1 Розвиток біологічних форм життя неможливий без споживання мікро- та макроелементів, резервуаром яких є літосфера.

Літосфера як частина планети не являє собою щось “застигле, раз і назавжди створене”. Неоднорідність літосфери є слідством всієї геологічної історії нашої планети. Масо- та енергообмін літосфери із гідросферою, атмосферою, космічним простором та із внутрішніми сферами Землі відбувається постійно і лежить в основі всіх геологічних та біологічних процесів, що відбуваються у літосфері і на її поверхні.

Нестача, надлишок, дисбаланс хімічних елементів у компонентах літосфери призводять до розвитку захворювань у рослин, тварин і людини, які у біогеохімії називають “біогеохімічними ендеміями”. Біогеохімічні ендемії по суті є індикаторами негативного впливу геохімічної складової літосфери на розвиток біоти.

Райони розповсюдження біогеохімічних ендемій, по А.П. Виноградову, називають біогеохімічними провінціями. Біогеохімічна провінція – це просторова-територіальна одиниця на поверхні Землі, що відрізняється від сусідніх територій за вмістом хімічних елементів і викликає різну реакцію флори і фауни. В крайніх випадках в результаті різкої нестачі чи надлишку якогось хімічного елементу (чи елементів) у межах даних біогеохімічних провінцій виникають біогеохімічні ендемії.

Базуючись на ідеї біогеохімічної гетерогенності і зональності континентів, В.В. Ковальський виділив регіони біосфери – біогеохімічні зони, у межах яких зональні властивості різноманіття середовища та організмів обмежені в порівняні із екологічною системою цілої біосфери. Біогеохімічні зони характеризуються єдністю грунтоутворення, клімату, міграції елементів і типом біологічних реакцій організмів на геохімічні фактори середовища. Біогеохімічні зони об’єднують біогеохімічні провінції. Розрізняють два генетично різних типи біогеохімічних провінцій: зональні та інтразональні.

Зональні провінції – утворюються у межах однієї грунтово-кліматичної зони, де в результаті динамічного розвитку біогеоценозів може відбуватися накопичення або вимивання хімічних елементів. В якості прикладу зональних біогеохімічних провінцій можна привести біогеохімічні провінції Нечорнозем’я, які характеризуються нестачею йоду, кобальту, міді, часто кальцію та надлишком марганцю, заліза, що пов’язано із рухливістю форм кальцію, міді, кобальту, йоду та інших хімічних елементів у підзолах. Провінції даного типу та ендемії не зустрічаються у зоні чорноземів.

Інтразональні провінції – зустрічаються всюди; їх утворення пов’язане із своєрідністю хімічного складу гірських порід, які виділяються як геохімічні провінції. У межах інтразональної провінції різко виражені своєрідний склад флори і фауни, нові стійкі раси і підвиди, що дають початок утворенню нових видів.

Біогеохімічні зони та біогеохімічні провінції В.В. Ковальский поклав в основу біогеохімічного районування. Всього він виділив чотири зони на території колишнього СРСР, із них три рівнинних регіони і один гірський, що поєднав всі гірські території.

1. Тайгово-лісова нечорноземна зона. Реакції організмів в цілому обумовлені недостачею кальцію, фосфору, кобальту (73% всіх грунтів), міді (70%), йоду (80%), молібдену (53%), бору (50%), цинку (49%), оптимальним вмістом марганцю (72%), відносним надлишком, особливо у поймах річок стронцію (15%).

2. Лісостепова та степова чорноземна зона. Для цієї зони характерний оптимальний вміст у грунті кальцію і кобальту (96% сірих лісових та 77% чорноземних грунтів), міді (72-75%), марганцю (71-75%). Йод, цинк, молібден збалансовані з іншими елементами, іноді спостерігається недостача рухливого марганцю.

3. Сухостепова, пустельна, напівпустельна зона. На живі організми впливають підвищені рівні вмісту сульфатів, бору (88%), цинку (76%), часто стронцію (45%), молібдену (40%), низький вміст міді (40%), іноді кобальту (23%).

4. Гірські зони. В гірських грунтах співвідношення і концентрація мікроелементів міняється у широких межах, тому можливі різні реакції організмів, але часто спостерігається недостача йоду, кобальту, міді, цинку. Хоча можливий і надлишок міді, цинку, кобальту, молібдену, стронцію та інших елементів. В межах зон виділяють провінції, які позначаються на карті умовними значками. Значення тих чи інших провінцій можна розглянути на декількох прикладах. Так, в провінціях із недостачею кобальту послаблюється синтез вітаміну В_12. Це характерно для нечорноземної зони, де нерідко розвивається гіпо- або авітаміноз по В_12. При надлишку молібдену і порушені його співвідношення з міддю посилюється синтез ферменту ксантіоксидази, у тварин розвивається молібденовий токсикоз, а у людини – ендемічна молібденова подагра. Реакція тварин на недостачу міді виявляється як при низькому вмісту міді у кормах, так і при надлишку молібдену і сульфатів. В результаті гальмується синтез деяких окислювальних ферментів. У овець і великої рогатої худоби виникає своєрідна хвороба, що називається ендемічною атаксією. Якщо у грунтах і кормах багато бору, то знижується активність травних ферментів, що називається ендемічним борним ентеритом. При нестачі йоду порушується функція щитовидної залози. Виникає ендемічний зоб. При надлишку селену відбувається деформація копит, облисіння овець.

Щоб побороти ці негативні явища необхідно внести у грунт різні мікроелементи, застосувати спеціальні підживлюючі речовини. Наведені приклади ще раз підкреслюють необхідність для живих організмів майже всіх елементів періодичної системи Д.І. Менделєєва. Це ще раз доводить нам, що не існує токсичних елементів, але існують токсичні концентрації.

У наш час внаслідок активного залучення полютантів у біогеохімічний цикл в зв’язку із інтенсивним застосуванням мінеральних та органічних добрив, розвитком промисловості формуються техногенні біогеохімічні аномалії. Літосфера є біотопом екосистеми, і тому формування геохімічних аномалій у будь – якому з компонентів літосфери в різній мірі викликає відповідну реакцію у біоценозі екосистеми. Розвиток патологічних відхилень біоти можливий як від підвищеного вмісту ряду елементів (райони геохімічних аномалій надлишку), так і від їх зниженого вмісту (райони геохімічних аномалій недостачі). Особливо потрібно підкреслити можливість формування патологічних відхилень при дисбалансі певних хімічних елементів – стронцій / кальцій, кальцій / фосфор та інші (райони дисгармонійних геохімічних аномалій). Найбільш змінені біогеохімічні цикли основних біофільних елементів: азоту, фосфору, вуглецю, калію, кальцію, магнію. Так, у степових ландшафтах техногенне підкислення грунтів - чорноземів (кислотні дощі, внесення добрив тощо) – призводить до інтенсивного виносу основ (кальцію, магнію), ессенціальних елементів (заліза, міді, цинку, марганцю, кобальту ін.), гумусу. Як наслідок цього, різко знижується врожайність сільськогосподарських культур, і тварини, і людина не отримують життєво важливих елементів. Виникають хвороби - гіпомікроелементози: мідь – хвороба Менкеса з важкими ураженнями нервової системи; цинк – вроджені пороки розвитку; марганець – діабет та інші. При накопиченні у приповерхневій частині літосфери токсикантів (свинцю, ртуті, кадмію, нікелю, рубідію) розвиваються хвороби гіпермікроелементози: свинець – свинцева енцефалопатія, невропатія; ртуть – хвороба Минамата, енцефалопатія; кадмій – кадмієві реніти, нефропатія, кардіоміопатія та інші хвороби. Таким чином, у зоні формування геохімічних техногенних аномалій токсиканти залучаються у біогеохімічний цикл, що призводить до виникнення великих патогенних для живих організмів провінцій, шкідливих для здоров’я людей.

В наш час приоритетне розповсюдження отримали три підходи до нормування екологічно шкідливих токсикантів в об’єктах оточуючого середовища:

1) санітарно – гігієнічний - базується на величинах нормативних гранично допустимих концентрацій (ГДК);

2) геохімічний – оперує величинами кларків концентрацій, фонових величин, сумарних величин токсикантів та інших геохімічних параметрів;

1) біогеохімічний – оцінює рослини, як інтегральний показник вмісту токсичних елементів у грунтах.

Висновок про тісний взаємозв’язок між складом рослин та гірських порід знайшов важливе практичне застосування. У рослинах, що ростуть над рудними покладами, міститься металів більше, ніж в звичайних, безрудних місцях. Ефект збагачення рослин розсіяними металами був покладений в основу біогеохімічного метода пошуку руд. Офіціальне визнання цього методу відбулося в 1939 році, коли швецький геолог Н. Брундін отримав патент на пошук руд, що не виходять на поверхню, за допомогою визначення вмісту металів у рослинах.

Застосування біогеохімічного метода сприяло відкриттю багатьох родовищ. Так, у Канаді за допомогою аналізу хвої та гілок дерев були знайдені молібденове родовище Ендако та мідно-молібденове Бетлехем. Ще у XVII – XVIII вв. гірники Саксонії, що видобували метали в Рудних горах, передавали із покоління в покоління як професіональний секрет відомості про те, що деякі рослини вказують на близькість руд.

 При біогеохімічному районуванні використовують біогеохімічні карти (рис.1).

Рис. 1 - Схематична карта біогеохімічного районування СРСР (по В.В. Ковальскому). А – тайгово-лісова зона, провінції: 1 – бідні на йод та кобальт, 2 – збагачені стронцієм, бідні на кальцій, 3 – нестача селена; Б – лісостепова зона; В – степова чорноземна зона; Г – сухостепова, пустельна та напівпустельна зона, провінції: 4 – недостатній вміст міді, надлишок молібдену та сульфатів, 5 – надлишок бору, 6 – нестача міді та кобальту, надлишок молібдену та бору; Д – гірські зони. Азональнібіогеохімічні провінції: 7 – збагачені кобальтом, 8 – бідні на йод та марганець, 9 – надлишок свинцю, 10 – збагачені молібденом, 11 – надлишок стронцію та кальцію, 12 – збагачені селеном, 13 – несприятливе співвідношення міді, молібдена та свинцю, 14 – збагачені ураном, 15 – надлишок фтору, 16 – збагачені мідю, 17 – порушення обміну міді, 18 – богаті на нікель, магній, стронцій, бідні на кобальт, марганець, 19 – богаті на нікель, 20 – збагачені літієм, 21 – збагачені хромом, 22 – збагачені марганцем, 23 – нестача фтору, 24 – нестача цинку у пасовищних рослинах. Збагачення провінцій деякими елементами може бути як природним, так і техногенним.

Література для самоосвіти: 1, 9, 10.