2. Состав биосферы

Согласно учению В. И. Вернадского биосфера представляет со­бой оболочку Земли (рис. 1), включающую область распростра­нения живого вещества и само живое вещество. Биосфера состоит из живого и неживого компонентов.

Рис. 1. Положение биосферы среди других оболочек Земли.

Биосфера — часть основных оболочек планеты (атмосферы, гидросферы и литосферы), в ко­торой сконцентрировано живое вещество — биота Земли. Поэто­му границы жизни на планете яв­ляются одновременно и граница­ми биосферы. Органическая жизнь сосредоточена в литобиосфере, в гидросфере (моря, реки, озера и Мировой океан), а так же в тропосфере (см. рис. 7.1).

Рис.2. Участие кислорода в оболочках Земли.

Нижняя граница биосферы простирается на 2 —8 км ниже дна океана. Верхней границей служит так называемый защитный озо­новый экран на высоте 20 — 30 км, выше которого ультрафиоле­товая часть солнечного спектра исключает существование жизни. Суммарная масса (биомасса) живых организмов Земли по раз­ным источникам оценивается в (1,8 — 4,4) • 10¹²т.

В настоящее время в составе биоты Земли обнаружено более 70 химических элементов, причем 47 являются постоянными со­ставными частями живых организмов. Впервые химический состав живого вещества биосферы определил В. И. Вернадский. Он пока­зал, что живое вещество планеты в основном состоит из следу­ющих макроэлементов, мае. %: кислород — 70, углерод — 18, во­дород — 10, кальций — 0,5, азот — 0,3, калий — 0,3, марганец — 0,001, фосфор — 0,07, сера — 0,05, хлор — 0,02, натрий — 0,02, железо — 0,01; всего 99,3. Он же доказал и важнейшую роль кис­лорода в жизнедеятельности организмов. К тому же кислород является важнейшим составным и связующим элементом всех оболочек планеты, что показано на рис. 2 и характеризует табл. 7.1.

Средний элементный состав (мае. %) живого вещества суши, по данным А.И.Виноградова, следующий:

О	70	Mg	4 • 10-2
С	18	С1	2 • 10-2
Н	10,5	Na	2 • 10-2
Са	5 • 10-1	Fe	1 • 10-2
N	3 • 10-1	А1	5 • 10-3
К	3 • 10-1	Ва	3 • 10-3
Si	2 • 10-1	Sr	2 • 10-3
Р	7 • 10-2	Мn	1 • 10-3
S	5 • 10-2	В	1 • 10-3

Из приведенных данных видно, что живое вещество в основ­ном состоит из тех же химических элементов, что и атмосфера, гидросфера и литосфера.

Таблица 1.

Состав оболочек Земли, мае.%

Оболочка	Состав
	О	N	Н	С	Si
Атмосфера	23,1	75,5	—	—	—
Гидросфера	88,8	—	11,2	—	—
Литосфера	50,0	—	—	—	26,0
Биосфера (биота)	70,0	—	—	18,0	—

Однако в живом веществе эти элементы содержатся в иных соотношениях, образуют более сложные по структуре, составу, типу химической связи формы. Таким обра­зом, несмотря на то, что в состав живых организмов входят те же химические элементы, соединения которых образуют атмосферу, гидросферу и литосферу, организмы не повторяют полностью хи­мического состава среды.

Многие ученые считают, что наиболее важными для живых организмов являются шесть химических элементов, которые на­зываются органогенами {биогенными). Это О, С, Н, N, P, S; их суммарный вклад составляет около 98,9 %. Если учесть, что фос­фор — аналог азота, сера — кислорода, а кремний — углерода, то видно очень компактное расположение в Периодической системе основных составляющих всех оболочек планеты.

Суммарно в живом веществе планеты содержится огромное количество химических элементов, в том числе: кислорода, угле­рода и водорода — примерно по 10¹² т; азота, калия, кремния и кальция — примерно по 10¹¹ т; серы, фосфора, натрия, магния, железа, фтора и хлора — примерно по 10¹⁰ т; алюминия, бора, марганца, стронция, бария — около 10⁹ т каждого. Даже таких элементов, как уран в составе биоты более 10⁶ т, ртути — более 10⁵ т, радия — десятки тонн. (Не приводятся более точные дан­ные, поскольку у разных авторов они различные. Главное — поря­док величин.)

Растительные и животные организмы, несмотря на относитель­но близкое содержание отдельных элементов, все же существенно различаются по химическому составу. Так, в животных организ­мах наблюдается более высокая степень аккумуляции таких эле­ментов, как азот, фосфор, сера, хлор, кальций, тогда как в ра­стениях наблюдается более высокое накопление кремния, алюми­ния, марганца и некоторых других. Даже в разных частях одного и того же организма или растения может содержаться разное коли­чество химических элементов и их соединений. Например, у мно­гих грибов основное содержание вредных веществ накапливается в нижней трети ножки. Аккумуляция химических элементов и их соединений может проходить и по цепочкам. Например, если в растениях концентрацию пестицидов принять за единицу, то у травоядных животных она может увеличиться на порядок, у первичных хищников — на два-три порядка, у вторичных хищников более чем на три порядка.

Рассматривая химический состав биосферы, нельзя не коснуться вопроса о биологической миграции химических элементов. Уста­новлено, что степень интенсивности биологической миграции элементов практически не связана с их количеством в окружа­ющей среде, в частности в земной коре. Например, одним из наиболее активных мигрантов является йод, хотя его содержание в земной коре составляет всего 3 • 10^-5 %. Однако кремний, содер­жание которого в земной коре составляет 26 %, мигрирует на три порядка менее интенсивно, чем йод. Результаты исследований по­казывают, что наибольшая биологическая миграция характерна для химических элементов, важных для функционирования орга­низмов, но содержащихся в окружающей среде в небольших кон­центрациях.

Биота, активно выполняя концентрационную функцию, вы­бирает из среды обитания те химические элементы и в том коли­честве, которые ей необходимы. Благодаря осуществлению кон­центрационной функции живые организмы сформировали мно­гие осадочные породы, залежи мела и известняка. Иногда живые организмы способны накапливать химические элементы в боль­ших количествах, чем необходимо для жизнедеятельности, и зна­чительно превышающих содержание этих элементов в окружающей среде. Например, некоторые морские организмы содержат бора, калия, серы в десятки раз больше, чем морская вода; железа, серебра, брома — в сотни раз; кремния, фосфора — в тысячи раз, меди и йода — в десятки тысяч, а цинка, марганца и ртути — в сотни тысяч раз. Другой пример: по данным Е. И. Шиловой, только растительный покров Земли за год концентрирует количество минеральных веществ, сопоставимое с их запасами в литосфере, накопленными за миллионы лет (табл.2).

В целом, говоря об организмах и окружающей их среде, можно сделать вывод, что для любых организмов химический состав ок­ружающей среды имеет существенное значение, поскольку среда и организм неразрывно связаны общей историей атомов хими­ческих элементов.

В настоящее время биота Земли представлена примерно 3 млн видов животных, растений, микроорганизмов. Из них на расте­ния приходится около 300 тыс. видов, но именно они благодаря фотосинтезу являются одной из главных основ биосферы. Расте­ний, как и животных, с каждым годом становится все меньше. Как тут не вспомнить Андрея Платонова, отметившего еще в 1930-е гг.: «Человек — без облагораживания его животными и растениями — погибнет, оскудеет, впадет в злобу отчаяния, как одинокий в одиночестве». Будем помнить об этом.

Таблица 2.

Разведанные запасы некоторых химических элементов и их ежегодное накопление живым веществом

Элемент	Накопление за счет фотосинтеза, т	Мировые запасы сырья, т	Элемент	Накопление за счет фотосинтеза, т	Мировые запасы сырья, т
С	1011	1012	Со	105	10б
Р	109	1010	Ni	106	107
Сг	105	10 8	Си	107	108
Мn	107	108	Zn	107	107
Fe	108	1011	Mo	105	106