[生物工程]地质科学创新领域——生物地质环境学

1、生物工程地质科学创新领域生物地质环境学、生物与环境任何生物一旦诞生，为了完成其生命过程，须臾也不能脱离它所在的环境。对于一个详细的生物而言，它周围的所有因素都是它的环境。如光照、温度、空气中的2、2、湿度、水分、土壤、各种营养元素，以及其它的各种生物，还有影响该生物存在的人类活动，等等。生物与环境的关系不是单向的，而是双向互动的。即，不但环境给生物提供生存条件；反过来，生物的存在也会给环境产生某些变化。如森林的存在，可以改善气候、修养水土、保护野生动物；而毁林开荒，可造成水土流失、土地沙化、气候恶劣、生态环境破坏，物种丧失，最终危害到人类自身的生存。不同环境对生物产生不同影响：适宜的环境对生物

2、产生好影响，促使其良性生长发育；恶劣环境那么产生不良影响，阻碍它正常生长发育。环境不仅影响生物的当代，而且会胁迫生物改变自身的性状，为适应环境产生变异，并将此变异带到遗传基因中去。所以说，任何一种实际存在的生物所表现的形式，都是环境影响的结果。在环境影响生物这一领域中，学术界传统观点多侧重于地表生态因子光、热、水、气对生物的影响，而忽略了地质环境因子如地质作用、地质构造、地球化学、地球物理等的影响。生态学是专门研究生物与其周围环境的科学。生态学提出了生态因子的概念以区别于环境因子，即：生态因子是环境因子中对生物起作用的因子，而环境因子那么是指生物体以外的全部因子。生态因子极其复杂多样，可归纳为

3、五类：1.气候因子：如温度、湿度、光、水、风、气压和雷电等；2.土壤因子：包括土壤、土壤有机和无机成分的理化性质以及土壤生物等；3.形因子：如地面起伏、山脉坡度、阴坡或阳坡、海拔高度和经纬度等；4.生物因子：生物之间的捕食、寄生、竞争和互惠共生等；5.人为因子：人类活动对生物的影响。由上可见，包括生态学在内的讨论生命与环境的学科，多侧重于环境中地表生态因子光、热、水、气等对生物的影响，而忽略了地下生态因子，即由地质环境决定的各种因子对生物的重要影响。只有包括了地貌、土壤、矿质元素、岩石类型等地质环境因子，才能完好地代表生物与环境的全部关系。二、生物与地质环境生物与其生存的地质环境统一进展研究的

4、思想在20世纪初即已萌发。1910年，a.r.华莱士指出，地壳变动是生物进化的诱因和冲动力，其中化学元素含量的变化是根本的动因。1916年起，。维尔纳茨基屡次指出，有机体化学元素和地壳的化学元素之间有着不可分割的联络。生物的出现不是地壳外部的偶然现象，而是地壳开展的必然产物。被有机体同化了的矿物质的量变，必然导致积累这些元素的有机体的质变。因此，有机体引起的生物环境的化学变化，必然导致有机体的质变，促进生物的进化。1927年，。维尔纳茨基提出“生物圈的概念，将其与地球表层的气圈、水圈、岩石圈相提并论。他认为，生物圈是指有机体及其存在环境的总和。生物地球化学研究认为，生物有机体含人类并非什么超自

5、然的特殊物质，而是由地壳无机物长期演化的产物。生物在其漫长的演化进程中，通过新陈代谢，与环境交换物质，并通过变异、遗传等过程建立了动态平衡。1938年，。维诺格拉多夫在他提出的“生物地球化学时这一概念中认为，由于地壳表层不同地区地球化学元素含量不同，因此引起地方植物群和动物群的不同生物反响，在极端情况下某些重要元素的显著缺乏或过剩，会产生生物地球化学玻显而易见，这一概念应包括人类。因地质环境所致的地方病例不胜枚举。如全球性的，北半球灰化和草甸土灰化土壤带，从美国边境经欧洲德国、荷兰、丹麦、波兰过波罗的海沿岸国家到莫斯科近郊，延至乌拉尔，然后再经西伯利亚到达泽雅，由于缺乏碘、铜、钴、钙而产生的动

6、植物和人的甲状腺肿、缺钴并脆骨并贫血病等。又如，严重危及人民安康的克山病心肌衰竭病，呈对角线状分布在我国自黑龙江到云南的十多个省区。1954年，。维诺格拉多夫在对6000多种动物和植物化学分析的根底上，获得了元素在有机体中分布的资料。随后，于上世纪60年代初，他和。马留加又公布了元素在岩石圈、土壤和地表植物中丰度比较的资料。1975年，j.j.康纳和h.t.沙克立特根据美国147个景观单元，8000多个岩石、土壤、植物及蔬菜样品的分析结果，得出了美国大陆岩石、土壤、植物及蔬菜中48种元素的地球化学背景值。以上研究不仅提供了详细丰富的资料，更可贵的是在生物与地质环境的地球化学联络方面给人以深化的

7、印象。更为全面系统研究生物与地质环境关系的当属。波雷诺夫和。彼列尔曼等19441946，他们创立的?景观地球化学?认为，存在于地球外表任一地区之内的各种自然因子气候、地质、地貌、土壤、水文和动植物等是一个有着严密联络且又互相制约的统一体，即地球化学景观。景观中最主要的地球化学现象是活有机体的活动及其堆积的活质的量和质，它又决定于有机体以外的其它自然因子。景观中所有因子之间最重要的联络是地球化学联络。景观中的地球化学元素屡次参加活有机体的组成内有机质化，此后又从中析出矿质化。但此过程是不可逆的，即景观不能重复过去的情况，而是不断获得某些新的特性。上述思想可以概括为，生物是地球长期演化的必然产物，

8、生物与其生存的地壳表层环境即地质环境有着密不可分的联络，其中最重要的联络是地球化学联络。地质环境对生物的影响极为深化，必须对生物及其存在的地质环境中诸自然因子作统一的研究。可惜的是，这些思想只是分散于有关学科中如?地球化学?、?生物地球化学?、?景观地球化学?等，这些学科各有自己的研究对象和任务，并非专门来全面系统地阐述地质环境对生物的影响。云南省地质科学研究所的科技人员通过多年研究和总结，推出了一门新的边缘学科生物地质环境学。下面，就此学科内容作较为详细的介绍。三、生物地质环境学生物地质环境学是用地质学的理论和方法研究生物与其赖以生存的地质环境之间关系，着重研究地质环境对生物影响的学科，它是

9、生物学、地质学和环境科学等互相浸透交融而成的一门边缘学科。该学科认为：生物微生物、植物、动物、人类与其赖以生存的地壳表层环境地质环境有着密不可分的联络，地质环境中诸因子地形、地质运动、地质构造、成土母岩、土壤、地球化学、地球物理、水文等对生物的生长、发育、品质和安康有重要影响。其中最重要最本质的影响是地球化学元素通过在母岩土壤生物系统中的运移、变化、积累，最终对生物的生理生化作用产生的影响。生物地质环境学的理论表述为：研究物质流、能量流、信息流在岩石圈表层、水圈、大气圈下层和生物圈之间的运动交换、转化及其对生物的影响。生物地质环境学通过认识生物和地质环境的关系以及改造地质环境以适应生物生存之需

10、，到达生物与地质环境和谐相处，培育开发优良生物资源，保护和建立生物及人类生存的优良环境。由此可见，本学科既有创新的理论意义，又有重要实际价值。生物地质环境学的研究内容可分两大方面：一是研究构成地质环境和各种因子的性质、特征及其影响生物的详细行为和机制；二是研究选择、调整、保护和改造地质环境以满足生物生存需要的方法。关于第一方面环境性质的研究有以下几个内容：1、环境的地理、地貌特征研究：指研究区所在的地理位置经度、纬度和海拔高度，地表固态水体与液态水体面积的比例与配置方式，固态地表的几何形态平缓开阔、起伏剧烈、凸起、凹下、山坡陡缓等。这些性质首先决定了该区的小气候，生物生存的根本条件土壤和水文，

11、以及这里的风化成土作用及土壤发育和保存条件。当然，也是地球化学元素运移和地球物理性质产生的条件之一。所有这些都直接地影响到生物。2、环境的地质构造及地质运动特征研究：区域地质构造特征在宏观上决定了该区地貌框架、地层岩石组合布局，从而也决定了地球化学元素区域分布特征。它们从总体上制约着该区生物生存的根本条件和大农业消费总体格局。地质构造活动带往往也是地球化学运动强烈地带，形成某些地球化学异常能量场和物质场，这些地带对生物有突出的影响。地质运动的性质多种多样：有剧烈活动的，也有相对平稳宁静的；有抬升隆起的，也有沉陷下降的；有褶皱造山的，也有造陆或成海的，等等。地质运动从大的时空尺度上决定了该区生态

12、环境的变迁，从而决定了生物种群和演化，深化影响当代生物的分布和性状。3、环境的地球化学性质研究：这是生物地质环境学研究的重点内容之一。前已述及，组成生物体的化学物质始终与地壳即地质环境保持着动态平衡。生物的进化始终与地壳的演化严密相随。地壳外表化学元素的分布是绝对非均一的，也就是说，不同地区的地球化学背景场是不一样的，它们对生物影响不同，造成了生物体的地区性生物反响，轻那么影响产量、品质、安康，重那么致病畸变甚至死亡。要研究地质环境中的化学元素，特别是那些与生物亲密相关的特征元素在母岩土壤生物系统中存在的种类、数量和形态，迁移、转化、富集的条件，影响生物体的机理。还要研究元素之间的协和或拮抗关

13、系，等等。4、环境的地球物理性质研究：勿庸置疑，地壳的完好坚实程度完好的、破碎的、稳固的、松脆的和地球产生的各种物理场磁尝重力尝电尝放射性场等对生物有宏大影响，一是直接影响生物的生存；另外，作为化学元素存在的环境条件，通过影响元素的存在和迁移而间接影响生物。不过，此领域的大部分内容尚未研究，潜力非常宏大。5、环境的水文性质研究：水是生物生存的必需条件之一，其重要性不言而喻。无论母岩风化成母质，生物参与下母质衍生成土壤，以及元素在土壤中活化成有效态而被作物吸收等过程，无不有水的作用。要研究地下水、地表水、土壤水、生物生理水及大气水之间的关系，研究潜水面高度，包气带厚度和水的量质对作物的影响。更要

14、研究由于地下水位升降、海水进退等造成的大区域土地盐碱化、沙化、荒漠化等重大环境问题。6、地质灾害与地方病研究：地质灾害是环境突变产生的山崩、滑波、泥石流、水土流失等灾害性现象，对生物生存、大农业消费和人类生活造成重大危害，其发生的原因与地质环境性质亲密相关。使用遥感手段加上实地调研，对可能发生灾害的地段做出预测并提出科学的防治措施。地方病的产活力制相当复杂，但是，其中一个重要致病因子是地质环境中某些有关化学元素出现障碍缺乏或过量。如我省主要分布于楚雄州的克山勃缺钼和硒引起的地方性心肌病；主要分布于德宏州的地甲勃缺碘引起的地方性甲状腺肿；主要分布于昭通地区的地氟勃氟缺乏或过高所致的疾病，均可用生

15、物地质环境学的理论、方法和手段来研究防治。关于第二方面改造地质环境的研究主要指某些非金属矿物的利用开发研究。如有关沸石矿的开发已有较多成功例子，用其高效离子交换和吸附性能，消费新型沸石肥料、饲料添加剂和污水处理剂等，效果非常显著。在此不赘。生物地质环境学从生物圈和地壳层三个圈层气、水、岩的交互关系去研究地质环境诸因子对生物的影响，重点是研究地球化学元素的影响，研究元素是如何通过酶系统和基因的表达深化影响生物的。生物地质环境学的研究对象不限于农业消费的植物和动物，它包括自然界存在的所有生物微生物、植物、动物和人类，其研究范畴和适用领域，也远远超出了大农业消费，而广泛触及诸如生物多样性、区域生态环

16、境、国土资源开发等多种战略性的研究领域。四、研究实例以下我们将从地质历史、地质作用、地质构造、土壤、地球化学元素五个方面讨论地质环境对生物的影响。1、地质历史对生物的影响地球形成至少已有45亿年了，根据地质古生物学的研究，地球上找到的最古老的生命证据是在南非发现的生活在32亿年前的超微化石电镜发现短杆菌，而大量丰富的后生动物是从6亿年前开始的。可见，在生命出现以前，已经历了长达13亿年的化学进化阶段，从无机小分子进化到原始有机体再到生命，而从原核细胞到真核细胞，从单细胞到多细胞又历经至少26亿年的漫长时期。这一时期以亿年为单位，而从6亿年开始的后生动物演化就越来越快，可以百万年为单位。到了新生

17、代，人类出现的时代，演化就快到要以万年为单位了。纵观地质史上生物演化历程，每一阶段无不与地质环境亲密相关。在长达40多亿年的地质历史中，随着地质环境的逐步变迁，由不适宜生物生存到越来越适宜；由泛海洋到陆地逐渐扩大；由单一的环境到越来越复杂，生物也由简单到复杂、由低级到高级、由一般生物到出现灵长类，最终出现具有高度智慧的人类。环境和生物的演化完全是同步的严密相关的。当地质环境处于长期稳定渐变式的前进时，生物的演化也呈缓慢的渐变式的，而当环境表现出突变式的急转弯时，生物也就出现所谓的“灾变大灭绝，或者大爆发。著名的寒武纪生物大爆发和白垩纪末期恐龙大灭绝是生物开展中突变的典型例子。寒武纪以前，由于地

18、质环境尚未演化到适宜的阶段，生物的出现也仅仅是低级的原始的，个体数量少，分布面积不广，密度也不大，而且更重要的是还没有条件形成硬壳保护其遗体。所以，保存化石的机率就很少。但是，寒武纪以前长达26亿年自32亿年前最古老的微化石到6亿年前寒武纪开始的漫长时代，为生物大爆发准备了质变的飞跃和大量繁殖出现的条件。寒武纪早期，地球三圈岩石圈、水圈、气圈发生剧烈变化，游离氧增至现代氧压的10%，足以支持生物在液体介质中借助本身器官进展气体循环。此时的海水中富磷、镁、硅并含钙，为生物造壳提供了物质基矗生物一旦有壳，可保护半定型的软体，适应多变环境和防御外敌才能大大加强。于是，发生了生物界具有质变飞跃意义的带壳演化，促使了梅树村动物群和澄江动物群两次生命大爆发。白垩纪末期恐龙的突然灭绝也是与此时的地质环境发生突变有关。一方面，当时的强烈地壳运动引起了地形、气候、植物等环境条件产生了强烈改变。另一