ГЕОХІМІЧНЕ СЕРЕДОВИЩЕ І ГЕОХІМІЯ ЖИВИХ ОРГАНІЗМІВ

Обіг матерії інтегрує в цілісний процес молекулярну структуру живих організмів і хімічні зв’язки біотопу. На цьому шляху настає, очевидно, кореляція між хімічними властивостями біотопа і хімічним складом живих організмів.

Взаємні стосунки хімічних елементів у земній корі, в біосфері і жи­вих організмах є надзвичайно складними. Присутність кожного елемента виражається в “кларках” (кларк — середній вміст елемента в земній корі, походить від прізвища американського геохіміка Ф.Кларка) — питомій вазі елемента у відсотках. Кларки елементів у живих організмах і земній корі, як ми в цьому могли переконатися, вивчаючи біохімічні кругообіги окремих елементів, не завжди збігаються. Деякі, трапляючись у великих кількостях у земній корі (наприклад, титан і стронцій), в організмах містяться лише у вигляді сліду. Відкритим біохімічним середовищем для живих організмів є не земна кора, ні всі хімічні явища літосфери, гідросфери й атмосфери, а лише система водних розчинів. Лише ті еле­менти, які в біосфері творять добре розчинні сполуки, можуть дістатися в більших кількостях до клітин рослин і тварин. Тому хімічний склад жи­вих організмів не є відбиттям хімічного складу земної кори, а лише клар­ка різних елементів у біосфері.

Головний склад органічної матерії залежить від тих хімічних елементів, які перебувають у біосфері в газовому стані, тому органічний світ живих організмів пов’язаний із кругообігом газів на Землі. В процесі спонтанного розпаду важких радіоактивних ядер (в земній корі) до поверхні допливає струмінь енергії. В такий спосіб тяжкі сполуки пе­ретворюються в легші, які врешті-решт досягають поверхні Землі у вигляді земних газів. З геохімічної точки зору органічна матерія с кис­невою системою, багатою на вуглець.

Земна кора, за Д.І.Менделєєвим, налічує IOO хімічних елементів. Проте лише шість з них взаємодіють в атмосфері: водень, кисень, азот, вуглець, фосфор і сірка. Як бачимо, в біосферних геохімічних процесах беруть участь найбільш здатні до хімічних реакцій елементи. Перші чо­тири елементи утворюють майже всю масу наземних рослин, на які припадає близько 99% усієї живої речовини.

Крім вуглецю, водню, азоту і кисню організми використовують зольні елементи — кальцій, калій, магній, залізо та мікроелементи — цинк, молібден, бор тощо. Атмосфера насичена вуглецем, в літосфері перева­жають алюмосилікати та трапляється незначна кількість металів.

Живі компоненти біосфери, як уже наголошувалось, складаються з тих хімічних елементів, що й неживі компоненти географічної оболонки. Проте їх роль у біосфері неоднакова, а тому їх за значимістю розподіляють на 6 ^гРУ^п:

1. Благородні, або інертні, гази — гелій, неон, аргон, крептон, ксенон. До складу організмів не входять.

2. Благордні метали — радій, рутеній, паладій, осмій, іридій, платина, золото. Вони майже не утворюють сполук у земній корі.

3. Циклічні, або органогенні елементи. Цю групу ще називають міграційною, характеризується вона високою реактивною здатністю еле­ментів, з них складаються живі організми (водень, кисень, азот, вуглець, фосфор, сірка, кальцій, калій, магній, залізо і т.д.).

4. Розсіяні елементи — рубідій, цезій, ніобій, тантал (утворюють спо­луки на великій глибині земної кори); йод, бром (вступають в реакцію лише на поверхні Землі).

5. Сильно радіоактивні — полоній, радон, радій, уран, нептун, плутоній тощо.

6. Рідкісноземельні — ітрій, лантон, церій, самарій, європій, тулій і т.д.

На групу органогенних (міграційних) елементів в земній корі при­падає 99,7% маси, а на решту — лише 0,3%. Таким чином, основна маса елементів — це мігранти, які здійснюють кругообіг у географічній оболонці, а частина інертних елементів дуже мала.

Організми складаються з таких основних елементів: кисню — 70%, вуглецю — 18, водню — 10,5, кальцію — 0,5% та ін.

Елементи, представлені в живих і мертвих організмах, називають біогенними. Однак немає в біосфері елементів, яких би бракувало в органічній матерії, тому практично можна всі елементи називати біогенними. Здавалось би, навіть такі небіогенні елементи, як вольфрам і кобальт, переходять у своїй міграції через органічну матерію. З погля­ду на кларк в органічній матерії хімічні елементи поділено на три гру­пи: макроелементи (10^,-10²) — О, H, C, N, Ca, S, P, K, Si, Mg, Fe, Na, СІ, Al; мікроелементи (10³-10²) — Zn, Br, Mn, Cu, I, As, В, F, Pb, Ті, V, Cr, Ni, Sr, Ag, Co, Ba, Th; ультраелементи (IO⁶-IO¹²) — Au, Rb, Hg, Ra, Rn.

Геохімічне середовище разом із організмами, які його заселяють, ут­ворюють у біосфері різні біогеохімічні світи, або біогеохімічні провінції, де даному хімічному складу елементів відповідає певна реакція рослин і тварин. Наприклад, буковим екосистемам і організмам, що їх заселяють, відповідає материнська порода, багата на карбонати.

Геохімічна енергія живих організмів проявляється передусім у ве­ликих швидкостях поширення життя (розмноження), яке полягає в регулюванні розмноження організмів у геометричній прогресії в умовах достатку геохімічної енергії:

де Nt — приріст за одиницю часу ї; А — ступінь геометричної прогресії.

Припустимо, що в ідеальному середовищі, де всі фактори є оптималь­ними, жива речовина якогось виду могла б зайняти всю поверхню Землі і заселити простір площею 5,10100933∙ IO⁸ км².

Якщо максимальна кількість особин одного виду становить N_max, то швидкість поширення життя

Геохімічна дія живих організмів, виражена показником V, становить, на­приклад, для бактерій 33100 см/с (наближається до швидкості звуку в атмосфері). Швидкість передачі геохімічної енергії у великих організмів, які розмножуються дуже повільно, наприклад, слонів, не перевищує 0,1 м/ с; інфузорія за місяць може дати потомство, що виражається цифрою з 44 нулями. Ця маса у мільйони разів перевищувала б масу Сонця.

В.І.Верпадський наводить приклад різної швидкості розмноження бактерії холери і слона. Якщо для покриття суцільною плівкою поверхні планети бактерією холери потрібно ЗО год, то для слона — 3000-3500 років. Геохімічна дія як однієї, так і іншої морфологічної форми одна­кова, але час для крупних організмів необхідний незрівнянно довший.

Величину геохімічної продуктивності можна визначити, вирахував­ши кінетичну енергію організмів:

де P — маса живих організмів; K — показник щільності живих організмів на даній території.

Геохімічна кінетична енергія живих,.організмів найкращим чином віддзеркалює роботу організмів у біотопі. їхня конкретна хімічна продук­тивність є показником геохімічної функції живої речовини. Спеціальний вплив живої матерії на хімічні властивості земної кори і міграцію хіміч­них елементів у межах біосфери В.І.Вернадський називав геохімічною функцією живих організмів.

Зупинимося на надзвичайно важливій функції живої речовини — концентраційній. Концентрована речовина використовується для побудови м’якого тіла і скелета, а також для відведення її в екскременти.

Сьогодні відомі численні факти концентрації живими організмами елементів зі сильно розбавлених розчинів, зокрема, вуглекислих солей кальцію, магнію і стронцію, кремнезему, фосфату, йоду, фтору, та інших компонентів. Фізіологічні особливості рослин, зокрема водоростей, дають їм змогу концентрувати лише ті елементи, вміст яких у середовищі не менше 10 мг/л. Тому тваринним організмам, яким не доводиться кон­центрувати елементи зі середовища легше, оскільки вони одержують їх у готовому вигляді від автотрофів.

За ступенем концентрації хімічних елементів В.І.Вернадський розподілив організми на такі групи: 1) “організми якогось елемента” (кальцієвого — бактерії, водорості, найпростіші, молюски, корали тощо);

T а б і и ц я 7 10

Зіставлення даних за розвіданим запасом деяких хімічних елементів і їх щорічним накопиченням живою речовиною