Следы былых биосфер, или Рассказ о том, как устроена биосфера и что осталось от биосфер геологическо - Лапо Андрей Витальевич

X. А. Ловенштам составил таблицу, иллюстрирующую распределение минералов в составе разнородного живого вещества (рис. 5). Оказалось, что среди крупных таксонов органического мира наибольшее количество минералов образуют многоклеточные животные: моллюски (20 минералов) и позвоночные (17). Большинство минеральных образований, входящих в состав живого вещества, плохо растворимо в морской воде и благодаря этому после отмирания организмов накапливается в осадках (из этого правила имеются, конечно, и исключения).

Рис. 5. Минералы, образуемые живыми организмами (по Ловенштаму, 1984). Наверху — названия царств органического мира (по Маргелис, 1983), внизу — названия типов

По степени концентрации химических элементов Вернадский разбил живые организмы на 4 группы. В первую группу — «организмы какого-либо элемента» — были включены организмы, концентрирующие данный элемент в количестве 10% и выше. Существуют, например, кремниевые организмы (диатомовые водоросли, радиолярии, кремниевые губки), кальциевые (бактерии, водоросли, простейшие, моллюски, брахиоподы, иглокожие, мшанки и кораллы), железные (железобактерии) и т. д. Во вторую группу — «богатые каким-либо элементом» — относились организмы, содержащие данный элемент в количестве около 1% и выше (до 10%). При этом содержание элементов в первых двух группах должно быть выше, чем кларк данного элемента. Третью группу составляют «обычные организмы», четвертую — «бедные данным элементом».

Развивая эти представления с несколько иных позиций, югославский геохимик В. Омальев недавно ввел понятие биогеохимического фона, которое он предложил обозначать термином «вернадский» (по аналогии с кларком). Биогеохимический фон, или вернадский, — это среднее содержание какого-либо элемента в живом веществе — как в разнородном живом веществе биосферы в целом, так и в живом веществе отдельных типов, классов, родов или видов живых организмов.

Один из основоположников геохимии, известный норвежский ученый Виктор Мориц Гольдшмидт (1888—1947) в разработанной им геохимической классификации элементов выделил особую группу биофильных элементов, включив туда углерод, водород, кислород, азот, фосфор, серу, хлор и йод. Следуя по этому пути, академик Б. Б. Полынов в 1948 г. предложил выделять группу элементов-органогенов, подразделяя ее на: а) абсолютные органогены, без которых совершенно невозможно существование организмов (водород, углерод, кислород, азот, фосфор, сера, калий, магний) и б) специальные органогены, необходимые для многих организмов, но необязательные для всех. Через 8 лет В. А. Ковда добавил в число абсолютных органогенов еще 6 элементов: йод, бор, кальций, железо, медь и кобальт. В дальнейшем число органогенов неудержимо росло, и в настоящее время установлено, что, если учитывать и те элементы, которые содержатся в небольших количествах, в состав живого вещества входят все элементы таблицы Менделеева. При этом, как установили Г. Н. Саенко, М. Д. Корякова, В. Ф. Макиенко и И. Г. Добромыслова, организмы концентрируют из среды не один какой-либо элемент, а целую группу их, обычно состоящую из 4—7 поливалентных элементов. Это явление получило название специфического группового концентрирования.

Интенсивность вовлечения химического элемента в биотический круговорот академик Б. Б. Полынов предложил измерять частным от деления числа, показывающего количество элемента в золе организма, на число, характеризующее его содержание в исходной породе. Позднее ученик Б. Б. Полынова профессор А. И. Перельман стал называть эту величину «коэффициентом биологического поглощения». В целом для биосферы говорят о биофильности элементов: отношении их среднего содержания в живом веществе к кларку данного элемента в литосфере. Наибольшей биофильностью характеризуется углерод, менее биофильны азот и водород.

Таблица 6

Сопоставление данных по разведанным запасам некоторых химических элементов и их ежегодному накоплению фотоавтотрофами (по Бойченко и др., 1968)

Концентрационная функция живого вещества к настоящему времени изучена довольно полно. Изучен биологический смысл концентрирования металлов живыми организмами, в частности микроорганизмами. Делаются успешные попытки выразить в цифрах концентрационную функцию живого вещества. Так, по оценке профессора Всеволода Всеволодовича Добровольского, общая масса зольных элементов, вовлекаемая ежегодно в биотический круговорот на суше, составляет около 8 млрд. т. Это в несколько раз превышает величину ионного стока с континентов или массу продуктов извержений всех вулканов мира на протяжении года. А ученица и продолжательница дела В. И. Вернадского доктор биологических наук Евгения Александровна Бойченко и ее соавторы сопоставили данные по разведанным запасам некоторых элементов (цифры 1968 г.) с их ежегодным накоплением фотоавтотрофами (табл. 6). Как видно из этих данных, ежегодно растительный покров нашей планеты концентрирует количества минерального вещества, для большинства элементов сопоставимые с их запасами в литосфере, накопленными за миллионы лет геологической истории. Я думаю, что это лучшая иллюстрация к словам В. И. Вернадского, произнесенным в 1935 г.: «Биогеохимическая энергия является по быстроте концентрации твердого вещества из рассеянного его состояния, вероятно, величайшей силой — в аспекте геологического времени, — какая существует на нашей планете» [51].

Изучение концентрационной функции живого вещества имеет не только научное значение. Оно используется и в практической работе геологов, в частности в форме биогеохимического метода поисков рудных месторождений. Идея его проста: растения, произрастающие над месторождениями, должны концентрировать в своих органах рудные элементы. Следовательно, на основании изучения химического состава золы растений в принципе можно вести геологические поиски.

Начиная с 30‑х годов сотрудники БИОГЕЛа начали испытывать биогеохимический метод поисков на Южном Урале для обнаружения повышенных концентраций цветных металлов; на Дальнем Востоке оконтуривание арсенопиритовых месторождений производил С. М. Ткалич. В те же годы шведские геологи Н. Брундин и С. Палмквист по данным химического состава золы листьев лесных деревьев пытались выявить месторождения платины, золота, вольфрама и других металлов. Эти пионерские работы доказали высокую эффективность биогеохимического метода поисков. В настоящее время он находит широкое применение в СССР, США и Скандинавских странах. Значительные открытия с помощью биогеохимического метода поисков были сделаны и в Канаде, где по повышенному содержанию молибдена в растениях было выявлено крупное молибденовое месторождение Эндако.

Третья основная функция живого вещества в биосфере — деструктивная — проявляется на стадии гипергенеза и выражается в деструкции неживого вещества и его вовлечении в биотический круговорот.

В предыдущих главах уже говорилось о многократном использовании живым веществом элементов, вовлеченных в биотический круговорот. Однако проблема заключается в том, что живое вещество не может использовать нужные ему элементы в каком попало виде: органическая составляющая необиогенного вещества должна быть разложена до простых неорганических соединений — углекислого газа, воды, сероводорода, метана, аммиака и т. д. Разложением отмершей органики, как мы знаем, занимается целая армия сапротрофов. Значительную часть органики полностью минерализуют и некротрофы.