Биохимический круговорот кремния в природе

Жизнь ставит цели науке, 
наука освещает путь жизни.

Н. К. Михайловский

Минеральный, кремнезем и k силикаты

Три с лишним миллиарда лет жизни на нашей планете коренным образом изменили ее облик. Существенную роль в этом сыграли биохимические процессы с участием соединений кремния - кремнезема, кремнекислот, силикат тов и алюмосиликатов.

Кремний является циклическим элементом, совершающим непрерывный круговорот в природе (рис. 5). "Миллионы тонн этого элемента, - указывал В. И. Вернадский, - находятся в непрерывном движении - в геохимической миграции". Несомненно, это ничтожная доля всего кремния, находящегося в земной коре. Тем не менее его количество огромно, гораздо больше, чем количество биогенного кремния, участвовавшего в жизненных процессах. Все жившие на нашей планете организмы непрерывно извлекали кремний из окружающей среды в ходе своей жизнедеятельности и выбрасывали неутилизируемую его часть с экскрементами. Весь аккумулированный этими организмами кремний также возвращался в литосферу и гидросферу в виде остаточного после их разложения продукта.

Рис. 5. Круговорот кремния в природе,

За год через живое вещество проходит огромное количество кремния, в тысячи раз большее его содержания в данный момент во всех живых организмах. Благодаря этому живое вещество имеет большое значение в геохимической истории кремния.

Биохимические функции жизни, приводящие к миграции кремния, o принадлежат к геологически вечным, то есть существующим в течение всего времени наличия биосферы на нашей планете.

Главную роль в биохимическом круговороте кремния играли и играют низшие классы организмов и растения, поглощающие его из окружающей среды и возвращающие в измененном виде после своей гибели.

Существенное влияние на круговорот кремния в природе оказывают и процессы образования осадочных пород, а также высшие беспозвоночные (черви, моллюски, членистоногие, насекомые, иглокожие, оболочники и т. д.). Последние содержат очень мало этого элемента, но следует учитывать их огромную численность и весьма интенсивную деятельность. При их воздействии почва постоянно разрыхляется, перемешивается и размельчается, а разложение растительного материала и высвобождение кремнезема протекает в 2-3 раза быстрее, чем при их отсутствии.

В круговороте кремния участвуют и млекопитающие, в особенности травоядные, однако незначительно. Участниками процесса почвообразования являются грызуны и другие животные, роющие норы.

В нашем столетии стал активно вмешиваться в круговорот кремния и человек.

Кремний в основном концентрируется в биосфере и осадочной оболочке литосферы. С увеличением глубины его количество постепенно уменьшается. На земной поверхности живое вещество постоянно захватывает кремний из его водных растворов и золей и даже из кремний содержащих горных пород и минералов. Биохимический цикл кремния начинается с разрушения горных пород и образования почвы. Первый процесс некогда рассматривался как сугубо физический. Однако теперь твердо установлено, что основной причиной его является биохимическое действие таких организмов, как бактерии, простейшие, грибы, водоросли и лишайники. Разрушение живыми организмами кристаллических горных пород привело к зарождению почвы.

Читатель уже узнал, что важную роль в геохимии кремния играют бактерии, и прежде всего силикатные. Они активно разрушают силикаты, высвобождая кремнезем, калий, фосфор и другие минеральные элементы в растворимой и усвояемой растениями форме. Таким образом, бактерии, по-видимому, оказались первыми живыми существами, которые подготовили на суше условия для появления низшей растительности.

Мощнейшим агентом разрушения горных пород являются водоросли, особенно диатомовые, которые, как уже сообщалось выше, обитают не только в соленых и пресных водоемах, но и на увлажненных скалах, прибрежных песках и других участках суши. Лишайники разрушают горные породы не только химическим, но и механическим путем.

Освобожденный биохимически из силикатных минералов кремнезем вновь непосредственно усваивается бактериями, низшими растениями и, претерпев ряд превращений, опять возвращается в почву в виде вторичных минералов. Многие неустойчивые минералы (глины, слюды, цеолиты, диатомиты и др.) давно бы исчезли с лица земли, если бы постоянно не создавались вновь живыми организмами.

После разложения остатков низшей растительности часть аморфного кремнезема усваивается высшими растениями. Другая часть его вымывается и, попадая в ручьи и реки, выносится в озера, моря и океаны.

Однолетние растения возвращают накопленный кремнезем в почву в конце вегетации - отмирая, а многолетние сбрасывают его вместе с листьями. Опавшие листья гумифицируются тем медленнее, чем выше в них содержание кремнезема. Гумусовые кислоты участвуют в разложении силикатов. Некоторую роль в разложении опавших листьев играют животные (в основном низшие). Так завершается цикл биохимического круговорота кремния в природе.

А. П. Виноградов указывал, что в наше время па суше биогенный геохимический круговорот кремния особенно энергично протекает в тропических областях. Там интенсивная жизнедеятельность почвенных организмов, высокая температура и влажность способствуют быстрому перемещению кремнезема из горных пород в почву в виде гелей кремнекислоты. Последняя в избытке поглощается растениями (бамбук, сахарный тростник и другие злаки), в тканях которых отлагается аморфный кремнезем. С гибелью растения он возвращается в почву.

В океанах, морях и озерах начинается самый мощный по масштабам цикл круговорота кремния. Осаждение растворенного в морской воде кремния происходит лишь биогенным путем. Об этом свидетельствуют современные морские и озерные отложения кремнезема, состоящие из остатков низших организмов (скелеты диатомей, спикулы губок и др.). Исключительно биогенное происхождение имеет и взвешенный в оводе кремний.

А. П. Виноградов допускает присутствие в морских и океанических водах кремнийорганических соединений, являющихся продуктами распада древнейших реликтовых кремнийконцентрирующих организмов. Их останки постепенно минерализируются и в виде взвеси медленно оседают на дно водоемов. В ходе этого процесса они частично растворяются, частично поедаются кремнийкон- центрирующими животными, возвращаясь снова в круговорот кремния.

Основная же масса биогенного кремния образует на дне огромные залежи кремнезема (диатомовый, глауконитовый и радиоляриевый илы, яшма, халцедон и т. д.). Наиболее распространены в этих отложениях диатомовые осадки. Они составляют 70-75% всех кремнеземистых осадков и расположены в основном в холодных частях океана, ближе к его северным областям. В отложениях тропических и субтропических областей океанов преобладают скелеты радиолярий. Вместе с диатомовыми отложениями они составляют 98-99% всех кремнеземистых осадков Мирового океана. Остатки кремниевых губок и Других кремнеорганизмов составляют лишь 1-2% донных отложений кремнезема (хотя в отдельных водоемах, например в озере Байкал, спикулы кремнистых губок составляют существенную часть отложений).

За год на дне океанов отлагается 190 миллионов тонн кремнезема. Это несколько сотен тысяч кубических километров. Такие донные отложения занимают 20,4% площади Индийского океана, 14,7%-Тихого и 6,7%-Атлантического.

Вследствие частичного растворения остатков кремне-организмов вода, находящаяся в порах осадков кремнезема, представляет собой насыщенный раствор. Очень высока концентрация кремния и в придонном слое воды. Поднятый восходящими потоками наверх кремний возвращается в биологический круговорот. Нередко в почвах в значительных количествах содержатся скелеты диатомовых водорослей и спикулы кремнистых губок.

Человеческая деятельность вносит диссонанс в био-геохимический круговорот кремния в водоемах. Так, недавно фосфатные сточные воды вызвали в южной части озера Мичиган столь сильное развитие диатомей, что содержание кремния в воде опустилось ниже минимального значения, необходимого для их жизнедеятельности, и создались все условия для вытеснения диатомовых водорослей сине-зелеными.

Горючие полезные ископаемые органического происхождения - каустобиолиты (нефть, уголь и горючие сланцы) также содержат сравнительно много кремния. В состав золы нефтяного кокса, например, входит до 15% кремнезема. Однако вопрос о том, является ли происхождение кремния в каустобиолитах биогенным, остается до сих пор открытым. Не исключено, что в нефти содержатся и кремнийорганические соединения.