Химизм биостромы по отношению к земной коре. Коэффициент биологического поглощения элементов

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.

ТЯЖЕЛЫЕ МЕТАЛЛЫ

Среди них свинец, ртуть, олово, кадмий и другие элементы, в основном халькофилы, обнаруживаются в воздухе, в частичках пыли космического и земного происхождения. Опустынивание и антропогенное разрежение травостоя, распашка и карьерные разработки увеличивают количество пыли, поднимаемой из нарушенных почв. В итоге в воздухе в среднем постоянно находится до 1 нг тяжелых металлов на 1 м3. Оказывается, что этому могут способствовать и растения. Они испаряют много металлорганических соединений, часть которых в виде фитонцидов служит им для защиты от бактерий. В каждом грамме фитонцидов – миллиграмм тяжелых металлов. Показано, что эти растительные «извержения» усиливаются над лесами, растущими над глубоко лежащими полиметаллическими залежами – до 9 кг/км2 лесов в год. Аналогичную роль выполняют теплоэлектростанции. В них сжигается уголь разных «бассейнов». Он образовывался из древних растений, росших в больших заболоченных котловинах. В последние сток сносил эти элементы с больших площадей, тем более что тогда на водоразделах перегноя (гумуса), способного их связывать, еще не было. Так нынешние растения выступают как рассеиватели, а некогда произраставшие – как накопители, а ТЭЦ, алюминиевые, целлюлозно-бумажные и другие производства – как их современные продолжатели.

В районе Братского промышленного комплекса в 4 км от него концентрация фтора превышает фон в 20 раз и даже в 12 км в 2 раза. Накопление же фтора в хвое сосен и в 40 км от завода превышает фоновое в 1,5–2,5 раза. Площадь пораженных лесов составляет 140 тыс. га, из которых 45 тыс. га – совсем усохшего.

Избирательность поглощения элементов биостромой может измеряться предложенным Б.Б. Полыновым [1956] показателем или коэффициентом биологического поглощения Ах: Ах=Ln/nx

где х – элемент, lx – содержание х в золе организмов, nх – его содержание в подстилающей породе или почве.

А может составить от 100 до 0,001. По многочисленным измерениям для Земли в целом выделены пять классов биологического поглощения, представленные в табл. 4.

Энергично накапливающиеся в биостроме элементы могут образовывать сильные анионы. Все они легко смываются стоком, а Р и Sнакапливаются в восстановительной среде застойных бассейнов, в том числе и углеобразующих. Жизнь, очевидно, находится в погоне за ними и редко может страдать от их избытка даже там, где их концентрация довольно велика.

Сильно накапливающиеся элементы – почти пятая часть всех – менее водоподвижные (слабо уносимые), сильные катионы. Их кларк в биостроме незначительно (в 6,4 раза), но все же ниже, чем в земной коре, поэтому организмы не столь энергично «гоняются» за ними. Важно, что 54 % группы составляют выше отсутствовавшие биоциды. Контроль организмов за повышением их концентрации слаб и они сильно накапливаются (почти как кальций и калий), а посему особо опасны при техногенном повышении концентрации (местных кларков). Особо отметим радиоактивный стронций, который может опережать при захвате организмами кальций и фиксироваться в скелетных образованиях пожизненно.

Слабо и очень слабо захватываемые элементы наполовину биоцидны. Суммарный кларк их на порядок ниже и, как правило, они не допускаются в организмы (Ах до 0,001), но действие их особо язвительно. Свинец накапливается в пищевых цепях и вызывает, например, у грызунов рак и поражение нервной системы. Олово кумулятивно накапливается в организме.

В целом мы видим, что большинство биофилов не в дефиците и жадно поглощаются даже при малых концентрациях. Перерабатывая ради них большие массы вод, воздуха, пород и почв, организмы при малейшем местном превышении кларков могут захватывать и много биоцидов. Они особенно опасны, если в естественном фоне их кларк повышен. Очевидно, что загрязнение среды биоцидами ни в коем случае не должно регулироваться только стратегией экономики.

Вопрос 14