Геохімічне середовище і геохімія живих організмів (частина 1)

7.5. Геохімічні кругообіги в біосфері
7.5.1. 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. Атоми, з яких побудовані земна кора і живі організми, мають спільну планетарну історію. Ця біохімічна точка зору підкреслює як існування хімічного підґрунтя екосистеми, так і обігу матерії в біосфері. 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 є кисневою системою, багатою на вуглець. Близько 97-98% атомів організмів потрапляє після їхньої смерті в шар земних газів. Тому зрозуміло, чому всі гази біосфери (О2, СО2, Н2О, NH3, H2S, SО2, Н2, СН4, СНОН, CSO, NО2) є біогенного походження.
Земна кора, за Д.І.Менделєєвим, налічує 100 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 груп:
1. Благородні, або інертні, гази – гелій, неон, аргон, криптон, ксенон. До складу організмів не входять.
2. Благородні 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, нептуній, плутоній тощо.
6. Рідкісноземельні – ітрій, лантан, 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 (10-1-10-2) – О, Н, С, N, Ca, S, Р, К, Si, Mg, Fe, Na, Cl, Al; мікроелементи (10-3-10-2) – Zn, Br, Mn, Cu, I, As, B, F, Pb, Ті, V, Cr, Ni, Sr, Ag, Co, Ba, Th; улътраелементи (10-6-10-12) – 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.