Биогеохимия рассматривает живое вещество не только всей земной коры, но и отдельных ее частей — морей, материков, стран, ландшафтов, провинций. Такой подход оправдан тем, что химический состав организмов и их влияние на геохимические процессы неодинаковы.
В процессе эволюции организмы адаптировались к определенному химическому составу среды. Это обусловило, с одной стороны, разнообразие химического состава флоры и фауны, а с другой — определило повышенную чувствительность организмов к изменениям концентрации в среде тех или иных элементов (особенно микро- и ультрамикроэлементов).
Поскольку состав поверхности земли неоднородный, на ней обнаруживаются области с повышенным или пониженным содержанием тех или иных химических элементов. Эти области, отличающиеся от соседних областей по содержанию в них химических элементов (соединений) и вследствие этого вызывающие различную биологическую реакцию со стороны местной флоры и фауны, получили название биогеохимических провинций.
Биологические реакции организмов на изменение геохимических факторов могут проявляться в следующих формах:
- толерантности (приспосабливаемости);
- образовании новых рас, видов, подвидов;
- эндемических заболеваний;
- уродств и гибели организмов.
Последние формы проявляются в случаях резкой недостаточности или избыточности какого-либо элемента в среде.
Биологические реакции организмов на изменение содержания химических элементов в среде
А. П. Виноградов по генезису выделяет два основных типа биогеохимических провинций. Первый тип связан с определенными почвенно-климатическими зонами (зоной подзолистых и дерново-подзолистых почв), где имеется недостаточность йода, кальция, кобальта, меди и других элементов. Легкоподвижные ионы этих элементов слабо фиксируются такими почвами и легко вымываются вследствие малого содержания в них органического вещества. Соответствующие биогеохимические провинции и эндемии простираются на нашем континенте от Голландии, через Данию, Польшу, Прибалтийские республики, Подмосковье, Урал, до Восточной Сибири и Приамурья.
Второй тип биогеохимических провинций и эндемий не связан с определенными почвенно-климатическими зонами и может быть в любой из них. Возникновение этого типа провинций обусловлено рассеянием химических элементов геохимическими процессами. Так, флуороз животных обнаружен в зонах действующих вулканов и мощных отложений фторапатитов (Италия, Исландия, Индонезия, Северная Африка), молибденоз — в очагах молибденовых месторождений. Известны геохимические провинции с недостатком или избытком кальция, йода, стронция, фосфора, цинка, меди, кобальта и др.
По мнению некоторых исследователей, выделение одной таксонометрической единицы (провинции) на основе двух различных принципов неверно. Провинции должны выделяться по почвенно-климатическому признаку в пределах определенных биогеохимических зон.
Согласно В. В. Ковальскому, единицами биогеохимического районирования страны служат биогеохимические зоны и провинции. Вся территория СССР может быть разделена на четыре биогеохимические зоны (регионы биосферы):
- таежно-лесная нечерноземная с кислыми почвами (недостаток кальция, фосфора, калия, кобальта, меди, йода, бора; оптимальное содержание марганца и цинка; относительный избыток стронция);
- лесостепная и степная черноземная с нейтральными или слабощелочными почвами (достаточное количество йода, кобальта, меди, кальция, иногда недостаток марганца, калия, часто — фосфора);
- сухостепная, полупустынная и пустынная с нейтральными и щелочными почвами (избыток натрия, кальция, хлоридов, сульфатов, часто бора, иногда молибдена, недостаток меди и марганца);
- горная (недостаток йода, кобальта, меди, наличие очагов с избытком разнообразных химических элементов).
Биогеохимические зоны неоднородны. Они делятся на биогеохимические провинции (субрегионы), в которых комбинируются признаки зон по концентрации и соотношениям химических элементов и биохимическим реакциям организмов. Это так называемые зональные провинции. Если же признаки провинции не соответствуют характеристике зоны, провинции называют азональными (например, провинции, богатые кобальтом, медью, фтором, молибденом). На территории Советского Союза выделены и изучаются биогеохимические провинции с избыточным или недостаточным содержанием кобальта, меди, йода, бора, никеля, молибдена, свинца, стронция, цинка, селена.
Биогеохимические пищевые цепи химических элементов
Изучение биогеохимических провинций предполагает: составление картограмм с обязательным анализом химического состава почв, вод, растительных и животных организмов, кормов и продуктов питания; установление взаимосвязей между содержанием химических элементов в среде и эндемическими заболеваниями растений, животных и человека; разработку профилактических мероприятий. Таким образом, эта работа требует совместных усилий специалистов разного профиля: геохимиков, агрохимиков, биохимиков, ботаников, зоологов, медицинских и ветеринарных врачей, физиологов, зоотехников.
По мнению В. В. Ковальского, основным критерием биогеохимического районирования должна быть изменчивость биохимических пищевых цепей в различных геохимических условиях. Согласно развиваемой им концепции, накопление химических элементов организмами определяется не только их биологической природой и геохимией среды, но и пищевыми цепями, через которые осуществляется связь организмов и среды (почвообразующие породы, почвы, микроорганизмы, вода, воздух, растения, животные, человек). В пищевой цепи может происходить уменьшение концентрации одних химических элементов и накопление других.
Изучение влияния недостатка или избытка элементов на изменчивость биогеохимических пищевых цепей, промежуточный обмен веществ, адаптацию организмов к условиям среды и возникновение эндемий составляет предмет и задачи нового раздела науки — биогеохимической экологии.
Животные получают минеральные вещества, в том числе и микроэлементы, в основном из растительной и животной пищи. Существование биогеохимических пищевых цепей обеспечивает благодаря явлениям дискриминации отбор и подготовку минеральных веществ к более полному использованию их организмами. Недостаток или избыток химических элементов в почве, а соответственно в растительных и животных организмах, изменяет характер депонирования элементов, ослабляет или усиливает синтез биологически активных продуктов, ведет к перестройке обмена веществ. В итоге либо происходит адаптация организмов к новым условиям, либо возникают дисфункции и эндемические заболевания.
Установлены ориентировочные критические (пороговые) концентрации ряда химических элементов, выше или ниже которых проявляются биологические эффекты на целом организме.
Пороговые концентрации микроэлементов в кормах, мг/кг сухого вещества корма
| Элемент | Среднее содержание в пастбищах СССР | Недостаток (нижняя пороговая концентрация) | Норма (нормальная регуляция в животном организме) | Избыток (верхняя пороговая концентрация) |
| I | 0,18 | До 0,07 | 0,08—1,2 | 0,8—2 и выше |
| Co | 0,32 | До 0,1—0,25 | 0,25—0,1 и выше | 1 и выше |
| Mo | 1,25 | До 0,2 | 0,2—2,5 | 2—3 и выше |
| Cu | 6,4 | До 3—5 | 3—12 и выше | 20—40 и выше |
| Zn | 21 | До 20—30 | 20—60 и выше | 60—100 и выше |
| Mn | 73 | До 20 | 20—60 и выше | 60—70 и выше |
| Fe | 190 | До 25 | 25—30 и выше | — |
Пороговые концентрации для каждого элемента — величины относительные; они могут повышаться или понижаться в зависимости от концентраций других элементов, вида животных, биологического состояния, сезона года в пр.
Аналогичная работа по биогеохимическому районированию проводится во многих странах мира, в частности в США (А. Тейлер, К. Бисон, Д. Кубота, Ф. Келли, В. Снеддон, О. Мат, В. Эльвей и др.), Англии (Р. Митчелл), Франции и Бельгии (П. Декок, М. Шезир, Ж. Друино, С. Периго), ГДР (М. Анке, А. Хенниг).
Исследования по биогеохимическому районированию являются научной основой производства и использования минеральных удобрений (включая микроэлементы), применения минеральных подкормок для животных, разработки профилактических и лечебных мероприятий против эндемических болезней.
Особое значение эти данные имеют для пастбищного (отгонного) животноводства и получения грубых кормов с естественных сенокосов. В условиях же интенсивного кормопроизводства (орошение, внесение удобрений, выведение новых сортов культур, повышение урожайности) взаимосвязи почва — растение существенно изменяются, что может привести к увеличению или, наоборот, к уменьшению природного дефицита макро- и микроэлементов. К тому же сырье на перерабатывающие предприятия и комбикормовые заводы часто поступает из одних зон страны, а готовая продукция направляется в другие зоны. Поэтому в условиях интенсивного животноводства данные биогеохимического районирования необходимо дополнять минеральным анализом кормов непосредственно в местах их использования, а также систематическими исследованиями минерального статута продуктивных животных.