Мінливість вмісту розсіяних металів і їх наслідки
Російська
На жаль, цей запис доступний тільки на
Російська.
К сожалению, эта запись доступна только на
Російська.
Содержание рассеянных металлов в почвах сильно колеблется. Так, например, содержание меди в почвах Карелии около 5 мг в килограмме почвенной массы, а на юге Крыма — в 10 раз больше. По данным английского ученого Р. Митчелла, колебания никеля имеют еще более широкие пределы: от нескольких единиц мг/кг до нескольких сотен мг/кг. В виде исключения встречаются еще более высокие и более низкие значения.
Изменчивость содержания рассеянных металлов в почвах в значительной мере обусловлена особенностями состава почвообразующих пород, о чем говорилось ранее. Однако имеются и другие причины. Поверхность суши не ровная, как стол. Имеются возвышенности и понижения. Даже на очень ровной поверхности южнорусской степи выделяются небольшие холмы и впадины. Некоторые из них настолько незаметны, что не улавливаются невооруженным глазом. Тем не менее даже самые мелкие неровности рельефа вызывают сток дождевой воды по поверхности и боковую фильтрацию почвенно-грунтовых вод.
Химические элементы, выносимые с возвышенностей стекающими поверхностными и грунтовыми водами, поступают в понижения, включаются там в биологический круговорот и накапливаются в воде. Это явление распространено широко. На поймах рек накапливаются многие химические элементы, в том числе рассеянные металлы, вынесенные с площади водосбора реки. На дне степных западин вырастают ржавые и черные округлые конкреции, состоящие из окислов железа и марганца, вынесенных их окружающих земель.
В тропических странах в период дождей низменные равнины превращаются в непроходимые болота. Стекающие с возвышенных участков воды выносят железо, иногда алюминий, а вместе с ними рассеянные металлы: титан, хром, ванадий, никель, кобальт, медь, цинк. В сухой период вода спадает, и в почве на небольшой глубине от поверхности накапливаются гидроксиды железа и алюминия, обогащенные рассеянными металлами. Многие годы повторяется этот процесс, и в конце концов на небольшой глубине образуются мощные железистые плиты. Пройдут века, рыхлый слой почвы смоют дожди, и на поверхность выступят бурые панцири латеритов.
Даже если бы состав почвообразующих пород на всей Земле был совершенно одинаковый, то в результате перераспределения элементов на поверхности суши, под влиянием рельефа состав почв быстро стал бы разнородным. А мы знаем, насколько неодинаков состав почвообразующих пород. В итоге почвенный покров суши представляет собой сложную мозаику участков, различающихся содержанием химических элементов, особенно тех, которые находятся в состоянии рассеяния.
Характерной особенностью биосферы является развитие живого вещества в условиях очень неравномерного содержания многих химических элементов, в частности рассеянных металлов. Мы познакомились с тем, как велики колебания количества металлов в почве, и знаем, какое важное физиологическое значение они имеют. Вполне вероятно, что разнообразие и гибкость форм жизни связаны не только с различными климатическими условиями и в значительной мере — с геохимической неодинаковостью окружающей среды. Особое значение имеют химические элементы, находящиеся в состоянии рассеяния. Если содержание главных элементов в почвах и почвообразующих породах может меняться в несколько раз, то содержание рассеянных металлов — в десятки, а в отдельных, правда исключительных, случаях и в сотни раз.
Не удивительно, что химический состав разных растений существенно различается. В процессе длительной эволюции у различных групп растений выработалась способность поглощать металлы в определенном количестве. На рис. 6 изображен график содержания железа в некоторых систематических группах растений. Оказывается, что в морских водорослях железа значительно меньше, чем в наземных растениях, во мхах — в 10 раз больше, чем в плаунах, а в злаках — в несколько раз больше, чем в бобовых. Свои закономерности обнаружены и для других металлов. Например, цинка в бобовых в 10 раз больше, чем в злаках. Mapганца в злаках в 100 раз меньше, чем в листьях берез.
Содержание железа в золе распространенных растений
Закономерности содержания рассеянных металлов в растениях, по-видимому, сложились в процессе длительной эволюции и естественного отбора. Мы уже упоминали случаи, когда на отдельных участках содержание рассеянных металлов в почве увеличивается во многие десятки раз, а иногда до 100 раз и более. Такие условия естественным путем (без вмешательства человека) возникают вблизи расположения рудных залежей.
Как реагируют растения на высокую концентрацию рассеянных металлов? Часть их не выдерживает столь сильной геохимической нагрузки. Так, например, на участках повышенного содержания в почве кобальта, никеля и меди отдельные растения угнетены, поражены болезнями, часто у них неразвиты органы размножения. Уродливые формы не дают семян или образуют невсхожие семена. Анализы показали, что в таких растениях содержится никеля от 20 до 40 раз больше, чем обычно. В Армении на участках аномально высокого содержания в почве свинца и цинка обнаружены изменения формы и количества лепестков у цветков дикого мака. В таких маках в 5 раз больше свинца и в 10 раз больше цинка по сравнению с нормальными.
Конечно, не все экземпляры поражаются угнетающим действием высокого содержания рассеянных металлов. Обычно страдают 10— 20%, хотя в некоторых случаях отмечалось до 50% и более. Угнетенные формы не дают потомства и вымирают. Однако значительная часть растений приспосабливается. А. Л. Ковалевский предполагает, что некоторые растения выработали особый механизм, при помощи которого могут не поглощать излишнее количество рассеянного металла. Его содержание в таких растениях не может превысить определенный уровень, своего рода барьер. Другие растения поглощают неограниченное количество металла, его содержание не лимитируется никаким барьером и может достигать значительной величины.
В процессе естественного отбора возникли растения-концентраторы, для нормальной жизнедеятельности которых необходимы повышенные содержания рассеянных металлов.
Еще в XVII—XVII! вв. горняки Саксонии, добывавшие металлы в Рудных горах, знали и передавали из поколения в поколение как профессиональный секрет, что некоторые растения указывают на близость руд. Есть растения, сигнализирующие о рудах цинка. Это галмейная фиалка и галмейная ярутка. В их золе содержится цинка в 200 раз больше по сравнению со средним содержанием этого металла в растениях. Здесь же в Рудных горах есть растение, которое предпочитает расти на отвалах старых оловянных рудников.
Участки высокой концентрации металлов в горных породах и почве, вероятно, играли роль цент-рок видообразования. В горных районах, где благодаря крутым склонам и интенсивной эрозии руды близко подходят к поверхности, образуются участки, особенно сильно обогащенные металлами. Возникает вопрос: не оказывало ли это обстоятельство влияние на усиленное видообразование в горах, о чем так убедительно писал замечательный советский генетик академик Н. И. Вавилов?
На растения влияют как повышенные, так и сильно пониженные содержания рассеянных металлов. Из практики сельского хозяйства известны многочисленные случаи угнетения, снижения урожайности и болезней различных культур в связи с недостатком меди, цинка, марганца, молибдена.
Организмы животных также не безразличны к колебаниям содержания рассеянных металлов в почве, воде и, главное, в корме. Избыток меди вызывает у сельскохозяйственных животных анемию. Недостаток меди приводит к поражению нервной системы, эпилепсии и полному или частичному параличу молодняка мелкого рогатого скота. Подобные явления изучены в ряде стран, в частности в Англии и Австралии. Повышенное содержание никеля в корме сопровождается накоплением этого металла в тканях, особенно в роговице глаза, что приводит к слепоте животных. Недостаток кобальта отражается на понижении эритроцитов в крови, вызывает сильное снижение веса животных, несмотря на достаточное количество местных кормов. Это заболевание мелкого и крупного рогатого скота, получившее название акобальтоза, распространено во многих районах земного шара.
Химический состав горных пород, почв, вод, всей окружающей среды влияет не только на растения и животных, но также и на организм человека. Еще в 30-х гг. академик А. П. Виноградов обнаружил, что некоторые местные (эндемические) заболевания связаны с избытком или дефицитом химических элементов. К настоящему времени известны эндемические заболевания, связанные с нехваткой или избыточным содержанием ряда рассеянных металлов: молибдена, свинца, меди, кобальта и некоторых других. Районы, где отклонения содержания отдельных химических элементов от кларковых значений настолько велики, что это проявляется на внешнем облике местной флоры и фауны и отражается на состоянии здоровья населения, А. П. Виноградов назвал биогеохимическими провинциями.
Советский ученый В. В. Ковальский считает, что среди сложных проблем геохимической экологии наибольший интерес представляет раскрытие механизмов действия металлов.
Ученый установил пороговые концентрации рассеянных металлов в почве. Колебания содержания металлов между пороговыми величинами не нарушают регуляцию функции организма. Запредельные содержания металлов приводят к нарушению функций.
Так, например, при содержании меди от 15 до 60 мг на 1 кг почвенной массы функции растительных и животных организмов осуществляются нормально. Но при величине 6 мг/кг и меньше отмечено полегание и невызревание злаков, суховершинность плодовых деревьев, а у животных — заболевание костной системы. При содержании меди более 60 мг/кг обнаружены хлорозы растений, анемия и поражение печени у животных. На этом основании В. В. Ковальский полагает, что верхняя пороговая концентрация для меди более 60 мг/кг, а нижняя — менее 6 мг/кг.
Конечно, эти данные ориентировочны. В природе невозможно изолированное действие одного химического элемента. В действительности геохимия элементов тесно связана и часто взаимообусловлена. Воздействие на живой организм двух или нескольких рассеянных металлов — процесс сложный. Тем не менее ученые обнаружили, что особое заболевание скота, возникающее при дефиците меди в кормах — эндемическая атаксия, сильнее проявляется при сопровождающем избытке молибдена. И наоборот, эндемическая подагра у человека, возникающая в результате высокого содержания молибдена в почве и местных продуктах питания, наиболее отчетливо проявляется при относительном недостатке меди.
Кроме того, один и тот же металл, находящийся в состоянии рассеяния, может одновременно оказывать разное действие. Группа советских ученых обнаружила, что цинк, который является необходимым микроэлементом для функции размножения и способствует быстрому делению клеток, вместе с тем стимулирует деление раковых клеток.