Текст книги "Геохимическое землеведение: учебное пособие"

Концепция биосферы В.И. Вернадского

Учение о биосфере и живом веществе, разработанное замечательным российским ученым Владимиром Ивановичем Вернадским (1863–1945), является одним из крупнейших достижений научной мысли. Концепция биосферы была сформулирована В.И. Вернадским в начале XX в., хотя термин «биосфера» появился значительно раньше и был введен в научный лексикон профессором Венского университета Э. Зюссом в 1875 г. Э. Зюсс подразумевал под биосферой область обитания живых организмов. В.И. Вернадский вложил в данный термин принципиально иной смысл.

Согласно идеям В.И. Вернадского под биосферой подразумевается наружная оболочка Земли, охваченная непрерывным массообменом химических элементов между геохимически активным живым веществом планеты и инертным веществом земной коры, гидросферы и атмосферы. Указанный массообмен, происходящий в процессе жизнедеятельности организмов, осуществляется на разных уровнях – от обмена веществ между индивидуальным организмом и средой его обитания, до обмена между закономерным комплексом организмов (биоценозом) и окружающей средой, между сочетанием биоценозов и средой в пространстве природной зоны и так далее до общепланетарного массообмена между живым веществом планеты, с одной стороны, и веществом ее наружных разнофазных оболочек, с другой. При этом процесс массообмена сопровождается направленным изменением состава окружающей среды, что стимулирует эволюцию организмов, жизнедеятельность которых, в свою очередь, способствует дальнейшему изменению состава среды. Таким образом, биосфера представляет собой саморазвивающуюся систему.

К сожалению, концепция биосферы, впервые изложенная В.И. Вернадским на лекциях в Парижском университете весной 1923 г. и опубликованная в виде книги «Биосфера» в 1926 г. на русском, а в 1929 г. на французском языке, не вызвала интереса в научных кругах европейских стран и США. Замечательные идеи В.И. Вернадского опередили свое время и более полувека оставались неизвестными на Западе, а в нашей стране подверглись критике по идеологическим соображениям.

Но в конце 60-х – начале 70-х годов XX в. под влиянием многочисленных и разнообразных проявлений негативных последствий техногенного прогресса стала очевидной острая необходимость изучения геохимического состояния окружающей среды. Люди начали осознавать важное экологическое значение живых организмов не только для себя, но и для последующих поколений. Возникло стремление к научному осмысливанию феномена жизни. В этой ситуации английский физико-химик Джеймс Лавлок (1979) выдвинул гипотезу Геи[7]7
  Гея – богиня Земли в древнегреческой мифологии.


[Закрыть]. Ее суть заключается в следующем. Исходя из идеи о том, что все живые организмы произошли от некого отдаленного общего предка, гипотезой предполагается, что история развития органического мира представляет собой не что иное, как длительную эволюцию этого гипотетического предка, постепенно превратившегося в общепланетарный сверхорганизм. Этот гиперорганизм пронизывает своими разветвлениями и метостазами наружные оболочки Земли и обуславливает коэволюцию (взаимосвязанную эволюцию) организмов и окружающей среды. По поводу степени воздействия Геи на среду сложились две точки зрения. Согласно одной воздействие Геи направлено на сохранение природных условий, благоприятных для большей части организмов («слабая Гея»). Вторая точка зрения допускает, что организмы способны направленно изменять окружающую среду («сильная Гея»).

Гипотеза Геи приобрела широкую популярность в странах Запада, где труды В.И. Вернадского были до конца XX в. неизвестны. Если отвлечься от элементов фантастичности в терминологии, то гипотеза Геи, базирующаяся на признании важной роли жизнедеятельности организмов, близка к учению В.И. Вернадского о живом веществе, а идеи о коэволюции организмов и окружающей среды полностью вписываются в концепцию биосферы. В 1997 г книга В.И. Вернадского «Биосфера» была издана в США и его труды получили всеобщее признание.

Рассматривая биосферу как глобальную термодинамическую систему, следует остановиться на проблеме термодинамики живого вещества и биосферы.

Процессы, протекающие в неорганической природе и в живом веществе, глубоко различаются в энергетическом плане. Любой процесс объединяет его участников в целостное единство, называемое системой. Для выполнения работы система должна быть обеспечена энергией. При осуществлении работы используется лишь часть энергии. Величина этой части зависит от уровня организации системы: чем более упорядочена система, чем сложнее и совершеннее ее организация, тем энергетически более выгодна система. Мерой упорядочения, или правильнее – мерой беспорядка, служит функция состояния системы – энтропия (от греч. entropia – поворот, превращение). Примитивно организованные системы обладают низким коэффициентом полезного действия, значительными потерями энергии и соответственно высокой энтропией. По мере упорядоченности систем, повышения уровня их организации, потери энергии уменьшаются и соответственно снижается энтропия в конечных продуктах этих систем.

Наиболее просто устроены так называемые изолированные системы, которые лишены возможности обмениваться энергией и веществом с окружающей средой. Они широко используются в технике (тепловые машины, двигатели внутреннего сгорания и т. п.). Более сложную структуру имеют системы, которые могут обмениваться энергией с окружающей средой, хотя не способны к обмену веществом. Такие системы называемые закрытыми, встречаются в неорганической природе. В этих системах при совершении работы энергия также довольно активно теряется, что сопровождается накоплением энтропии в произведенных продуктах.

Во второй половине XX в. было обнаружено, что в окружающем нас мире преобладают не закрытые системы, в которых действуют закономерности физико-химических равновесий, а сложно связанные между собой открытые неравновесные системы. Теория открытых систем была разработана выдающимся бельгийским физико-химиком русского происхождения И.Р. При гожиным. Согласно этому ученому, структура и динамика открытых систем имеют статистическую основу и непрерывно флуктируют (изменяются). В некоторых случаях (так называемых точках бифуркации) эти флуктации могут быть столь значительными, что разрушают организацию системы и тогда возникновение полного беспорядка (хаоса) также вероятно, как образование высоко организованной структуры.

Учение о термодинамике открытых систем, получившее название синергетики (от греч. synergetikos – совместный, согласованно действующий), имеет весьма важное значение для понимания геохимических процессов, происходящих в биосфере.

Среди открытых неравновесных систем особое место принадлежит биологическим системам. Их организация базируется на сложных, взаимообусловленных реакциях биохимического катализа, осуществляемого закодированными полипептидными ферментами, и специализированными нуклеиновыми кислотами (РНК), производящими кодирование. Таким образом, биологические системы непрерывно осуществляют самоподдержание и самовосстановление.

Но этим замечательные свойства биологических систем не ограничиваются. Жизнь, в отличие от неживой, неорганической, природы на протяжении всей геологической истории развивается в сторону усложнения. По мнению Э.М. Галимова, весьма сложная организация биологических систем и статистический характер процесса их самовоспроизведения способствует образованию все более низкоэнтропийного продукта и, следовательно, совершенствованию организации этих непрерывно воспроизводимых систем. Можно предполагать, что именно это обстоятельство является главным фактором направленности эволюции живых организмов.

Биосфера как природная система имеет весьма сложную организацию. Попытки вскрыть закономерности функционирования биосферы с позиции классической термодинамики и теории химических равновесий не увенчались успехом, так как в этом случае рассматриваются закрытые системы с ограниченным количеством переменных. Более перспективными оказались разработки в области теории открытых неравновесных систем И.Р. Пригожина.

Исходя из идей В.И. Вернадского и учитывая установленные в последующем факторы и сделанные открытия, можно считать, что функционирование биосферы как планетарной системы обеспечивается циклическим массообменом между всеми ее компонентами. Процессы циклического масообмена неразрывно связаны с суммарным геохимическим коэффициентом жизнедеятельности организмов. Некоторые циклы полностью обусловлены жизнедеятельностью, другие – биогенны в той или иной мере.

Характерная часть геохимических циклов – их незамкнутость, позволяющая избыточной для данного цикла части мигрирующих масс выходить из миграции и аккумулироваться в составе какого-либо компонента системы («резервуара») или переходить в другой миграционный поток. Незамкнутость циклов обуславливает замечательное свойство самовосстановления отдельных нарушенных геосистем и самоподдержание всей биосферы в целом.

Среди циклических процессов массообмена, происходящих в биосфере, наиболее очевидным и изученным является биологический круговорот в пределах Мировой суши, под которым подразумевается ежегодный циклический обмен масс химических элементов между почвой и растительностью. Количество химических элементов, мобилизуемых в процессе выветривания и почвообразования, так велико, что не может быть полностью включено в биологический круговорот. Большая часть этого «остатка» вовлекается в водную миграцию и удаляется с речным стоком за пределы суши, меньшая часть включается в аэральную миграцию и участвует в циклах массообмена между поверхностью континентов и тропосферой. Не менее активно происходит циклический обмен масс, но других химических элементов, между поверхностью океанов и тропосферой, а также аэральная миграция масс с акватории на сушу и в обратном направлении.

Распределение масс и главные миграционные массопотоки химических элементов

Имеющиеся данные позволяют наметить основные черты планетарных геохимических циклов отдельных химических элементов. Для построения модели будем рассматривать три наружные оболочки Земли, а также живое вещество планеты как резервуары элементов, связанные миграционными потоками.

Как отмечено ранее, современные геохимические циклы захватывают не всю литосферу и даже не всю кору континентов, а лишь ее самую поверхностную часть на суше (зону гипергенеза) и главным образом педосферу.

Все расчеты в этой главе проведены, по возможности, с исключением воздействия хозяйственной деятельности человечества с целью установления природных циклов. Случаи, когда указанное исключение невозможно, специально отмечаются.

Для расчета масс, содержащихся в резервуарах географической оболочки, принимаются следующие величины: Атмосфера, масса – 5-10¹⁵ т.

Мировой океан, объем —1370-10¹⁵ м³ (86 % всей гидросферы, объем которой равен 1600-10¹⁵ м³).

Земная кора:

• толща осадочных пород (стратисфера), масса —2400-10¹⁵ т,

• «гранитный» слой земной коры, масса – 8200-10¹⁵ т. Живое вещество – биомасса:

• живая суши (до нарушения человеком) – 6,25–10¹² т,

• живая океана – 30–10⁹ т,

• сухая суши – 2,5-10¹² т,

• сухая океана – 7,0-10⁹ т.

Органическое вещество почвы (педосферы):

• лесные подстилки (сухая масса) – 0,2-10¹²,

• аккумуляции торфа (сухая масса) – 0,5-10¹².

Общая масса органического углерода в педосфере – органическое вещество:

• Мирового океана, растворенное и высоко-дисперсное органическое вещество, сухая масса – 4-10¹² т,

• погребенное в толще осадочных пород, сухая масса – 14,5-10¹⁵ т.

Величины, принятые для расчета массообмена между резервуарами:

• сток воды с дренируемой суши в океан – 37–10¹² м³/год,

• сток воды, включая сток с ледников – 4,4-10¹² м³/год,

• испарение с поверхности океана – 456-10¹² м³/год,

• испарение с дренируемой части суши – 62–10¹² м³/год,

• испарение с бессточной части суши – 8-10¹² м³/год,

• осадки на поверхность океана – 412-10¹² м³/год,

• осадки с дренируемой части суши—106-10¹² м³/год (включая 44–10¹² т/год осадков морского происхождения),

• «сухое» осаждение из атмосферы – 20 % от массы элемента, содержащегося в водных атмосферных осадках.

Биологический круговорот:

• годовая продукция живого вещества суши, до воздействия человека (сухая масса) – 172-10⁹ т,

• с учетом антропогенного сокращения на 25 % – 129-10⁹ т,

• зольность – 5 % сухой массы вещества,

• биологический круговорот фотосинтезирующих организмов океана (сухая масса) – 110-10⁹ т/год,

• зольность – 20 % сухой массы вещества.

Годовое поступление органического вещества с водным стоком с суши в океан, сухая масса – 0,710⁹ т.

Вывод дисперсного органического вещества из океана в осадки – 0,02–10⁹ т/год.

Годовой вынос твердых частиц и взвесей с водным стоком с суши в океан – 20,5-10⁹ т.

Годовой вынос твердых частиц ветром через атмосферу с суши в океан – 1,9-10⁹ т.

Сравнительный анализ распределения масс и геохимических циклов натрия и хлора в географической оболочке

Геохимический цикл натрия. Натрий – типичный представитель элементов, накапливающихся на поверхности планеты в процессе выплавления земной коры из вещества мантии. Основная масса этого элемента выпадает на последних стадиях магматической кристаллизации и остается в постмагматических растворах. Подобно кальцию, натрий занимает в кристаллохимических структурах силикатов позиции между прочными алюмокремне-кислородными группировками, легко освобождается при выветривании кристаллических пород и в отличие от калия не входит в структуры распространенных глинистых минералов. В то же время натрий весьма активно сорбируется и поэтому аккумулируется в осадочных породах. Концентрация Na₂O в «гранитном» слое – 2,71 %, в толще осадочных пород – 1,5 %. Соответственно в «гранитном» слое содержится натрия 138-10¹⁵ т, а в осадочной толще – 22,3-10¹⁵ т.

Освобождаясь из кристаллического вещества земной коры, натрий в форме хорошо растворимого катиона переносится с континентальным стоком в океан, в водах которого содержится 14,74–10¹⁵ т этого элемента. Огромное количество натрия, сосредоточенное в осадочных породах и в океане (37–10¹⁵ т), составляет всего лишь 21 % той массы элемента, заключенной в исходном «гранитном» слое литосферы, откуда он постепенно вовлекался в миграцию в географической оболочке.

В организмах натрий является обязательным компонентом жидких тканей животных и человека (плазмы, крови, лимфы) и клеточного сока растений, играет важную роль в поддержании кислотно-щелочного равновесия, регулирует осмотическое давление, поддерживает необходимое количество воды в тканях и пр. В силу важной физиологической роли натрий в большом количестве поглощается растительными и особенно животными организмами, его недостаток вызывает тяжелые заболевания.

В оценке средней концентрации натрия в живом веществе нет единого мнения. Согласно А.П. Виноградову, эта величина около 0,05 %, по X.Дж. Боуэн, – 0,12 % сухой массы. Исходя из последней величины, в биомассе суши содержится около 3-10⁹ т натрия. Концентрация в живом веществе океана значительно выше – 3,3 % сухого вещества, но в океанической биомассе находится всего 0,18–10⁹ т, т. е. в 10 раз меньше, чем на суше.

Из растительных остатков натрий легко выщелачивается, поэтому его концентрация в мертвом органическом веществе и гумусе педосферы невелика – 0,01 %, а величина содержащейся массы близка к (0,2–0,3) – 10⁹ т. В педосфере содержатся значительные массы натрия в форме солей и сорбированных ионов, однако эта величина пока не поддается обоснованному определению.

Распределение масс натрия в географической оболочке показано на рис. 12.

Рис. 12. Модель распределения масс натрия в географической оболочке

(цифры – масса элемента в т)

Главным миграционным потоком натрия в географической оболочке является водный сток с суши, с которым ежегодно выносится 0,066-10⁹ т ионов этого элемента. Одновременно с твердым стоком натрий выносится преимущественно в сорбированном состоянии. Принимая концентрацию натрия в глинистых породах по А.П. Виноградову, 0,66 % для выносимых реками твердых частиц и взвесей, получим массу 0,135-10⁹ т. Живое вещество Земли на протяжении года пропускает через себя около 4,6-10⁹ т натрия, причем на суше в биологический круговорот вовлекается 0,2-10⁹ т, а в океане почти в 20 раз больше. Огромная аккумуляция натрия в океане и значительное превышение океанического биологического круговорота над континентальным характеризуют натрий как типичный талассофильный элемент.

Концентрация натрия в атмосферных осадках над океаном 2,24 мг/л, над сушей – около 2 мг/л. Соответственно над океаном находится 1003,5-10⁶ т плюс 20 % на «сухое» осаждение (200-10⁶ т), всего 1203-10⁶ т. Около 100-10⁶ т из этого количества переносится на континенты, и в океан возвращается 1103-10⁶ т натрия. В атмосферу над сушей поступает около 0,2-10⁶ т, но из атмосферы на поверхность суши выпадает большее количество благодаря переносу океанического натрия в количестве около 280-10⁶ т. В то же время с поверхности суши в океан выносится с ветровой пылью примерно 0,013-10⁹ т натрия в сорбированном состоянии. Как следует из приведенных данных, распределение масс натрия и структура его планетарного геохимического цикла (рис. 12 и 13) свидетельствует о мобилизации масс этого элемента из пород гранитного слоя в процессе их гипергенного перераспределения.

Рис. 13. Глобальный геохимический цикл натрия:

1 – биологическая миграция, 2 – миграция ионов, 3 – миграция в сорбированном состоянии на твердых частицах или в виде обломков натрийсодержащих минералов. Цифры – масса элемента в т/год

Геохимический цикл хлора. Распределение хлора в географической оболочке характеризуется ясно выраженной аккумуляцией в водах Мирового океана, где в форме растворенных ионов СI^-содержится преобладающая часть массы этого элемента. Хлор – наиболее талассофильный элемент. Его сравнительно небольшое количество находится в живом, еще меньше – в мертвом органическом веществе. Средняя концентрация хлора в сухой массе живого вещества суши, по Х.Дж. Боузн, равна 0,2 %, океана значительно выше – 4,7 %. Но в силу того, что суммарная масса живых организмов океана в 100 раз меньше массы организмов суши, в живом веществе суши связано на два математических порядка больше хлора. Количество хлора, содержащегося в органическом веществе суши и океана примерно одинаково.

В областях непромывного водного режима почв хлор накапливается в почвах. В этих условиях миграция элемента осуществляется в процессе массообмена суша – атмосфера. Количественная оценка этого процесса пока неосуществима. Можно лишь отметить, что содержание ионов хлора в атмосфере не имеет существенного значения в балансе его масс. Распределение масс хлора показано на рис. 14.

Рис. 14. Модель распределения масс хлора в географической оболочке

(цифры – масса элемента в т)

Содержание хлора в толще осадочных пород характеризуется, по А.Б. Ронову, средней концентрацией 0,27 % и массой 6,5-10¹⁵ т. В «гранитном» слое земной коры концентрация в 10 раз меньше – 0,021 %, а общее количество элемента равно 1,7-10¹⁵ т. Таким образом, даже если бы вся огромная масса «гранитного» слоя земной коры была разрушена, то освободившегося хлора не хватило бы для океана, не говоря уже об осадочных породах.

В географической оболочке хлора почти в 20 раз больше, чем в «гранитном» слое. Это обстоятельство ясно указывает на поступление элемента из подкорковых областей мантии в результате ее дегазации.

Сравнение распределения масс натрия и хлора в географической оболочке представлено в табл.16.

Таблица 16

Распределение масс натрия и хлора в биосфере, 1-10⁹ т

Доминирование хорошо растворимых в воде ионов хлора над ЭГО другими формами нахождения определяют основные черты глобального геохимического цикла этого элемента, среди которых главная – исключительно высокая способность к водной миграции. Значительные количества хлора многие миллионы лет выносятся с континентальным стоком в океан (рис. 15). Замечательной особенностью его геохимического цикла является активная миграция в атмосфере в составе аэрозолей и возврат значительных масс на сушу. В атмосферных осадках над океаном содержание хлора в среднем 4 мг/л. Следовательно, на протяжении года из океана в атмосферу переходит 1792-10⁶ т хлора плюс 358-10⁶ т «сухих» осаждений, а возвращается с осадками и в форме «сухих» осаждений 1972-10⁶ т. Разница в 178-10⁶ т переносится с воздушными массами на сушу и выпадает там. Таким образом, значительная часть хлора циркулирует в системе суша – океан – атмосфера – суша, в силу чего хлор именуется циклическим элементом.

Рис. 15. Глобальный геохимический цикл хлора:

1 – биологическая миграция, 2 – миграция ионов, 3 – миграция в сорбированном состоянии на твердых частицах. Цифры – масса элемента в т/год

Растения поглощают хлор из почвы, точнее, из почвенных вод. Ежегодно в биологический круговорот на суше захватывается около 0,3-10⁹ т элемента. В морской воде его концентрация значительно выше и он соответственно в большем количестве входит в синтезируемые ткани организмов. На протяжении года биос океана вовлекает в круговорот примерно 4,5-10⁹ т хлора, это в 15 раз больше, чем на суше.

Сопоставление структуры планетарных миграционных циклов натрия и хлора представлено в табл. 17.

Проведенный сравнительный анализ распределения миграции масс в географической оболочке двух элементов, тесно связанных своей геохимической историей, показал, что по источнику масс, поступающих в систему планетарных геохимических циклов, различаются две группы химических элементов. Массы одних, представителем которых является хлор, поступали в систему миграционных циклов, в результате процессов дегазации вещества мантии. Массы других элементов мобилизовывались в процессе гипергенного преобразования вещества верхнего слоя земной коры континентов. К ним относится натрий.

Рассмотрим характерные черты распределения и миграции масс других представителей установленных двух групп элементов.

Таблица 17

Миграция масс ионов натрия и хлора в биосфере