16

Роль геохимических циклов в биосфере

1. Группа циклических или органогенных элементов

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 белее 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 их свойства, предугадали эти характерные химические циклы. Имена этих ученых Д. Прингль и Д. Пристлей. Затем в 1842г. 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 (Живое вещество – совокупность всех организмов) все более подтверждается. Это 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.

Элементы этой группы образуют циклы, характеризуемые химическими соединениями, молекулами или кристаллами. Эти циклы обратимы лишь в главной части атомов, часть же элементов неизбежно и постоянно выходит из круговорота. Этот выход закономерен, т.е. круговой процесс не является вполне обратимым.

Среди форм такого выхода из цикла особое значение имеет рассеяние элемента, его выход в форме свободных атомов. Быть может, элемент этим путем выходит из цикла, иногда навсегда. Все же ясно, что если даже наши будущие открытия более или менее изменят наши современные представления, они не поколеблют основного эмпирического обобщения – господствующего значения химических соединений и обратимых циклов в истории главной массы земной коры.

Циклические элементы входят и играют видную роль в водном аппарате земной коры, т.е. входят в водные растворы (в ионы), дают минералы, образовавшиеся водным путем. Только цирконий и гафний, по-видимому, в этом отношении стоят особняком. Те же Zr и Hf не входят в живое вещество; не найден в нем и германий, но германий, судя по его водной истории, будет в нем найден.

2. Геохимический круговорот углерода

Биосфера представляет оболочку жизни – область существования живого вещества. Весь ее углерод им захвачен. Все углеродистые соединения, находящиеся и образующиеся в ней, с ним каким-нибудь образом связаны. Все фреатические углеродистые минералы, попадающие в нее в результате геологических процессов, происходят в своей основе из живого вещества, представляют метаморфизованные продукты вадозных минералов, когда-то связанных с жизнью.

CO₂ – единственный ювенильный и фреатический минерал углерода, проникающий в большом количестве в биосферу.

Важно отметить, что на земной поверхности существует большое количество химических процессов, связанных с синтезом угольной кислоты. Эти процессы находятся в очевидной связи с живым веществом, так как они все образуются под влиянием свободного кислорода.

Свободный кислород окисляет углеродистую, даже графитовую, пыль, большие количества угольной кислоты образуются в среде самого живого вещества под влиянием процессов дыхания.

Углеводороды (главным образом метан), которые, несомненно, приходят из глубоких слоев земной коры, только отчасти ювенильного происхождения. Большая часть их массы образуется в вадозных областях: таковы газы болот (биохимический продукт). Другая создается в стратисфере, например газы, выделяющиеся в каменноугольных копях.

Но такое объяснение, едва ли приложимо целиком к газовым струям углеводородов, огромная масса которых непрерывно сейчас выделяется бурением и в меньшем количестве извека выделяется в природных условиях.

Часть их в значительной мере генетически связана с нефтяными месторождениями. Это газовая фаза нефтей. Другая должна быть увязана с рассеянным органическим веществом осадочных пород, т.е. в значительной мере имеет сложное происхождение, выражаемое схемой:

Морская жизнь → морской ил → осадочные породы → газы.

Переход в газы должен происходить в процессах биохимического и безжизненного изменения в бескислородной среде.

Но все же часть метана может быть связана с магматическими очагами и является составной частью глубоких подземных атмосфер состава H₂O-CH₄.

Генезис этих атмосфер должен быть сложный, и пары воды и углеводороды могут быть разного происхождения.

Геохимический цикл углерода

живое вещество

Б иосфера CH₄ CO₂ живое CO₂

вещество карбонаты

карбонаты

CH₄ угли нефти

Фреатические карбонаты самородный углерод

оболочки C

карбонаты (графит) CO₂

карбонаты

Ю венильные CH₄ CO₂ CO самородный (графит)

о болочки

каолиновые

алюмосиликаты

металлические С

карбиды

карбоносиликаты CO₂

карбиды

карбонаты

CO₂ металлические карбонаты алмаз

3. Жизненный цикл углерода

Жизненный цикл углерода – равновесие между угольной кислотой и живым веществом.

Наиболее выдающейся чертой жизненного цикла является его неполная обратимость, так как он возвращает окружающей среде лишь часть поглощенной жизнью угольной кислоты. Часть ее атомов всегда задерживается в жизненном цикле, другая выделяется в виде углеродных биогенных минералов. Этот последний углерод покидает геохимический цикл и возвращается в него иногда лишь через геологически долгое время.

Главными группами таких биогенных углеродных минералов являются карбонаты извести, каменные угли, нефти и битумы. Все остальные происходят из них или образуют незначительные по сравнению с ними массы.

Жизненный цикл углерода

CO₂ живое

В адозные вещество свободный

о бласти кислород

CO₂ карбонаты каменные нефти и

CaCO₃ угли битумы

Фреатические

области

ювенильная графит (элементарный углерод)

углекислота

Количества углерода, потерянные для жизненного цикла в виде карбонатов, каменного угля, нефти, соответствуют лишь незначительной части общего органического углерода. Живое вещество удерживает углерод в жизненном цикле. Это наиболее характерная черта геохимии этого элемента.

Большая часть угольной кислоты, поглощенная организмами, всегда задерживается живым веществом. Даже когда угольная кислота выделяется одними из этих организмов, она мгновенно захватывается другими (например, дыхание почвы).

Этот факт был установлен великим натуралистом К. М. фон Бэром в 1838г. как закон бережливости природы по отношению к живому веществу. К. М. фон Бэр заметил, что переход органического углерода в углерод неорганический, т.е. создание вадозных углеродистых минералов, совершается с чрезвычайной медленностью. Углерод выходит из жизненного цикла:

C O₂ живое вещество,

лишь с большим трудом и в малом количестве.

Но все же он частью покидает цикл, и цикл, таким образом, становится необратимым. Это факт, имеющий огромное значение в истории Земли.

4. Биологический круговорот атомов

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, т.е. через десятки или сотни лет. Наконец, если органическое вещество будет захоронено в осадочных породах и превратится в уголь, окисление которого произойдет только через несколько геологических периодов, круговорот углерода растянется на миллионы лет.

Круговорот углерода в биосфере (рис.1)

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.