Химизм земной коры. Кларки, их виды

В.И. Вернадский первый из геохимиков стал рассматривать жизнь как особое живое вещество земной коры. Образ живого вещества посетил В.И. Вернадского, как он сам пишет, в 1921 г. при ознакомлении с публикацией об одном из обычных перелетов стаи пустынной африканской саранчи через Красное море в Аравию. Стая имела объем 6000 км3 и массу более 4,4·107 т, что превышает массу меди, цинка и свинца, которое человечество добыло за 100 лет. Позже стало известно, что общая масса минеральных веществ, содержащаяся в биостроме, в 4 раза больше содержащейся в растворенном и взвешенном состоянии во всех реках и ручейках мира. Можно сказать, что на среднем гектаре Земли биострома содержит по 4–5 т кислорода, углерода и водорода; 2,5–3 т азота, кальция и калия; 2–2,5 т кремния, магния и серы; 1–2 т алюминия, фосфора, хлора и железа, менее 1 т марганца, натрия и др. С развитием методов химического анализа растет количество элементов, регистрируемых в живых системах. Так, в организме человека обнаружены более 77 химических элементов. В расчете на одну клетку содержится более

1014 атомов Н и О;

1012 – 1014 – С и N;

1010 – 1012 – S, P, Na, К, Mg, Cl, Са;

108 – 1010 – Zn, Li, Rb, Cu, Mn, Al, Fe, Br;

106 – 108 – Sn, Ti, Mo, Co, I, Pb, Ag, B, Sr, Ni, V, Se, Cd, Cr, Sc;

104 – 106 – U, Be, Hg и по

102 – 104 атомов еще 40 элементов.

В других организмах соотношение элементов может быть иным. Например, известны бактерии, получающие энергию за счет окисления соединений железа, меди, даже ртути и золота.

Все это говорит о том, что живое вещество – порождение коры. Возникает даже подозрение, что может быть оно – просто часть коры. Нет, химизм биостромы при сходстве с корой достаточно специфичен. 6 элементов (углерод, азот, водород, хлор, сера, фосфор), составляющих в биостроме 54,77 %, в коре составляют лишь 0,262 %. Если же сопоставить кларки названных элементов с таковыми в коре, то можно видеть, что кора под биостромой будет обедняться этими шестью элементами, относительное количество которых в биостроме больше, и обогащаться Са, К, Mg, Na, Si, Al, Fe, которых относительно больше в коре. Такова тенденция перестройки химизма коры в географической оболочке с биостромой, т.е. уже в биосфере.

Количественный состав земной коры характеризуется величинами средних кларков — для всей коры планеты и региональных кларков, способных по сравнению с первыми выявить специфику геохимического фона конкретной исследуемой территории. Совершенно ясно, что там, где фон отличается повышенными кларками по тому или иному элементу, дополнительное повышение его концентрации за счет тех или иных воздействий недопустимо, даже если абсолютное количество техногенно появляющегося элемента невелико.

Используя геохимическую классификацию элементов, можно отметить явное преобладание атмо- и литофилов (примерно 48 % массы коры). Это обусловлено высокой долей кислорода, кремния и алюминия. Сидерофилов и халькофилов намного меньше – 3,6 и 0,7 % соответственно.

Циклические элементы в коре составляют 95,3 %. Это означает, что значительная доля вещества коры способна участвовать в миграционных процессах, тем самым обеспечивая его круговорот.

Кларк кислорода в живом веществе вместе с азотом и водородом составляет 50 %, а с учетом других газов и углерода, образующего газообразные соединения, сумма кларков газов составляет уже около 96 %. Такое положение позволило В.И. Вернадскому считать живое вещество, с одной стороны, источником газовой функции биосферы, а с другой – продуктом дегазации земной коры и более глубоких слоев всей литосферы. Итак, в живом веществе в основном атмофилы. Все остальные, кроме сидерофильного железа и халькофильной серы, литофилы. Биофилы по массе составляют более 99 %, биоциды как бы отвергаются жизнью. Легко предугадать, какие изменения в химизм географической оболочки, превращая ее в биосферу, должна вносить биострома.

Конечно, для осуществления процессов жизнедеятельности химические элементы неравноценны. Александр Павлович Виноградов [1935] установил важнейшую биохимическую закономерность – «химический элементарный состав живого вещества является периодической функцией от атомного номера». Точнее, в ряду элементов с четными номерами каждый шестой номер после кислорода, а в ряду с нечетными тоже шестой после водорода, имеют повышенный кларк в живом веществе. Им было показано, что чем тяжелее и реже элемент, тем опаснее он как биоцид при повышении его концентрации, когда существенно превышая обычные уровни, такие элементы начинают выступать по отношению к жизни как токсичные. Особый интерес, в связи со сказанным, представляют тяжелые металлы и редкие элементы.

До сих пор состав Земли в целом, земной коры, биосферы и других объектов мы характеризовали весовыми кларками. Для химика такая единица измерения мало информативна – ведь в химических реакциях важны соотношения числа атомов и молекул. Поэтому по инициативе А.Е. Ферсмана стали применять атомные кларки, отвечающие доле числа атомов данного элемента в общей сумме атомов всех элементов. Понятно, что для легких элементов атомный кларк выше, чем весовой (например, для водорода 3 и 0,15 соответственно), а у тяжелых – ниже (например, для железа 5,1 и 2,0). Своеобразным развитием этой идеи может быть учет объемов, занимаемых атомами в литосфере. Такой учет произведен на основе представлений В.М. Гольдшмидта, который предложил считать связь между атомами в кристаллических породах чисто ионной (тогда радиус каждого иона постоянен). Поскольку радиусы отрицательно заряженных анионов намного больше, чем положительно заряженных катионов, а в составе анионов природных пород преобладает кислород (силикаты, карбонаты и т.д.), оказалось, что он занимает 91,8 % объема литосферы! В результате возникла реальная пространственная картина упаковки. Кора представилась как бы в виде горы «пузырей» огромных атомов кислорода, между которыми затеряны «ягодки» прочих атомов. Это говорит о том, что организмы, нуждающиеся в «ягодках» определенного сорта, вынуждены как-то их отыскивать. В то же время ситуация облегчается тем, что благодаря их распыленности во всей массе можно твердо надеяться на их присутствие всюду. Сказанное вытекает из закона В.И. Вернадского [1927] о преобладании элементов, находящихся в рассеянном состоянии (малых, но повсеместных концентраций). Можно сказать, по выражению А.Л. Чижевского, что «в каждой пылинке — вся Вселенная». Здесь стоит отметить, что именно такие рассеянные элементы проявляют способность к локальному концентрированию (в горной породе, руде, минерале). Это создает особые условия для деятельности живых организмов, выгодные для одних видов и опасные (или неприемлемые) для других. Эффект концентрирования элементов В.И. Вернадский предложил характеризовать коэффициентом Кк, равным отношению локального содержания элемента к среднему его кларку в земной коре. Если величина Кк для распространенных элементов 10—20, то для рассеянных она может достигать сотен (Pb, Ni, Sn, W, Cr), тысяч (Аи, Мо, Со), десятков тысяч (Hg, Sb).

Вопрос 12