БИОГЕОХИМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ И ЦИКЛЫ. ЗНАЧЕНИЕ БИОГЕННОЙ ФОРМЫ НАХОЖДЕНИЯ ХИМИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ

Геохимические циклы – последовательные ряды геохимических процессов, в которых химические элементы мигрируют, участвуют в различных физико-химических превращениях с образованием минералов, претерпевают изменения изотопного состава и возвращаются в исходное состояние. Геохимические циклы в земной коре включают магматические, постмагматические, гипергенные, осадочные и метаморфические процессы.

Циклические или органогенные элементы имеют наибольшую суммарную массу в биосфере. В эту группу входят: H1, (Be4), B5, C6, N7, O8, F9, Na11, Mg12, Al13, Si14, P15, S16, Cl17, K19, Ca20, Ti22, V23, (Cr24), Mn25, Fe26, Co27, (Ni28), Cu29, Zn30, (Ge32), As33, Se34, Sr38, (Zr40), Mo42, Ag47, Cd48, (Sn50), (Sb51), (Te52), Ba56, (Hf72), (W74), (Re75), Hg80), (Tl81), (Pb82), (Bi83).

Для этих элементов характерны многочисленные химические обратимые процессы. Геохимическая история всех этих элементов может быть выражена круговыми процессами (циклами). Каждый элемент дает характерные для определенной геосферы соединения, постоянно возобновляющиеся. После более или менее продолжительных и более или менее сложных изменений элемент возвращается к первичному соединению и начинает новый цикл, завершающийся для элемента новым возвращением к первоначальному состоянию.

Этот характер земных химических реакций был для кислорода замечен во второй половине XVIII в.; великие ученые того времени, открывшие в 1773г. земные газы (O2, CO2, H2O, NH3, H2S, SO2, SO3, H2, CH4, CO, CHOH, CSO, NO2) и изучившие их свойства, предугадали эти характерные химические циклы. Имена этих ученых – Д. Прингль и Д. Пристлей. Затем в 1842 г. два французских ученых  Ж. Б. Дюма и Ж. Буссенго дали яркую картину этих циклов. В 1850-х годах К. Бишоф, позже Ю. Либих и К. Мор перенесли эти представления на остальное вещество земной коры. С той поры наука собрала огромное количество эмпирических фактов, подтверждающих эти обобщения. Факты эти, однако, не были согласованы и находятся в состоянии почти полного хаоса. Важное значение для этих циклов живого вещества все более подтверждается. Большое значение живого вещества наблюдается не только для органогенных элементов, таких, как C, O, H, N, P, S, но и для металлов, как, например, для Fe, Cu, Zn, V, Mn и т.д., а также для всех химических элементов этой группы.

Повсеместно в биосфере наряду с образованием живого вещества и аккумуляцией энергии протекает и противоположный процесс – превращение сложных органических соединений в простые минеральные: CO2, H2O, NH3 и т.д. Эта минерализация идет и в самих растениях, которые при дыхании окисляют органические вещества до CO2 и H2O. Гораздо энергичнее минерализуют органические вещества животные и еще более энергично – микроорганизмы.

Противоположные процессы образования и разрушения органических веществ в биосфере не могут существовать один без другого, они образуют единый биологический круговорот атомов. Рассмотрим этот круговорот с точки зрения трех известных нам критериев: превращения вещества, энергии, накопления информации.

Продолжительность отдельных циклов биологического круговорота атомов очень различна. Немногие недели живут растения-эфемеры, образующие весной пышный ковер в пустынях Средней Азии. И за это время они успевают накопить органическое вещество, которое в начале лета, после их смерти, в почве быстро разлагается до исходных продуктов – CO2, H2O и т.д. Но уже в лесном ландшафте часть атомов углерода, заключенных в древесине, окислится до CO2 только после смерти деревьев, то есть через десятки или сотни лет. Наконец, если органическое вещество будет захоронено в осадочных породах и превратится в уголь, то окисление его произойдет только через несколько геологических периодов, круговорот углерода растянется на миллионы лет.

Круговороты не замкнуты. Каждый новый цикл не является точным повторением предыдущего, природа не остается неизменной. Вот характерный пример. Представим себе озеро в лесной зоне с травами, растущими в прибрежной полосе (осоки, тростники и др.), богатое рыбой. После каждого годичного цикла круговорота часть атомов углерода, водорода и других элементов, заключенных в органических веществах, не переходит в минеральные соединения, а захороняется на дне озера в форме органического ила – сапропеля. Постепенно озеро мелеет, наконец, наступает момент, когда его котловина полностью зарастает травами и заполняется органическими остатками, озеро превращается в болото. Такова судьба большинства лесных озер, история многих болот.

Можно сказать, что поступательное развитие в биосфере осуществляется через систему круговоротов.

В процессе минерализации органических веществ освобождается энергия, которая была поглощена при фотосинтезе. Она освобождается в виде тепла (вспомним, например, разогревание и даже самовозгорание недостаточно высушенного сена), но главным образом в виде химической энергии, носителями которой являются природные воды. Обогащаясь такими продуктами минерализации, как CO2, гумусовые кислоты, NH3, SO2, H2S, воды становятся химически высокоактивными, они разрушают («выветривают») горные породы. Таким образом, с энергетической точки зрения биологический круговорот атомов переводит энергию солнечных лучей в другие виды энергии, за счет которых в биосфере выполняется большая работа. Особенно следует отметить превращение солнечной энергии в химическую энергию природных вод и газов.

Нетрудно убедиться также, что в ходе биологического круговорота атомов происходит передача информации, создание новой информации, ее переработка и захоронение, то есть, это также и информационный процесс. Чем энергичнее протекает биологический круговорот атомов, тем большее количество информации при этом перерабатывается.

Положение о круговороте атомов считается одним из основных законов геохимии биосферы – законом биологического круговорота атомов, который сводится к следующему – в биосфере атомы участвуют в биологических круговоротах, в ходе которых они поглощаются живым веществом и заряжаются энергией, затем покидают живое вещество, отдавая накопленную энергию в окружающую среду. За счет этой биогенной энергии осуществляются многие химические реакции. Главными носителями энергии являются природные воды. В результате биологического круговорота атомов происходит изменение химического состава биосферы, само поступательное развитие биосферы осуществляется через систему круговоротов.

В качестве примера подобного биогеохимического цикла можно рассмотреть круговорот углерода в биосфере (рис. 9).

Рис. 9. Круговорот углерода в биосфере

Отжившие растения и животные разлагаются микроорганизмами, в результате чего углерод мертвого органического вещества окисляется до углекислого газа и снова попадает в атмосферу. Подобный круговорот углерода совершается и в водной среде. Фиксированный в растениях углерод в значительном количестве потребляется животными, которые, в свою очередь, при дыхании выделяют его в виде углекислого газа. Согласно имеющимся данным, все зеленые растения Земли ежегодно извлекают из атмосферы до 300 млрд т. углекислого газа (100 млрд т. углерода), что совпадает с итоговым поступлением этого газа в атмосферу от разных источников – дыхания растений и животных, промышленности, транспорта и т.п. При этом годичный круговорот массы углерода на суше определяется как массой составляющих его звеньев биосферы, так и количеством углерода, захватываемого каждым звеном (табл. 10).

Таблица 10

Количество захватываемого углерода (т/год)

Звенья биосферы

Количество углерода (т/год)

Суммарный захват фотосинтезом

60∙109

Возврат от дыхания в процессе разложения органического вещества

48∙109

Поступление в гумосферу и консервация в многолетних фитоценозах

10∙109

Захоронение в осадочной толще литосферы, включая реакции углекислого газа с горными породами

1∙109

Поступление от сжигания топлива

4∙109

Круговорот углерода в гидросфере является более сложным по сравнению с континентальным, поскольку возврат этого элемента в форме углекислого газа зависит от поступления кислорода в верхние слои воды как из атмосферы, так и из нижележащей толщи. В целом показатели годичного круговорота массы углерода в Мировом океане почти в 2 раза ниже, чем на суше (табл. 11).

Таблица 11

Показатели годичного круговорота углерода в Мировом океане

Звенья гидросферы

Количество углерода (т/год)

Суммарный захват в процессе фотосинтеза

30∙109

Возврат в водную среду от дыхания и разложения органического вещества

26∙109

Выпадение в донный осадок

1,5∙109

Поступление из атмосферы от сжигания топлива

1∙109

Поступление с речным стоком

0,6∙109

Переход в растворенное органическое вещество

0,9∙109

Между сушей и Мировым океаном происходит постоянная миграция углерода. Преобладает вынос этого элемента в форме карбонатных и органических соединений с суши в океан. Поступление углерода из Мирового океана на сушу совершается в несравненно меньших количествах, и то лишь в форме углекислого газа, диффундирующего в атмосферу и переносимого воздушными течениями.

Суммарное количество углекислого газа в атмосфере планеты составляет не менее 2,3∙1012 т, в то время как содержание его в Мировом океане оценивается в 1,3∙1014 т. В литосфере в связанном состоянии находится 2∙1017 т. углекислого газа. Значительное количество углекислого газа содержится и в живом веществе биосферы (около 1,5∙1012 т.), т.е. почти столько, сколько во всей атмосфере. Углекислый газ атмосферы и гидросферы обменивается и обновляется живыми организмами за 395 лет.

Значение биогенной формы нахождения элементов очень высоко.

Биогенные элементы – этохимические элементы, постоянно входящие в состав организмов и имеющие определенное биологическое значение. Прежде всего это кислород (составляющий 70% массы организмов), углерод (18%), водород (10%), кальций, азот, калий, фосфор, магний, сера, хлор, натрий, железо. Эти элементы входят в состав всех живых организмов, составляют их основную массу и играют большую роль в процессах жизнедеятельности.

Успехи аналитической химии и спектрального анализа расширили перечень биогенных элементов: находят все новые элементы, входящие в состав организмов в малых количествах (микроэлементы), и открывают биологическую роль многих из них.

В.И. Вернадскийсчитал, что все химические элементы, постоянно присутствующие в клетках и тканях организмов в естественных условиях, вероятно, играют определенную физиологическую роль. Многие элементы имеют большое значение только для определенных групп живых существ (например, бор необходим для растений, ванадий – для асцидий и т.п.). Содержание тех или иных элементов в организмах зависит не только от их видовых особенностей, но и от состава среды, пищи (в частности, для растений – от концентрации и растворимости тех или иных почвенных солей), экологических особенностей организма и других факторов (табл. 12).

При нарушении поступления в организм того или иного биогенного элемента возникают заболевания – биогеохимические эндемии, например, зоб у человека при недостатке иода в воде и пище или черная пятнистость свеклы при нехватке бора.

Элементы, постоянно содержащиеся в организмах млекопитающих, по их изученности и    значению можно разделить на 3 группы (табл. 13): элементы, входящие в состав биологически активных соединений (ферменты, гормоны, витамины, пигменты) (I), они являются незаменимыми; элементы, физиологическая и биохимическая роль которых мало выяснена (II) или неизвестна (III).

  Таблица 12

Содержание химических элементов в организмах, в мг на 100 г сухого вещества

(ср. данные; по Bowen, 1966)

Химический элемент

Растения

Животные

Бактерии

морские

наземные

морские

наземные

1

2

3

4

5

6

С

34500

45400

40000

46500

54000

O

47000

41000

40000

18600

23000

N

1500

3000

7500

10000

9600

H

4100

5500

5200

7000

7400

Ca

1000

1800

150-2000

20-8500

510

Mg

520

320

500

100

700

Na

3300

120

400–4800

400

460

K

5200

1400

500-3000

740

11500

P

350

230

400–1800

1700-4400

3000

S

1200

340

500-1900

500

530

Cl

470

200

500-9000

280

230

Si

150-2000

20-500

7-100

12-600

18

Fe

70

14

40

16

25

Cu

1

1,4

0,4-5

0,24

4,2

Zn

15

10

0,6–150

16

Cd

0,04

0,06

0,015-0,3

£0,05

Sr

26-140

2,6

2–50

1,4

F

0,45

0,05–4

0,2

15-50

Br

74

1,5

6-100

0,6

I

3–150

0,042

0,1-15

0,043

Mn

5,3

63

0,1-6

0,02

3

Co

0,07

0.05

0,05-0,5

0,003

Ni

0,3

0,3

0,04-2,5

0,08

Cr

0,1

0,023

0,02–0,1

0,0075

Мо

0,045

0,09

0,06–0,25

<0,02

Se

0,08

0,02

0,17

V

0,2

0,16

0,014–0,2

0,015

B

12

5

2–5

0,05

Al

6

50(0,05-400)

1,5

0,4–10

Be

0,0001

<0,01

0,00003–0,0002

Ba

3

1,4

0,02-0,3

0,075

Li

0,5

0,01

0,1

<0,002

Rb

0,74

2

2

1,7

Cs

0,007

0,02

0,0064

Ti

1,2-8

0,1

0,02–2

<0,02

Ga

0,05

0,006

0,05

<0,0006

As

3

0,02

0,0005–0,03

<0,02

Ag

0,025

0,006

0,3–1,1

0,0006(?)

Au

0,0012

<0,00005–0,0002

0,00003–0,0008

0,000023(?)

Hg

0,003

0,0015

0,0046

Zr

£2

0,064

0,01-0,1

<0,03

Sn

0,1

<0,03

0,02-2

<0.015

Sb

0,006

0,02

0,0006

La

1

0,0085

0,01

0,00001

W

0,0035

0,007

0,00005–0,005

(?)

Pb

0,84

0,27

0,05

0,2

Bi

0,006

0,004-0,03

0,0004

U

0,0038

0,0013

Hf

<0,04

<0,001

0,004

Таблица 13

Содержание химических элементов в организме млекопитающих

Содержание

элементов, в % на сухоевещество (порядок величин)

Группы элементов

I

II

III

незаменимые

роль мало

выяснена

роль неизвестна

101 – 100

О, C, H, N, Ca

100 – 10–1

Р, К, Cl, S, Na

10–1 – 10–2

Mg

10–2 – 10–3

Zn, Fe

Sr

10–3 – 10–4

Cu

Cd, Br

Li, Cs

10–3 – 10–5

I

F

Sn

10–4 – 10–5

Mn, V

В, Si

Al, Ba, Cr

10–4 – 10–6

Mo

Rb

10–4 – 10–7

Be

Ag

10–5 – 10–6

Co

Ni

Ga, Ce, As, Hg, Pb, Bi, Ti

10–5 – 10–7

Se

Sb, U

10–6 – 10–7

Th

10–11 – 10–12

Ra

 Некоторые другие химические элементы также обнаружены в составе тех или иных организмов, но концентрация их в тканях и органах и их биологическая роль не изучены.