычно называют озоновым экраном. Необходимость его сохранения не требует доказательств. Однако некоторые антропогенные вещества, в частности парниковые газы, его разрушают. До самого последнего периода истории Земли живые системы планеты эволюционировали почти в полной гармонии с атмосферой, литосферой и гидросферой, не испытывая влияния человеческой деятельности. Но по мере развития сельского хозяйства и промышленности воздействие человека на среду стало заметнее. Повсеместная индустриализация, особенно развернувшаяся за последние два столетия, привела к потенциально опасным уровням загрязнения среды. Можно сказать, что загрязнения – это поступление в окружающую среду каких-либо веществ или энергии в таких больших количествах или в течение столь длительного времени, что эти вещества или энергия начинают наносить ущерб людям и окружающей среде. Легко распространяясь от одних компонентов системы жизнеобеспечения к другим, в той или иной степени влияет на все параметры среды – антропогенные и природные, физические и биотические. Еще в начале шестидесятых годов считали, что загрязнение атмосферы – это локальная проблема больших городов и индустриальных центров, но позже стало ясно, что атмосферные загрязнители способны распространяться по воздуху на большие расстояния, оказывая неблагоприятное воздействие на районы, находящиеся на значительном удалении от места выброса этих веществ.¹  К разрушению озонового слоя приводят многочисленные факторы (рассматриваются самые главные). В первую очередь это, конечно же, фреоны. Фреоны – это собирательное название целой группы химических веществ появившихся на свет ещё в 20 годы прошлого столетия. В основном они использовались в холодильниках в качестве хладагентов. Ещё одна область применения фреонов это использование их в аэрозольных упаковках в качестве распылителя. Так как большая часть производимых в мире фреонов попадает в атмосферу, можно сказать, что выпуск фреонов почти полностью работает на сокращение озонового слоя. Фреоны достаточно быстро поднимаются вверх, в стратосферу. В стратосфере под действием ультрафиолетового излучения они достаточно быстро разлагаются. В результате выделяются активные атомы хлора, которые и участвуют в разложении озона. Ещё один фактор, приводящий к уменьшению озонового слоя - это высотные самолёты и запуски космических кораблей. Высокая температура в камерах сгорания реактивных двигателей, приводит к образованию окислов азота из находящихся там азота и кислорода. Причём скорость образования азота на прямую зависит от температуры, то есть мощности двигателя. Но ещё и очень важно, на какой высоте находится двигатель и выпускает в атмосферу разрушающие озон окислы азота. Чем выше, тем хуже для озона.  Теперь рассмотрим действие минеральных удобрений на разрушение озонового слоя. Озон может уменьшаться за счёт того, что в стратосферу попадает закись азота N 2 O, которая образуется при денитрификации, связанного почвенными бактериями, азота. Такую же денитрификацию связанного азота производят и микроорганизмы в верхних слоях океанов и морей. Эти процессы напрямую связаны с содержанием азота. Таким образом, можно быть уверенным, что с ростом количества минеральных удобрений, вносимых в почву, будет также и расти количество закиси азота. Далее, образующиеся из закиси азота, окислы азота приводят к разрушению озонового слоя. Ядерные взрывы тоже способствуют истощению озонового слоя. При сильном нагреве, а температура ядерного взрыва около 6000°С, происходят такие преобразования химических веществ, которые при нормальных условиях протекают вяло или вообще не протекают. Излучение при взрыве приводит к образованию окиси азота, а происходит это, прежде всего, потому что излучение производит ионизацию атомов и молекул атмосферного газа. Затем образованные ионы вступают в реакции с другими составляющими атмосферы и образуют окислы азота. Закись азота обнаруживается также и в дымовых газах электростанций. Это очень сильный источник влияния на атмосферу. Очень важную роль в разрушении озона играет пар. Эта роль реализуется через молекулы гидроксила OH, которые рождаются из молекул воды и в конце превращаются в них. Поэтому от количества пара в стратосфере зависит скорость разрушения озона.¹ 1.Выхлопы автомобилей.  а) замена топлива в существующем автомобильном транспорте на экологически более чистое.  б) переход на другие источники энергии (например, электромобили, использование солнечной энергии). 2. Загрязнение хлорфторуглеводородами (холодильная техника, аэрозоли).  а) Переход от долгоживущих фреонов на короткоживущие (меньше года). б) снижение, а затем и полное прекращение производства и использования фреонов. 3. Химические удобрения.  4. Сжигание промышленного топлива.  а) Переход на экологически чистую энергетику. 5. Ядерные взрывы.  6. Выброс отработанных газов при полетах высотных самолетов и крупных ракет.  7. Добыча нефти и природного газа.  Осознание опасности приводит к тому, что международной общественностью предпринимаются все новые и новые шаги в защиту озонового слоя. Рассмотрим некоторые из них. 1) Создание различных организаций по охране озонового слоя (ЮНЕП, КОСПАР, МАГА). 2)Проведение конференций.  Проблема сохранения озонового слоя относится к глобальным проблемам человечества. Поэтому она обсуждается на многих форумах самого разного уровня вплоть до советско-американских встреч на высшем уровне (в Вашингтоне, США в декабре 1987г.) Остается лишь верить в то, что глубокое осознание грозящей человечеству опасности подвигнет правительство всех стран на принятие необходимых мер по уменьшению выбросов вредных для озона веществ. 

19. Живое вещество и его роль в биосфере

Согласно В. И. Вернадскому, «живые организмы являются функцией биосферы и теснейшим образом материально и энергетически с ней связаны, являются огромной геологической силой, ее определяющей». Положение об общепланетарной геологической роли живого вещества (совокупности всех организмов) – ключевое звено учения В. И. Вернадского о биосфере.

Живое вещество и продукты его деструкции выполняют многочисленные геохимические функции: концентрирование химических элементов в живых организмах, разрушение горных пород, рассеивание элементов в земной коре, концентрирование элементов органическим веществом сланцев, углей, нефтей.

Значение работ по исследованию природных органических веществ связано и с тем, что в современную эпоху резко выросло содержание токсикантов в почвах и поверхностных водах, откуда они поступают в корни растений и организмы животных. Концентрация загрязнителей, формы их присутствия в водных растворах, доступность для организмов и миграционная способность непосредственно связаны с кислотностью среды и содержанием органического вещества.

Зная особенности взаимодействия минеральных элементов с природным органическим веществом, можно понять механизмы миграции и накопления загрязняющих и рудных элементов в биосфере и повысить достоверность определения концентрации токсикантов в объектах окружающей среды.

В то же время из-за огромной сложности природных систем, глобального характера процессов с участием живого вещества очень трудно получать достоверную количественную информацию. Не удивительно, что исследование химических форм элементов в присутствии живого вещества и продуктов его деструкции потребовало усилий целой плеяды отечественных и зарубежных ученых: А. П. Виноградова, Р. Дж. Гиббса, Д. С. Гэмбла, М. М. Кононовой, П. Н. Линника, Б. И. Набиванца, Д. С. Орлова, М. Шнитцера и многих других. Особо следует отметить вклад Г. М. Варшал, ее учеников и сотрудников, в чьих пионерских работах получена развернутая информация о содержании в природных объектах и свойствах органических соединений, способных реагировать с ионами металлов, о механизмах и продуктах таких реакций.

В настоящее время доступна развернутая информация о составе и строении природных органических веществ, поняты основные черты их взаимодействия с ионами металлов, найдены надежные количественные характеристики этих процессов, разработаны способы прогнозирования миграции биометаллов, рудных и загрязняющих элементов в водах и почвах.

Важнейший класс природных органических веществ, ответственных за связывание ионов металлов, – гумусовые кислоты. Обсудим кратко их свойства и источники поступления в биосферу.

Биомасса живущих на Земле организмов достигает 2.4?1012 т [1]. Ежегодная продукция живого вещества составляет примерно 10 % от его массы, т. е. 2.4?1011 т и, как полагают, остается неизменной в течение последнего миллиарда лет. За это время в биосфере синтезировано жи­вое вещество массой 2.4?1011 т/год?109 лет = 2.4?1020 т. С другой стороны, масса земной коры равняется примерно 2?1019 т, т. е. на порядок меньше общей массы существовавших когда бы то ни было организмов. Эти численные оценки ведут к двум важным выводам. Во-первых, земная кора в ее нынешнем виде сформировалась под активным влиянием живых организмов. Во-вторых, вещество, входившее в состав орга­низмов, после их смерти не покидает, в основном, пределов биосферы, а после соответствующих трансформаций со временем вновь попадает в состав организмов. В экологии известен «закон бережливости», образную формулировку которого дал В. И. Вернадский: «Атомы, вошедшие в какую-нибудь форму живого вещества, захваченные единичным жизненным вихрем, с трудом возвращаются, а может быть и не возвращаются назад, в косную материю биосферы». «Закон бережливости» – выражение того факта, что химические элементы (реже химические соединения) в биосфере участвуют в непрерывных биотических круговоротах вещества.

Важнейший биоэлемент – углерод, круговорот которого (рис. 1) начинается с фиксации углекислого газа растениями в процессе фотосинтеза (на суше около 60 млрд. т углерода в год) [1]. Часть углерода (48 млрд. т) сразу же возвращается в атмосферу в виде углекислого газа в процессе дыхания, еще около 1 млрд. т углерода переходит, благодаря реакциям углекислого газа с горными породами, в литосферу [1]. Какова же судьба оставшихся 10 млрд. т углерода? Растительный опад, продукты метаболизма и останки животных становятся пищей для разнообразных организмов, обитающих в почве. Одна часть отмершей биоты (50–75%) минерализуется, а другая (25–50%) подвергается биохимическим ферментативным процессам разложения и окисления – гумифицируется [2]. В ходе гумификации происходит синтез сложных органических соединений, в почве накапливается гумус, «природное тело, образующееся в природе везде, где только растительные и животные останки подвергаются разложению» [3]. В гумусе доминируют вещества кислотной природы – гумусовые кислоты (рис. 2). В среднем на каждый квадратный километр поверхности суши ежегодно поступает 33–168 т гумусовых кислот [4].

Процесс гумификации происходит и в Мировом океане: при продукции биомассы ~45 млрд. т около 10% от этого количества поступает в виде планктонного гумуса в фазу раствора и во взвесь океанических вод, а в океанические и морские осадки попадает ежегодно до 50 млн. т гумусовых кислот [4].

Со временем гумусовые вещества преобразуются, окисляясь, в конечном итоге, до углекислого газа и воды. Вместе с тем это процесс весьма длительный, вещества гумусовой природы демонстрируют высокую устойчивость к биохимической и термической деструкции. Гумусовые вещества в растворах не претерпевают заметных изменений в течение нескольких лет, а микроорганизмам требуется больше месяца, чтобы уменьшить вдвое их концентрацию [5]. Даже в жестких гидротермальных условиях – при нагревании до 200 о С – за 10 дней разложению подвергается максимум 90% исходного количества гумусовых веществ [6]. Как результат, они способны довольно долго сохраняться и накапливаться в естественных условиях. Так, данные радиоуглеродного анализа, свидетельствуют, что возраст гумусовых кислот в почвах колеблется от 500 до 5000 лет, а во взвесях речных осадков – от 1500 до 6500 лет [7], а их доля в органическом веществе почв и поверхностных вод составляет 60–90%.

Важно отметить, что путь преобразования отмершей биоты – минерализация или гумификация – зависит преимущественно от почвенно-климатических условий. В теплом и влажном климате процессы окисления происходят очень быстро и почти весь растительный опад минерализуется, а гумус в почве не накапливается. В холодном климате трансформация опада замедлена, да и количество его невелико, и содержание гумуса в почве мало. Оптимальные условия для гумификации и сохранения гумусовых веществ в почвах – умеренный климат без переувлажнения. Именно таковы климатические условия Украины, почвы которой наиболее богаты гумусом.

• Гумификация – процесс, который происходит всюду, где есть органические остатки и микроорганизмы;

• ежегодная продукция гумусовых кислот достигает миллиардов тонн;

• гумусовые кислоты в высоких концентрациях присутствуют в природных водах и почвах.

Итак, одна из причин, по которой химики пристально изучают эти вещества, – их вездесущность.

Но не только астрономическая масса гумусовых кислот, образующихся на суше и в Мировом океане, определяет их уникальную роль в геохимических процессах. Природные системы, в частности, природные воды – сложнейшие многокомпонентные системы. В них происходят разнообразные физико-химические процессы (гидролиз, образование комплексных соединений, коллоидо- и осадкообразование, сорбция, фотохимическое и химическое окисление и др.), сосуществуют одновременно несколько химических форм для каждого из элементов. Эти формы отличаются по токсичности, миграционной способности, поведению в условиях очистки вод. Какие из форм – токсичные или нетоксичные, лабильные или неподвижные – будут доминировать в тех или иных условиях, зависит от взаимодействия минеральных компонентов с гумусовыми кислотами.

Роль гумусовых кислот определяется особенностями их химического строения. В результате гумификации в молекулах гумусовых кислот появляются группировки, обладающие свойствами слабых кислот. Эти группы диссоциируют, давая ионы водорода и отрицательно заряженные ионы (анионы). Анионы же, реагируя с положительно заряженными ионами металлов, образуют особый тип веществ – координационные соединения (другое название – комплексы), причем комплексы большинства металлов с гумусовыми кислотами отличаются высокой прочностью.

• В присутствии гумусовых кислот концентрация ионов металлов, существующих в виде комплексов, намного превышает концентрацию свободных ионов, и без учета комплексообразующей роли гумусовых кислот невозможно понять процессы, происходящие в природных системах.

В процессах комплексообразования проявляется противоположная геохимическая роль различных фракций гумусовых кислот.

По сумме признаков – элементному составу, растворимости и диапазону молекулярных масс – выделяют две совокупности гумусовых кислот: растворимые фульвокислоты и гуминовые кислоты, растворимые только в щелочных растворах.

При промывании почв атмосферными осадками фульвокислоты выносятся в реки. В природных водах их содержание на три-пять порядков превышает концентрацию микрокомпонентов и приближается к концентрации неорганических макрокомпонентов (ионов калия, натрия, магния, кальция, хлорид-, сульфат-, карбонат-ионов и др.). В водах большинство металлов находится в форме фульватных комплексов, растворимость которых на один-три выше растворимости соответствующих гидроксидов. Поскольку в земной коре подвижны именно растворимые соединения, приходится заключить:

• миграционная способность элементов в природных водах в результате комплексообразования с фульвокислотами резко увеличивается.

В противоположность фульвокислотам гуминовые кислоты растворимы только в сильно щелочных растворах. В природных системах такие условия не встречаются, и гуминовые кислоты ведут себя как комплексообразующие сорбенты, удерживая и концентрируя элементы в почвах, взвесях вод, донных отложениях, углеродистых породах. Изучение препаратов гуминовых кислот, выделенных из столь разных источников, как торфоразработки Подмосковья и Тверской области, морские осадки шельфа Амазонки, тихоокеанского шельфа Перу, побережья Карского моря и Калифорнийского залива, показало удивительное сходство их свойств.

• Гуминовые кислоты обладают высокой сорбционной емкостью по отношению к ионам загрязняющих и рудных элементов, а также изотопных носителей долгоживущих радионуклидов: 1 г гуминовых кислот сорбирует 30 мг цезия, 18 мг стронция, 18 мг меди, 60–150 мг свинца, 80 мг хрома, 300 мг ртути, 300–600 мг золота, 85–100 мг палладия.

• Гуминовые кислоты – эффективный геохимический барьер, ограничивающий подвижность ионов металлов.

• Миграционная способность элементов в конкретных ландшафтных условиях зависит от состава гумусовых кислот почв и вод и во многом определяется конкуренцией процессов комплексообразования ионов металлов с фульво- и гуминовыми кислотами.

Представление о противоположных функциях разных фракций гумусовых кислот помогает понять особенности миграции элементов.

Например, общеизвестно накопление свинца в зонах движения автотранспорта. Исследование же почв Санкт-Петербурга привело к парадоксальному, на первый взгляд, результату. Оказалось, что наибольшие концентрации свинца характерны не для районов с интенсивным движением транспорта, а для садов и парков в старой части города. Если же учесть, что именно в почвах садов и парков максимально содержание гумусовых веществ, а почвы индустриальных районов ими обеднены, то парадокс легко разрешается. Из почв, обедненных гумусом, ионы свинца легко вымываются атмосферными осадками и переносятся к почвам, богатым гумусовыми веществами. Там свинец, образуя нерастворимые комплексы с гуминовыми кислотами, и задерживается. Вероятно, накопление свинца в садах и парках характерно не только для Санкт-Петербурга, но и для других местностей, где перенос свободных ионов свинца промывными водами встречает такой геохимический барьер, как почвы с высоким содержанием гумуса.

Вывод о противоположном действии гуминовых и фульвокислот нашел подтверждение и при исследовании форм нахождения радионуклидов, образовавшихся во время катастрофы на Чернобыльской АЭС [8]. Высокую радиоактивность наблюдали лишь в пробах при­родных вод высокой цветности, т.е. с большими содержаниями фульвокислот. При фазовом химическом анализе почв района Чернобыля показано, что основная доля радионуклидов связана с труднорастворимыми фракциями, прежде всего с гуминовыми кислотами почвы.

• В условиях Украины и Белоруссии тенденция к удерживанию радионуклидов в почвах значительно сильнее, чем тенденция к их рассеянию поверхностными водами.

Взаимодействие с гумусовыми кислотами как первая стадия процесса аккумуляции золота и элементов платиновой группы углеродистыми породами

Металлы, удерживаемые гумусом, вместе с ним вовлекаются в процессы дальнейшей биохимической трансформации, способные привести к образованию обогащенных металлами углеродсодержащих пород. В последние годы в мире активизировалось исследование процессов образования таких пород. Стимулом для этих исследований, связанных с поиском новых видов сырья для производства благородных металлов, стали существенные перемены на мировом рынке благородных металлов: значительный рост мирового потребления при снижении объемов добычи в России. Россия, занимающая третье место в мире по разведанным запасам золота, вследствие социально-экономического кризиса сократила его производство со 161,8 т в 1991 г. до 100 т в 1997 г (с 1998 г. данные не публикуются). Занимая, вместе с ЮАР, прочное лидирующее место на мировом рынке платиновых металлов (25% мирового производства платины, 65% – палладия, 37% родия), Россия уменьшила и их производство. Вместе с тем в мире наблюдается устойчивый рост спроса на благородные металлы, в среднем на 10% в год. Анализ рынка платины показывает, что из 162 т, произведенных в мире в 1997 г., 28% использовано для производства автокатализаторов, 41% – в ювелирной промышленности, 25% – в химической и нефтехимической промышленности, электронной технике и других отраслях промышленности и медицине, 8% – для вложения капитала. Использование палладия как эффективного катализатора доокисления автомобильных выбросов вызвало рост его потребления в промышленности с 1987 г. по 1997 г. почти в 10 раз, а цена на палладий превысила цену не только на золото, но и на платину.

В настоящее время до 80% благородных металлов добывается из россыпных месторождений, содержащих свободные металлы. Например, цианидная технология извлечения золота основана на переводе металла в раствор окислением кислородом воздуха в присутствии цианида натрия.

Вместе с тем поскольку доля россыпных месторождений составляет лишь 25% прогнозируемых запасов, остро встал вопрос об изменении структуры сырьевой базы золота и платиновых металлов и вовлечении в производство нетрадиционных месторождений, прежде всего углеродсодержащих пород (например, черных сланцев1). Именно с такими породами связаны крупнейшие золоторудные месторождения: Карлин (США), Витватерсранд (ЮАР), Мурунтау (Узбекистан), Бакырчак (Казахстан), Кумтор (Киргизия), Сухой Лог (Иркутская обл.), Наталка (Магаданская обл.). В углеродистых породах обнаружены ураганные концентрации благородных металлов. Так, на отдельных участках месторождений Сухой Лог, Наталка, Мурунтау содержание золота в породах достигает 26 г на тонну, платины – 2 г; углистые сланцы руд медного месторождения Любин-Серашовице (Польша) содержат до 340 г платины и 1000 г палладия на тонну!

Естественно, возникает вопрос о происхождении такого рода месторождений и о том, в каких формах находятся благородные металлы в породах. Для образования месторождения необходимо, чтобы металл был доставлен к месту формирования месторождения, осажден и прочно закреплен там. Известно, что металлическое золото фульвокислотами в раствор не переводится, но, если золото находится в коллоидно-дисперсном состоянии, оно способно сорбировать кислород, переходить в окисленную форму и образовывать прочные фульватные комплексы, легко мигрирующие в поверхностных водах. При переносе металлов в виде органо-минеральных комплексов органическое вещество выполняет, по терминологии В. И. Вернадского, транспортную функцию. Миграция элемента сменяется концентрированием, если происходит осаждение (например, при резком повышении солености воды в эстуариях рек) или разрушение (скажем, в зонах повышенной температуры) органо-минеральных соединений. С осаждением органического вещества процессы его трансформации не прекращаются: фульвокислоты, как первичный продукт биодеструкции органических остатков, сменяются гуминовыми кислотами, которые претерпевают дальнейшие процессы метаморфизма. По мере преобразования гумусового вещества число кислородсодержащих групп уменьшается, а структура углеродистых веществ становится более совершенной. Вместе с тем углеродистое вещество сохраняет способность удерживать катионы металлов в виде комплексов до тех пор, пока в его составе сохраняются кислородсодержащие функциональные группы.

• Основная черта процессов растворения, переноса и концентрирования благородных металлов органическим веществом – комплексообразование ионов металлов с кислородсодержащими группами веществ гумусовой природы и продуктами их метаморфизма.

Следует заметить, что прочное удерживание благородных металлов углеродными породами, в состав которых входят кислородсодержащие группы, имеет весьма негативные последствия для аналитической химии благородных металлов и традиционной технологии их извлечения. В крупномасштабном межлабораторном эксперименте, проведенном в России, различие найденных содержаний благородных металлов в углеродсодержащих породах достигало двух-четырех порядков [9]. При извлечении золота по цианидной технологии из пород месторождения Карлин (США), где более 50% золота связано в комплексы, потери достигали 80% [10]. Это связано с тем, что окисленное золото, химически связанное с углеродистой матрицей, при этой процедуре в раствор не переходит. Разрушение химической связи дополнительной обработкой пород щелочами или озонированием повысило степень извлечения золота до 80–90%.