Полная версия

Главная arrow Экология arrow Биогеохимия радионуклидов

  • Увеличить шрифт
  • Уменьшить шрифт


<<   СОДЕРЖАНИЕ   >>

ИСТОРИЯ РАЗВИТИЯ НАПРАВЛЕНИЯ «БИОГЕОХИМИЯ РАДИОНУКЛИДОВ»

ИЗ ИСТОРИИ РАЗВИТИЯ БИОГЕОХИМИИ

Развивая экологическую направленность идей натуралистов Европы в 18 столетии, В.И. Вернадский в 30-х гг. прошлого столетия разработал научную биогеохимиче-скую концепцию биосферы, как геологической оболочки Земли, структура и энергетика которой созданы деятельностью живого вещества в течение геологической истории планеты.

В.В. Ермаков, 2013

Биогеохимия — междисциплинарная наука, возникшая в XX в. в пограничной области между биологией, геологией и химией. Эта наука изучает роль живых организмов в массопереносе, распределении и перераспределении химических элементов в земной коре.

Теоретической основой биогеохимии является предложенная В.И. Вернадским в начале XX в. концепция живого вещества и биосферы. Биогеохимия зародилась и развивалась под влиянием основополагающих трудов В.И. Вернадского, который ввел в науку представление о живом веществе и показал его роль в геохимических процессах нашей планеты. Однако в возникновение и развитие биогеохимии как самостоятельной науки внесли вклад многие выдающиеся ученые, обратившие внимание на элементный состав природных объектов, миграцию и круговорот химических элементов в биосфере и земной коре и т.п.

Становление биогеохимии происходило постепенно на фоне общего развития естествознания, главным образом химии. Основные идеи биогеохимии направлены на оценку планетарной деятельности живого вещества.

В эпоху средневековья в Западной Европе познание химического состава природных объектов было связано с трудами алхимиков и их последователей. Так, выдающийся швейцарский натурфилософ, естествоиспытатель и врач Парацельс — Филипп Ауреол Теофраст Бомбастфон Гогенхайм (1493—1541), который утвердил химию в медицине, высказывал близкие к геохимии идеи о круговороте веществ в природе. Его современник — немецкий ученый, учитель, врач, и писатель, считающийся одним из отцов минералогии Агрикола —

Георг Бауэр (1494—1555) изучал рудные месторождения Центральной Европы, разработал основы химического анализа и переработки медных, серебряных и свинцовых руд и в своих работах дал первую сводку знаний того времени по металлургии, минералогии и горному делу.

Важное значение в эволюции естествознания имело введение в науку понятия о химическом элементе как последней инстанции делимости вещества, составной части всех природных тел. Этим человечество обязано английскому врачу и химику Р. Бойлю (1627— 1691). Он интересовался также химией океана и атмосферы, выполнил первые анализы морской воды и указал на сложный состав атмосферного воздуха.

Мощным импульсом к изучению биогеохимических циклов газов послужило открытие в конце XVIII в. кислорода, азота, диоксида углерода и установление химического состава воздуха (К. Шееле, А.Л. Лавуазье, Дж. Пристли). В это же время в научных кругах широко обсуждалось значение газов в жизни растений.

Гениальную догадку о воздушном питании растений впервые высказал основоположник отечественной химии М.В. Ломоносов[1]. В работе «Слово о явлениях воздушных» (1753 г.) он писал: «Преизо-бильное ращение тучных древ, которые на бесплодном песку корень свой утвердили, ясно изъявляет, что жирными листами жирный тук из воздуха впитывают». Подтверждение пришло довольно скоро. Опираясь на открытие кислорода, Дж. Пристли (1775 г.), Я. Игенгуз (1779 г.) и Ж. Сенебье (1782 г.) показали, что зеленый лист, поглощая углекислоту, на свету выделяют кислород, оставляя себе углерод.

Выдающийся французский ученый, один из основателей химии А.Л. Лавуазье в трактате «Кругооборот элементов на поверхности земного шара» (1792 г.) писал: «Растения получают из окружающего их воздуха, из воды и из всей неживой природы в целом вещества, необходимые для организма. Животные питаются либо растениями, либо другими животными, так что, в конечном счете, вещества, из которых строится их организм, берутся из воздуха или из минерального царства» и тем самым обосновал идею циклического биогенного обмена химических элементов между тремя царствами природы: минеральным, растительным и животным.

Таким образом, к первой половине XIX в. стало очевидно, что живые организмы в основном состоят из химических элементов, представляющих атмосферу Земли, и что с ее газами непосредственно связана химия жизни.

В 1841 г. французские ученые-химики Ж. Б. Дюма и Ж. Б. Буссенго окончательно сформулировали идею циклического круговорота газов: «...мы видим, что первичная атмосфера Земли подразделилась на три большие части: одна из них образует современный атмосферный воздух, вторая представлена растениями, третья — животными. Таким образом, все, что воздух дает растениям, растения уступают животным, животные же возвращают воздуху; вечный круг, в котором жизнь трепещет и выявляется, но где материя только меняет свое место».

Следующая ступень становления биогеохимии связана с изучением биогеохимических циклов в наземных экосистемах.

Выдающийся немецкий химик Ю. Либих показал, что химические элементы поступают в растения двумя путями: как из воздуха (углерод), так и в виде водных растворов из почвы. Он последовательно исследовал состав почв и содержание химических элементов в растениях, животных и продуктах их жизнедеятельности. Либих, таким образом, впервые применил метод сопряженного анализа, широко используемый в современной геохимии ландшафтов. Он доказал, что растения избирательно поглощают из почвы химические элементы, разработал теорию минерального питания растений и тем самым положил начало изучению циклической миграции элементов в системе «почва —» растения —> почва», получившей позже название биологического круговорота.

После работ Либиха биологический круговорот химических элементов приобрел осязаемую реальность. В его знаменитой книге «Химия в приложении к земледелию и физиологии растений» было показано, как человек может им управлять, искусственно вводя в миграционные циклы дополнительные массы элементов, впервые была предпринята попытка рассмотреть судьбу народов и стран в связи с нарушением естественного массообмена отдельных химических элементов.

На стыке XIX и XX вв. стала размываться граница между традиционными естественными науками, такими как геология, химия и биология, и многие исследования стали выполняться в пограничных областях, что привело к появлению новых междисциплинарных наук: почвоведение, физиология, агрохимия и др.

Дифференцироваться стали науки о Земле. В конце XIX в. в России возникло генетическое почвоведение. Его основатель — профессор Петербургского университета В. В. Докучаев — рассматривал генезис почвы как результат взаимодействия многих почвообразующих факторов: подстилающей горной породы, климатических условий, растений и животных, форм рельефа, грунтовых вод. Учение В. В. Докучаева углубило и конкретизировало представления о деятельности живых организмов на примере широко распространенного природного образования — почвенного покрова суши. Впервые было показано неразрывное единство живых организмов с другими компонентами природной системы и невозможность существования этой системы без явлений жизни.

Вместе с почвоведением развивалась геохимия. Два замечательных открытия во второй половине XIX в. заложили фундамент для возникновения геохимии. Это открытие в 1859 г. Р. Бунзеном и Г. Кирхгофом спектрального анализа и через 10 лет, в 1869 г., — периодического закона химических элементов Д.И. Менделеевым.

Согласно принципам геохимии любое природное тело можно охарактеризовать соотношением образующих его атомов химических элементов. Важная задача этой науки заключалась в обобщении многочисленных, но разрозненных и трудно сопоставимых фактов и гипотез на новой методологической основе. Геохимический подход позволяет сравнивать элементный состав различных природных объектов и оценивать суть и масштабы процессов в геосфере, подход дает возможность объективно, на строго научной основе оценить планетарный эффект деятельности живого вещества или отдельных групп живых организмов. Например, оценив количество химических элементов, ежегодно поступающих в растения мировой суши, и количество этих же элементов, выносимых с годовым стоком всех рек, можно получить представление о значимости конкретного планетарного процесса.

Большая роль в становлении геохимии принадлежит сотруднику Геологической службы США Ф.У. Кларку. Он положил начало статистическому изучению распределения химических элементов в геологических породах, определению средних значений концентрации десяти главных химических элементов в основных типах горных пород, природных водах и других объектах. В книге Ф. Кларка «The Date of Geochemistry» (1908 г.) впервые объективно были обоснованы закономерности распределения основных химических элементов в земной коре. Книга переиздавалась 5 раз с последовательным уточнением данных.

В Европе геохимия развивалась на базе минералогии — науки о минералах — природных химических соединениях, их составе, свойствах, структуре и условиях образования. Основное внимание при этом уделялось процессам, определяющим распределение химических элементов. Так, в Норвегии при университете в Осло сложилась научная школа минералогов и химиков, в которой изучали распределение и соотношение элементов в природных объектах в связи с физико-химическими процессами рудо- и породообразования. Яркий представитель этой научной школы — выдающийся геохимик, автор геохимической классификации химических элементов В.М. Гольдшмидт. Он разработал учение о глобальных закономерностях распределения химических элементов в зависимости от строения их атомов и ионов.

В России развитие геохимии связано прежде всего с работами ученика В.И. Вернадского и В.М. Гольдшмидта, одного из основателей современной геохимии — профессора А.Е. Ферсмана. В 1912 г. в народном университете имени А.Л. Шанявского он прочел первый курс геохимии, и с тех пор внимание его к вопросам геохимии не ослабевало. В классическом фундаментальном 4-томном труде «Геохимия» (1933—1939 гг.) Ферсман осветил проблему распространенности химических элементов, связав ее с последними достижениями астрофизики и атомной физики, выделил факторы миграции химических элементов и дал классификацию геохимических процессов.

А.Е. Ферсман — основатель геохимических методов поисков полезных ископаемых, первооткрыватель Мончегорского медно-никелевого месторождения, залежей Хибинского апатита, месторождения серы в Средней Азии и др. Александр Евгеньевич внес огромный вклад в создание минерально-сырьевой базы нашей страны.

К биогеохимии ученик В.В. Докучаева В.И. Вернадский пришел через геохимию и минералогию. Минералогические исследования он проводил в Московском университете. В связи с происхождением минералов В.И. Вернадский изучал миграцию химических элементов, роль изоморфизма в распределении элементов в земной коре, формы химических минералов и их присутствие в различных породах. Эти исследования во многом определили возникновение биогеохимии. Роль живого вещества в массопереносе химических элементов в геосфере интересовала Вернадского давно. Так, 15 сентября 1906 г. на отдельном листке он записал всю будущую программу биосферных исследований, выходящих за пределы тех дисциплин, которыми он тогда занимался, и поставил перед собой вопросы: «Без организмов не было бы химических процессов на Земле? Во все циклы неизбежно входят организмы?» (Мочалов, 1982). На эти вопросы В.И. Вернадский получал положительные ответы в течение всей последующей жизни.

С деятельностью В.И. Вернадского связана дифференциация геохимической науки, появление новых направлений в науке о Земле — создание радиогеологии, или ядерной геологии, и биогеохимии. На базе учения В.И. Вернадского сформировалась новая геохимическая школа с многочисленными учениками и последователями, среди которых известные ученые А.Е. Ферсман, Я.В. Самойлов, К.А. Не-надкевич, В.Г Хлопин, А.П. Виноградов и многие другие.

Базовой концепцией В.И. Вернадского, положенной в основу биогеохимии и науки о биосфере, была научная идея о тесном переплетении природных факторов и о преобладающей роли живого вещества в формировании биосферы в целом. В 1918—1919 гг. он организовал первые биогеохимические исследования в Крымском (Таврическом) университете. В начале 1920-х гг. В.И. Вернадский пропагандировал биогеохимические идеи в Санкт-Петербурге и Праге, а затем и в Сорбонне, где он читал первый курс по биогеохимии в 1926—1927 гг.

В.И.Вернадский вскрыл исключительно важную роль живого вещества как мощного концентратора космической энергии Солнца в термодинамике нашей планеты в целом. Он по достоинству оценил значение радиоактивности для всех наук о Земле, показал ее теснейшую связь с геотермикой, геотектоникой, вековым изменением химического и изотопного состава нашей планеты. В 1910 г. в записке «О необходимости исследования радиоактивных минералов Российской империи» В.И. Вернадский, впоследствии организатор Радиевого института (1922 г.) при Комиссии по изучению естественных производительных сил (КЕПС), предвосхитил неизбежность практического использования колоссальной по своей мощности атомной энергии.

Принципы биогеохимии, сформулированные В.И. Вернадским, нашли широкое практическое применение в различных областях естествознания: геохимии природных ландшафтов (Б.Б. Полынов, В.А. Ковда, А.И. Перельман, М.А. Глазовская), агрохимии (К.А. Тимирязев, Д.Н. Прянишников, П.С. Коссович, К.К. Гедройц), радио-экологии (В.М. Клечковский, Н.В. Тимофеев-Ресовский, А.М. Кузин, А.А. Передельский, Е. Одум) и др.

В нашей стране развитие биогеохимии обеспечивалось деятельностью Отдела живого вещества, открытого В.И. Вернадским в 1926 г. при КЕПС, которая в 1928 г. была реорганизована в Биогео-химическую лабораторию (БИОГЕЛ) Академии наук СССР. В.И. Вернадский возглавлял эту лабораторию вплоть до своей кончины в 1945 г.

В.И. Вернадский выделял четыре основные задачи, стоящие перед лабораторией: 1) сопоставление изотопного состава химических элементов в живом и неживом веществе; 2) количественное определение элементного химического состава живых организмов; 3) определение геохимической энергии живых организмов; 4) определение радиоактивности организмов и ее вклада в геохимическую энергию живого вещества. В исследованиях должны были учитываться происхождение организмов, их экологические особенности, систематическое положение и региональная специфика распространения. Главной организационной задачей стало создание мощной аналитической базы.

Деятельность БИОГЕЛ и достижения биогеохимии приобрели особую актуальность именно во второй половине XX в. в очевидной связи с начавшимися коренными изменениями отношения человека и природы. С одной стороны, невиданные темпы роста индустриализации резко повысили спрос на все виды минерального сырья, включая редкие и рассеянные элементы, с другой — биогеохимия выступает как целостная научная основа при решении многих проблем, связанных с загрязнением природной среды.

В 1945 г. на посту руководителя БИОГЕЛ В.И. Вернадского сменил А.П. Виноградов, исследования которого простирались от биогеохимии до космохимии. Академиком Виноградовым изучены изменения химического состава организмов в связи с их эволюцией. Важное значение для развития биогеохимии имели его труды по геохимии редких и рассеянных химических элементов в почвах, обобщенные в монографии «Геохимия редких и рассеянных химических элементов в почвах» (1957 г.). Им была создана геохимия изотопов — новое направление в науке, изучающее фракционирование в природных процессах изотопов разных элементов (кислород, сера, углерод, калий и свинец); он внес неоценимый вклад в изучение геохимии океана. Совместно с сотрудниками им были сделаны определения абсолютного возраста Земли, щитов — Балтийского, Украинского, Алданского и других, а также пород Индии, Африки и других регионов; изучен состав метеоритов.

А.П. Виноградов ввел в науку понятие «биогеохимические провинции» и описал связанные с ними биогеохимические эндемии растений и животных, а также развил биогеохимический метод поиска полезных ископаемых.

Успешному развитию в нашей стране биогеохимии содействовала Координационная комиссия по микроэлементам в АН СССР, возглавляемая А.П. Виноградовым, впоследствии преобразованная в Научный совет (1964 г.), руководимый Я.В. Пейве. С 1976 г. председателем Совета стал В. В. Ковальский, возглавивший Научный совет АН СССР по проблемам микроэлементов в биологии (1979 г.), первая секция которого была посвящена проблемам биогеохимии.

С 1954 г. в Биогеохимической лаборатории Института геохимии и аналитической химии им. В.И. Вернадского АН СССР под руководством В. В. Ковальского были развернуты исследования по новому направлению в биогеохимии — биогеохимической гетерогенности, мозаичности биосферы. Важность этого направления в свое время была отмечена В.И. Вернадским. Были проведены исследования субрегионов биосферы и биогеохимических провинций таежнолесного нечерноземного и других регионов биосферы. Эти исследования начаты В.В. Ковальским в 1943 г. во Всесоюзном институте животноводства ВАСХНИЛ.

В результате были обнаружены биогеохимические провинции с недостатком Со, I, Си и других микроэлементов с сопутствующими этим аномалиям заболеваниями, избытком Бг — уровская биогеохи-мическая провинция, недостатком Бе — болезнь Кешана у человека и беломышечная болезнь у животных и многие другие аномалии. Дальнейшие исследования В.В. Ковальского раскрыли некоторые процессы регуляции биологических ритмов путем наложения внутренних регуляторных ритмов (например, вегетативной нервной системы) на ритмы, имеющие космическое происхождение.

В 1989 г. БИОГЕЛ была переименована в Лабораторию биогеохимии и окружающей среды ГЕОХИ. В настоящее время, продолжая славные традиции В. В. Вернадского, А.П. Виноградова, В. В. Ковальского, лабораторией руководит профессор В. В. Ермаков.

  • [1] Портреты выдающихся ученых, внесших огромный вклад в становление и развитие биогеохимии как науки, см. в ЭБС
 
<<   СОДЕРЖАНИЕ   >>