Что такое биогеохимия?

Геологические явления всегда поражают воображение своей грандиозностью. Вулканические извержения и поднятия со дна океана Гималаев, Кавказа, и других мощных горных цепей, затопление морями целых континентов, реки и ледники, разрушающие горные страны, — таков масштаб процессов, с которыми имеют дело геологи. И наряду с этими явлениями микроорганизмы, растения, животные. По сравнению с грозными силами мертвой природы они неизмеримо малы. Казалось бы, что и влияние их на окружающую природу, поэтому ничтожно: они как бы находятся — в плену у этих сил и вынуждены только к ним приспосабливаться. Так ли это?

Вспомните морских животных — кораллы. Современные коралловые рифы тянутся на тысячи километров. Геологическая работа этих живых организмов, начавшаяся сотни миллионов лет назад в теплых морях палеозойской эры, продолжается непрерывно и до сих пор. За это время кораллы и другие животные с известковыми скелетами накопили на земле мощные толщи известняковых пород. Что это, случайность? Частное явление в геологических процессах или определенная закономерность?

РАСТЕНИЯ — НАКОПИТЕЛИ СОЛНЕЧНОЙ ЭНЕРГИИ

Куда бы мы ни кинули взор, повсюду перед нами зеленые растения. Огромными зелеными полосами простираются на материках тропические леса, саванны, степи, тайга, тундра. Океаны и моря изобилуют растительностью. Водоросли, заселяющие верхние слои моря, размножаются местами — как, например, в Саргассовом море в Атлантике — в таком количестве, что даже затрудняют движение судов. И только в ледяных просторах Антарктики, в снегах высокогорий да в некоторых пустынях нет растительности.

Каждое зеленое растение — это миниатюрная фабрика, которая, поглощая солнечную энергию, синтезирует из углекислого газа воздуха и воды различные органические соединения. При этом в атмосферу выделяется кислород. Этот замечательный процесс называется фотосинтезом.

Как предполагают ученые, несколько миллиардов лет тому назад на Земле отсутствовала жизнь и в атмосфере не было кислорода, в ней преобладали метан, аммиак, углекислый газ. Но зародилась жизнь, появился фотосинтез, и зеленые растения постепенно коренным образом изменили состав атмосферы, они почти полностью очистили ее от углекислого газа и обогатили кислородом. Таким образом, окружающий нас воздух во многом обязан деятельности живых организмов.

Но почему же все-таки в современной атмосфере имеется углекислый газ, если зеленые растения так энергично поглощают его? Объясняется это тем, что наряду с фотосинтезом есть процессы, возвращающие углекислый газ в атмосферу. Это дыхание растений, животных и микроорганизмов, вулканические извержения и некоторые другие процессы. Так, на земной поверхности протекает круговорот углерода: он входит в состав органических веществ в процессе фотосинтеза и снова, при дыхании и разложении мертвых остатков организмов, образует минеральные соединения — углекислый газ, карбонаты. Аналогичные круговороты претерпевают кислород, азот и другие элементы. Все они энергично мигрируют на земной поверхности за счет солнечной энергии, накопленной растениями.

Однако растения состоят не только из углерода, водорода, кислорода,— они содержат почти все химические элементы, известные на Земле, даже самые редкие, как, например, радий, золото. Источником этих элементов служат горные породы.

Особенно необходимы растительным организмам фосфор, сера, калий, кальций. Но в горных породах значительно больше кремния, алюминия, железа. Вот почему растения, как своеобразный насос, с помощью корневой системы «перекачивают» наиболее необходимые им питательные вещества из глубоких горизонтов в поверхностные. В результате после их смерти почва обогащается фосфором, серой, калием и другими важными для жизни элементами.

В процессе дыхания растений и животных и при разложении их мертвых остатков часть углерода, азота, серы и других элементов, входящих в состав организмов, снова окисляется, переходит в атмосферу и в почву. В результате меняется состав почвенных и грунтовых вод: они становятся кислыми, легко разрушают горные породы и минералы. Так, под влиянием живых организмов горные породы значительно меняют свой химический состав и свойства, они превращаются в почву и залегающую под ней кору выветривания. Особенно энергично эти процессы протекают во влажных тропиках, где изобилие тепла и влаги благоприятствует возникновению жизни.

Верхние горизонты почв постоянно смываются водами и сдуваются ветрами. Мельчайшие почвенные частички откладываются в реках, морях, образуя речные, озерные и морские илы. Речные и морские отложения так же, как и почва, насыщены микроорганизмами. Образующиеся из них осадочные горные породы (глины и другие) многими своими свойствами обязаны деятельности живых существ.

После смерти растений их остатки частично изменяются и отлагаются в горных породах. Местами это большие скопления, образующие целые залежи каменных и бурых углей, торфа, а местами просто отдельные обуглившиеся веточки, листья, гумус. Но и те и другие представляют собой продукты фотосинтеза прошлых геологических эпох. Большинство ученых считает, что и нефть является продуктом жизни, что это тоже глубоко переработанные продукты фотосинтеза. Таким образом, все это как бы законсервированная солнечная энергия, которую человечество уже давно научилось использовать в своих делах.

БИОГЕОХИМИЯ И БИОСФЕРА.

Итак, живые организмы не второстепенные агенты в земной коре, они важнейшее звено в механизме планеты. Поглощая солнечную энергию и превращая ее в энергию геохимических процессов, они изменяют и ускоряют движение атомов. Это мощная геологическая сила, преобразующая химический состав земной коры. Живые организмы создали современную атмосферу, во многом преобразовали состав горных пород, поверхностных и подземных вод. Поэтому область развития жизни представляет особую оболочку Земли, где химические процессы протекают или под непосредственным влиянием живых организмов, или в физико-химических условиях, «созданных жизнью». Такая оболочка получила наименование биосферы. Она включает в себя нижнюю часть атмосферы, всю гидросферу и значительную часть литосферы (не менее нескольких сотен метров).

Известно, что различные жизненные процессы изучают медицина, зоология, ботаника и другие биологические науки. Теперь мы видим, что геологические науки также изучают жизнь, причем те ее стороны, которые обычно совсем не интересуют биологов. Если в центре внимания биологов находится отдельный живой организм и его составные части — органы, клетки, то геологи, как мы убедились, рассматривают всю совокупность живых организмов как единое целое. Виднейший российский ученый академик В. И. Вернадский назвал эту совокупность «живым веществом». Именно при подобном подходе выявляется огромная роль жизни в земной коре. «На земной поверхности нет химической силы более постоянно действующей, а потому и более могущественной по своим конечным последствиям, чем живые организмы, взятые в целом», — писал Вернадский. Собственно им и были заложены основы новой ветви геологической науки — биогеохимии, изучающей жизнь в геологическом аспекте.

Биогеохимики установили, что почти все химические элементы в ходе геологической истории многократно поглощались живым веществом и выходили из него. Так совершался сложный круговорот, источником энергии которого, в конечном счете, являлся солнечный луч, поглощенный зеленым растением.

Но круговорот атомов в биосфере не является бесконечным повторением одних и тех же положений, равномерным развитием по кругу. Он совсем не означает возвращения биосферы в исходное положение. Наоборот, в результате подобных явлений биосфера все время изменяется, происходит ее поступательное развитие. Так, например, мы уже убедились, что в каждом цикле круговорота не весь углерод снова возвращается в атмосферу, что часть его атомов задерживается в виде залежей угля и нефти. Поэтому в ходе геологической истории происходит прогрессивное накопление в земной коре угля и нефти, а следовательно, и усиление геохимической деятельности подземных вод.

Таким образом, постоянный приток солнечной энергии к земной поверхности обусловливает накопление этой энергии в горных породах земной коры — биосфера изменяется, природа развивается. Символом круговорота, следовательно, является не круг, а спираль. Так, биогеохимия дает прекрасные примеры развития природы — по спирали.

Автор: А. И. Перельман.