Що таке біогеохімія?
Стаття написана Павлом Чайкою, головним редактором журналу «Пізнавайка». З 2013 року з моменту заснування журналу Павло Чайка присвятив себе популяризації науки в Україні та світі. Основна мета як журналу, так і цієї статті – пояснити складні наукові теми простою та доступною мовою.
Геологічні явища завжди вражають уяву своєю грандіозністю. Вулканічні виверження і підняття з дна океану Гімалаїв, Кавказу, чи наших рідних Карпат та інших потужних гірських ланцюгів, затоплення морями цілих континентів, річки і льодовики, що руйнують гірські країни, – такий масштаб процесів, з якими мають справу геологи. І поряд з цими явищами мікроорганізми, рослини, тварини. У порівнянні з грізними силами мертвої природи вони незмірно малі. Здавалося б, що і вплив їх на навколишню природу мізерний: вони якби знаходяться в полоні у цих сил і змушені тільки до них пристосовуватись. Чи так це?
Згадайте морських тварин – корали. Сучасні коралові рифи тягнуться на тисячі кілометрів. Геологічна робота цих живих організмів, що почалася сотні мільйонів років тому в теплих морях палеозойської ери, триває безперервно і досі. За цей час корали та інші тварини з вапняними скелетами накопичили на землі потужні товщі вапнякових порід. Що це, випадковість? Приватне явище в геологічних процесах або певна закономірність?
РОСЛИНИ – НАКОПИЧУВАЧІ СОНЯЧНОЇ ЕНЕРГІЇ
Куди б ми не кинули погляд, всюди перед нами зелені рослини. Величезними зеленими смугами простягаються на материках тропічні ліси, савани, степи, тайга, тундра. Океани і моря рясніють рослинністю. Водорості, які наповнюють верхні шари моря, розмножуються місцями – як, наприклад, у Саргасовому морі в Атлантиці – в такій кількості, що навіть ускладнюють рух човнів. І тільки в крижаних просторах Антарктики, в снігах високогір’я та в деяких пустелях немає рослинності.
Кожна зелена рослина – це мініатюрна фабрика, яка, поглинаючи сонячну енергію, синтезує з вуглекислого газу повітря та води різні органічні сполуки. При цьому в атмосферу виділяється кисень. Цей чудовий процес називається фотосинтезом.
Як припускають вчені, кілька мільярдів років тому на Землі було відсутнє життя і в атмосфері не було кисню, в ній переважали метан, аміак, вуглекислий газ. Але зародилося життя, з’явився фотосинтез, і зелені рослини поступово докорінно змінили склад атмосфери, вони майже повністю очистили її від вуглекислого газу і збагатили киснем. Таким чином, оточуюче нас повітря багато в чому зобов’язане діяльності живих організмів.
Але чому ж все-таки в сучасній атмосфері є вуглекислий газ, якщо зелені рослини так енергійно поглинають його? Пояснюється це тим, що поряд з фотосинтезом існують процеси, які повертають вуглекислий газ в атмосферу. Це дихання рослин, тварин і мікроорганізмів, вулканічні виверження і деякі інші процеси. Так, на земній поверхні протікає круговорот вуглецю: він входить до складу органічних речовин в процесі фотосинтезу і знову, при диханні і розкладанні мертвих залишків організмів, утворює мінеральні сполуки – вуглекислий газ, карбонати. Аналогічні кругообіги зазнають кисень, азот та інші елементи. Всі вони енергійно мігрують на земній поверхні за рахунок сонячної енергії, накопиченої рослинами.
Однак рослини складаються не тільки з вуглецю, водню, кисню, – вони містять майже всі хімічні елементи, відомі на Землі, навіть самі рідкі, як, наприклад, радій, золото. Джерелом цих елементів служать гірські породи.
Особливо необхідні рослинним організмам фосфор, сірка, калій, кальцій. Але в гірських породах значно більше кремнію, алюмінію, заліза. Ось чому рослини, як своєрідний насос, за допомогою кореневої системи «перекачують» найбільш необхідні їм живильні речовини з глибоких горизонтів у поверхневі. У результаті після їх смерті ґрунт збагачується фосфором, сіркою, калієм і іншими важливими для життя елементами.
У процесі дихання рослин і тварин і при розкладанні їх мертвих залишків частина вуглецю, азоту, сірки та інших елементів, що входять до складу організмів, знову окислюється, переходить в атмосферу і в ґрунт. У результаті міняється склад ґрунтових вод: вони стають кислими, легко руйнують гірські породи та мінерали. Так, під впливом живих організмів гірські породи значно змінюють свій хімічний склад і властивості, вони перетворюються в ґрунт і залягаючу під ним кору вивітрювання. Особливо енергійно ці процеси протікають у вологих тропіках, де достаток тепла і вологи сприяє виникненню життя.
Верхні горизонти ґрунтів постійно змиваються водами і здуваються вітрами. Найдрібніші ґрунтові частинки відкладаються в річках, морях, утворюючи річкові, озерні і морські мули. Річкові та морські відкладення так само, як і ґрунт , насичені мікроорганізмами. Осадові гірські породи (глини та інші), які утворюються з них багатьма своїми властивостями зобов’язані діяльності живих істот.
Після смерті рослин їх залишки частково змінюються і відкладаються в гірських породах. Місцями це великі скупчення, що утворюють цілі поклади кам’яного і бурого вугілля, торфу, а місцями просто окремі обвуглені гілочки, листя, гумус. Але й ті й інші представляють собою продукти фотосинтезу минулих геологічних епох. Більшість вчених вважає, що і нафта є продуктом життя, що це теж глибоко перероблені продукти фотосинтезу. Таким чином, все це якби законсервована сонячна енергія, яку людство вже давно навчилося використовувати в своїх справах.
БІОГЕОХІМІЯ І БІОСФЕРА .
Отже, живі організми не другорядні агенти в земній корі, вони найважливіша ланка в механізмі планети. Поглинаючи сонячну енергію і перетворюючи її в енергію геохімічних процесів, вони змінюють і прискорюють рух атомів. Це потужна геологічна сила, перетворююча хімічний склад земної кори. Живі організми створили сучасну атмосферу, багато в чому перетворили склад гірських порід, поверхневих і підземних вод. Тому область розвитку життя представляє особливу оболонку Землі, де хімічні процеси протікають або під безпосереднім впливом живих організмів, або у фізико-хімічних умовах, «створених життям». Така оболонка отримала найменування біосфери. Вона включає в себе нижню частину атмосфери, всю гідросферу і значну частину літосфери (не менше кількох сотень метрів).
Відомо, що різні життєві процеси вивчають медицина, зоологія, ботаніка та інші біологічні науки. Тепер ми бачимо, що геологічні науки також вивчають життя, причому ті його сторони, які зазвичай зовсім не цікавлять біологів. Якщо в центрі уваги біологів знаходиться окремий живий організм і його складові частини – органи, клітини, то геологи, як ми переконалися, розглядають всю сукупність живих організмів як єдине ціле. Найвидатніший російський вчений академік В. І. Вернадський назвав цю сукупність «живою речовиною». Саме при подібному підході виявляється величезна роль життя в земній корі. «На земній поверхні немає хімічної сили більш постійно діючої, а тому і більш могутньої по своїм кінцевим наслідків, ніж живі організми, взяті в цілому», – писав Вернадський. Власне їм і були закладені основи нової гілки геологічної науки – біогеохімії, що вивчає життя в геологічному аспекті.
Біогеохіміки встановили, що майже всі хімічні елементи в ході геологічної історії багаторазово поглиналися живою речовиною і виходили з неї. Так відбувався складний круговорот , джерелом енергії якого, в кінцевому рахунку, був сонячний промінь, поглинений зеленою рослиною.
Але круговорот атомів в біосфері не є нескінченним повторенням одних і тих самих положень, рівномірним розвитком по колу. Він не означає повернення біосфери в початкове положення. Навпаки, в результаті подібних явищ біосфера весь час змінюється, відбувається її поступальний розвиток. Так, наприклад, ми вже переконалися, що в кожному циклі круговороту не весь вуглець знову повертається в атмосферу, що частина його атомів затримується у вигляді покладів вугілля і нафти. Тому в ході геологічної історії відбувається прогресивне накопичення в земній корі вугілля і нафти, а отже, і посилення геохімічної діяльності підземних вод.
Таким чином, постійний приплив сонячної енергії до земної поверхні обумовлює накопичення цієї енергії у гірських породах земної кори – біосфера змінюється, природа розвивається. Символом круговороту, отже, є не коло, а спіраль. Так, біогеохімія дає прекрасні приклади розвитку природи – по спіралі.
Автор : А. І. Перельман.