Химический состав земной коры (%)

Компоненты	Тип коры			Земная кора в среднем
	континентальный	cубконтинен тальный	океанический
SiО2	57,23	56,88	48,17	55,24
ТiО2	0,71	0,73	1,40	0,86
А12О3	14,46	14,43	14,90	14,55
Fe2О3	2,36	2,37	2,64	2,42
FeO	5,41	5,64	7,37	5,86
MnO	0,13	0,13	0,24	0,15
MgO	4,77	4,97	7,42	5,37
CaO	6,98	7,14	12,19	8,12
Na2O	2,40	2,39	2,58	2,44
K2О	1,98	1,90	0,33	1,61
P2О5	0,16	0,16	0,22	0,17
CОРГ	0,08	0,07	0,05	0,07
CO2	1,48	1,37	1,35	1,44
SО3	0,12	0,1	-	0,09
Shup	0,08	0,08	0,05	0,08
Cl	0,04	0,04	-	0,03
F	0,03	0,03	0,02	о!оз
H2O	1,57	1,56	1,05	1,46
Сумма	100,99	99,99	99,98	99,99
Объем 10 км3	6500	1540	2170	10210
Средняя мощность, км	43,6	23,7	7,3	20,0
Средняя плотность, г/см3	2,78	2,79	2,81	2,79
Масса 1024г	18,07	4,30	6,09	28,46

Строение земной коры отражается на рельефе земного шара, который имеет отчетливо выраженный асимметричный характер. По рельефу земной шар подразделяется на две основные части (полушария) - океаническую и континентальную. Так, если разделить земной шар по Тихоокеанскому побережью материков - по краевым частям Восточной Азии, западным частям Северной и Южной Америки, то он будет состоять из двух полушарий: материкового, где сосредоточены все материки вместе с Атлантическим и Индийским океанами, и океанического, занятого Тихим океаном, который имеет поверхность 165,2 млн. км, что превышает площадь всех материков вместе взятых - 148,9 млн. км².

Наблюдаемая часть земной коры в пределах континентов по составу приближается к граниту, поэтому часто говорят о гранито-осадочно-метаморфическом слое земной коры, как наиболее изученном.

Нижний слой земной коры у основания границы Мохоровичича принято называть базальтовым. Однако это название условно, поскольку в состав этой части земной коры входят и другие породы - типа амфиболитов и габбро. Таким образом земная кора состоит из двух основных слоев: гранитного (гранито-метаморфичеекого) и подстилающего базальтового слоя, которые перекрываются осадочными породами. На дне океанов, за исключением краевых частей, прилегающих к континентам (субконтинентальная кора), гранитный слой полностью отсутствует и земная кора представлена в основном базальтовыми породами.

Общий химический состав земной коры определяется немногими химическими элементами. Их распространенность выражается следующими величинами:

Элемент	Ионный радиус А	Весовой процент	Атомный процент	Объемный процент
О	1,34	46,6	62,6	93,8
Si	0,34	27,3	21,2	0,9
А1	0,47	8,4	6,5	0,5
Fe	0,69	6,2	1,9	0,4
Са	1,08	3,63	1,9	1,0
Mg	0,80	2,8	1,8	0,3
Na	1,24	2,8	2,6	1,3
К	1,68	1,8	1,4	1,8

Ведущим и наиболее распространенным элементом в земной коре является кислород (О²), входящий в структуру всех породообразующих минералов и составляющий едва ли не половину ее массы. По объему, в связи с крупными размерами иона, он занимает 93,8% пространства. Таким образом, в количественном отношении земная кора - это царство кислорода, который химически прочно связан с другими химическими элементами и в ходе геологического развития не покидает породообразующие минералы.

Среди минералов земной коры преобладают силикаты. Наиболее распространенными породообразующими минералами являются плагиоклаз, кварц, пироксен, амфибол, биотит, магнетит и другие.

Земная кора сложена горными породами различного типа и различного происхождения. Их распространенность в объемном выражении может быть представлена следующими величинами:

Осадочные породы 9,2%

Метаморфические породы 20,0%

Магматические породы 70,8%

Поверхность континентов на 80% занята осадочными породами, а океаническое дно покрыто почти полностью свежими осадками, как продуктами сноса материала континентов и деятельности морских организмов.

Распространенность химических элементов в земной коре предопределяет характер ее минерального и петрографического состава (рис. 4).

Земная кора - верхний твердый слой нашей планеты - первоначально возникла как продукт выплавления материала мантии, который в дальнейшем ходе геологической истории оказался существенно переработанным в биосфере под влиянием воздуха, воды, деятельности живых организмов. В ходе этого преобразования установилось минеральное и химическое различие между осадочными и магматическими породами, состоящее в следующем:

1. Отношение окисного железа к записному (Fe₂O₃ : FeO) в осадочных и изверженных породах имеет противоположное значение. В осадочных породах преобладает окисное железо. Это вызвано тем, что осадочные породы формировались в биосфере в присутствии свободного кислорода, который привел к окислению огромных масс железа, а также других поливалентных химических элементов.

2. Содержание натрия в осадочных породах значительно понижено (почти в 3 раза) по сравнению с породами изверженными, при почти одинаковом содержании калия. Это, по-видимому, связано с тем, что натрий в условиях биосферы легко выщелачивается природными водами и уносится в океан, где он аккумулируется в пелагических осадках океана.

3. Осадочные породы более обогащены Н₂О и СО₂, которые как компоненты встречаются в изверженных породах в довольно небольших концентрациях.

4. Осадочные породы в разном количестве, в зависимости от условий своего образования, содержат органический углерод, отсутствующий обычно в глубинных магматических породах. Органические соединения в осадочных горных породах это продукты фотосинтеза, протекавшего в биосфере Земли с незапамятных времен.

Современная континентальная кора, которая вполне удовлетворительно закартирована, может быть представлена как сложное сочетание геологических комплексов разного возраста. Они на поверхности образуют геологические провинции, характеризующиеся возрастными значениями, представленными в таблице 6. Видно, что большая часть поверхности современных континентов сложена относительно молодыми провинциями. Они представлены преимущественно фанерозойскими формациями, а среди докембрийских комплексов наиболее развиты протерозойские в возрастном интервале 1800 - 2250 млн. лет.

Таблица 6

Площадь основных провинций (по А. Полдерварту)

Возраст в млн. лет	Площадь 106 км2	Процент
0	450	38,2 29,5
450	900	41,1 31,8
900	1350	14,6 11,3
1350	1800	8,7 6,7
1800	2250	19,4 15,0
2250	2700	6,2 4,8
2700	3150	1,1 0,8

В общем вырисовывается достаточно отчетливая закономерность - с увеличением возраста уменьшаются площади выхода соответствующих комплексов горных пород. Это отражает вековой геологический круговорот коревого материала, когда более древние комплексы в результате существенной переработки в биосфере дают материал для все более и более молодых отложений.

АТМОСФЕРА

Атмосфера наиболее легкая оболочка нашей планеты, граничащая с космическим пространством. Через атмосферу осуществляется обмен вещества Зем­ли с Космосом. Земля получает космическую пыль и метеоритный материал, теряя самые легкие газы -водород и гелий. Атмосфера Земли насквозь пронизывается мощной радиацией Солнца, которое определяет тепловой режим поверхности планеты, вызывает диссоциацию молекул атмосферных газов и ионизацию атомов. Обширная область верхней атмосферы состоит преимущественно из ионов (ионосфера).

Химический состав атмосферы Земли представлен в таблице 7. Главными составными частями земной атмосферы являются азот, кислород, углекислый газ и аргон, что резко отличает ее от атмосфер других планет. Большая часть массы земной атмосферы имеет относительно однородный азотно-кислородный состав, который характеризует биосферу в целом и является отражением жизнедеятельности организмов, чего нет на других планетах.

Строение атмосферы показано на рис. 5, согласно чему она состоит из отдельных сфер со специфическими особенностями физического состояния и химического состава.

Таблица 7

Средний химический состав атмосферы

Элемент	Объемные %	Весовые %
N2	78,08	75,51
О2	20,95	23,15
Аr	0,93	1,28
СО2	0,03	0,046
Ne	1,8x10-3	1,25 x 10-3
Не	5,2 x 10-4	0,72 x 10-4
СН4	2,2 x 10-4	1,2 x 10-4
Кr	1 x 10-4	2,9 x 10-4
N20	1 x 10-4	1,5 x 10-4
Н2	5 x 10-5	0,3 x 10-5
Хе	8 x 10-6	3,6 x 10-5
О3	1 x 10-6	3,6 x 10-5

Тропосфера представляет собой зону вертикальной циркуляции воздушных масс, величина которой связана с интенсивностью солнечной радиации на разных географических широтах. Поэтому мощность тропосферы в полярных странах низкая (5 - 8 км), а в области экватора достигает 16 - 18 км. В тропосфере с увеличением высоты температура воздуха понижается в среднем на 0,6° С на 100 м. Верхняя граница тропосферы отмечается тропопаузой - слоем постоянной температуры (примерно - 55° С). Через тропосферу осуществляется непрерывный круговорот воды, что определяет присутствие влаги и формирование облаков.

Рис. 5. Строение атмосферы Земли: 1 - уровень моря, 2 - тропосфера, 3 - тропопауза, 4 - стратосфера, 5 - стратопауза, 6 - мезосфера, 7 - мезопауза, 8 - термосфера, 9 - главный максимум ионизации, 10 - экзосфера, 11 - ионосфера.

Стратосфера - находится выше, до высоты 50 -55 км. Для нее характерно турбулентное перемешивание воздуха. Температура у ее верхней границы повышается (озоновый пояс).

Мезосфера - слой атмосферы, располагающийся выше стратосферы и достигающий высот 80 - 85 км. Характеризуется понижением температуры от 0 до -90° С. Этот минимум соответствует мезопаузе. В мезосферу в малом количестве попадают водяные пары из нижележащих слоев атмосферы и их конденсация приводит к образованию светящихся серебристых облаков. На высоте около 80 км поглощается ультрафиолетовая радиация Солнца и поток космических лучей, что приводит к ионизации - отрыву электронов от присутствующих атомов и молекул азота и кислорода. Максимальные проявления ионизации в широком масштабе осуществляются выше в гетеросфере. Эта ионизация приводит к явлениям северных и южных полярных сияний под действием магнитных воздействий.

Термосфера (ионосфера) располагается до высоты 800 км. Она характеризуется высокими температурами (в среднем ~ 1500° С).

Экзосфера представляет собой по существу внешнюю атмосферу до высоты 2000 - 3000 км, из которой легкие атомы и молекулы непрерывно поступают в межпланетное пространство.

В атмосфере можно выделить постоянные и переменные компоненты в зависимости от длительности их пребывания в ней. К переменным можно отнести О₃, SО₂, NО₂, CH₂О, NaCl, NH₃, CO, H₂O, содержание которых изменчиво. Однако подразделение составных частей атмосферы на постоянные и переменные носит сугубо относительный характер, поскольку в разрезе крупных интервалов геологического времени, все составные части атмосферы Земли по существу выступают как переменные.

Основные компоненты земной атмосферы - азот, кислород и углекислый газ, составляющие 99% ее общей массы, непрерывно обмениваются с другими частями биосферы. Они поступают в атмосферу и удаляются при взаимодействии с гидросферой, литосферой и живым веществом.

ГИДРОСФЕРА

Вода является важнейшим веществом биосферы Земли, создавая водную оболочку планеты - гидросферу. Воде принадлежит исключительно важная роль в геологической истории Земли, в возникновении и развитии жизни, в формировании физико-химических условий среды, климата и погоды на поверхности земного шара. Свойства воды определяют целый ряд геохимических и биогеохимических процессов.

В связи со своей высокой подвижностью природные воды проникают повсеместно в различные части биосферы и земной коры. Они находятся в виде паров и облаков в земной атмосфере, формируют океаны и моря, существуют в замороженном состоянии в высокогорных районах и в виде мощных ледяных панцирей покрывают полярные области суши.

Распределение водных масс в биосфере Земли показано в таблице 8. В океанах сосредоточена большая часть воды нашей планеты, а меньшая часть приходится на озера, болота, реки, ледники и подземные воды. Площадь водной поверхности Земли 360,8x10⁶ км². Средняя глубина Мирового океана 3,8 км. Присутствие растворенных веществ определяет соленость океанических вод. Соленость определяется общей масссой в граммах растворенного вещества в 1000 г морской воды и выражается в промилле (%о). Хлорность воды определяется как содержание хлора в граммах на 1000 г морской воды, где бром и йод полностью замещены хлором. Согласно элементарной формуле М. Кнудсена, между соленостью и хлорностью существует прямая зависимость:

S = 0,03 + 1,805 С1,

где S - соленость, С1 - хлорность.

Таблица 8

Распределение водных масс в гидросфере Земли (по М.И. Львовичу, 1986)

Форма нахождения	Объем 103 км3	Процент
Мировой океан	1 370 000	94,0
Подземные воды	60000	4,0
Подземные воды
активного обмена	4000	0,3
Ледники	24000	1,7
Озера	280	0,02
Почвенная влага	80	0,01
Пары атмосферы	14	0,001
Речные воды	1,2	0,0001
Всего	1454 000	100,00

Соленость океана в основном определяется немногими химическими элементами. Главные элементы океанических вод представлены следующими ионами - катионы Na⁺, Mg²⁺; Са²⁺; анионы Сl^-, SO₄^2-, HCO₃^-.

Если всю сумму растворенных веществ в океане принять за 100%, то на перечисленные ионы приходится 95,8%, и только 4,2 на все остальные химические элементы вместе взятые. Соленость океанических вод меняется в сравнительно узких пределах от 34 до 36%о, если исключить прибрежные полузамкнутые водоемы тропических широт и места впадения рек с пресной водой. Средняя соленость океанической воды принимается в 35%о. Относительный состав морских солей, соотношения ионов оказываются величинами постоянными. Это обстоятельство отражает устойчивость динамического равновесия между количеством растворенных веществ, поступающих с поверхности континентов в океан, и их осаждением. Наиболее долго в океанической воде задерживаются весьма подвижные в биосфере натрий и хлор.

Важным звеном в круговороте воды на земном шаре являются ледниковые покровы, охватывающие 1,7% вод гидросферы. Они формируются за счет твердых атмосферных осадков, выпадающих на поверхность в полярных странах и в высокогорных системах. Сами атмосферные осадки формируются за счет испарения воды с поверхности морей и континентов и отличаются слабой минерализацией чаще всего 25 - 50 мг/л.

На поверхности континентов воды в соответствии с физико-географическими условиями воды образуют речные системы, озера, болота. Большая часть этих вод стекает в океан в виде рек и временных потоков, другая идет на пополнение запаса подземных вод - в первую очередь грунтовых. При инфильтрации воды соприкасаются с почвами, минералами и живыми организмами, частично растворяют их и минерализуются. Химический состав континентальных вод зависит от конкретных физико-географических и физико-химических условий. В отличие от океанической воды их состав более разнообразен. Однако соотношение главных ионов можно выразить при сравнении:

В морской воде:

Na^- > Mg²⁺ > Са²⁺; С1^1- > SO₄^{2 -} > HCO₃^{l -}

В материковых водах:

Mg²⁺ < Na¹⁺ < Са²⁺; Cl^1- < SO₄^2- < HCO₃^1-

Таким образом, несмотря на то, что главную минерализацию морских и материковых вод определяют одни и те же ионы, их соотношения оказываются обратными.

Химический состав рек подвергается сезонным колебаниям. Их максимальная минерализация наблюдается зимой во время питания грунтовыми водами, наименьшая - во время весеннего половодья, сезона дождей или питания от таяния ледников.

Минерализация воды озер зависит от их происхождения, истории и современных физико-географических условий. По степени минерализации материковые воды разделяют на пресные, с количеством растворенных веществ 0,5 - 1 г/л, солоноватые (1 - 10 г/л), соленые (10 - 50 г/л) и рассолы (50 - 150 г/л). В соленых озерах аридной зоны концентрация растворенных солей может превышать 200 г/л, причем состав воды находится в динамическом равновесии с твердыми солями, осажденными на дне водоема. В зависимости от содержания и преобладания главного аниона, различают природные воды: карбонатные (содовые), хлоридные, сульфатные и др. Наиболее часто в соленых озерах преобладают воды хлоридного и сульфатного типов.

Подземные воды сосредоточены преимущественно в осадочной оболочке Земли - стратисфере. По распространению они занимают второе место в гидросфере, составляя 4% всех ее вод. Подземные воды находятся в контакте с минералами горных пород в течение продолжительного времени и поэтому характеризуются различной минерализацией. Из природных подземных вод грунтовые воды залегают вблизи поверхности и участвуют в общем круговороте в биосфере. Одновременно они являются источниками питания рек в период, когда другие источники иссякают. Грунтовые воды пополняются за счет атмосферных осадков, содержащих растворенный кислород, который выступает в качестве одного из главных химических факторов гипергенеза, энергично окисляющий многие вещества в коре выветривания.

У значительной части подземных вод глубинных горизонтов стратисферы нарушен водообмен с вышележащими водоносными горизонтами и прервана связь с атмосферными водами. Поэтому воды такого типа обычно лишены свободного кислорода. Химический состав подземных вод во многом зависит от процессов, которые переводят одно вещество в раствор и одновременно выводят другое из раствора (ионный обмен, окислительно-восстановительные реакции, радиолиз воды).

К подземным водам относятся термальные воды, которые представляют собой жидкие горячие водные растворы, циркулирующие в глубинных зонах земной коры и участвующие в процессах миграции и отложения минеральных веществ. Обычно они обогащены летучими газовыми компонентами. Внешние проявления термальных вод - в виде фонтанирующих источников, обычных горячих источников и особых подводных выделений на дне океанов имеют место в вулканических зонах земной коры.

Нижняя граница гидросферы условно может быть принята но изотерме +100°С, которая залегает на разных глубинах в зависимости от конкретной геологической истории района. Однако, глубинная магма, изливающаяся на поверхность планеты, выделяет воду в виде водяных паров во время вулканических извержений. Главные летучие компоненты вулканических извержений, содержат Н₂О как обязательную составную часть. По некоторым представлениям, возможно, Мировой океан имеет вулканическое происхождение.

Согласно предварительным расчетам А.П. Виноградова в 1962 г., в мантии содержится 2 Χ 10 г воды, в то время как в видимой гидросфере ее количество 1,5 Χ 10²⁴ г. Таким образом, в мантии содержится в 13 раз больше воды, чем в гидросфере планеты. В свете современных данных такая оценка является слишком завышенной.

Различные природные воды нашей планеты, попадая в разные термодинамические условия, энергично мигрируют и, растворяя многие вещества внешних оболочек Земли, находятся в различных стадиях минерализации. Любая природная вода, как часть гидросферы представляет собой естественный раствор. Значение воды как мощного геохимического фактора миграции элементов в связи с ее физико-химическими свойствами в общем хорошо изучено.

ЖИВОЕ ВЕЩЕСТВО

Живое вещество занимает ничтожную массу в пределах биосферы Земли и тем более в масштабе всего земного шара. Широкое распространение самого термина - живое вещество - связано главным образом с научными работами В.И. Вернадского. Он достаточно ясно показал, что все количество живых организмов Земли образует единое целое - живое вещество планеты. Жизнь в биосфере представляет собой выдающийся процесс, поглощающий живительную энергию Солнца и вводящий в движение и круговорот едва ли не все химические элементы таблицы Менделеева.

Химический состав живого вещества может быть охарактеризован данными, представленными в таблице 9. Очевидно, что главными химическими элементами живого вещества являются немногие - Н, С, N, О,

Таблица 9

Участие химических элементов в составе организмов, в %

	Главные 1-60%	О, Н, С, N
Постоянные компоненты	Сопутствующие 0,05-1%	Na, Mg, P, S, C1, К, Са
	Следовые <0,05%	В, F, Si, Mo, I, Mn, Fe, Co, Cu, Zn
	Сопутствующие (побочные)	Al, Ti, V, Cr, Ni, As, Sr, Rb, Br
Переменные компоненты	Следовые	He, Li, Be, Ar, Se, Ga, Ge, Sc, V, Nb, Ag, Cd, Sn, Sb, Ba, La, W, Au, Hg, Tl, Pb, Bi, Ra, Th, U

комбинация которых дает все известные высокомолекулярные постройки живого вещества - углеводы, жиры, белки и нуклеиновые кислоты. В целом жизнь использует прежде всего те атомы, которые наиболее пригодны для осуществления биохимических и физиологических функций.

Химические элементы в организмах обнаруживают некоторые специфические черты распространения. Они лишь отчасти соответствуют распространенности элементов земной коры, отчасти резко отличны. Так можно отметить, что в живом веществе более распространены элементы начала периодической системы Менделеева (легкие), а элементы середины и конца таблицы распространены менее. По характеру содержания и количественному распространению элементы в живом веществе могут быть разделены на постоянные и переменные (см. табл. 9). Постоянные элементы подразделяются на главные (О, Н, С, N), сопутствующие и следовые в зависимости от степени концентрации. При изучении распространения элементов в земной коре было установлено правило: четные элементы таблицы Менделеева более распространены, чем соседние нечетные (правило Гаркинса - Оддо). В живом веществе эти же закономерности проявляются достаточно отчетливо. Из главных четырех биофильных элементов - четные, углерод и кислород, резко преобладают.

Содержание химических элементов в живом веществе в общем отражает состав среды обитания с поправкой на растворимость соединений, куда входят эти элементы. Как отмечал А.Е. Ферсман: «С точки зрения таблицы Менделеева элементы биогенеза, относятся к верхним периодам».

Наиболее распространенные химические элементы в живых организмах отличаются большой подвижностью в биосфере. Они обычно составляют газы атмосферы, входят в состав природных вод, которые весьма подвижны. Образуют водно-растворимые соединения, которые представлены: НСО,^1-, NO₃^l-, SO₄^2-, Cl^1-, РО₄^3- (главными анионами гидросферы) и Na¹⁺, K¹⁺, Са²⁺, Мо²⁺ (главными катионами гидросферы и земной коры). Количество массы живого вещества нашей планеты оценивалось разными авторами с различной точностью и в целом представляло трудоемкое исследование. Общая масса живого вещества на Земле впервые была подсчитана В.И. Вернадским в 1927 г. - 10¹⁵ тонн. Наиболее полная сводка по распределению масс живого вещества в биосфере была представлена в 1971 г. Н.И. Базилевич, Л.Е. Родиным и Н.Н. Розовым. Данные этих исследователей приведены в таблице 10.

Таблица 10. Биомасса организмов Земли

Среда обитания	Группа организмов	Масса (тонн)	Соотношение, %
Континенты	Зеленые растения, животные и микроорганизмы	2,4 Χ 1012 0,02 Χ 1012	99,2 0,8
	Итого	2,42 Χ 1012	100,0
Океаны	Зеленые растения, животные и микроорганизмы	0,0002 Χ 1012 0,0030 1012	6,3 93,7
	Итого	0,0032 Χ 1012	100,0
	Всего	2,4232 Χ 1012

Как видно из таблицы, масса живого вещества на поверхности континентов в 800 раз превышает биомассу Мирового океана. Кроме того, на поверхности континентов растения по своей массе резко преобладают над животными и микроорганизмами. В океане наблюдается обратное соотношение. Это обстоятельство связано главным образом с тем, что в морской среде существуют наиболее благоприятные условия для питания животных. Мельчайшие растительные организмы фитопланктона в освещенной зоне океанов и морей моментально поедаются морскими животными, и переход органических веществ из растительной формы в тело животных совершается исключительно быстро.

Живое вещество занимает ничтожную долю массы всего вещества биосферы, что видно при следующем сравнении:

	Масса в тоннах	Сравнение
Живое вещество	2,4 Χ 1012	1
Атмосфера	5,15 Χ 1015	2146
Гидросфера	1,5 Χ 1018	602500
Земная кора	2,8 Χ 1019	11670000

Однако по своему воздействию на всю окружающую среду живое вещество занимает особое место в биосфере и качественно резко отличается от всех других оболочек земного шара, поскольку живая материя отличается от неорганической - косной.

Население биосферы в видовом и морфологическом отношении чрезвычайно разнообразно. Общее число видов растений, животных и микроорганизмов превышает три миллиона с тенденцией значительного увеличения в будущем по мере изучения различных, еще неизвестных, малых организмов и насекомых. Весь органический мир нашей планеты со времен Аристотеля традиционно подразделялся на царство растений и царство животных. Однако после 1960 г. изучение структуры клеточной организации живых существ позволило произвести более обстоятельную систематизацию.

Весь мир живых существ в настоящее время подразделяют на два крупных царства: прокариотов и эукариотов. Самыми низкоорганизованными живыми существами являются те, у которых отсутствует истинное ядро в клетке, ДНК располагается в клетке свободно, не отделяясь от цитоплазмы ядерной мембраной. Эти организмы получили название прокариотов (Procaryota - доядерные). У остальных одноклеточных и многоклеточных организмов в клетке находится настоящее ядро, ограниченное мембраной от цитоплазмы. Такие организмы названы эукариотами (Eucaryota - ядерные). Кроме разделения на ядро и цитоплазму, у них имеются также митохондрии, а у многих пластиды и сложные жгутики. Оказалось, что различия между прокариотами и эукариотами более существенные и глубокие, чем, например, между высшими животными и высшими растениями (и те и другие эукариоты). Дальнейшая систематизация эукариотов выявила ряд спорных вопросов. Царство животных выделено было давно как царство гетеротрофных организмов. Несколько сложнее обстоит вопрос о систематическом положении грибов. Еще в XIX в. Г. де-Фриз предложил выделить их в самостоятельное царство грибов. В настоящее время эта тенденция укрепилась и разделяется многими исследователями. Основанием для такого выделения является происхождение грибов от простейших животных, что подтверждается их биохимическими особенностями, химическим составом и характером размножения. Наиболее вероятно происхождение грибов от амебоидных двужгутиковых простейших.

Таким образом, живой органический мир нашей планеты подразделяется на четыре царства: доядерных (прокариотов), растений, грибов и животных (см. рис. 6)

Рис. 6. Схема классификации живых организмов, или четыре царства органического мира. Двойной линией обозначены надцарства, обычной линией царства, в кругах подцарства.

Наиболее характерные особенности основных подразделений органического мира биосферы представляются в следующей последовательности.

Прокариоты - подразделяются на подцарство бактерий и сине-зеленых водорослей. Бактерии представляют собой наиболее распространенные в биосфере микроорганизмы. Самые мелкие шаровидные имеют диаметр менее 0,1 мкм. Обычно же подавляющее число бактерий имеет форму прямых и изогнутых палочек толщиной порядка 0,5 - 1 мкм и длиной 2 - 3 мкм. Среди них встречаются как автотрофные, так и гетеротрофные виды. Фотосинтезирующие бактерии образуют органические вещества из окружающих неорганических веществ под действием солнечного излучения. К ним относятся цианобактерии, пурпурные и зеленые бактерии. Существуют также гетеротрофные бактерии, которые потребляют только органические вещества. Среди них выделяются бактерии сапрофиты, потребляющие органические вещества мертвых тканей и бактерии паразиты, развивающиеся только в живых организмах, часто как возбудители заразных болезней. Бактерии распространены в биосфере повсеместно, но особенно много их в почвах. Обычно почвы содержат 200 - 500 млн. бактерий в 1 г., а богатые почвы (черноземы) - два и более миллиарда в 1 г. В целом микрофлора почв очень разнообразна. В ней встречаются представители разных физиологических групп бактерий: бактерии гниения, нитрифицирующие, азотофиксирующие, серобактерии и др.

Преобладающее большинство бактерий - гетеротрофные организмы и лишь немногие из них хемотрофны. Кроме одноклеточных существуют и нитчатые многоклеточные.

Растения - чрезвычайно разнообразные по величине и строению живые организмы биосферы, общее число видов которых, по оценке разных ботаников, приближается к 500 000. Наиболее распространенные типы растений представлены в таблице 11. Выделяются как одноклеточные, так и многоклеточные формы. Как правило, имеют автотрофное питание, связанное с фотосинтезом. Наиболее обширную группу растений составляют водоросли - низшие споровые растения, содержащие в своих клетках хлорофилл и обитающие преимущественно в воде. У водорослей отсутствует расчленение на стебли, листья и корни. В целом их тело обозначается как слоевище или таллом. Водоросли - первые организмы, которые в массовом количестве начали осваивать фотосинтез с использованием воды и углекислоты.

Одноклеточные водоросли составляют основную часть фитопланктона. Они способны усваивать многие химические элементы, растворенные в морской воде.

Более высокоорганизованные группы растений: лишайники, мхи, папоротникообразные, голосеменные и покрытосеменные - являются преимущественно обитателями суши. Наиболее распространенные растения относятся к покрытосеменным - цветковым, насчитывающими 250 тысяч видов. Они произрастают по всему земному шару.

Растительность - важное звено биосферы. Она определяет внешний вид ландшафта и его красочность. Растительность суши является главным производителем свободного кислорода в атмосферу.

Грибы - низшие организмы, лишенные хлорофилла. Насчитывают около 100 тысяч видов. По размерам варьируют от мелких микроскопических организмов до крупных дождевиков. Тело подавляющего большинства грибов состоит из тонких нитчатых образований - гиф. Сочетание их образует грибницу или мицелий. У низших грибов мицелий имеет неплотное строение, у высших он многоклеточный.

Таблица 11

Число видов растительного царства по приближенным оценкам

Название типов	Латинское название	Число видов
Жгутиковые водоросли	Flagellata	Около 25000
Зеленые водоросли	Chlorophyceae
Разножгутиковые водоросли	Heteroconte
Диатомовые водоросли	Diatomeae
Бурые водоросли	Phaeophyceae
Багряные водоросли	Rhodophycae
Лишайники	Lichenes	18000
Моховидные	Bryopsida	Свыше 20000
Псилофитовые	Psilopsida	Несколько видов
Плауновые	Lycopsida	800
Хвощевидные	Spaenopsida	30
Папоротниковидные	Pteropsida	6000
Голосеменные	Gymnospermae	600
Покрытосеменные	Angiospermae	200000-300000

Все грибы относятся к гетеротрофным организмам и по способу питания разделяются на три группы: паразиты, сапрофиты и симбионты. Около 3/4 всех грибов относятся к сапрофитам. Они питаются гниющими остатками растений. Грибы - симбионты помогают растениям усваивать труднодоступные вещества гумуса, способствуют минеральному питанию, своими ферментами содействуют углеродному обмену, связывают свободный азот. Грибы совместно с бактериями участвуют в биогеохимическом круговороте веществ в биосфере.

Животные - представляют собой царство гетеротрофных организмов и характеризуются большим разнообразием форм и размеров. Число животных видов, согласно сводке P.M. Мея (1988) представлено в таблице 12 с указанием наиболее распространенных типов. Животный мир объединяет 27 наиболее крупных классификационных единиц или типов. Наиболее многочисленными по числу видов являются членистоногие и нематоды. Среди типа членистоногих выделяется класс насекомых, который по числу видов превышает все другие типы и классы. Согласно довольно распространенному мнению энтомологов в пределах биосферы имеется еще столько же неучтенных видов насекомых. Поскольку насекомые способны к быстрому размножению, они играют большую роль в миграции вещества в пределах биосферы. Ориентировочные расчеты показали, что на Земле обитает 10 миллиардов насекомых, т.е. на каждого человека приходится 250 млн. представителей этого класса. Наиболее очевидные проявления этой миграции - перелеты саранчи, иногда носящие катастрофический характер.

Следующими по числу видов после насекомых и нематод выступают простейшие и моллюски. Среди позвоночных животных примерно половина видов приходится на долю рыб.

Распространение организмов. Организмы в биосфере распространяются крайне неравномерно.

Таблица 12

Число видов различных типов животного царства (по Р. Мею, 1988)

Типы животных	Латинское название	Число видов
Простейшие	Protozoa	260000
Губки	Porifera	10000
Кишечнополостные	Coelenterata	10000
Иглокожие	Echinodermata	6000
Нематоды	Nematoda	1000000
Аннелиды	Annelida	15000
Плеченогие	Brachiopoda	350
Мшанки	Bryozoa	4000
Энтопроктры	Entoproctra	150
Моллюски	Mollusca	1000000
Членистоногие:	Arthropoda:
Ракообразные	Crustacea	39000
Арахниды	Arachnida	63000
Насекомые	Insecta	1000000
Хордовые	Chordata:
Рыбы	Pisces	19000
Амфибии	Amphibia	2800
Рептилии	Reptilia	6000
Птицы	Aves	9000
Млекопитающие	Mammalia	4500

Размещение растительности на суше следует широтной климатической зональности, которая иногда нарушается рельефом, очертаниями материков и другими локальными факторами. Это, с одной стороны, безжизненные ледниковые покровы и зоны жарких пустынь с минимальными значениями биомассы организмов, с другой - мощные фитоцентры экваториальных, хвойных и лиственных лесов - с максимальными.

В океанической среде зональная распространенность существенно сглажена. Максимальные скопления живых организмов наблюдаются в освещенной зоне - зоне проникновения солнечного света до глубин порядка 100 м. Особые cгyщения анаэробных организмов наблюдаются в глубоководных рифтовых зонах океана с выходами термальных растворов, связанных с подводным вулканизмом, что было обнаружено только в 1977 г.

Среди растений более половины видов составляют те, которые возникли относительно недавно в геологическом прошлом на поверхности континентов. Распределение живых организмов в пределах биосферы показано на рис. 7.

Если на суше по биомассе преобладают зеленые растения (99,2%), то в океане, наоборот, животные и микроорганизмы (93,7%). В Мировом океане весьма разнообразно по видовому составу представлены животные. В настоящее время в Мировом океане насчитывается более 160000 видов животных и около 10000 видов растений. Среди животных около 16000 видов рыб, 80000 видов моллюсков, около 15000 видов простейших (в основном радиолярий и фораминифер), около 9000 видов кишечнополостных и др. Из позвоночных животных, кроме рыб, в океане обитают черепахи, змеи, а также млекопитающие (китообразные, ластоногие, дельфины) - более 100 видов.

Выход организмов на сушу имел избирательный характер. Если не учитывать предков позвоночных животных, то можно видеть, что на сушу переселилось лишь шесть классов животных из трех типов. В то время 60 классов, относящихся к остальным

Рис. 7. Распределение живых организмов в биосфере.

типам, продолжали существовать и развиваться в море. Однако при таком соотношении число видов наземных организмов оказалось значительно больше, чем морских.

ПОЧВЕННЫЙ СЛОЙ

Почвы - уникальный природный слой биосферы, в котором сложность состава сочетается со сложным взаимодействием различных форм движения материи. Поскольку почвы являются источником плодородия, то они изучались весьма обстоятельно почвоведами и агрохимиками разных стран. К настоящему времени о почвах накопился огромный эмпирический материал, который является объектом почвоведения - науки о почвах. Ее начало было положено трудами В.В. Докучаева (1845-1903), который считал, что почвы являются продуктами совместной деятельности горной породы (грунта), климата, растительных и животных организмов, возраста страны и рельефа местности. Почвенный и растительный покров суши представляет собой неразрывное единство - глобальную естественную систему при совместном функционировании растений, грибов, микроорганизмов и коллоидно-дисперсного минерального вещества.

Обычно почвой называют рыхлый поверхностный слой континентов, возникший из горных пород под воздействием растений, животных и микроорганизмов. Однако почвы занимают не всю поверхность современных континентов. Развитие земледелия связано в основном с четырьмя типами почв (40%): черноземы, темные почвы прерий, серые и бурые лесные почвы. К настоящему времени лучшие почвы уже распаханы и естественно, что перед человечеством возникает проблема ограниченности почвенных ресурсов планеты. Согласно имеющимся подсчетам общая площадь распаханных почв составляет 1,5 Χ 10 га.

Состав почв выражается сочетанием минеральных, органических веществ и живых организмов, главным образом микроорганизмов. Химический состав некоторых типичных и распространенных почв представлен в таблице 13. В значительной степени он повторяет состав подстилающих горных пород, но отличается от него присутствием повышенных количеств

Таблица 13

Химический состав почв в % (по С.А. Кудрину)

Элемент	Подзолистая почва	Бурая лесная почва	Чернозем	Краснозем
О	50,40	47,93	49,30	48,37
Н	0,04	0,11	0,15	0,13
Сорг	0,56	1,59	2,05	1,81
Скарб	—	0,25	0,48	—
Р	0,048	0,062	0,07	0,079
S	0,024	0,5	0,168	—
Si	34,03	28,89	31,32	21,50
А1	6,60	8,23	6,88	11,15
Fe	3,13	5,77	3,69	11,50
Ti	—	0,88	0,47	—
Mn	0,32	0,17	0,05	0,18
Ca	0,81	1,98	2,47	0,34
Mg	0,65	1,08	1,00	0,93
К	2,00	1,41	1,32	0,23
Na	1,34	1,09	0,57	0,08

органического углерода и вариациями содержания кремнезема, глинозема и железа. Красноземы, возникающие в условиях жаркого тропического климата, обеднены кремнеземом и обогащены гидроокислами железа и алюминия, что определяет их окраску. Минеральная часть почвы возникла как прямой продукт выветривания коренных материнских горных пород; она представлена глинистыми минералами, некоторыми породообразующими минералами и гидроокислами железа и алюминия.

В почвах происходит разложение первичных органических веществ биологического происхождения до образования наиболее устойчивых продуктов, содержание которых варьирует в широких пределах. Органическое вещество почвы можно разделить на две группы: неразложившиеся и полуразложившиеся остатки растений, животных и микроорганизмов; гумус или перегной.

Первая группа содержит обычные для живого вещества еще неразложившиеся органические соединения: углеводы, жиры, белки.

Вторая, более распространенная группа, содержит гумус, представляющий ту часть органического вещества почвы, которая утратила следы первоначального строения и довольно тесно перемешалась с минеральной частью почвы. Содержание гумуса в верхних горизонтах подзолистых почв достигает 4 - 5%, в сероземах - 1,5 - 2,0%, в красноземах - до 7%. Наиболее богаты гумусом черноземы, которые в верхних горизонтах содержат до 10-15%. Состав и количество гумуса в почве зависит от состава поступающих в почву органических остатков, от интенсивности и характера сложных и разнообразных процессов минерализации и гумификации. Основная часть гумуса - гуминовые кислоты, представляющие собой смесь аморфных органических веществ коллоидной природы, непостоянного состава и относительно высокого молекулярного веса.

В состав гумуса входят битумы - смолы, воск, жирные кислоты и их производные. Также в небольшом количестве в гумусе есть различные углеводы - клетчатка, гемицеллюлоза, крахмал. Эти вещества обычно неустойчивы и легко минерализуются. Часть органического вещества переходит в почвенные растворы.

В образовании почв и почвенных процессах активное участие принимают живые организмы: растения, микроорганизмы, животные. В связи с этим можно выделить три группы почвенных биологических процессов:

1. Деятельность почвенных микроорганизмов, производящих глубокие преобразования органического и частично минерального вещества почвы.

2. Деятельность высших растений, обуславливающих круговорот химических элементов в системе почва-растение, и накопление органического вещества в почве. Механическая деятельность корневой части.

3. Деятельность почвенных животных, разрушающих органическое вещество, которое служит источником пищи, и оказывающих существенное влияние на химические и физические свойства почвы. Особую роль в почвообразовании играют дождевые черви, измельчая материал почвы.

Географическое распространение почв показывает, что существуют зональные и азональные почвы. Преобладающими являются зональные типы почв, которые изменяются в широком направлении (рис. 8).

Рис. 8. Схематический профиль почвообразования умеренного пояса (по С.А. Захарову).

РАДИАЦИОННАЯ ОБСТАНОВКА БИОСФЕРЫ

Все вещество биосферы Земли подвергается непрерывному излучению от различных космических и земных источников. Эволюция организмов в биосфере неизбежно протекала в определенном радиационном поле, которое существует и сейчас. Однако интенсивность радиации в этом поле несомненно могла меняться в прошлые геологические эпохи. Эволюция жизни, несомненно, протекала в поле ионизирующих излучений, важнейшим из которых была радиоактивность земной коры.

Радиационная обстановка биосферы определяется излучением Солнца, космическими лучами и естественной радиоактивностью самого материала Земли. Солнечная радиация оказывает наиболее существенное воздействие на биосферу Земли.

Солнечное излучение составляют электромагнитное и корпускулярное излучения. Основная часть энергии Солнца приходится на видимую и инфракрасную части электромагнитного спектра, и отчасти на ультрафиолетовую область, задерживаемую озоновым экраном земной атмосферы. Меньшая доля солнечного излучения принадлежит рентгеновым лучам и волнам в области радиодиапазона.

Интенсивность солнечного излучения на поверхности нашей планеты зависит от широты местности, времени года, суток, а также от облачности и прозрачности атмосферы. Солнечное излучение является основным источником энергии для большинства процессов в биосфере Земли. В общем незначительная его доля 0,1-0,5% усваивается зелеными растениями в процессе фотосинтеза. Затем они используются гетеротрофными организмами, неспособными к самостоятельному синтезу непосредственно от элементов внешней среды.

Периодический характер интенсивности в коротковолновом интервале спектра Солнца, позволяет его отнести к переменным звездам, что сказывается на ряде явлений в биосфере Земли.

В 1915 г. А.Л. Чижевский обратил внимание на циклическую связь между развитием некоторых эпидемий и пятнообразовательной деятельностью Солнца. Периодичность ряда явлений в биосфере, оказывается, совпадает с ритмами солнечной активности, из которых наиболее отчетливо выражен 11-летний цикл. В настоящее время установлена связь между хромосферными вспышками на Солнце и увеличением смертельных исходов при инфарктах и инсультах, обострением симптомов разных хронических заболеваний и т.д.

Корпускулярное излучение Солнца проявляется в виде солнечного ветра и космических лучей, которые сопровождают мощные вспышки на Солнце. При вспышках усиливается интенсивность ультрафиолетового и рентгенового излучений, которые достигают Земли через 8 минут, в то время как солнечные космические лучи с энергией 10⁸ - 10⁹эВ начинают приходить на Землю спустя ~10 минут. Вспышка на Солнце образует мощную ударную волну, выбрасывая в межпланетное пространство облако плазмы. Приобретая скорость свыше 100 км/с, ударная волна и облако плазмы за 1,5 и 2 суток достигают Земли. Они вызывают магнитную бурю, усиление полярных сияний, возмущения ионосферы и т.д.

Дальнейшее изучение солнечно-земных связей имеет большое научное значение в области космонавтики, радиосвязи, транспорта, сельского хозяйства, биологии и медицины.

Космические лучи - как поток протонов и некоторых ядер галактического происхождения, обладают высокой проникающей способностью. Практически они пронизывают всю биосферу и по своей проникающей способности превосходят все другие виды излучений. Космические лучи производят в атмосфере Земли вторичные радиоактивные изотопы, которые включаются в общий круговорот химических элементов в биосфере и могут служить тонкими индикаторами этого круговорота, включая оценку возраста почв, органических остатков, молодых океанических осадков и скорости их накопления.

В результате взаимодействия протонов солнечных лучей с веществом атмосферы возникают космические нейтроны. Они вызывают наиболее важные в количественном отношении ядерные реакции, приводящие к образованию радиоактивных изотопов (табл. 14). Космические нейтроны в первую очередь преобразуют нуклиды азота, наиболее обильного газа атмосферы:

¹⁴N + n → ¹⁴С + р

¹⁴N + n → ¹²С + ³Н

Возникают радиоактивные изотопы: радиоуглерод ¹⁴С и тритий Н. Наряду с ними, за счет ядерных реакций космических частиц с другими атомами атмосферы, дополнительно возникают еще и другие радионуклиды. Вместе с другими стабильными изотопами этих же элементов они вступают в биосферный круговорот, попадая в состав тканей растений, затем животных. Естественно, что радиоактивность живого вещества частично связана с присутствием вышеуказанных космических изотопов.

Таблица 14

Количество радиоактивных изотопов в биосфере от космических лучей

Изотоп	Т период полураспада		Количество
3Н тритий		12,3 года		3,5 кг
10Ве радиобериллий		2,6-106лет		430 тонн
14С радиоуглерод		5730 лет		54 тонн
22Na радионатрий		2,6 года		1,2 кг
26 Аl радиоалюминий		0,74 106 лет		1,7 тонн
32Si радиокремний		700 лет		1 кг
32Сl радиохлор		0,31 106 лет		15 тонн
39 Аг радиоаргон		260 лет		22 кг

Радиоактивность биосферы связана главным образом с присутствием долгоживущих изотопов ⁴⁰К, ²³⁵U, ²³⁸U, ²³²Th в различных природных телах. Все живые организмы биосферы испытывают воздействие ионизирующих излучений, испускаемых радиоэлементами, содержащимися в природных водах, почвах, горных породах и атмосфере. Как отмечал В.И. Вернадский, радиоактивный распад некоторых элементов является характерным свойством биосферы, определяющим некоторые геохимические и радиохимические процессы.

α, β и γ-лучи, испускаемые естественными радиоактивными элементами, производят ионизацию окружающей среды, хотя значительная часть энергии распада переходит в радиогенное тепло, генерируемое в разных оболочках нашей планеты. Радиоактивные элементы широко рассеяны в горных породах. Оценка среднего их содержания представлена в таблице 15.

Таблица 15

Среднее содержание основных радиоактивных элементов в горных породах

Порода	U 10-4%	Тh 10-4%	К вес %	Rb %
Земная кора в среднем	3,0	5,0-13,0	2,5	3,1 10-2
Изверженные породы:
Кислые	3,5	18,0	3,34	2 10-2
Средние	1,8	7,0	2,31	1 10-2
Основные	0,5	3,0	0,83	4,5 10-3
Ультраосновные	0,03	0,05	0,03	2 10-4
Осадочные породы:
Карбонатные	2,2	1,7+0,7	0,26	—
Сланцы	3,7±0,5	12	—	—
Глины	4,1	11	2,28	—
Песчаники	2,0	—	—	—
Метаморфические породы:
Мраморы	0,17	0,03	—	—
Филлиты	1,9	5,5	—	—
Крист. сланцы	2,5	7,5	—	—
Гранулиты	4,9	12,2	—	—
Силикатная фаза каменных метеоритов
	0,1	1,0	8,5 10-2	3,5 10-4

Первичные физические процессы, возникающие в результате воздействия ионизирующего излучения на живые организмы, вызывают образование веществ с высокой химической активностью. Биологическое действие излучения в основном связано с продуктами радиолиза воды, к которым относятся атомы и радикалы Н, ОН, НО₂ и перекись водорода Н₂О₂. Кроме того, излучения могут оказывать прямое действие на биологические молекулы, вызывая их деструкцию.

К числу важнейших свойств живых организмов относятся мутации, которые представляют собой внезапное изменение генотипа организмов и обеспечивающие передачу мутационного признака последующим поколениям. Радиоактивность относится к важным факторам, вызывающим мутации у различных организмов. Отсюда естественно, что радиационный фон среды биосферы во многом может быть определяющим в общей эволюции растений и животных в течение всей геологической истории. Ионизация различных веществ в клетках организмов, вызываемая радиоактивностью (β и γ - лучами от радионуклидов), приводит их к активному состоянию и реакционной способности, что естественно сказывается на изменении наследственных механизмов (ДНК, РНК и др.). Экспериментально установлено, что чем больше доза ионизирующего излучения, получаемая организмом, тем выше частота возникающих в нем мутаций. Свободные радикалы водорода, гидроксила и др., возникающие от радиолиза воды в клетках, обладая высокой радиационной способностью, могут реагировать с ДНК самостоятельно, с ДНК может реагировать перекись водорода. В результате подобных реакций могут возникать мутации. Все живые организмы содержат радиоактивные элементы преимущественно в небольших количествах.

Они поступают в растения главным образом из природных вод, почвенных растворов. В провинциях с повышенным содержанием радиоактивных элементов в тканях всех растений и животных содержится повышенное количество тория, урана и продуктов их распада. В пределах континентов существуют районы с достаточно высокой радиоактивностью, против обычного ее среднего содержания в земной коре. Во внешней среде в районах с повышенным содержанием радиоактивных элементов отмечается увеличения у-излучения и усиления бионакопления радионуклидов.

В настоящее время представляется, что эволюция жизни в биосфере и радиоактивность окружающей среды - взаимосвязанные процессы. Вероятно, изучение этой зависимости поможет выяснить такие загадочные особенности эволюционного процесса, как вымирание отдельных систематических групп фауны и флоры, взрывы видообразования и другие явления. В этом отношении сделаны лишь только первые шаги. Сопоставление эпох уранонакопления с изменениями органического мира было выполнено С.Г. Неручевым (1983). Он показал, что эпохи повышенной радиоактивности среды характеризовались значительным усилением мутационного процесса, видообразования и смены фауны и флоры, а промежутки между ними - затуханием видообразования и вымиранием организмов.

Таким образом, радиационная обстановка биосферы является важным фактором существования и изменения живого вещества в настоящее время и в прошлые геологические эпохи.