3. 4 Эволюция процессов миграции химических элементов

На протяжении истории Земли шла постепенная эволюция процессов миграции химических элементов. Во многом она свя­зана с изменением роли отдельных внешних факторов. В первую очередь - изменение роли радиоак­тивного распада, являющегося одним из важнейших энергетиче­ских факторов миграции химических элементов. Общее количе­ство теплоты, выделяемое при радиоактивном распаде, постепен­но уменьшается — в основном за счет распада части ²³⁵U и ⁴⁰К. Ряд радиоактивных изотопов к настоящему времени отно­сится к «вымершим». За 4,6млрд лет количество ²³⁵U уменьши­лось в 30 раз, а ⁴⁰К — в 12. Предполагается, что на Земле суще­ствовали ряды радиоактивного распада, родоначальниками ко­торых были нептуний (Np) и эйнштейний (Es). Ученые допускают возможность существования природных ядерных реакций, при которых могло выделяться громадное количество тепла. В 1972 г. на урановом месторождении Окло в Экваториаль­ной Африке по аномальным соотношениям изотопов ²³⁵U и ²³⁸U и продуктам ядерной реакции (изотопам Хе, Nd, Sm, Ru) было установлено, что около 2 млрд. лет назад в урановых рудах нача­лась природная ядерная реакция. Она продол­жалась около 500 тыс. лет и предположительно протекала без взры­вов. Этот «природный ядерный реактор» выделил столько же тепла, сколько получается его за год на современной мощной АЭС. Сколько было подобных «природных реакторов» в истории Зем­ли, пока остается загадкой.

Один из первых процессов перемещения элементов в Земле – их вертикальная дифференциация в зависимости от массы. Вероятно, именно она привела к формированию ядра и оболочек, обволакивающих друг друга. Их плотность увеличивается с глубиной.

Первые живые организмы развивались и приспосабливались к условиям с преобладанием легких элементов. Повышенные концентрации тяжелых металлов, как правило, для них токсичны.

Становление Океана (существенное уменьшение кислотно­сти вод), образование вместо резко восстановительной слабокис­лородной атмосферы и довольно быстрое развитие живых орга­низмов привели к развитию таких факторов миграции, как водная растворимость, атмосферный и водный перенос. Резко воз­росла роль биогенных факторов. В сумме все это привело к воз­никновению кор выветривания, донных осадков, первых почв. При этом в пределах поверхности Земли возросли абсолютный и относительный разбросы химических элементов (С_max / C_min), осо­бенно таких, как С1, В, Mo, Br, J. Это могло стать одной из при­чин эволюции организмов, в первую очередь — вод­ных. С образованием карбонатных и глинистых пород на поверх­ности Земли увеличился разброс содержаний в континентальной части биосферы О, С, Н, S, Se, J, N, Hg. Эти изменения геохи­мической обстановки и перечисленные химические элементы мог­ли играть важную роль в эволюции организмов в архее (3,5—2,5 млрд. лет назад).

Появившиеся на Земле живые организмы и процессы фо­тосинтеза ( в протерозое, 2,5—1,7 млрд. лет назад) привели к образованию в верхних оболочках та­кого сильного окислителя, как свободный кислород (в рифее, 1,7—0,7 млрд. лет назад), и к изме­нению в атмосфере содержания СО₂. Под воздействием меняющейся геохимичес­кой обстановки в рифее появились животные.

На протяжении истории Земли вполне вероятными были ее столкновения с крупными космическими телами. Их результа­том должно было стать резкое, скачкообразное увеличение ро­ли второго типа миграции (атмосферный перенос химических эле­ментов в минеральной и коллоидной формах). При этом вся ат­мосфера могла представлять собой единое пылевое облако. Оно существенно уменьшало проникновение на земную поверхность солнечных лучей. Это, в свою очередь, должно было привести к по­нижению температуры, вплоть до наступления оледенения. В та­ких условиях происходит уменьшение скорости течения хими­ческих реакций и, что особенно важно для биосферы, интенсив­ности процесса фотосинтеза (первый тип миграции). Изменения приоритетов в типах и видах миграции химических элементов могли приводить к относительно медлен­ному (миллионы лет) вымиранию и мутациям флоры и фауны. Если состав метеоритов резко отличался от состава земной ко­ры, то скорость вымирания и мутация определенных видов должны были возрастать, как от получения ядов в больших количествах. Существует гипотеза о «великом меловом вы­мирании» (в том числе динозавров) в результате столкновения Земли с гигантским метеоритом, содержание иридия в котором в тысячи раз превосходит содержание его в литосфере. Об этом свидетельствует увеличение обогащения иридием в десятки и сот­ни раз осадков, формировавшихся в это время. Иридиевые аномалии образовались на границе венда и кембрия (570млн лет назад), перми и триа­са (248млн лет назад), в туроне (90млн лет назад), эоцене (40млн лет назад). Если учесть, что в каменных метеоритах иридия содержится в несколько тысяч раз больше, чем в лито­сфере, то становится возможным связать эти аномалии с круп­ными космическими катастрофами. Последствиями таких ката­строф могли быть изменения в развитии животных и раститель­ных организмов, аналогичные изменениям, отмечаемым в пре­делах аномалий, отвечающих рудным районам, месторождениям и отдельным рудным телам. Это, в зависимости от размеров ка­тастрофы, а следовательно, и размеров геохимических аномалий, могли быть исчезновения отдельных видов организмов (иногда только локальные), их мутации, появление организмов-концен­траторов и деконцентраторов определенных химических эле­ментов.

XX век нашей эры и особенно его последние десятилетия оз­наменовались резко возросшей техногенной (социальной) миграцией химических элементов. Она стала соизмеримой с други­ми видами миграции, происходящими в биосфере. В результате образовались локальные геохимические аномалии с концентрациями определенных химических эле­ментов, в тысячу раз превышающими их кларковое содержание, и региональные геохимические аномалии, захватывающие сотни тысяч квадратных километров (например, сельскохозяйственные угодья). В региональных аномалиях со­держание химических элементов пока гораздо ниже, чем в локальных (не более чем вдвое превосходит фон). Последствия антропогенной мигра­ции химических элементов с учетом изложенного приближают­ся к последствиям космических катастроф.

Т.о., эволюция процессов ми­грации на протяжении истории Земли в итоге оказала и продол­жает оказывать значительное влияние на эволюцию ор­ганизмов.