Изучение вопросов химико-биотических взаимодействий в биосфере

В.И. Вернадский (2001) показал важность связей между параметрами геохимической среды и активностью живого вещества, подчеркивал важность различных способов воздействий живого вещества на окружающую природу, говоря современным языком, на геохимическую среду. Накопление данных о геохимической среде и факторах, воздействующих на концентрации химических элементов (Доб-

ровольский, 2007а,б; Добровольский, Никитин, 2010; Ермаков В.В., Тютиков, 2008; Ермаков, 2003; Ковальский, 1982; Липатникова, 2011; Моисеенко и др., 2006; Остроумов и др., 2009а,б; Остроумов С.А., Шестакова, 2009; Остроумов, 1986, 2010, 2011; Остроумов, Демина, 2009; 2010; Остроумов, Колесов, 2009а,б, 2010а, б, в; Панин, 2002; Перельман, Касимов, 2006; Ostroumov, 2006; Stark., Rayson, 2000; Vernadsky, 1944) и биогеохимические потоки в биосфере (Остроумов, 2004; Липат-никова, 2011; Ostroumov, 2006) ведет к необходимости дополнительного анализа этих данных и формулировке соответствующих обобщений. Цель данной работы – с учетом новых данных рассмотреть вопрос о типологии видов вещества в биосфере.

Данная работа написана на основе научного доклада автора в Институте геохимии и аналитической химии им. В.И. Вернадского РАН на Биогеохимических чтениях памяти члена-корреспондента Виктора Владиславовича Ковальского (1899-1984) 28 июня 2011 года.

Работа основана на серии предыдущих публикаций, в том числе (Остроумов, 2010, 2011).

Существует две основные концепции при рассмотрении типологии основных видов вещества.

Традиционная типология выделяет два типа вещества: 1) неживое вещество и 2) живое вещество.

В.И. Вернадский (1983 - 1945), разрабатывая учение о биосфере, предложил другую типологию. Он выделял три основных типа вещества:

• 1)    живое вещество;

• 2)    неживое (косное) вещество;

• 3)    биокосное вещество (Вернадский, 2001).

Эта типология сыграла значительную роль в развитии комплекса наук о Земле, а также биологических наук, повлияла на формирование экологических наук.

Изучение химико-биотических взаимодействий (Добровольский, 2007а,б; Добровольский, Никитин, 2010; Ермаков В.В., Тютиков, 2008; Ермаков, 2003; Ковальский, 1982; Липатникова, 2011; Моисеенко и др., 2006; Остроумов и др., 2009а,б; Остроумов С.А., Шестакова, 2009; Остроумов, 1986, 2010, 2011; Остроумов, Демина, 2009; 2010; Остроумов, Колесов, 2009а,б, 2010а, б, в; Панин, 2002; Перельман, Касимов, 2006; Ostroumov, 2006; Stark., Rayson, 2000; Vernadsky, 1944) накопление большого объема сведений о геохимической среде (например, Ермаков, 2003; Ермаков, Тютиков, 2008; Перельман, Касимов, 2006; Донченко, 2088 и др. работы) привело к выявлению новых фактов и нерешенных вопросов, что привлекает внимание к необходимости заново рассмотреть вопрос об основных типах вещества в биосфере.

Цель дальнейшего анализа – рассмотреть некоторые нерешенные вопросы и предлагаемый автором подход для вклада в их решение.

1.    НЕРЕШЕННЫЕ ВОПРОСЫ И ПРОБЛЕМЫ.

В области изучения роли живого вещества в биосфере есть две нерешенные проблемы.

• 1.1.    Проблема 1. Противоречие по вопросу о соотношении живого и неживого вещества в публикациях В.И. Вернадского .

В работах В.И. Вернадского осталась некоторая неоднозначность по вопросу о соотношении живого и неживого («косного», по терминологии В.И.Вернадского) вещества. С одной стороны, он ввел понятие биокосного вещества – в чем-то интегрирующего два других типа вещества, в чем-то занимающего промежуточное положение. С другой стороны, В.И.Вернадский подчеркивал полное различие и противоположность живого и неживого вещества - например, в своей статье, переведенной на английский язык и изданной в США (Vernadsky , 1944). Какова же ситуация? Насколько противоположны два типа вещества - живое и неживое?

1.2.    Проблема 2. Противоречие между диапазоном концентраций токсичных элементов в минералах и диапазоном толерантности.

Разработка предложенной учеником В.И.Вернадского академиком А.П.Виноградовым концепции биогеохимических провинций выявила большой объем фактов о вариабельности концентраций элементов в почвах и растениях в различных районах биосферы. Факты об измеренных концентрациях тяжелых металлов в компонентах экосистем и об их воздействии на организмы привлекаю внимание к следующей проблеме, существенной и для биогеохимии, и для экологии. В экологии есть понятие диапазона толерантности. В приложении к тяжелым металлам (Cu, Сo и другие) в почвах это преломляется следующим образом. Для таких металлов, как медь, кобальт и другие, установлены нижняя и верхняя граница приемлемых для жизни концентраций в почве. Большую роль сыграли работы члена-корреспондента Виктора Владимировича Ковальского (1899-1984) (например, (Ковальский, 1982 и др.) и работы В.В. Ермакова с сотрудниками(2008 и др.). Меньше нижней границы - нехватка микроэлемента, необходимого для метаболизма, для создания ферментов. Больше верхней границы – проявление токсичности. «Геохимический базис жизни» (выражение акад. М.А. Федонкина) связан с необходимостью для живых организмов вписаться в две границы допустимых концентраций многих химических элементов – в интервал между нижней и верхней допустимыми концентрациями.

Приведем примеры для двух тяжелых металлов – кобальта и меди.

Так, для кобальта (Co) установлено следующее. При концентрации его в почвах ниже 4 ppm наблюдается частичная или ярко выраженная недостаточность. У овец, которые пасутся на таких пастбищах, проявляется гипо- и авитаминоз В12, отмечены заболевания акобальтозами. При содержании кобальта в почве более 30 ppm у овец может достигаться верхняя поровая чувствительность (Ковальский, 1982). Таким образом, основной диапазон толерантности составляет 4 - 30 ppm, то есть допустимая концентрация кобальта может изменяться в 7 раз.

При концентрации меди (Cu) в почве ниже 10 ppm у пасущихся овец наблюдается недостаточность, которая проявляется в анемии и лизихе. При концентрации меди в почве выше 60 ppm у многих из пасущихся овец достигается верхняя пороговая чувствительность. Это проявляется в гемолитической желтухе, поражениях печени, а также анемии (Ковальский, 1982). Следовательно, основной диапазон толерантности составляет 10 - 60 ppm. Отсюда вытекает, что допустимая концентрация меди может изменяться в шесть раз.

Сходным образом, установлены диапазоны толерантности и для других тяжелых металлов. Подробнее информация по этому вопросу излагается в докладах и публикациях члена-корр. В.В. Ковальского (1982) и В.В. Ермакова (2003, 2008 и др.). Эти работы указывают на относительную узость коридора допустимых кон- центраций – на фоне того, что в почвообразующих породах вариабельность концентраций этих металлов гораздо шире.

Так, почвообразующие породы, только главные, по среднему содержанию в них меди отличаются в 34 – 58 раз; по среднему содержанию кобальта отличаются в 2000 раз (Ковальский, 1982). Содержание цинка в различных типах почв и в отдельных образцах почв изменяется в 1000 раз – например, содержание цинка в черноземах может колебаться от 0.1 до 99 ·10-5 (Ковальский, 1982). Аналогичным образом, и для других элементов концентрации в почвообразующих породах и почвах варьируют в пределах относительно широких диапазонов, которые значительно шире, чем диапазоны толерантности. Один из интересных примеров – селен (Se). Он необходим для биохимических механизмов защиты живых клеток от угрозы рака и других нарушений на молекулярном уровне; однако, избыток селена ведет к проявлениям токсичности.

В результате мы видим проблему: как оказывается возможным, что организмы выживают в столь вариабельных условиях геохимической среды – когда металла то слишком мало, то слишком много? Этот вопрос относится не только к традиционно широко известным тяжелым металлам (железо, медь, цинк, кобальт, молибден, марганец и др.), но и к внушительному списку редкоземельных элементов, многие из которых обладают токсичностью.

Работы чл.-корр. РАН Т.И. Моисеенко (2006), чл.-корр. Э.В.Ивантера (2007) и многих других авторов подчеркивают еще один аспект важности проблемы выживания организмов в среде, содержащей токсичные элементы – аспект, связанный с нарастанием концентраций этих элементов в силу техногенного загрязнения среды.

Далее обсуждается некоторое расширение концептуального аппарата, которое может внести вклад в решение этих проблем.

2.    ПРЕДЛАГАЕМЫЙ ПОДХОД К РЕШЕНИЮ УКАЗАННЫХ ПРОБЛЕМ.

Некоторый вклад в решение указанных выше проблем достигается, если модифицировать наши представления о типологии вещества в биосфере. Автор предлагает третью типологию при анализе основных видов вещества в биосфере. Предлагается выделять следующие типы вещества (список не претендует на полноту и не исчерпывает всех возможных типов вещества; вполне возможно, этот список будет дополнен в будущем):

• 1)    живое вещество (living matter);

• 2)    неживое (косное) вещество;

• 3)    бывшее живое вещество (экс-живое вещество, ex-living matter) и продукты его биохимической и химической трансформации (Остроумов, 2010, 2011);

• 4)    биокосное вещество в интерпретации В.И. Вернадского.

По своему составу вещество третьего типа разнородно, но обладает общими чертами в своей роли в биосфере. К этому типу вещества можно отнести то вещество, которое прошло через статус живого и находится в окружающей среде, в том числе в водной, в виде частиц, раствора или коллоидов. Одна из особенностей вещества этого типа – то, что оно вносит существенный вклад в иммобилизацию ряда химических элементов, в снижение их биодоступности, частичное торможение или прерывание циркуляции этих элементов в геохимической среде. Выделение важной роли вещества этого типа дает еще один яркий пример того, о чем писал В.И.Вернадский (1991): «В ходе геологического времени растет мощность выяв- ления живого вещества в биосфере, увеличивается его в ней значение и его воздействие на косное вещество биосферы» (курсив В.И.Вернадского). Учитывая явление иммобилизации токсичных элементов, можно отметить, что в некоторых случаях живое вещество, создавая для себя благоприятные условия, воздействует на косное вещество биосферы не прямо, а через посредство того, что в данной работе предложено называть веществом третьего типа или ELM. Примеры выявленной в опытах иммобилизации токсичных элементов даны ниже.

Примеры объектов биосферы, которые могут рассматриваться как представители вещества третьего типа (некоторые из приведенных ниже классов объектов могут частично пересекаться и накладываться друг на друга):

• (а)    органическое вещество пеллет, выделенных почвенными и водными беспозвоночными, в том числе бентосными (например, моллюсками) и зоопланктоном;

• (б)    вещество погибших организмов;

• (в)    листовой опад, растительная мортмасса (общее содержание в биосфере, по углероду, около 1200 · 10¹⁵ - 1600 · 10¹⁵ г С (Summerhayes, Thorpe, 1996);

• (г)    биогенный детрит (detrital PAC, particlulate organic carbon) в водных экосистемах (общее содержание в биосфере, по углероду, около 30 · 10¹⁵ г С [30]);

• (д)    растворенное органическое вещество (DOC, dissolved organic carbon) в воде пресноводных и морских экосистем (общее содержание в биосфере, по углероду - около 1000 · 10¹⁵ г С (Summerhayes, Thorpe, 1996); к этой категории примыкают вещества, называемые экзометаболитами и органическими лигандами;

• (е)    гумус (как почвенный, так и водный);

• (ж)    биогенные неорганические частицы, представленные, например, панцы-рями кремнистых организмов, с размерами панцырей в мм: панцыри диатомовых водорослей (0,2 - 0,02), радиолярий (0,25 - 0,05), силикофлагеллят (0,1 - 0,02), карбонатных планктонных фораминифер (0,25 - 0,05), кокколитофорид (мельче 0,01); удельная поверхность этих естественных сорбентов 5 - 120 м² на 1 г [32];

• (3)    органическое вещество донных отложений Мирового океана и континентальных водоемов (по оценкам, около 10²² г углерода) (Summerhayes, Thorpe, 1996);

• (и)    различные биополимеры, выделяемые организмами во внешнюю среду и др., а также продукты биохимических и химических трансформаций этого вещества (продукты микробиологической переработки, окисления кислородом, продукты фотореакций, в том числе продукты фотодеструкции).

Для объективного рассмотрения и проверки предположения о том, чтобы выделить указанные объекты биосферы в качестве отдельного типа вещества, необходимо остановиться на подходящих критериях. Представляется логичным использовать следующий набор критериев:

• (1)    Отличие рассматриваемых материальных объектов от живого вещества;

• (2)    отличие от неживого (косного) вещества;

• (3)    достаточно большая суммарная масса;

• (4)    наличие своей специфики, т.е. специфики выполняемых этим веществом функций в биосфере;

• (5)    существенная роль рассматриваемого вещества в геохимической среде.

Приступим к анализу.

Отметим, что общая масса вещества третьего типа значительна и на несколько порядков превышает общую массу живого вещества в биосфере.

Пример образования заметных количеств вещества третьего типа – накопление биогенного детрита на дне водных систем с организмами. Для краткости вещество третьего типа будем обозначать ELM (ex-living matter). В данном сообщении уделяется внимание такому представителю ELM, как биогенный детрит; однако, подчеркнем, что это далеко не единственный представитель третьего типа вещества.

Подчеркнем, что во многих случаях реально наблюдаемое – например, в водных экосистемах – вещество третьего типа не является просто бездыханными телами ранее живых организмов. После их смерти вступают в действие микроорганизмы, инициируются химические реакции окисления, деградации и т.д. Через непродолжительное время наблюдаемое вещество – продукт многих модификаций и трансформаций. Кроме того, немалую роль играют прижизненно выделяемые молекулы полимеров - например, полисахариды и другие вещества. Реально наблюдаемое вещество третьего типа, по-видимому, во многих случаях имеют комплексную природу и является результатом многих процессов.

Приходится признать, что в определенных случаях границы между типами вещества размыты. Например, по-видимому, в некоторых случаях затруднительно провести четкую границу между веществом 3 и 4-го типа. Возможно, в некоторых случаях будет уместно говорить, что данный объект обладает признаками вещества такого-то типа и на этом останавливаться – не пытаясь жестко классифицировать объект, категорично относя этот объект к строго одному типу вещества.

Вполне уместно отметить возможность эволюции, перехода вещества от одного типа к другому – например, вещество 3-го типа со временем может превращаться в минерал (вещество 2-го типа).

Факты, которые поддерживают выделение новой категории вещества (тип 3 в нашей вышеизложенной типологии), многочисленны.

Представляются существенными результаты наблюдений и опытов, которые проводились нами с организмами-фильтраторами (с 1995 г. по настоящее время), а также с микрокосмами в условиях длительной инкубации (с 2002 г. по настоящее время). В этих опытах мы наблюдали и изучали процессы, связанные с образованием существенных количеств ELM. Это вещество образовывалось в результате жизнедеятельности водных организмов (двустворчатых и легочных моллюсков), а также в результате длительной инкубации микрокосмов с макрофитами. Мы осуществили сбор и элементный анализ различных образцов биогенного детрита и других компонентов микрокосмов. Результаты отражены в публикациях (Остроумов, Демина, 2009, 2010; Остроумов, Колесов, 2009а,б, 2010а,б; Остроумов и др., 2009 и др.).

Мы провели также эксперименты по проверке выдвинутой нами гипотезы о возможности связывания с биогенным детритом ряда элементов. Работа по проверке этой гипотезы выполнялась совместно с сотрудниками ряда институтов (в том числе Института геохимии и аналитической химии РАН и Института океанологии РАН), которым приносится благодарность за сотрудничество. Гипотеза подтвердилась (см. ниже).

3.    ПРИМЕРЫ ФАКТОВ, КОТОРЫЕ ПОДДЕРЖИВАЮТ ВЫСКАЗАННЫЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ

Пример 1. Опыт с микрокосмами (Остроумов, Дёмина, 2010).

(Выражаем признательность и благодарность соавтору этой работы, д.г.-м.н. Л.Л. Деминой; в ряде аналогичных опытов участвовал к.х.н. Г.М.Колесов).

Для описания опытов далее приводятся три таблицы, в которых отражается следующее:

состав созданных и изученных микрокосмов (табл.1);

добавки металлов в воду микрокосмов (табл. 2);

результаты инкубирования микрокосмов – элементный состав биогенного детрита в этих экспериментальных водных экосистемах (табл. 3).

Таблица 1 Состав созданных и исследованных микрокосмов

Характеризуемый компонент	Микрокосм № 1 (контроль)	Микрокосм № 2 (опыт)
Моллюски Viviparus viviparus , экз.	6	6
Моллюски Viviparus viviparus , суммарная биомасса, г (сырой вес)	33,7	31,6
Макрофиты Ceratophyllum demersum , г (сырой вес)	16,3	15,1
Вода (отстоянная водопроводная вода), л	5	5

Состав вносимого в микрокосмы раствора М7 приведен в таблице ниже. Суммарное добавление за период 5 недель составило 10 мл на весь объем воды в микрокосме (5 л), т.е. 2 мл раствора М7 на 1 л.

Таблица 2

Cоли металлов, включенные в состав раствора М7, и добавка солей металлов в микрокосмы

Соль	Навеска соли для исходного раствора «М7» (1 л), мг	Добавление соли в микрокосм (при внесении 1 мл раствора «М7»), мкг
Fe 2 (SO 4 ) 3 · 9H 2 O	40	40
K 2 Cr 2 O 7	40	40
Cd (CH 3 COO) 2 ·2H 2 O	20	20
MnSO 4 ·5H 2 O	40	40
CuSO 4 ·5H 2 O	40	40
ZnSO 4	40	40
CoSO 4 ·7H 2 O	40	40

Результаты опыта приведены далее.

Таблица 3

Содержание микроэлементов (As и тяжелые металлы ) в осадке биогенного детрита, мкг/г сухого веса (Остроумов, Дёмина, 2010 и др. ).

Химический элемент; плюсом отмечены элементы, добавленные в водную среду микрокосма	Микрокосм № 1 (контроль)	Микрокосм № 2 (опыт)	Отношение содержания в № 2 к содержанию в № 1, %	Вывод о содержании металла в опыте, по сравнению с контролем
1	2	3	4	5
As	1,85	1,42	76,8	Превышения нет
Со (+)	0,67	9,36	1397,0	Превышение
Cd (+)	0,62	2,25	362,9	Превышение
Pb	11,75	12,25	104,3	Превышения нет
Cr (+)	0,32	56,00	17500,0	Превышение
Fe (+)	4830	5788	119,8	Небольшое превышение
Mn (+)	3233	4729	146,3	Превышение
Zn (+)	1398	2501	178,9	Превышение
Cu (+)	293	592	202,0	Превышение

Пример 2. Новые опыты. Связывание группы элементов, в том числе металлов и редкоземельных элементов, с биогенным материалом. Наряду с другими элементами, изучали такие элементы, как As, Be, Cd, Co, Cr, Mn, Mo, Ni, Pb, Sb, Se, Sr, Ti, V, Zn; изучали также Bi, Ga, Gd, Ge, Ho, Ir, Nb, Rb, Ta, Tb, Te, Th, Tm и др. (cовместная работа с J. Tyson, M. Johnson, B. Xing, University of Massachusetts, MA, USA; публикация в подготовке).

Пример 3. Связывание наночастиц, содержащих тяжелые металлы, с биогенным материалом (cовместная работа с J. Tyson, M. Johnson, B. Xing, University of Massachusetts, MA, USA; публикация в подготовке). С этими результатами согласуется также проведенная работа с использованием спектроскопии ЯМР, которая доказала эффективное связывание наночастиц, содержащих цинк, с некоторыми аминокислотами (триптофан) (совместная работа с В.И. Польшаковым; публикация в подготовке).

Пример 4. Данные по изучению гумусовых веществ в почвах и водах. В литературе есть обширные сведения о связывании этими веществами многих токсичных веществ.

Пример 5. Работами многих лабораторий установлен факт, тесно связанный с вышеприведенными примерами, - связывание многих токсичных веществ донными осадками, причем важную роль играет содержание в донных осадках органического вещества. Например, недавно это еще раз было показано для связывания Cd, Fe, Co, Ni, As, Cr, Pb, Cu, V донными осадками Иваньковского водохранилища (Липатникова, 2011). Органическое вещество донных осадков имеет биогенный характер и, конечно же, может служить примером вещества того типа, который в данной работе обозначен как ELM.

Пример 6. Существуют данные многих лабораторий о связывании элементов, в том числе токсичных металлов, с биогенным материалом. Например, показа- но эффективное связывание Al(III), Cu(II), Ag(I) с каждым из десяти исследованных биогенных материалов (biologically generated materials), иммобилизованных полисиликатным матриксом. Исследованные биогенные материалы включали сфагновый торф, верхний слой почвы, несколько других видов торфа, мертвую биомассу Chlorella vulgaris и клеточный материал растений Datura innoxia (Stark P. C., Rayson G. D., 2000).

Пример 7. Большая функциональная значимость биогенного материала в природных экосистемах ярко проявляется в случае пресноводных и морских экосистем. Биогенное органическое вещество, которое входит в состав донных отложений, вносит существенный вклад в связывание загрязняющих веществ донными отложениями, что является одним из процессов самоочищения воды в водных экосистемах (Остроумов, 2004, Ostroumov, 2006).

Дополнительный большой материал о биогенном органическом материале в экосистемах, в особенности водных, содержится во многих других публикациях, в том числе в (Summerhayes, Thorpe , 1996; Wetzel, 2001).

Эти примеры иллюстрируют широту эмпирического материала, на основании которого сделан и обоснован вывод о возможности выделения нового типа вещества. Возникает вопрос о том, как лучше назвать этот тип вещества.

4.    ВАРИАНТЫ НАЗВАНИЯ И ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ ОСОБЕННОСТИ НОВОГО ТИПА ВЕЩЕСТВА

В дополнение к использованной нами терминологии, ради объективности, рассмотрим и другие варианты названия этого вещества, которые мы могли бы предложить. Эти варианты даны в таблице ниже.

Таблица 4

Варианты названий нового типа вещества в биосфере (ориг.)

Название / name	Комментарий / comment Что акцентирует такой вариант названия
Ex-living matter	Генезис; timing
Биогенное косное вещество	Роль биоты; генезис
Биогенное неживое вещество	Роль биоты; генезис; дистанцирование от живого;
Вещество - химический буфер	Роль химических факторов и процессов; буферная роль;
Буферное вещество	Роль химических факторов и процессов; промежуточное положение между живым и неживым веществом; буферная роль
Метафорическое выражение: Вещество-помощник (Life Assisting Matter),	Позитивная роль этого вещества для живых организмов; в некоторых случаях констатируется, что вещество жертвует своим статусом живого, одновременно помогая улучшить условия для жизни организмов биосферы
Биогенная матрица	Биогенное происхождение вещества; способность нести функцию матрицы, сорбирующей химические элементы

В одной из строк табл. 4 встречается следующее выражение: «в некоторых случаях констатируется, что вещество жертвует своим статусом живого, одновременно помогая улучшить условия для жизни организмов биосферы». Не вызывает ли это некоторые исторические ассоциации? В плане своей функциональной роли в биосфере ELM может выступать как камикадзе наоборот. А именно, японский камикадзе сначала выполнял свою функцию – направлял ведомую им торпеду или свой самолет на американский корабль – и затем погибал. ELM в чем-то действует аналогично, но в противоположной последовательности. А именно, сначала часть живого вещества погибает и превращается в ELM. Затем ELM выполняет свою полезную для биосферы функцию – связывает токсичные вещества (например, токсичные тяжелые металлы), убирает их из свободной миграции и игры в окружающей среде (например, убирает их из водного раствора в гидросфере) и создает тем самым более благоприятные условия для жизни живых существ.

Итак, в конце концов функция выполнена, и это связано с гибелью ранее живого вещества или камикадзе. Это сходство конечного результата и заставило прибегнуть к столь необычному на первый взгляд вербальному выражению.

Рассматриваемые представления помогают по-новому осветить некоторые природные явления. Среди них – листопад. Вспомним о тысячах листьев, опадающих осенью с каждого дерева широколиственных лесов – и мы по-новому увидим эту картину: листопад можно интерпретировать как то, что каждое дерево посылает тысячи камикадзе, которые будут благоприятным образом влиять на химизм среды для этого дерева, в том числе путем связывания некоторого количества токсичных химических элементов.

Новые результаты, полученные в этих исследованиях, а также данные научной литературы выявляют существенную роль ELM в миграции элементов в биосфере. Подробное описание проведенных экспериментальных работ содержится в отдельных публикациях (например, Остроумов, Дёмина, 2010; Остроумов С.А., Колесов, 2009, 2011).

Хотелось бы подчеркнуть, что эффективное связывание тяжелых металлов с ELM (на примере биогенного детрита) указывает на важные для биосферы функции ELM – а именно, функции кондиционирования, очищения и стабилизации среды обитания для живых организмов, а также модификации и регуляции миграции элементов. Эти функции настолько важны и необходимы для поддержания благоприятной среды для живых организмов и настолько выделяют ELM как особую субстанцию, что есть смысл рассматривать ELM как особый тип вещества (о функциях – см. табл. 5).

Таблица 5

Функциональные особенности ELM как особого типа вещества

Функциональные особенности ELM / Functions of ELM	Примеры / Examples
1	2
1. Связывание и секвестр токсичных веществ, токсичных элементов	В случае водной среды – вклад в самоочищение воды (Остроумов, 2004, Ostroumov, 2006); другие публикации автора). Изучались различные токсиканты, в том числе токсичные тяжелые металлы. Совместные работы с Г.М. Колесовым (Остроумов., Ко

Окончание таблицы 5
1	2
	лесов, 2004; 2009а,б, 2010 и др.), Л.Л.Деминой (Остроумов, Дёмина, 2010) и др.); совместная работа с J. Tyson, M. Johnson, B. Xing, University of Massachusetts, MA, USA (публикация в подготовке)
2. Депонирование микроэлементов, эссенциальных элементов	Fe, Cu, Zn, Co; совместные работы с Л.Л. Деминой (Остроумов, Дёмина, 2010 и др.); Г.М. Колесовым (Остроумов., Колесов, 2004; 2009а,б, 2010 и др.).
3. Связывание элементов, создающих тепличные газы;	Связывание и депонирование С в органических полимерах (целлюлоза, лигнин и др.) в составе мортмассы
4. Создание субстратов для прикрепления организмов (substrate, habitats)	Органические остатки и структуры как поверхность для прикрепления бактерий, грибов и др.
5. Консервирование кормовых ресурсов	Органические остатки, листовой опад как кормовые ресурсы для гетеротрофных организмов в зимний период – в наземных и водных экосистемах
6. Запасание влаги (влагоудержание, вла-гоемкость)	Почвы; консорции с участием эпифитные организмы в надземных ярусах леса, в том числе тропических деревьев; и др.
7. Создание компонентов для катализа и/или протекания полезных химических реакций	Органические лиганды участвуют в некоторых реакциях разрушения молекул загрязняющих веществ (поллютантов) в водной среде (публикации проф. Ю.И. Скурлатова и соавторов (Скурлатов и др., 1994).
8. Удержание биогенных элементов в системе	Секвестр, удержание Р и N в почвах, донных осадках, сорбированных материалах

5.    ОТЛИЧИЕ ОТ ЖИВОГО И «ТИПИЧНОГО» НЕЖИВОГО ВЕЩЕСТВА.

Во-первых, этот тип вещества, конечно же, перестал быть живым веществом и отличен от живого вещества.

Во-вторых, вместе с тем, это вещество настолько глубоко вовлечено в обслуживание интересов живых организмов и – пользуясь языком В.И. Вернадского - оно настолько активно в воздействии на миграцию элементов, на формирование благоприятной геохимической среды обитания организмов, что есть смысл отличать его от обычного неживого вещества, такого неживого инертного вещества, которое является объектом минералогии и петрографии.

Проведенные автором описанные выше опыты касались водных систем. Вместе с тем подчеркнем, что уже накопленные в науках о почвах факты о исключительно большой роли гумуса в жизни почвенных и наземных (terrestrial) [9] экосистем согласуются с предлагаемой нами концепцией и дополнительно подкрепляют ее.

Все сказанное суммировано в следующей таблице, где материал обобщен с точки зрения того, насколько имеется соответствие набору основных критериев для выделения особого типа вещества в биосфере.

Из таблицы 6 Видно, что соответствие всем предложенным ранее критериям имеется.

Наши новые результаты по изучению элементного состава биогенного детрита, по изучению взаимодействия химических веществ с детритом, а также анализ литературных данных обширного комплекса экологических наук, а также данных о геохимической среде [12-18] приводят нас к следующим итоговым положениям, которые, вероятно, получат новые подтверждения в дальнейших исследованиях.

Таблица 6

Проверка соответствия особенностей вещества третьего типа (ELM, ex-living matter, экс-живого вещества) сформулированным ранее критериям для выделения особого типа вещества в биосфере

	Критерии	Выполняемость критерия в случае ELM	Есть ли соответствие данному критерию
1.	Отличие от живого вещества	Принципиальное отличие есть	+
2.	Отличие от неживого (косного) вещества	Есть отличие от мира минералов, типичной «неживой» природы	+
3.	Достаточно большая суммарная масса	Масса превышает массу живого вещества Растворенное органическое вещество, по углероду (Dissolved organic carbon) 1000 ·1015 g С; Органическое вещество донных осадков, по углероду (Organic sediments) 10 7 ·1015 g С; Морская биота (Marine biota) 3 ·1015 g С; Наземная биота (Terrestrial biota) (420-830) ·1015 g С	+
4.	Наличие своей специфики	Есть уникальный набор не менее восьми функций (cм. выше таблицу 5)	+
5.	Существенная роль в геохимической среде, биосфере	Исключительно большая важность для выживания организмов	+

ВЫВОДЫ И ЗАКЛЮЧИТЕЛЬНЫЕ ЗАМЕЧАНИЯ

Результаты проведенных опытов и анализ научной литературы ведет к следующим замечаниям и выводам.

• 1.    В биосфере имеется, в дополнение к живому и неживому веществу в их традиционном понимании, особая категория вещества – ELM (ex-living matter, экс-живое вещество, в трактовке, изложенной выше).

• 2.    ELM выполняет важные экологические и биогеохимические функции. Среди них – кондиционирование геохимической среды, включая, например, связывание некоторых химических веществ и элементов. Тем самым может снижаться

• 3.    Можно сделать предсказание, что в будущем будут получены новые факты о большой роли ELM в экологии, биосфере, в очищении или кондиционировании компонентов окружающей среды, в том числе водной среды.

• 4.    Недоучет роли ELM может привести к ошибкам в оценке воздействий на окружающую среду, планировании и осуществлении природопользования, экологическом мониторинге, борьбе с химическим загрязнением, обеспечении экобезопасности.

• 5.    Сделанные выводы далеки от окончательных обобщений. Вполне возможно, что в дальнейшем предлагаемую типологию необходимо будет модифицировать и улучшить.

• 6.    Поиск адекватной типологии видов вещества в биосфере вносит вклад в анализ фундаментальных концепций и систематизацию обширного эмпирического материала и накопленных фактов о геохимической среде и биосфере.

концентрация этих токсичных компонентов в окружающей среде, в том числе в водной среде, что благотворно для условий обитания живых организмов. Это относится и к токсичным элементам, и к элементам, геохимия которых связана с климаторегулирующими функциями.

В заключение полезно вспомнить слова известного биолога Эрнста Майра (Ernst Mayr, 1904-2005):

«All interpretations made by a scientist are hypotheses, and all hypotheses are ten-tative» («Все интерпретации, которые делает ученый, представляют собой гипотезы, а все гипотезы – временные»).

Автор благодарит всех участников Биогеохимических чтений ГЕОХИ РАН (28.06.2011) за обсуждение; С.В. Котелевцева, В.В. Ермакова, Л.Л. Демину, Г.М. Колесова, Т.В. Шестакову, В.А. Поклонова, сотрудников нескольких факультетов МГУ и нескольких институтов РАН, а также ИНБЮМ НАНУ (Украина) за обсуждение, участие и содействие в проведении экспериментальной и аналитической работы. A part of experimental work was done under sponsorship of Fulbright Program (University of Massachusetts, Amherst, 2010-2011), with cooperation with J. Tyson, M. Johnson, B. Xing.

- Остроумов С.А., Колесов Г.М. Выявление урана и тория в компонентах водных экосистем методом нейтронно-активационного анализа // Вода: химия и экология. 2009. № 10. С. 36-40. - Остроумов С.А., Колесов Г.М. Детектирование в компонентах экосистем золота, урана и других элементов методом нейтронноактивационного анализа // Экологические системы и приборы. 2009. № 10. С. 37-40. -Остроумов С.А., Колесов Г.М. О роли биогенного детрита в аккумуляции элементов в водных системах // Сибирский экологический журнал, 2010, № 4, с. 525-531. - Остроумов С.А., Колесов Г.М. Редкие и рассеянные элементы в биогенном детрите: новая сторона роли организмов в биогенной миграции элементов // Известия Самарского научного центра Российской академии наук. 2010. Т. 12. № 1. С. 153-155. - Остроумов С.А., Колесов Г.М., Моисеева Ю.А. Изучение водных микрокосмов с моллюсками и растениями: содержание химических элементов в детрите // Вода: химия и экология. 2009. № 8. С. 18-24. - Остроумов С.А., Котелевцев С.В., Шестакова Т.В., Колотилова Н.Н., Поклонов В.А., Соломонова Е.А. Новое о фиторе-медиационном потенциале: ускорение снижения концентраций тяжелых металлов (Pb, Cd, Zn, Cu) в воде в присутствии элодеи // Экологическая химия, 2009, 18(2): 111-119. - Остроумов С.А., Шестакова Т.В. Снижение измеряемых концентраций Cu, Zn, Cd, Pb в воде экспериментальных систем с Ceratophyllum demersum: потенциал фиторемедиации // ДАН. 2009. т. 428. № 2. С. 282-285. ;

Панин М.С. Химическая экология / Под ред. С.Е. Кудайбергенова - Семипалатинский гос. ун- т им. Шакарима. Семипалатинск, 2002. 852 с. - Перельман А.И., Касимов Н.С. Геохимия ландшафта. М.: Астрея, 2000. 763 с.

Розенберг Г.С. Экология в картинках (Учебное пособие). Тольятти: ИЭВБ РАН, 2007. 218 с. - Розенберг Г.С., Мозговой Д.П., Гелашвили Д.Б. Экология. Элементы теоретических конструкций современной экологии. – Самара: СамНЦ РАН, 1999. – 396 с.

Скурлатов Ю.И., Дука Г.Г., Мизити А. Введение в экологическую химию. М. Высшая школа. 1994. 400 с.

Федонкин М.А. Рец. Открытие нового вида опасных антропогенных воздействий в экологии животных и биосфере: ингибирование фильтрационной активности моллюсков поверхностно-активными веществами ( Ред. Г.В. Добровольский, Г.С. Розенберг, И.К. Тодераш; Москва: МАКС-Пресс, 2008) // Вестник РАН. 2009, т.79, № 8, с.749-750.

Шитиков В.К., Розенберг Г.С., Зинченко Т.Д. Количественная гидроэкология: методы, критерии, решения: в 2-х кн. М.: Наука, 2005. Кн. 1. 281 с.; Кн. 2. 337 с.

Ostroumov S.A. Biological Effects of Surfactants. CRC Press. Taylor & Francis: Boca Raton, London, New York. 2006. 304 p.

Vernadsky V.I. Problems of biogeochemistry. The fundamental matter-energy difference between the living and inert natural bodies of the biosphere // Trans. Conn. Acad. Arts Sci. 1944. 35: 483-517.

Wetzel R.G. Limnology: Lake and River Ecosystems. San Diego: Acad. Press, 2001. 1006 p.