Биогеохимия

Биогеохимия - часть геохимии, изучающая геохимические процессы, которые происходят при участии организмов в биосфере - оболочке Земли, включающей атмосферу, гидросферу и верхнюю часть литосферы (земную кору). Миграцию химических элементов на Земле нельзя понять без учета влияния организмов. Биогеохимические процессы находят отражение на геологических картах.

Впервые задачи биогеохимии были сформулированы в СССР академиком В. И. Вернадским и разрабатывались в специально созданной Биогеохимической лаборатории (ныне Институт геохимии и аналитической химии им. В. И. Вернадского Академии наук СССР).

Проблемы биогеохимии широко изучаются и в нашей стране, и за рубежом.

Биогеохимия рассматривает не отдельные особи или виды организмов, а всю их совокупность, так называемое живое вещество, выраженное в массе, составе и энергии, которую оно привносит в биогеохимические процессы. Живое вещество неравномерно распределяется по поверхности Земли. Известны области его скопления, или сгущения, например планктона в океанах и морях, лессов на суше, гумуса, торфяника в почвах; плотность населения неравномерна и в значительной степени зависит от почвенно-климатических зон. Растительные организмы составляют главную массу живого вещества: около 1% падающей солнечной энергии поглощается растениями, что эквивалентно 3⋅10¹⁴ кг углерода (см. Фотосинтез).

В состав живого вещества входят фактически все известные химические элементы. Но основную массу любого организма составляет ограниченное число химических элементов, которые в условиях биосферы образуют легкоподвижные и легкорастворимые соединения, например газы СO₂ и NH₃, ионы Н⁺ , ОН^-, NO^-₃, SO^2-₄, РО^3-₄, Na⁺ , К⁺ , Са²⁺, Mg²⁺, а также различные металлы, образующие высокозарядные комплексные ионы. Среди этих элементов - В, С, N, О F, Na, Mg, Al, Si, P, S, CI, K, Ca, Ti, Mn, Fe, Cu, Sr, Zr, I, Ba, U.

Химические элементы, не образующие, подобно, например, титану, цирконию и торию, растворимых и легкоподвижных соединений, несмотря на их заметное количество в породах земной коры, в организмах содержатся лишь в очень малых количествах. Организмы не повторяют полностью химического состава среды, а активно выбирают те или иные соединения. Нередко тот или иной вид организмов накапливает определенные химические элементы, т.е. химический состав организмов является характерным признаком для определенного вида.

Участие живого вещества в биогеохимических процессах проявляется прямо либо косвенно. Так, после гибели организмов живое вещество непосредственно участвует в образовании известняков, углей, нефтей и др. Зеленые растения в результате фотосинтеза создают всю массу кислорода в атмосфере Земли. Морские водоросли концентрируют значительные количества иода.

Еще более разнообразно косвенное влияние организмов и продуктов их жизнедеятельности на геохимические процессы. Микроорганизмы участвуют, например, в окислении соединений железа, марганца и других элементов, что ведет к выпадению их из природных растворов и отложению в осадках. Микроорганизмы восстанавливают сульфаты, образуя биогенные месторождения серы, и т.д.

Большую роль живое вещество наряду с Н₂O и СО₂ играет в процессах выветривания и образования осадочных пород (биогенных осадков в морях и океанах). Организмы участвуют в изменении изотопного состава ряда легких химических элементов - углерода, кислорода, серы.

Обычно в биогенных процессах организмами поглощаются преимущественно более легкие изотопы.

Огромную биогеохимическую роль выполняет человек в результате своей геологической деятельности. Ежегодно из недр Земли извлекается по нескольку десятков тонн горной породы на душу населения. Человек влияет на химический и изотопный состав атмосферы, биосферы и земной коры, и это влияние с каждым столетием непрерывно растет.

Жизнь - самая мощная геологическая сила на нашей планете

Жизнь - самая мощная геологическая сила на нашей планете. Зеленые растения обладают способностью поглощать солнечную энергию в процессе фотосинтеза (см.). Используя эту энергию для дальнейшего роста, они избирательно концентрируют в себе определенные вещества. Растения суши и океана связывают оксид углерода (IV) СO₂, находящийся в атмосфере и растворенный в воде. Растения служат пищей животным. Дыхание растений и животных частично возвращает СО₂ в атмосферу. Отмершие остатки живых организмов разлагаются в почве, причем часть углерода возвращается в атмосферу, а часть надолго остается в земле, образуя постепенно гумус, торф, уголь и нефть.

Но еще больше углерода изымается из круговорота морскими организмами, карбонатные скелеты которых за геологические периоды образовали огромные залежи известняков. Запасы такого углерода в миллионы раз превышают количество углерода в атмосфере и в водах Земли в виде СО₂.

Когда эти залежи становятся частью суши, карбонат кальция под воздействием воды и воздуха частично переходит в растворимый бикарбонат и снова включается в круговорот вещества. Запасы СO₂ в воздухе пополняет также процесс горения. С каждым годом люди сжигают все больше угля и нефти, возвращая в атмосферу углерод, законсервированный миллионы лет назад. (На рисунке углерод обозначен серыми стрелками). Круговорот азота обозначен оранжевыми стрелками. Этот элемент, названный безжизненным, нужен всему живому на Земле. Главный источник связанного азота - это азотфик-сирующие бактерии на суше и синезеленые водоросли в океане. Связанный азот усваивается растениями, они же служат единственным источником азотного питания для животных. При разложении органических останков в почве часть азота возвращается в атмосферу, часть консервируется вместе с углеродом в составе торфа и угля. Реки и ручьи переносят в океан соединения азота, где они усваиваются морскими организмами или разлагаются до N₂. О круговороте кислорода см. в ст. Кислород.