Средний химический состав живого вещества.

Живые организмы состоят из элементов, образующих газообразные (воздушные мигранты) и растворимые (водные мигранты) соединения. Между составом земной коры и живым веществом нет прямой зависимости. Более 98% живого составляют воздушные мигранты - кислород, углерод, водород, азот, с содержанием кислорода до 70%. Большая часть кислорода (свыше50%) связана с водородом и образует воду. Вода составляет в травах более 85%, крупных млекопитающих- свыше 60%, только споры и семена ее содержат не более 15%. Меньшая часть кислорода и водорода входит в состав белков, жиров, углеводов и других органических соединений.

Из водных мигрантов преобладают наиболее подвижные элементы в следующих соотношениях: кальция больше, чем алюминия и железа, калия больше, чем кремния (в земной коре наоборот). В живом веществе, в целом, мало ядовитых элементов - урана, ртути, селена, хотя они и образуют растворимые соединения. Низки так же содержания циркония, титана, тантала и других малоподвижных элементов.

Кларки концентрации элементов в живом веществе именуются биофильностью элементов. Наибольшей биофильностью обладает С - 7,8 * 104, менее биофильны азот - 160, Н- 70.

Близки по биофильности анионогенные элементы 0 - 1,5, Cl - 1,1. S- 1, P - 0,75, B - 0,83, Br -0,71. Наименее биофильны  Fe - 0,002, Al - 0,0006. Такое соотношение биофильности основных элементов говорит о том, что состав живого вещества ближе коррелируется с составом атмосферы и гидросферы, чем литосферы.

Отмечено, что своеобразие климата и геологического строения определяют своеобразие химического состава живого вещества конкретных ландшафтов, их отличие от среднего состава живого вещества Земли. Например, живое вещество солончаков обогащено натрием, хлором, серой, в растениях степей - много кальция и мало алюминия, железа, растения влажных тропиков бедны кальцием и богаты алюминием. Средний химический состав живого вещества ландшафта является важным систематическим признаком ландшафтов.

Характерным химическим составом обладают как отдельные виды животных и растений, так и отдельные организмы Элементарный химический состав является важным систематическим признаком. Так, углерод составляет в ряске малой - 2,5% , в кладонии - 21,8%, в белой мыши - 12,5%, в бабочке-капустнице- 20,5%. Клевер содержит 0,01% натрия, солянки - 1,5-2,0% (данные в % от живой массы). Зола злаков богата окисью кремния, зола бобовых - кальцием, зола картофеля и подсолнечника - калием.

Следовательно, живое вещество, в особенности растительный покров является биогеохимическим барьером, на котором концентрируются воздушные мигранты - углерод, кислород, водород, азот, йод, а если считать накопление на золу, то на биогеохимическом барьере накапливается фосфор, сера, хлор, хром, барий, а в отдельных ландшафтах кальций, магний, натрии, цинк, медь, молибден и другие элементы.

Оставаясь важным диагностическим признаком вида, химический состав различных органов растений может быть неодинаков. Например, отмечено повышенное содержание  металлов в листьях и тонких ветвях деревьев, меньше их в корнях и коре, минимальное содержание фиксируется в древесине. Химический состав организмов  меняется в зависимости от сезона. Так, содержание кобальта, никеля, меди в листьях деревьев от весны к осени увеличивается в 2-3 раза. Содержание калия и фосфора в золе трав уменьшается от весны к осени. В целом сезонная изменчивость наиболее проявляется в молодых органах и меньше - в старых. Эти закономернсти в содержании элементов в растениях следует учитывать, сопоставляя данные биохимического опробования.

Однако накопление химических элементов в организмах не бесконечно, для него существует физиологический барьер поглощения. Он различен для разных растений и для разных химических элементов. Если для радия он достаточно высок, и содержание этого элемента в растениях растет с увеличением его концентрации в почве, то для урана предел низок, организмы быстро насыщаются и перестают поглощать его из почвы.

Растения, прекращающие поглощать избыточный элемент из почвы при росте его содержания в почве, называются барьерными. Их продуктивность, достигнув максимума при наиболее благоприятном количестве элемента, при его избытке не меняется. Безбарьерные растения реагируют на избыточное количество элемента в почве сначала ростом продуктивности, а затем ее сокращением и гибелью.

Нередко высокое содержание элемента в среде приводит к различным изменениям в физиологии и морфологии организмов и со временем закрепляются наследственностью, так появляется расы, вариететы и новые виды организмов: цинковая, литиевая, серпентинитовая, селеновая и прочие флоры, распространенные в зонах развития соответствующих пород (естественный отбор на химической основе).

Таким образом, химический состав некоторых организмов позволяет делать заключение о районе происхождения вида и путях его миграции. Например, виды растений, обогащенные хлористым натрием возникли в бессточных областях, на морских побережьях, с высоким содержанием алюминия - на латеритной коре выветривания.

Биогеохимические параметры отдельных организмов.

А.Л. Ковалевский предложил ряд параметров, позволяющих выявить тесноту геохимической связи организма и среды. Основными параметрами являются ОСВР и ОСОР.

ОСВР - относительное содержание химических элементов в видах, растущих в сопоставимых условиях (в одном элементарном ландшафте) характеризует отношение содержания элемента в изучаемом виде растения к его содержанию в эталонном. Выбрав эталонное растение, для каждого элементарного ландшафта можно определить растения концентраторы и деконцентраторы химических элементов. Рубежным считают значение ОСВР равное 2,5. При больших значениях растение является концетратором (интенсивным при ОСВР - более 25, умеренным - при 4,0-25, слабым 2.5 -4,0), при меньших - деконцентратором (интенсивным при ОСВР - меньше 0,004, умеренным - при 0,25-0,04, и слабым 0,4-0,25).

Параметр ОСОР - это отношение содержания элементов в органах растений (содержание элемента в исследуемом органе к содержанию в эталонном). Значения ОСОР могут меняться на два порядка, например ОСОР селена в астрагалах (надземные органы: корни) достигает 30-50, ОСОР молибдена в хвойных деревьях (хвоя: древесина) -3-0,03.

Дефицитные и избыточные элементы. Дефицитными элементами считают элементы, добавление подвижных форм которых увеличивает продукцию живого вещества. Валовое содержание этих элементов может быть достаточным (кислород, азот, фосфор, калий, кальций, магний, медь), но форма нахождения в почвах неблагоприятна для усваивания растениями, что приводит к минеральному голоданию. Перевод этих элементов в доступную форму позволяет устранять это голодание. Избыточными считаются такие элементы, удаление которых увеличивает продукцию (хлор, сера, натрий, медь, никель, железо, фтор).

Характеристики интенсивности процессов биологического поглощения.

Для характеристики интенсивности биологического поглощения элементов принято использовать коэффициент биологического поглощения Ах

Ах = Лх/Нх,

где Лх содержание элемента Х в золе растений, Нх - содержание элемента Х в горной породе или  почве, кларк литосферы (последнее используется чаще).

При Ах больше 1 - элементы накапливаются в растениях (элементы биологического накопления), при Ах меньше 1 - только захватываются (элементы биологического захвата).

При Ах равном 100n-10n - это элементы энергичного накопления, к ним относятся P, S, Cl, Br, I.  Элементы с Ах равным 10n - n относятся к элементам с сильным накоплением.  Это -Ca, Na, K, Mg, Sr, Zn, B,Se. Такие элементы как  Mn, F, Ba, Ni, Cu, Co, Pb, Sn, As, Mo, Hg, Ag, Ra относятся к группе элементов средней интенсивности захвата (Ах равно n-0,1n), а элементы Si, Al,Fe,Ti,Zr, Rb, V, Cr, Li, Nb, Nh, Sc, Be, Cs, Ta, U, W, Sb, Cd - слабого и очень слабого захвата (Ах -  0,0n- 0,00n).

В практике ландшафтно-геохимических исследований используют также коэффициенты, предложенные А.Л. Ковалевским - РВК и РГК

РВК - растительно- водный корневой коэффициент - отношение содержания химического элемента в золе растений к его содержанию в водном растворе. Его значение колеблется от 102 до 105.

РГК - растительно-газовый некорневой коэффициент, равный отношению содержания химического элемента в золе к его содержанию в воздухе (почвенном или приземном). Его величина колеблется от 104 до 107.

Значения этих коэффициентов свидетельствуют, что наиболее интенсивно элементы поглощаются из газовой фазы, слабее из раствора, еще слабее - из твердой фазы. Главным же источником основных элементов для растений является твердая фаза почв. Только для наиболее растворимых соединений (Cl, SO42-) главным источником служат воды, а для некоторых  газообразных соединений  (CO2 , NH3) - воздух.