[生物工程]地質(zhì)科學(xué)創(chuàng)新領(lǐng)域——生物地質(zhì)環(huán)境學(xué)

1、生物工程地質(zhì)科學(xué)創(chuàng)新領(lǐng)域生物地質(zhì)環(huán)境學(xué)、生物與環(huán)境任何生物一旦誕生，為了完成其生命過程，須臾也不能脫離它所在的環(huán)境。對于一個詳細(xì)的生物而言，它周圍的所有因素都是它的環(huán)境。如光照、溫度、空氣中的2、2、濕度、水分、土壤、各種營養(yǎng)元素，以及其它的各種生物，還有影響該生物存在的人類活動，等等。生物與環(huán)境的關(guān)系不是單向的，而是雙向互動的。即，不但環(huán)境給生物提供生存條件；反過來，生物的存在也會給環(huán)境產(chǎn)生某些變化。如森林的存在，可以改善氣候、修養(yǎng)水土、保護(hù)野生動物；而毀林開荒，可造成水土流失、土地沙化、氣候惡劣、生態(tài)環(huán)境破壞，物種喪失，最終危害到人類自身的生存。不同環(huán)境對生物產(chǎn)生不同影響：適宜的環(huán)境對生物

2、產(chǎn)生好影響，促使其良性生長發(fā)育；惡劣環(huán)境那么產(chǎn)生不良影響，阻礙它正常生長發(fā)育。環(huán)境不僅影響生物的當(dāng)代，而且會脅迫生物改變自身的性狀，為適應(yīng)環(huán)境產(chǎn)生變異，并將此變異帶到遺傳基因中去。所以說，任何一種實(shí)際存在的生物所表現(xiàn)的形式，都是環(huán)境影響的結(jié)果。在環(huán)境影響生物這一領(lǐng)域中，學(xué)術(shù)界傳統(tǒng)觀點(diǎn)多側(cè)重于地表生態(tài)因子光、熱、水、氣對生物的影響，而忽略了地質(zhì)環(huán)境因子如地質(zhì)作用、地質(zhì)構(gòu)造、地球化學(xué)、地球物理等的影響。生態(tài)學(xué)是專門研究生物與其周圍環(huán)境的科學(xué)。生態(tài)學(xué)提出了生態(tài)因子的概念以區(qū)別于環(huán)境因子，即：生態(tài)因子是環(huán)境因子中對生物起作用的因子，而環(huán)境因子那么是指生物體以外的全部因子。生態(tài)因子極其復(fù)雜多樣，可歸納為

3、五類：1.氣候因子：如溫度、濕度、光、水、風(fēng)、氣壓和雷電等；2.土壤因子：包括土壤、土壤有機(jī)和無機(jī)成分的理化性質(zhì)以及土壤生物等；3.形因子：如地面起伏、山脈坡度、陰坡或陽坡、海拔高度和經(jīng)緯度等；4.生物因子：生物之間的捕食、寄生、競爭和互惠共生等；5.人為因子：人類活動對生物的影響。由上可見，包括生態(tài)學(xué)在內(nèi)的討論生命與環(huán)境的學(xué)科，多側(cè)重于環(huán)境中地表生態(tài)因子光、熱、水、氣等對生物的影響，而忽略了地下生態(tài)因子，即由地質(zhì)環(huán)境決定的各種因子對生物的重要影響。只有包括了地貌、土壤、礦質(zhì)元素、巖石類型等地質(zhì)環(huán)境因子，才能完好地代表生物與環(huán)境的全部關(guān)系。二、生物與地質(zhì)環(huán)境生物與其生存的地質(zhì)環(huán)境統(tǒng)一進(jìn)展研究的

4、思想在20世紀(jì)初即已萌發(fā)。1910年，a.r.華萊士指出，地殼變動是生物進(jìn)化的誘因和沖動力，其中化學(xué)元素含量的變化是根本的動因。1916年起，。維爾納茨基屢次指出，有機(jī)體化學(xué)元素和地殼的化學(xué)元素之間有著不可分割的聯(lián)絡(luò)。生物的出現(xiàn)不是地殼外部的偶然現(xiàn)象，而是地殼開展的必然產(chǎn)物。被有機(jī)體同化了的礦物質(zhì)的量變，必然導(dǎo)致積累這些元素的有機(jī)體的質(zhì)變。因此，有機(jī)體引起的生物環(huán)境的化學(xué)變化，必然導(dǎo)致有機(jī)體的質(zhì)變，促進(jìn)生物的進(jìn)化。1927年，。維爾納茨基提出“生物圈的概念，將其與地球表層的氣圈、水圈、巖石圈相提并論。他認(rèn)為，生物圈是指有機(jī)體及其存在環(huán)境的總和。生物地球化學(xué)研究認(rèn)為，生物有機(jī)體含人類并非什么超自

5、然的特殊物質(zhì)，而是由地殼無機(jī)物長期演化的產(chǎn)物。生物在其漫長的演化進(jìn)程中，通過新陳代謝，與環(huán)境交換物質(zhì)，并通過變異、遺傳等過程建立了動態(tài)平衡。1938年，。維諾格拉多夫在他提出的“生物地球化學(xué)時這一概念中認(rèn)為，由于地殼表層不同地區(qū)地球化學(xué)元素含量不同，因此引起地方植物群和動物群的不同生物反響，在極端情況下某些重要元素的顯著缺乏或過剩，會產(chǎn)生生物地球化學(xué)玻顯而易見，這一概念應(yīng)包括人類。因地質(zhì)環(huán)境所致的地方病例不勝枚舉。如全球性的，北半球灰化和草甸土灰化土壤帶，從美國邊境經(jīng)歐洲德國、荷蘭、丹麥、波蘭過波羅的海沿岸國家到莫斯科近郊，延至烏拉爾，然后再經(jīng)西伯利亞到達(dá)澤雅，由于缺乏碘、銅、鈷、鈣而產(chǎn)生的動

6、植物和人的甲狀腺腫、缺鈷并脆骨并貧血病等。又如，嚴(yán)重危及人民安康的克山病心肌衰竭病，呈對角線狀分布在我國自黑龍江到云南的十多個省區(qū)。1954年，。維諾格拉多夫在對6000多種動物和植物化學(xué)分析的根底上，獲得了元素在有機(jī)體中分布的資料。隨后，于上世紀(jì)60年代初，他和。馬留加又公布了元素在巖石圈、土壤和地表植物中豐度比較的資料。1975年，j.j.康納和h.t.沙克立特根據(jù)美國147個景觀單元，8000多個巖石、土壤、植物及蔬菜樣品的分析結(jié)果，得出了美國大陸巖石、土壤、植物及蔬菜中48種元素的地球化學(xué)背景值。以上研究不僅提供了詳細(xì)豐富的資料，更可貴的是在生物與地質(zhì)環(huán)境的地球化學(xué)聯(lián)絡(luò)方面給人以深化的

7、印象。更為全面系統(tǒng)研究生物與地質(zhì)環(huán)境關(guān)系的當(dāng)屬。波雷諾夫和。彼列爾曼等19441946，他們創(chuàng)立的?景觀地球化學(xué)?認(rèn)為，存在于地球外表任一地區(qū)之內(nèi)的各種自然因子氣候、地質(zhì)、地貌、土壤、水文和動植物等是一個有著嚴(yán)密聯(lián)絡(luò)且又互相制約的統(tǒng)一體，即地球化學(xué)景觀。景觀中最主要的地球化學(xué)現(xiàn)象是活有機(jī)體的活動及其堆積的活質(zhì)的量和質(zhì)，它又決定于有機(jī)體以外的其它自然因子。景觀中所有因子之間最重要的聯(lián)絡(luò)是地球化學(xué)聯(lián)絡(luò)。景觀中的地球化學(xué)元素屢次參加活有機(jī)體的組成內(nèi)有機(jī)質(zhì)化，此后又從中析出礦質(zhì)化。但此過程是不可逆的，即景觀不能重復(fù)過去的情況，而是不斷獲得某些新的特性。上述思想可以概括為，生物是地球長期演化的必然產(chǎn)物，

8、生物與其生存的地殼表層環(huán)境即地質(zhì)環(huán)境有著密不可分的聯(lián)絡(luò)，其中最重要的聯(lián)絡(luò)是地球化學(xué)聯(lián)絡(luò)。地質(zhì)環(huán)境對生物的影響極為深化，必須對生物及其存在的地質(zhì)環(huán)境中諸自然因子作統(tǒng)一的研究?？上У氖?，這些思想只是分散于有關(guān)學(xué)科中如?地球化學(xué)?、?生物地球化學(xué)?、?景觀地球化學(xué)?等，這些學(xué)科各有自己的研究對象和任務(wù)，并非專門來全面系統(tǒng)地闡述地質(zhì)環(huán)境對生物的影響。云南省地質(zhì)科學(xué)研究所的科技人員通過多年研究和總結(jié)，推出了一門新的邊緣學(xué)科生物地質(zhì)環(huán)境學(xué)。下面，就此學(xué)科內(nèi)容作較為詳細(xì)的介紹。三、生物地質(zhì)環(huán)境學(xué)生物地質(zhì)環(huán)境學(xué)是用地質(zhì)學(xué)的理論和方法研究生物與其賴以生存的地質(zhì)環(huán)境之間關(guān)系，著重研究地質(zhì)環(huán)境對生物影響的學(xué)科，它是

9、生物學(xué)、地質(zhì)學(xué)和環(huán)境科學(xué)等互相浸透交融而成的一門邊緣學(xué)科。該學(xué)科認(rèn)為：生物微生物、植物、動物、人類與其賴以生存的地殼表層環(huán)境地質(zhì)環(huán)境有著密不可分的聯(lián)絡(luò)，地質(zhì)環(huán)境中諸因子地形、地質(zhì)運(yùn)動、地質(zhì)構(gòu)造、成土母巖、土壤、地球化學(xué)、地球物理、水文等對生物的生長、發(fā)育、品質(zhì)和安康有重要影響。其中最重要最本質(zhì)的影響是地球化學(xué)元素通過在母巖土壤生物系統(tǒng)中的運(yùn)移、變化、積累，最終對生物的生理生化作用產(chǎn)生的影響。生物地質(zhì)環(huán)境學(xué)的理論表述為：研究物質(zhì)流、能量流、信息流在巖石圈表層、水圈、大氣圈下層和生物圈之間的運(yùn)動交換、轉(zhuǎn)化及其對生物的影響。生物地質(zhì)環(huán)境學(xué)通過認(rèn)識生物和地質(zhì)環(huán)境的關(guān)系以及改造地質(zhì)環(huán)境以適應(yīng)生物生存之需

10、，到達(dá)生物與地質(zhì)環(huán)境和諧相處，培育開發(fā)優(yōu)良生物資源，保護(hù)和建立生物及人類生存的優(yōu)良環(huán)境。由此可見，本學(xué)科既有創(chuàng)新的理論意義，又有重要實(shí)際價值。生物地質(zhì)環(huán)境學(xué)的研究內(nèi)容可分兩大方面：一是研究構(gòu)成地質(zhì)環(huán)境和各種因子的性質(zhì)、特征及其影響生物的詳細(xì)行為和機(jī)制；二是研究選擇、調(diào)整、保護(hù)和改造地質(zhì)環(huán)境以滿足生物生存需要的方法。關(guān)于第一方面環(huán)境性質(zhì)的研究有以下幾個內(nèi)容：1、環(huán)境的地理、地貌特征研究：指研究區(qū)所在的地理位置經(jīng)度、緯度和海拔高度，地表固態(tài)水體與液態(tài)水體面積的比例與配置方式，固態(tài)地表的幾何形態(tài)平緩開闊、起伏劇烈、凸起、凹下、山坡陡緩等。這些性質(zhì)首先決定了該區(qū)的小氣候，生物生存的根本條件土壤和水文，

11、以及這里的風(fēng)化成土作用及土壤發(fā)育和保存條件。當(dāng)然，也是地球化學(xué)元素運(yùn)移和地球物理性質(zhì)產(chǎn)生的條件之一。所有這些都直接地影響到生物。2、環(huán)境的地質(zhì)構(gòu)造及地質(zhì)運(yùn)動特征研究：區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造特征在宏觀上決定了該區(qū)地貌框架、地層巖石組合布局，從而也決定了地球化學(xué)元素區(qū)域分布特征。它們從總體上制約著該區(qū)生物生存的根本條件和大農(nóng)業(yè)消費(fèi)總體格局。地質(zhì)構(gòu)造活動帶往往也是地球化學(xué)運(yùn)動強(qiáng)烈地帶，形成某些地球化學(xué)異常能量場和物質(zhì)場，這些地帶對生物有突出的影響。地質(zhì)運(yùn)動的性質(zhì)多種多樣：有劇烈活動的，也有相對平穩(wěn)寧靜的；有抬升隆起的，也有沉陷下降的；有褶皺造山的，也有造陸或成海的，等等。地質(zhì)運(yùn)動從大的時空尺度上決定了該區(qū)生態(tài)

12、環(huán)境的變遷，從而決定了生物種群和演化，深化影響當(dāng)代生物的分布和性狀。3、環(huán)境的地球化學(xué)性質(zhì)研究：這是生物地質(zhì)環(huán)境學(xué)研究的重點(diǎn)內(nèi)容之一。前已述及，組成生物體的化學(xué)物質(zhì)始終與地殼即地質(zhì)環(huán)境保持著動態(tài)平衡。生物的進(jìn)化始終與地殼的演化嚴(yán)密相隨。地殼外表化學(xué)元素的分布是絕對非均一的，也就是說，不同地區(qū)的地球化學(xué)背景場是不一樣的，它們對生物影響不同，造成了生物體的地區(qū)性生物反響，輕那么影響產(chǎn)量、品質(zhì)、安康，重那么致病畸變甚至死亡。要研究地質(zhì)環(huán)境中的化學(xué)元素，特別是那些與生物親密相關(guān)的特征元素在母巖土壤生物系統(tǒng)中存在的種類、數(shù)量和形態(tài)，遷移、轉(zhuǎn)化、富集的條件，影響生物體的機(jī)理。還要研究元素之間的協(xié)和或拮抗關(guān)

13、系，等等。4、環(huán)境的地球物理性質(zhì)研究：勿庸置疑，地殼的完好堅實(shí)程度完好的、破碎的、穩(wěn)固的、松脆的和地球產(chǎn)生的各種物理場磁嘗重力嘗電嘗放射性場等對生物有宏大影響，一是直接影響生物的生存；另外，作為化學(xué)元素存在的環(huán)境條件，通過影響元素的存在和遷移而間接影響生物。不過，此領(lǐng)域的大部分內(nèi)容尚未研究，潛力非常宏大。5、環(huán)境的水文性質(zhì)研究：水是生物生存的必需條件之一，其重要性不言而喻。無論母巖風(fēng)化成母質(zhì)，生物參與下母質(zhì)衍生成土壤，以及元素在土壤中活化成有效態(tài)而被作物吸收等過程，無不有水的作用。要研究地下水、地表水、土壤水、生物生理水及大氣水之間的關(guān)系，研究潛水面高度，包氣帶厚度和水的量質(zhì)對作物的影響。更要

14、研究由于地下水位升降、海水進(jìn)退等造成的大區(qū)域土地鹽堿化、沙化、荒漠化等重大環(huán)境問題。6、地質(zhì)災(zāi)害與地方病研究：地質(zhì)災(zāi)害是環(huán)境突變產(chǎn)生的山崩、滑波、泥石流、水土流失等災(zāi)害性現(xiàn)象，對生物生存、大農(nóng)業(yè)消費(fèi)和人類生活造成重大危害，其發(fā)生的原因與地質(zhì)環(huán)境性質(zhì)親密相關(guān)。使用遙感手段加上實(shí)地調(diào)研，對可能發(fā)生災(zāi)害的地段做出預(yù)測并提出科學(xué)的防治措施。地方病的產(chǎn)活力制相當(dāng)復(fù)雜，但是，其中一個重要致病因子是地質(zhì)環(huán)境中某些有關(guān)化學(xué)元素出現(xiàn)障礙缺乏或過量。如我省主要分布于楚雄州的克山勃缺鉬和硒引起的地方性心肌??；主要分布于德宏州的地甲勃缺碘引起的地方性甲狀腺腫；主要分布于昭通地區(qū)的地氟勃氟缺乏或過高所致的疾病，均可用生

15、物地質(zhì)環(huán)境學(xué)的理論、方法和手段來研究防治。關(guān)于第二方面改造地質(zhì)環(huán)境的研究主要指某些非金屬礦物的利用開發(fā)研究。如有關(guān)沸石礦的開發(fā)已有較多成功例子，用其高效離子交換和吸附性能，消費(fèi)新型沸石肥料、飼料添加劑和污水處理劑等，效果非常顯著。在此不贅。生物地質(zhì)環(huán)境學(xué)從生物圈和地殼層三個圈層氣、水、巖的交互關(guān)系去研究地質(zhì)環(huán)境諸因子對生物的影響，重點(diǎn)是研究地球化學(xué)元素的影響，研究元素是如何通過酶系統(tǒng)和基因的表達(dá)深化影響生物的。生物地質(zhì)環(huán)境學(xué)的研究對象不限于農(nóng)業(yè)消費(fèi)的植物和動物，它包括自然界存在的所有生物微生物、植物、動物和人類，其研究范疇和適用領(lǐng)域，也遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了大農(nóng)業(yè)消費(fèi)，而廣泛觸及諸如生物多樣性、區(qū)域生態(tài)環(huán)

16、境、國土資源開發(fā)等多種戰(zhàn)略性的研究領(lǐng)域。四、研究實(shí)例以下我們將從地質(zhì)歷史、地質(zhì)作用、地質(zhì)構(gòu)造、土壤、地球化學(xué)元素五個方面討論地質(zhì)環(huán)境對生物的影響。1、地質(zhì)歷史對生物的影響地球形成至少已有45億年了，根據(jù)地質(zhì)古生物學(xué)的研究，地球上找到的最古老的生命證據(jù)是在南非發(fā)現(xiàn)的生活在32億年前的超微化石電鏡發(fā)現(xiàn)短桿菌，而大量豐富的后生動物是從6億年前開始的?？梢?，在生命出現(xiàn)以前，已經(jīng)歷了長達(dá)13億年的化學(xué)進(jìn)化階段，從無機(jī)小分子進(jìn)化到原始有機(jī)體再到生命，而從原核細(xì)胞到真核細(xì)胞，從單細(xì)胞到多細(xì)胞又歷經(jīng)至少26億年的漫長時期。這一時期以億年為單位，而從6億年開始的后生動物演化就越來越快，可以百萬年為單位。到了新生

17、代，人類出現(xiàn)的時代，演化就快到要以萬年為單位了?？v觀地質(zhì)史上生物演化歷程，每一階段無不與地質(zhì)環(huán)境親密相關(guān)。在長達(dá)40多億年的地質(zhì)歷史中，隨著地質(zhì)環(huán)境的逐步變遷，由不適宜生物生存到越來越適宜；由泛海洋到陸地逐漸擴(kuò)大；由單一的環(huán)境到越來越復(fù)雜，生物也由簡單到復(fù)雜、由低級到高級、由一般生物到出現(xiàn)靈長類，最終出現(xiàn)具有高度智慧的人類。環(huán)境和生物的演化完全是同步的嚴(yán)密相關(guān)的。當(dāng)?shù)刭|(zhì)環(huán)境處于長期穩(wěn)定漸變式的前進(jìn)時，生物的演化也呈緩慢的漸變式的，而當(dāng)環(huán)境表現(xiàn)出突變式的急轉(zhuǎn)彎時，生物也就出現(xiàn)所謂的“災(zāi)變大滅絕，或者大爆發(fā)。著名的寒武紀(jì)生物大爆發(fā)和白堊紀(jì)末期恐龍大滅絕是生物開展中突變的典型例子。寒武紀(jì)以前，由于地

18、質(zhì)環(huán)境尚未演化到適宜的階段，生物的出現(xiàn)也僅僅是低級的原始的，個體數(shù)量少，分布面積不廣，密度也不大，而且更重要的是還沒有條件形成硬殼保護(hù)其遺體。所以，保存化石的機(jī)率就很少。但是，寒武紀(jì)以前長達(dá)26億年自32億年前最古老的微化石到6億年前寒武紀(jì)開始的漫長時代，為生物大爆發(fā)準(zhǔn)備了質(zhì)變的飛躍和大量繁殖出現(xiàn)的條件。寒武紀(jì)早期，地球三圈巖石圈、水圈、氣圈發(fā)生劇烈變化，游離氧增至現(xiàn)代氧壓的10%，足以支持生物在液體介質(zhì)中借助本身器官進(jìn)展氣體循環(huán)。此時的海水中富磷、鎂、硅并含鈣，為生物造殼提供了物質(zhì)基矗生物一旦有殼，可保護(hù)半定型的軟體，適應(yīng)多變環(huán)境和防御外敵才能大大加強(qiáng)。于是，發(fā)生了生物界具有質(zhì)變飛躍意義的帶殼演化，促使了梅樹村動物群和澄江動物群兩次生命大爆發(fā)。白堊紀(jì)末期恐龍的突然滅絕也是與此時的地質(zhì)環(huán)境發(fā)生突變有關(guān)。一方面，當(dāng)時的強(qiáng)烈地殼運(yùn)動引起了地形、氣候、植物等環(huán)境條件產(chǎn)生了強(qiáng)烈改變。另一