生物地球化学

地球化学的分支

生物地球化学是地球化学的重要分支。研究由于生物活动而引起地壳中元素迁移、转化、富集、分散，以及由此引起生物繁殖、变异、衰减等规律的学科。重点研究生物圈中各种化学物质的来源、存在数量和状态，生物活动的特性，污染物的生物地球化学循环及迁移转化规律，环境中化学物质对生物体和人类健康的影响等问题。它对农业土壤改良、环境污染防治、地方病等方面的研究都有重要意义。

学科简介

生物地球化学是地球化学的重要分支。是研究由于生物活动而引起地壳中元素迁移、转化、富集、分散，以及由此引起生物繁殖、变异、衰减等规律的学科。

学科发展

生物地球化学是通过追踪化学元素迁移转化来研究生命与其周围环境的科学。全球生物地球化学循环是研究元素的各种化合物在生物圈、水圈、大气圈、岩石土壤圈之间的迁移和转化。研究生物圈在生物有机体参与下发生的地球化学过程。这一术语首先由维尔纳斯基在1902年提出，作为分支学科，生物地球化学在20世纪20年代基本形成。

学科组成

此学科由4个基本概念构成，即生物地球化学的量、流、群和场。这4个概念从不同角度解析生物与环境的关系，并确定了生物地球化学的方法论。

生物地球化学量

生命是无机元素在宇宙特定条件下演化的结果，生命进化长期以来受制于环境，正是地球的物理、化学条件造就了当前生命的形态和组成。许多学者指出生物和地壳的化学元素组成的相似性：地壳丰度较高的元素大多在生命体中也有较高丰度，并成为生命的必需元素；地壳丰度较低的元素大多在生命体中含量也较低。研究者们将这一丰度上的相似性归功于生物进化的结果。原始的脊椎动物文昌鱼选择了铁来构成它血红蛋白的载氧体系，而它的近亲海鞘选择了钒来运载血氧。由于铁在原始海水中的丰度远高于钒，且铁在血液中的载氧效率也高，文昌鱼赢得了进化优势，最后发展成高等脊椎动物，而海鞘却进入了进化的死胡同，至今仍是海鞘。生命与环境在生物地球化学量上的这种制约关系，至今仍是决定生命健康的根本法则。中国有些山区农村的地方性克山病、大骨节病和甲状腺肿即是某些化学元素（如硒，碘等）在水土中含量过低造成；当工业污染将许多本来在地球表面含量甚微的元素（如汞、镉等）带入环境后，人和环境在化学元素丰度上的乎行关系就被破坏，癌症和其它恶病也许会随之而来。生物地球化学量研究的目标是探索生命及其无机环境（即地壳、土壤、海水等）在元素组成上的丰度关系，这种关系可能源自生命进化过程，并决定了当前生命对环境化学状态的依赖性。

生物地球化学流

生物与环境的联系是“化学元素在生命一无机环境界面的交换为基础的。通过化学元素在生态环境中的不断流动，新鲜物质和能量输人生物体，新陈代谢的废物归还给环境。追踪一个或多个化学元素的迁移，会清楚地看到生物与其环境如何组成一个整体，我们称之为生态系统。有时这种元素的流动会在其末端又与起点连接起来，形成一个生物地球化学循环（biogeoehemical cycle）。并不是所有化学元素都会在有意义的时间尺度内实现循环的，因此生物地球化学循环仅是生物地球化学流的一个特例。近年来，全球气候变化成为人们关注的中心，人们关心二氧化碳（CO2）、甲烷（CH4）和氧化亚氮（N2O）等温室气体的来龙去脉。由于这几种主要温室气体都是碳或氮迁移转化的中间产物。因而碳和氮的生物地球化学循环骤然成为全球生态环境研究的焦点。

生物地球化学群

当化学元素在环境或生物体迁移转化时。它们大多以化合物的形式存在，这注定了化学元素在生态环境中很少独来独往，它们只有结伴成群才对生命体有意义。如碳和氮在所有植物生长中的依存关系与叶绿紊生成息息相关；铜在血液中的存在促进机体对铁的吸收，而镉和铅却拮抗铁的生物学作用；有机含硫化物在水体的存在会大大限制许多重金属的运移等等。化学元素在生态环境中所呈现的群组行为对于形成生物与环境的特定关系至关重要，这种群组行为可由原子结构和化学键理论进行预测。通过热力学，化学反应动力学、络合物化学及量子化学来研究这种群组现象，必将是未来生物地球化学的一个重要方面。

生构地球化学场

生物地球化学流描述元素如何在生态环境系统中迁移转化，而生物地球化学场回答是什么力量导致了元素的运动Ⅲ。在一个特定的时空位置上，任何化学元素都处在物理位移和化学形态转化的多维动向之中；这些动向受几种环境因子控制。主要的环境因子包括重力、辐射、温度、湿度、酸碱度（pH）、氧化还原电位（Eh）及有关化学物质的浓度梯度。这些环境营力在时间和空间上不断变化，形成一个动态的力场，任何一个置身其中的化学元素都将在这种多维力场的驱动下，或发生物理位移，或发生化学形态转化。

上述4个基本概念分别描述了生物地球化学学科研究的主要方面：生物地球化学量研究生物与环境在长期进化过程中形成的特定丰度关系，这种关系决定了当前生命体的元素化学组成及其对环境化学状态的依赖性；生物地球化学流追踪化学元素在生态系统中的迁移转化，描述生命和环境如何通过物质及能量交换而形成一个对立统一的整体；生物地球化学群研究原子结构或化学键如何控制多种元素在生命体的共同存在及相互制约作用，同一化学元素在不同化合状态下，可能对生命体有不同的意义；生物地球化学场是驱动元素在生态系统中迁移转化的各种环境营力的综合表达，预测生物地球化学场的时空变化是预测元素运动的前提条件。简言之，生物地球化学的量、流。群、场4个概念经纬交织构成了生物地球化学的学科主题，并演绎出生物地球化学的方法论。

研究内容

重点研究生物圈中各种化学物质的来源、存在数量和状态，生物活动的特性，污染物的生物地球化学循环及迁移转化规律，环境中化学物质对生物体和人类健康的影响等问题。

研究意义

生物是地球演化的巨大地质营力，地球上几乎所有重大现象和过程都离不开生物地球化学作用。例如，大气圈的形成与耗损，土壤圈的形成与退化，水资源的变化和水质的恶化，全球变化等。生物地球化学的研究将为生物圈的开发利用和保护、环境保护、为智慧圈的建立提供重要的科学依据，为卫生保健和预防医学、探矿以及资源的合理开发利用等方面作出独特的贡献。

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