Когда животные, в том числе человек, подвергаются воздействию химических загрязнителей, содержащихся в атмосферном воздухе или в воде, они, сами того не зная, становятся частью абиотического геохимического цикла. В отличие от воздействия табака или алкоголя, дозировку и соответствующий вред загрязнителей для здоровья оценить гораздо сложнее. Тем не менее ущерб для здоровья человека может быть очень серьезным, особенно при наличии биоконцентрации или биоаккумуляции вещества.
Неважно, является ли Земля саморегулирующейся системой, но для нее определенно характерна цикличность процессов: химические вещества переходят из одной фазы в среде в другую, зачастую затрачивая на это целые геологические эпохи. И живые организмы также принимают участие в этом круговороте, служа кратковременными пристанищами для веществ на их большом геохимическом пути.
Глава 7
Частицы-путешественницы
Идет ветер к югу, и переходит к северу, кружится, кружится на ходу своем, и возвращается ветер на круги свои.
Книга Екклесиаста, 1:6
В предыдущей главе мы изучили транспорт веществ между разными фазами среды – но только в их свободной молекулярной форме. Однако реальность куда сложнее: твердые частицы тоже могут перемещаться в воде и воздухе, наряду с жидкими аэрозолями. Перемещение частиц в воде и воздухе происходит по-разному, но в этих процессах есть поразительное сходство. Во-первых, зависимость расстояния, на которое способны перемещаться частицы, от их размера: чем меньше частица, тем больше расстояние. Во-вторых, процесс колонизации, то есть связывание токсичных веществ с какими-либо частицами, «верхом» на которых вещества могут путешествовать по течению или по ветру.
Перемещение твердых веществ в воде: осадочные частицы
Если осадок в воде – это просто твердые частицы разного размера, то чем больше эти частицы, тем большей харизмой они обладают. Белоснежный песок на карибском пляже и массивные булыжники в горном ручье Колорадо – настоящий подарок для фотографа, но они создают искаженное представление о взаимодействиях воды и осадочных частиц. На самом деле это не две разные несмешивающиеся фазы веществ, а инь и ян водной среды, которые, дополняя друг друга, составляют единое целое. Вода перемещает осадочные частицы, и чем больше ее напор, тем более крупные частицы передвигаются. Они, в свою очередь, также взаимодействуют с водой, обмениваясь молекулами с раствором.
Самые крупные осадочные частицы называются булыжниками – это куски камня более 25 см в поперечнике. Обломки поменьше (по мере убывания размера) – это галька, гравий, песок, пыль и глина. Самые мельчайшие частицы – коллоиды, которые остаются во взвешенном состоянии даже в полностью спокойной воде. Коллоидные частицы ведут себя не совсем как истинные частицы (не выпадают в осадок), но и не как истинно водорастворимое вещество. Они занимают некое промежуточное положение. Подобно белкам плазмы крови, коллоидные частицы могут влиять на концентрацию веществ в воде, связываясь с ними, удаляя их из растворимой фазы и таким образом снижая токсичность.
Но если коллоиды остаются во взвешенном состоянии, то почему океаны и реки не наполнены коллоидным материалом? По двум причинам: во-первых, неорганические и органические коллоидные частицы в определенных условиях среды объединяются, образуя хлопьевидные структуры, и оседают на дно, прихватывая с собой различные связавшиеся с ними вещества. Во-вторых, органические коллоиды – это пища для детритофагов и прожорливых микроорганизмов. Голодные бактерии, питающиеся органическими коллоидами, могут изменять структуру молекул некоторых токсичных веществ или разрушать их полностью. В некоторых природных системах коллоиды и токсичные вещества могут находиться в состоянии постоянного потока и перемешивания. Там, где коллоидный материал доминирует, токсичность переносимых водой веществ может быть снижена, а в других водоемах, где коллоидов практически нет, токсины остаются в растворенном состоянии и наносят максимальный вред.
По мере увеличения осадочных частиц в размере, от коллоида до глины и далее, на их транспорт по воде требуется все больше энергии (то есть вода должна течь быстрее), в противном случае они оседают на дно. Однако, даже оказавшись в донных отложениях, осадочные частицы продолжают влиять на подвижность токсичных молекул. Отчасти это объясняется тем, что мелкие осадочные частицы, например глина, могут как притягивать, так и отталкивать различные химические вещества. Поверхность частицы обычно имеет отрицательный заряд, поэтому она будет отталкивать другие отрицательно заряженные частицы в воде, а положительно заряженные – притягивать.
Говоря в общем, чем меньше осадочная частица, тем важнее ее роль в передвижении веществ в водной среде. На это есть две основные причины. Первая – отношение площади поверхности к объему частицы. Представьте себе, что вы сняли оболочку с баскетбольного мяча и разложили ее на плоской поверхности. Она покроет определенную площадь, приблизительно равную площади небольшого полотенца для рук. Но если вы набьете баскетбольный мяч бусинами, а потом разложите поверхность всех этих бусин на плоскости, то она покроет площадь примерно с простыню, то есть приблизительно в 10 раз большую, чем площадь оболочки мяча. Общая площадь поверхности всех частиц в определенном объеме называется удельной поверхностью. Этот показатель очень важен, так как помогает объяснить, почему в горсти мелких камушков во много раз больше мест для связывания молекул, чем у одного большого камня. В случае с мелкими частицами это труднее представить наглядно, однако общая закономерность остается той же: в ложке глины или пыли во много раз больше мест для связывания органического материала, чем в ложке песка.
Удельная поверхность частиц различного размера во многом объясняет взаимодействие различных молекул с осадочными частицами, но это еще не вся история. По мере уменьшения размера частиц также уменьшается и свободное пространство между ними (представьте себе пустые места между сложенными в кучу баскетбольными мячами и пустые места между сложенными бусинами). В водных системах это пространство заполнено водой, которая называется внутрипóровой, так как находится в пустых местах, или порах, между осадочными частицами.
В горных потоках вода движется очень быстро и вымывает ил и глину вместе со всем органическим материалом – например, кусочками разлагающихся листьев, – оставляя таким образом чистую воду, крупные отложения и минимум органики. Токсичные вещества и органика, находящиеся в воде внутри пор, по большей части не успевают взаимодействовать с имеющимися осадочными частицами, а уносятся вниз по течению. Вода в равнинных реках – например, текущая через кукурузные поля Иллинойса, – наоборот, движется достаточно медленно, и мелкие частицы (песок, пыль и глина) оседают на дне. Любая органика, движущаяся вниз по течению, также может задерживаться в поровом пространстве между мелкими неорганическими осадочными частицами. Этот органический материал обладает большей липофильностью, чем окружающие его неорганические частицы, поэтому липофильные молекулы притягиваются к ним. В отличие от горных потоков, где липофильные вещества, прилипающие к осадочным частицам, в основном уносятся течением, в медленно текущей воде они главным образом формируют органические донные отложения.
Мы все интуитивно понимаем эту зависимость между размером частиц и бактериальной активностью, что видно даже по терминологии. Наименования более крупных осадочных частиц (от гравия до песка) не меняются, в каком бы состоянии они ни находились. Мокрый песок остается песком, мокрый гравий – гравием. Однако названия пыли и глины меняются, когда эти частицы намокают и смешиваются с органическим материалом. Мокрая глина и мокрая пыль, особенно смешанные с большим количеством органики, становятся илом или просто грязью.
У большинства людей термины «ил» и «грязь» вызывают негативные ассоциации, и на это есть причина. Грубо говоря, они воняют. Илы и грязи – это место разложения органических веществ (биотрансформации на высокомолекулярном уровне), при котором выделяются газы и пары, которые действительно могут иметь не слишком приятный запах. Бактерии в таких сообществах совершают грязную, но необходимую для экосистемы работу.
Вполне понятно, колонии бактерий, растущие в иле и грязи, гораздо более многочисленны, разнообразны и активны, чем те, что живут среди частиц песка. Все эти бактерии находятся в постоянном поиске съедобных молекул и, когда находят их, производят биотрансформацию, изменяя структуру прилипшего к осадочным частицам органического материала и в некоторых случаях освобождая их в воду. Нередко бывает, что вещество, попавшее в верхний слой донных отложений, преобразуется и снова переходит в толщу воды уже в виде метаболитов.
