1.8. Компоненты биосферы

Биосфера включает в себя 3 основных компонента:

1) живое вещество;

2) биогенное вещество – органо-минеральные и орга­нические продукты, созданные живым веществом (камен­ные угли, битум, горючие газы, нефть, торф, сапропель, лесная подстилка, гумус);

3) биокосное вещество – минеральные вещества, об­разующиеся в результате взаимодействия живых орга­низмов с неживой природой.

Главными компонентами биосферы как особой оболочки планеты являются также следующие составляющие.

1. Потоки космической энергии, электромагнитные и гравитационные поля, космическое вещество, поступаю­щее на Землю.

2. Биомасса живой растительности, способной путем фотосинтеза и роста фиксировать и преобразовывать космическую энергию в химическую потенциальную и хранить ее в виде органических соединений.

3. Почвенный покров, обеспечивающий существова­ние растений (механическая опора, корнеобитание, вод­ное, углекислотное, азотное, минеральное питание, тепло­вой режим, накопление запасов энергии в виде детрита и гумуса).

4. Биомасса живущих на почве и в почве консументов и редуцентов (животных, простейших микроорганиз­мов), потребляющих фитомассу и доводящих ее до пол­ной минерализации.

5. Гидросфера.

6. Атмосфера.

7. Литосфера (оболочка биогенных осадочных по­род).

1.9. Литосфера (земная кора)

Нижней границей земной коры принято считать гра­ницу Мохо – глубина, на которой происходит резкое увеличение скорости сейсмических волн (название по фамилии югославского ученого Мохоровичича, впервые установившего это явление в 1909 году). Граница эта расположена на разных глубинах – на материках от 30 до 70 км, на дне океанов – от 5 до 15 км. Таким образом, земная кора имеет под горными хребтами наибольшую мощность – до 75 км, наименьшую – на дне океанов – от 5 до 15 км. Химический состав земной коры впервые установил американский ученый Ф.У. Кларк. Признанием заслуг Кларка в этом вопросе стало название величины среднего содержания хими­ческого элемента в земной коре (либо ее части, напри­мер, в почве либо в составе коры других планет) кларком. Кларки самых распространенных изверженных кислых пород установлены достаточно точно, много данных и о кларках базальтов, осадочных пород. Слож­нее с кларками земной коры, т.к. неизвестно соотноше­ние в ней групп различных горных пород. Почти по­ловина земной коры состоит из кислорода, т.е. земная кора – это кислородное вещество. Кларк О – 47%. На втором месте Si – 29,5, на третьем – А1 – 8,05, Fе – 4,65, Са – 2,96, Na – 2,50, К – 2,50, Мg – 1,87, Тi – 0,45 %. В сум­ме это составляет 99,48 %. Суммарное количество ос­тальных 80 элементов не превышают 1 %. Кларки большинства химических элементов – 0,01–0,0001 %. Такие элементы называют редкими. Если они обладают и слабой способностью к концентрированию – редкими рассеянными. Например, U и Вr – их кларки почти равны (2,5·10^–4 и 2,1·10^–4 %), но U – редкий элемент, так как известны его месторождения, а Вr – редкий рас­сеянный, т.к. он не концентрируется в земной коре. В геохимии также употребляют термин «микроэлементы», под которым понимают элементы, кларки которых в данной системе менее 0,01%. А.Е. Ферсман построил график зависимости атомных кларков для четных и нечетных элементов периодической системы. Выяви­лось, что с усложнением строения атомного ядра кларки уменьшаются. Но линии, построенные Ферсманом, оказались не монотонными, а ломанными. Ферсман прочертил гипотетическую среднюю линию: элементы, расположенные выше этой линии, он назвал избыточными (О, Si, Са, Fе, Ва, Рb и т.д.), ниже – дефицитными (Аr, Не, Nе, Sс, Со, Rе и т.д.).

Распределение химических элементов в земной коре подчиняется следующим закономерностям.

1. Закону Кларка-Вернадского, который гласит, что все химические элементы есть везде (закон о всеобщем рассеянии).

2. С усложнением строения атомного ядра химических элементов, его утяжелением, кларки элементов уменьшаются (Ферсман).

3. В земной коре преобладают элементы с четными порядковыми номерами и атомными массами.

4. Среди соседних элементов у четных всегда кларки выше, чем у нечетных (установили итальянский ученый Оддо и американский Гаркис).

5. Особенно велики кларки элементов, атомная масса которых делится на 4 (О, Мg, Si, Са, …), а начиная с А1, наибольшими кларками обладает каждый шестой элемент (О, Si, Са, Fе).

Вообще химический состав минеральных объектов, как и живых организмов, удивительно разнообразен, но таким он является, если рассматривать их отдель­ных представителей, на видовом или родовом уровне. Если же брать в целом главные оболочки Земли – литосферу, почвы, растения, то выявляется удивительное сходство между этими, казалось бы, разными те­лами (табл. 1).

Таблица 1

Средний химический состав компонентов биосферы, %

(по Виноградову, Малюге)

Элемент	Литосфера	Почва	Зола растений
Литий	10–3	10–3	10–3
Бериллий	10–4	10–4	10–4
Бор	10–3	10–3	10–3
Фтор	10–2	10–2	10–2
Натрий	2,50	0,63	2,0
Магний	1,87	0,63	7,0
Алюминий	8,05	7,13	1,40
Кремний	29,5	33,0	15,0
Фосфор	10–1	10–1	7,0
Сера	10–2	10–2	5,0
Хлор	10–2	10–2	10–2
Калий	2,50	1,36	3,0
Кальций	2,96	1,37	3,0
Титан	0,45	0,46	0,1
Ванадий	10–2	10–2	6·10–3
Хром	10–2	10–2	10–2
Марганец	10–1	10–1	10–1
Железо	4,65	3,8	1,0
Кобальт	10–3	10–3	10–3
Никель	10–3	10–3	10–3
Медь	10–3	10–3	10–3

Конечно, по биогенным элементам раз­личия в составе золы растений, литосферы и почвы име­ются, но не столь значительные, как можно было бы ожидать. Это говорит о том, что в процессе эволюции отбирались некоторые механизмы и элементы, необходимые живым организмам. Таковы углерод, азот, фосфор, их доля в живом веществе резко повышена, но в среднем состав растительных организмов очень напоминает и средний состав пород, и средний состав почв. Исходя из этого факта, важнейшие структуры жизни формиро­вались в соответствии с составом литосферы. Живое ве­щество отбирало те элементы, которых много в природе, и на их основе строило организмы.

Разделение хими­ческих элементов по их содержанию в веществе на мак­ро-, микро-, ультра-микроэлементы отражает более важ­ную закономерность: в большинстве случаев элементы разных групп выполняют различные функции. Микроэлементы, как правило, служат катализаторами (входят состав ферментов). Макроэлементы, образно говоря, являются строительным материалом, «кирпичами» организмов. Конечно, есть химические элементы, осуществляющие смешанные функции. Например, железо в почвах и породах – макроэлемент (вещественная основа). В живых организмах железо является микроэлементов, входящим в состав ферментов, т.е. катализатор биохимических процессов.