книги / Основы геохимии

жения разных организмов были собраны и критически проанализиро­ ваны с точки зрения геохимии В. И. Вернадским.

Наиболее высокие темпы размножения характерны для бактерийОни выражаются сменой 64—65 поколений в сутки, или в среднем каж­ дое поколение образуется через 22—23 мин. С высоким темпом размно­ жения связано быстрое распространение эпидемий холеры, брюш­ ного тифа, дизентерии и других болезней, вызываемых соответствую­ щими бактериями и вирусами. Микроорганизмы, и в частности бакте­ рии, размножаются простым делением, и характер их размножения может быть выражен геометрической прогрессией. В. И. Вернадский выразил это следующим образом: если п — количество суток, то через п суток две бактерии, возникшие при первом делении, превратятся в N„ неделимых:

2ЛД = Nn,

гдеД — число поколений в сутки.

Наиболее медленно смена поколений происходит у многоклеточных животных и растений. При вегетативном размножении растений смена поколений может идти быстрее и приближаться к скорости размноже­ ния одноклеточных организмов. При размножении организмов проис­ ходит захват новых химических элементов из окружающей среды.

Кроме коэффициента Д, характеризующего скорость размножения числом поколений в сутки, В. И. Вернадский выделил еще величину суточного прироста организма а, которая связана со скоростью размно­ жения следующим образом:

(« + 1 )Я= ЛГП = 2ЯА.

Зная скорость размножения организмов и их размеры, можно вы­ числить время заселения всей поверхности Земли каким-либо орга­ низмом при условии выживания всех его потомков. Причем поверх­ ность Земли будет представлять собой предел роста, размножения и расселения организмов. По В. И. Вернадскому, время заселения колеб­ лется для каждой таксономической единицы живых организмов от 1,3 суток для некоторых микроорганизмов до нескольких десятиле­ тий для крупных млекопитающих.

Скорости размножения некоторых организмов представлены в табл. 67. Данные таблицы могли бы быть реальными при одном усло­ вии — отсутствии преград для размножения. Конечно, в пределах биосферы это просто невозможно. К причинам, задерживающим раз­ множение, можно отнести термодинамические условия, недостаток пи­ щи, изменение внешней среды в результате деятельности самих орга­ низмов и главное — борьбу за существование — один из факторов эво­ люционного процесса. Наконец, все группы животных и растений на­ ходятся в сложных взаимоотношениях друг с другом, включающих в себя как борьбу за существование разных таксономических единиц, так и взаимное содружество в разных биоценозах.

Встречая препятствие на своем пути, организм сохраняет потен­ циальную возможность к расселению и занятию пространства. Поэто­

212

му нетрудно понять, что все живое население нашей планеты — живое вещество — пребывает в состоянии крайней напряженности. Эта нап­ ряженность реально выражается в круговороте всех биофильных эле­ ментов, поступающих из внешней среды и вновь в нее возвращающих­ ся. Темпы размножения всех известных видов животных и растений находятся в пределах тех значений, которые указаны в табл. 67.

Если учесть суммарный эффект потенциальной возможности раз­ множения всех организмов Земли геологического прошлого и настоя­ щего, то нетрудно прийти к выводу, что со времени появления жизни все живое вещество необычайно быстро заполнило пространство биосфе­ ры, по существу, моментально в разрезе геологического времени.

213

КОНЦЕНТРАЦИЯ ХИМИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ ОРГАНИЗМАМИ

Несмотря на общие черты химического состава всех организмов и преобладание в них типичных биофильных элементов, некоторые жВ* вотные и растения отличаются резко повышенным содержанием какоголибо одного или нескольких элементов. Еще В. И. Вернадский ука­ зывал, что точный химический состав организма может служить его видовым признаком. Если рассматривать весь живой организм как це­ лое, включая все его тело, а не только протоплазму, к которой прико­ вано вековое внимание биологов, мы обнаружим существенные ва­ риации химического состава отдельных таксономических единиц- В этом случае организм выступает как концентратор многих химичес­ ких элементов преимущественно в твердых частях тела и реже в мягких тканях и клетках. Существуют и организмы, содержащие ничтожные следы некоторых обычных элементов.

Порядок распространения химических элементов (средние величи­ ны) в живом веществе нашей планеты представлен в табл. 68, состав­ ленной по данным А. П. Виноградова. В таблице элементы распре­ делены на IX декад в зависимости от содержания (в массовых %). Данные таблицы характеризуют «нормальные» или «обычные» содер­ жания химических элементов.

Учитывая существующие отклонения химического состава отдель­ ных организмов от валового среднего содержания для живого вещест­ ва, В. И. Вернадский еще в 1922 г. в своем сообщении «Химический состав живого вещества в связи с химией земной коры» разделил од­ нородные живые существа на три группы: организмы данного элемен­ та, организмы, богатые (обогащенные) одним элементом, и организмы обычные.

К первой группе относятся организмы, в которых количество данного элемента в среднем валовом составе живого вещества достидостигает 10% и выше.

Во вторую группу входят организмы, у которых преобладание ка­ кого-либо элемента выражено не столь резко и приближается либо превышает 1 %, т. е. более редкий элемент попадает во вторую декаду

по распространенности.

Т а б л и ц а 68

Распространенность элементов в живом веществе по декадам

214

К обычным организмам относятся те, которые по своему составу в общем мало отличаются от среднего состава живого вещества.

Между выделенными группами организмов не наблюдаются пос­ тепенные переходы в отношении содержания ведущего элемента. Различия выражаются довольно резко.

Известные организмы первой группы по содержанию ведущего элемента могут быть названы: кремниевыми, алюминиевыми, желе­ зистыми, кальциевыми, магниевыми, бариевыми, марганцевыми, сер­ ными, стронциевыми и фосфорными. Элементы, по названиям которых выделены геохимические группы организмов с максимальной их кон­ центрацией, относятся к главным, распространенным в литосфере элементам. Исключение в известной степени представляют калий и натрий. Калиевые организмы с содержанием калия свыше 10% от­ сутствуют. Обогащенные им организмы (содержат 3% К на живую массу) представлены гигантскими водорослями (например, Macerocystis, Palegophycus). Относительно высокое содержание калия отмечается в наземных растениях. Также отсутствуют собственно натриевые орга­ низмы. Но обогащенные им организмы представлены большинством морских водорослей, наземнсй флорой солончаков.

Кроме обычных элементов, широко распространенных в литосфере, многие организмы концентрируют редкие и рассеянные химические элементы, которые играют важную роль в их физиологии. Так, неко­ торые наземные цветковые растения могут концентрировать Li, Be, В. Микрофлора некоторых рудных месторождений обогащается Си, Zn, Pb. Бром и иод накапливаются в некоторых морских водорослях, а также некоторых губках. Растительность, произрастающая на почвах

215

ЧАСТЬ III

Г Е О Х И М И Ч Е С К И Е П Р О Ц Е С С Ы

соединений. Ко вторым — физико-химические условия среды, в ко­ торой происходит миграция элементов. К важнейшим внутренним факторам миграции относятся: 1) термические свойства элементов, их летучесть или тугоплавкость; 2) химические свойства соединений элементов; 3) энергетические свойства ионов, определяемые их кристал­ лохимическими параметрами и связанные с ними явления изоморфизма; 4) гравитационные свойства — массы атомов, плотности различных элементов и их соединений; 5) радиоактивные свойства, определяющие вековое изменение изотопного состава радиоактивных и радиогенных элементов.

К важнейшим внешним факторам относятся: 1) температура; 2) давление; 3) концентрация вещества, определяющая ход событий

6) окислительно-восстановительный потенциал Eh растворов; 7) по­ верхностные силы природных коллоидных систем и связанные с ними явления адсорбции элементов и их соединений; 8) равновесие фаз (правило фаз); 9) действие живых организмов

Все перечисленные факторы миграции действуют совместно и тес­ нейшим образом переплетаются друг с другом.

Геохимическая история любого элемента может быть представлена как участие его в общем круговороте вещества в пределах верхних обо­ лочек. Крупные концентрации элементов дают месторождения различ­ ного типа и генезиса. Наиболее распространенные элементы опреде-

217

ляют химизм земной коры в целом и участвуют в большом круговоро­

зонтах нашей планеты, охватывающем магматические, осадочные и ме­ таморфические горные породы и их взаимные переходы, впервые было развито И. Лукашевичем в его учении о метаморфизме. В дальнейшем

Присоединение воды, нислорода, углекислого газа, и т.д. из атмосферы и грунтовых вод

главным образом во время выветривания

Рис. 44. Круговорот вещества на Земле (по А. Холмсу, 1965)

на более высоком уровне знаний это учение разрабатывалось главным образом В. И. Вернадским, а затем Т. Бартом.

В процессе круговорота, который носит относительно цикличес­ кий характер, более легкие молекулы, радикалы, атомы и ионы про­ ходят меньший путь и затрачивают меньше времени на свое передви­ жение, чем более тяжелые вещества. В этом и в эффекте магматической

218

дифференциации Т Барт усматривает конечную причину разнообра­ зия химического состава горных пород. Максимально подвижные лег­ кие вещества — газовые компоненты атмосферы, вода; минимально подвижные — вещество материков (табл. 70).

Геохимический круговорот вещества на Земле в целом включает повторяющиеся процессы превращения и перемещения. Они имеют в той или иной мере цикличный и в то же время поступательный и необ­ ратимый характер. В разной степени он проявляется в вековой хими­ ческой дифференциации всей планеты, главным образом ее верхней мантии.

Наиболее масштабно процесс образования верхних оболочек Земли происходил в раннем докембрии. Это выразилось морфологически и

отношении их можно считать зонами максимального обмена веществ в вертикальном направлении.

В земной коре геохимические процессы протекают при широком

игипергенные, протекающие в условиях поверхности Земли. Гипергенные процессы наиболее характерны для уровня биосферы.

Гипогенные ниже ее, но они нередко вторгаются и в биосферу (вул­ канизм и связанные с ними процессы).

Следует отдельно выделить геохимию метаморфических процессов. С ними связаны особые явления миграции химических элементов. Метаморфизму подвергаются осадочные горные породы с характер­ ным для них распределением разных элементов и минералов.

ТЕРМОДИНАМИЧЕСКАЯ НАПРАВЛЕННОСТЬ ГЕОХИМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ

В геохимических процессах участвуют одновременно многие мил­ лиарды атомов химических элементов. Поэтому для выяснения путей миграции элементов в природе следует учитывать свойства не только единичных атомов, но и свойства их многочисленных группировок, ко­ торые неизбежно подчиняются более общим статистическим законо­

219

мерностям. Образование или разрушение минерала как природного химического соединения, вхождение в него изоморфных элементов и распад изоморфных смесей, растворение соединений и выпадение их в осадок, образование твердых, жидких и газовых фаз подчиняются термодинамическим законам.

При различного рода химических превращений в земной коре и на ее поверхности происходит поглощение или выделение энергии, свя­ занное с термодинамическими свойствами минеральных ассоциаций и термодинамическими условиями среды, определяемыми температурой (Г), давлением (Р) и концентрацией вещества (С). Несмотря на большое разнообразие, многие химические процессы верхних оболочек земного шара имеют определенную направленность. Она заключается в том, что любая природная система стремится перейти в состояние макси­ мальной устойчивости с минимальным запасом свободной энергии.

В пределах биосферы Земли мы знаем один ведущий планетарный процесс, направленный в противоположную сторону, протекающий с накоплением свободной энергии. Это фотосинтез зеленых растений, поставляющий свободный кислород и тем самым определяющий высо­ кий химический потенциал свободной энергии биосферы, который ве­ ками расходуется на гипергенные геохимические процессы.

Выход каждой природной системы из состояния относительного равновесия диктуется законами термодинамики. Первый закон тер­ модинамики является частным случаем общего закона сохранения энер­ гии в данной системе. Второй закон термодинамики, имеющий большое значение для понимания химических процессов в земной коре, гласит, что коэффициент полезного действия тепловой системы (при переходе от более теплой части к более холодной) всегда бывает меньше 1, что можно выразить формулой

где Qi — теплота теплоотдатчика, Q2 — теплота теплоприемника, 7 \ — Т2 — разность их температур.

Второй закон термодинамики может быть сформулирован еще сле­ дующим образом: в изолированных системах могут совершаться толь­ ко такие процессы, при которых энтропия системы возрастает, и про­ цесс самопроизвольно может идти только до такого состояния, при котором энтропия обладает максимальным для данных условий значе­ нием. Стремление к равновесию в данной системе выражается термо­ динамическим изобарно-изотермическим потенциалом:

Z = U - T S — PV,

где U — внутренняя энергия, Т — абсолютная температура, S — эн­ тропия, Р — давление, V — объем.

В обратимых изотермических процессах изменение энтропии (Д5) равняется тепловому эффекту процесса, деленному на абсолютную температуру. Энтропия обычно выражается в Дж/град. моль — энтропийной единицей.

220