Биосфера и роль живых организмов в геохимических процессах

«...На земной поверхности нет силы, более постоянно действующей, а потому и более могущественной по своим конечным последствиям, чем живые организмы, взятые в целом».

В.И. Вернадский

Особо следует остановиться на роли в геохимических процессах, живого вещества – совокупности живых организмов биосферы. Понятие введено В.И. Вернадским в его учении о биосфере и роли живых организмов в круговороте веществ и энергии в природе численно выраженной в элементарном химическом составе, массы и энергии. Это понятие не следует путать с понятием «биомасса», которое является частью биогенного вещества.

Оболочка Земли, в которой развивается живое вещество во всех его проявлениях, называется биосферой. Биосфера принципиально отличается от литосферы, гидросферы и ат­мосферы тем, что выделяется не по признаку агрегатного состояния слагающего её вещества, а по признаку происхо­дящего в ней процесса. Поскольку процесс этот протекает сразу в трёх оболочках или их частях, то геологическим субстратом биосферы можно назвать верхнюю часть литосферы, нижнюю часть атмосферы и всю гидро­сферу.

Рис. . Биосфера

Для изучения геохимических процессов, происходящих с участием живых организмов, В.И. Вернадский впервые в мире выделил специальный раздел геохимии — биогеохимию, создав в 1918 году первую биогеохимическую лабора­торию.

В пределах биосферы сконцентрировано сравнительно небольшое количество живого вещества — около 10¹¹-10¹² тонн (по данным некоторых авторов, — существенно мень­ше). Б.А. Гаврусевич считает, что масса лесной раститель­ности суши составляет примерно 10¹¹ тонн, масса травяни­стых растений в 5-10 раз меньше, а масса животных орга­низмов в 10-100 тысяч раз меньше массы всех раститель­ных организмов.

Химический состав живого вещества приводится А. П. Виноградовым в усреднённых массовых процентах:

кислород		кальций	0,5
углерод		азот	0,5
водород		калий	0,2
фосфор	0,7	сера	0,2

Перечень других химических элементов, входящих в состав живого вещества, насчитывает ещё не один деся­ток наименований, но количественное содержание этих элементов практически ничтожно.

Виноградов показал, что при резком отличии распространённости химических элементов в живой и неживой природе распро­странёние их в живом веществе тоже связано со строением их атомов и положением в периодической системе.

Количественный химический состав живого вещества есть периодическая функция атомного но­мера, химических элементов, которая может быть с допустимым приближением пред­ставлена как закон обратной пропорциональности содержа­ния атомов элементов в живом веществе от их атомного номера.

Жизнь возникла на Земле сравнительно недавно. Если условно представить историю нашей планеты как дистанцию бега на десять километров, то воображаемый бегун только на последних метрах начал бы встречать признаки жизни, а первого разумного человека он встретил бы на своём пути в форме судьи на самом финише. Однако и за этот короткий промежуток существования жизни на Земле живая материя выросла от первого простейшего органического соединения до высшей степени организации материи — познающего самого себя человеческого мозга. И хотя общая масса живой материи не превышает 1 % от массы земной коры, по мнению В.И. Вернадского, нет в геохимических процессах более могущественной силы, чем это живое вещество.

Некоторые авторы пытаются объяснить все особенности живой материи и её роль в природе спецификой свойств атомов углерода, вывести особенности углерода только из валентных состояний его атомов и образуемых ими цепей, циклов и т.д. Однако, как справедливо писал немецкий мыслитель Фридрих Энгельс в «Диалектике природы», «...ни один химик не решится ут­верждать, что все свойства какого-нибудь элемента исчер­пывающим образом выражаются его положением на кривой Лотара Майера, что этим одним можно будет когда-нибудь объяснить, например, своеобразные свойства углерода, кото­рые делают его главным носителем органической жизни».

Рис. 1. Кривая атомных объёмов элементов:

1 – атмофильные, 2 – сидерофильные, 3 – литофильные,

4 – халькофильные элементы

Юлиус Лотар Майер (1830-1895) – немецкий химик, иностранный член-корреспондент Петербургской академии наук. Наряду с Д.И. Менделеевым считается создателем периодической системы элементов.

Позднее В.И. Вернадский высказывался по этому поводу следующим образом: «Преобладающее, особое значение атомов углерода свойст­венно не только живым организмам, это есть свойство биосферы и её живой и косной материи, до известной степе­ни — всей земной коры».

Каковы же непосредственные пути воздействия живого вещества на природу и геохимические процессы?

Принципиальным отличием живой материи от неживой, косной является неподчинение всего живого закону рассеи­вания энергии. Солнце посылает на Землю широкий спектр своих лучей. Среди них короткие ультрафиолетовые, длинные инфракрасные (тепловые) и промежуточные по длине волны лучи видимой части спектра. Согласно второму закону термодинамики (в формулировке английского физика Уильяма Томсона[20]), теплота нагретых тел рассеивается в мировом пространстве и не может суще­ствовать процессов, в результате которых она может снова сосредоточиться и начать вновь активно функционировать. Этот закон получил название закона рассеивания энергии.

Но ещё немецкий естествоиспытатель, врач Юлиус Роберт Майер, сформулировавший первый закон термодина­мики – закон сохра­нения энергии, считал, что единственной силой, обеспечивающей существование всех живых организмов и всё разнообразие форм их движения является сила, получаемая в виде света от Солнца. За такие мысли он был признан невменяемым и на долгие годы помещён в сумасшедший дом.

Потребовались десятилетия, чтобы идея космической роли растений нашла своё полное выражение в трудах Климентия Аркадьевича Тимирязева. Рассматривая термодинамическую функцию хлорофиллового аппарата, он пишет: «...Зерно хлорофилла тот фокус, та точка в мировом пространстве, в которой живая сила солнечного луча, превращаясь в химическое на­пряжение, слагается, накопляется для того, чтобы впослед­ствии исподоволь освобождаться в тех разнообразных про­явлениях движения, которые нам представляют организмы как растительные, так и животные. Таким образом, зерно хлорофилла — исходная точка всякого органического дви­жения, всего того, что мы разумеем под словом жизнь».

Рис. . Зелёная лаборатория (фотосинтез)

Следовательно, живое вещество в отличие от неживого не отражает и рассеивает всю приходящую от Солнца энергию, а трансформирует и накапливает некоторую её часть в виде внутренней энергии органических молекул.

Химик-органик и философ Ю.А. Жданов в книге «Углерод и жизнь» пишет: «Будучи акцептором энергии Солнца, органическая молекула выступает как воплощение космического противоречия между непрерывно излучающим центральным светилом и холодной планетой, способной лишь к рассеянию и вырождению этого излучения».

Жданов Юрий Андреевич – создатель первой в Советском Союзе на химическом факультете Ростовского государственного университета (РГУ) кафедры "Химия природных и высокомолекулярных соединений", на которой специализировался студент IV-V курсов и обучался в аспирантуре автор настоящего конспекта лекций.

Итак, главной геохимической функцией растительного мира является процесс фотосинтеза. По примерным подсчётам живые организмы ежегодно фиксируют 1,5·10¹¹ тонн углерода, освобождая 4 · 10¹¹ тонн кислорода. Это значит, что за 300-400 лет растениями потребляется количество угле­кислоты, равное полному её содержанию в атмосфере. За 5-6 миллионов лет растения разлагают столько воды, сколько её содержится во всей гидросфере. Считается, что именно растительный мир обеспечивает существующий сейчас состав атмосферы, наличие в ней свободного кис­лорода.

6CO₂ + 12H₂O C₆H₁₂O₆ + 6H₂O + 6O₂[21]

Растительный мир воздействует не только на атмосферу, но и усиливает процессы выветривания горных пород, миграцию химических элементов. Растения способны избирательно поглощать и накапли­вать многие химические элементы из почвы, а затем, отмирая, участво­вать в образовании осадочных пород, обогащённых этими элементами. Так, водоросли концентрируют иод, некоторые наземные растения — кремний.

Процесс влияния растительного мира и химического состава среды взаимен: наличие тех или иных химических элементов в почве приводит зачастую к появлению в некоторых местах определённых видов растений. В местах выхода цин­ковых руд произрастает особый вид галмейных растений (от нем. Galmei – одно из немецких названий минерала "каламина")[22] — галмейная фиалка и альпийская ярутка. Есть свои «расте­ния-индикаторы» на уран, например астрагал. Знание таких «содружеств» используется геологами при поисках полез­ных ископаемых.

Активно воздействуют на геохимические процессы микроорганизмы и животные. Достаточно вспомнить роль моллюсков в круговороте кальция в природе, чтобы понять, как значительны могут быть эти процессы. Избирательная способность некоторых организмов поразительна: например, асцидии[23] содержат в составе тканей своего тела до 0,5 % ванадия, тогда как содержание его в морской воде, где обитают асцидии, в миллион раз меньше. Жизнедеятельность некоторых видов бактерий приводит к образованию скопле­ний серных и марганцевых руд.

В свою очередь, отклонения в химическом составе окружающей среды могут существенно сказываться на жи­вых организмах, в том числе и на человеке. Так, недостаток иода приводит к нарушению работы щитовидной железы, увеличение её размеров, замедление обмена веществ, фтора – к кариесу зубов (рис. ); наоборот, избыток фтора приводит к флюорозу зубов и скелета, меди – к циррозу печени, цинка – к анемии.

Элементы, входящие в состав живых организмов, пере­мещаются вместе с ними по поверхности Земли, а при их отмирании либо переходят снова в минеральную (неорганическую) форму, ли­бо накапливаются в почве и воде в виде более простых органических соединений. Сравнительно недавно стало известно, что масса органических соединений, растворённых в море, может превышать там биологическую массу живого веще­ства. Геохимическая роль этой формы органического веще­ства пока ещё не до конца ясна, однако несомненно, что и эти продукты участвуют во всеобщем процессе круговорота химических элементов в природе.

Рис. . Схема круговорота фосфора в природе

Представления о круговороте веществ в полном комп­лексе природных условий определённых участков Земли, называемых ландшафтами, развил академик Б.Б. Полынов, создатель специального раздела науки — геохимии ланд­шафта. Эта наука позволяет познать ландшафт как единое целое, проследить миграцию химических элемен­тов, их круговорот в связи с конкретными условиями био­логического и физико-химического порядка. Знание этих за­кономерностей во многом облегчает целенаправленный по­иск полезных ископаемых.