Как всякая точная наука, геохимия начинает с измерения. Прежде всего она определяет содержание химических элементов в земных породах и минералах, природных водах и живых организмах. Только совершенная аналитическая техника смогла обеспечить необходимую точность этих измерений, доверие к результатам наблюдений.
"...Земная газовая оболочка, наш воздух есть создание жизни" - эти слова принадлежат В. И. Вернадскому.
В них ответ на вопрос о роли ландшафта в формировании современной атмосферы Земли. Важнейшая ее часть - свободный кислород - образуется в результате фотосинтеза, который непрерывно протекает на суше и в поверхностных горизонтах моря вот уже свыше миллиарда лет. Фотосинтез единственный распространенный на Земле процесс, который высвобождает из различных соединений кислород. Во всех остальных реакциях - дыхание организмов, окисление железных, серных, марганцевых и других минералов происходит преимущественно связывание свободного кислорода.
Вместе с тем при фотосинтезе зеленые растения не только выделяют кислород, но и поглощают из воздуха углекислый газ (СС"2). За период геологической истории растительность Земли практически очистила атмосферу от углекислого газа, содержание которого сейчас составляет лишь 0,03 процента. Углерод же, который был в составе углекислого газа воздуха, частично снова возвращается в атмосферу в результате дыхания, горения и других процессов, а частично входит в состав гумуса, торфов, известковых раковин животных. В дальнейшем из этих остатков образуются каменные и бурые угли, нефть, многие известняки.
Развитие жизни на Земле и биологический круговорот - взаимосвязанные и взаимообусловленные явления.
Биологический синтез органических соединений и их последующее разложение, перевод в минеральную форму составляют сущность и жизненных процессов, и биологического круговорота. В процессе разложения органические вещества проходят длинную цепочку превращений, связанных с жизнедеятельностью гетеротрофных организмов, то есть организмов, которые могут жить и развиваться только за счет готовых органических веществ.
В. Р. Вильяме в своих работах, исходя из ограниченности запасов необходимых растениям "биогенных" элементов, неоднократно подчеркивал, что если 75 процентов общего количества ежегодно синтезируемого растениями органического вещества не будет минерализовано гетеротрофами, то через три-четыре года жизнь на Земле должна прекратиться.
Живые существа регулируют круговорот немногих химических элементов: кислорода, азота, в меньшей степени фосфора, серы, углерода и микроэлементов. Для других элементов гораздо большую роль играют физические факторы: перемещение горных пород, вода, ветер (геологический круговорот веществ).
Важнейшая составная часть воздуха, молекулярный азот, как предполагал В. И. Вернадский, - результат деятельности микроорганизмов.
Газообразный химический элемент, из которого на 78 процентов состоит наша атмосфера, назван азотом, что значит нежизненный. В истории химии вряд ли отыщется другой случай, когда название было бы столь неудачным.
Основа любого организма - белок, а в нем содержится 15-17,5 процента азота. Удобрения для полей тоже в значительной степени азот. И не случайно его теперь именуют элементом плодородия.
Биогенного происхождения и подавляющая часть углекислоты в атмосфере. Поступающий в атмосферу углекислый газ образуется при дыхании организмов, главным образом корней растений и бактерий. Это неудивительно, так как бактерии (в пересчете на живой вес) дышат в двести раз интенсивнее человека, а их масса на каждом гектаре измеряется тоннами.
Что касается круговорота воды, то масштабы этого процесса поистине грандиозны: в него ежегодно вовлекается более 1 миллиона (1040 тысяч) кубических километров воды. Только на территории СССР в виде дождя и снега выпадает около 8,5 тысячи кубических километров воды, реки же сбрасывают примерно половину этого количества.
Но влагооборот не только движение воды. В этот мощный геохимический поток вовлекаются огромные массы различных химических элементов. Например, с территории СССР воды выносят 40 миллионов тонн кальция в год.
Помимо растворенных химических элементов, воды переносят огромные массы мелких частиц во взвешенном состоянии. Можно подсчитать, какое количество химических элементов ежегодно мигрирует с единицы площади.
Оказывается, что в различных районах Русской равнины с одного гектара выносится от 0,2 до 2 центнеров твердых частиц и от 1 до 4 центнеров химических элементов в растворенном состоянии.
Вынос химических элементов с суши частично компенсируется обменом веществ между литосферой и атмосферой. На поверхность всей земной суши с атмосферными осадками ежегодно выпадает 1800 миллионов тонн солей.
Установлено, что на каждый гектар европейской части СССР в год из атмосферы поступает от 3 до 33 килограммов кальция, от 5 до 12 килограммов серы, 5-10 килограммов хлора.
Через атмосферу переносятся и огромные массы твердых частиц. Известен случай, когда пылевые бури за несколько дней только на юге Украины вынесли около 25 кубических километров почвы.
Наряду с обменом веществ в системе литосфера - гидросфера - атмосфера существует "биогенный" круговорот - перераспределение химических элементов, вызываемое деятельностью живых организмов. Живые существа захватывают огромные массы химических элементов и вовлекают их в сложную миграцию. Особенно велика здесь роль растений и микроорганизмов.
В обмене веществ между живой и неживой природой наиболее важно перераспределение газов. Растения, синтезируя органическое вещество, поглощают из атмосферы углекислый газ и выделяют кислород. Связывание в органическом веществе 1 грамма углерода сопровождается выделением 2,7 грамма кислорода. В СССР с каждого гектара луговой степи за год в атмосферу выделяется 10-12 тысяч кубических метров этого газа.
Кислородный характер воздуха, которым мы дышим, - важнейшая химическая особенность нынешней атмосферы Земли. А ведь в течение очень длительного периода эволюции нашей планеты этого свойства она была лишена. Считают, что жизнь на суше стала возможна именно тогда, когда в земной атмосфере образовалось значительное количество свободного кислорода и создались условия для формирования в атмосфере озонного слоя, предохраняющего наземную жизнь от губительного действия ультрафиолетовых лучей. Это произошло лишь в последние 400 миллионов лет (напомним, что история Землч насчитывает 4,5 миллиарда лет), хотя в океане жизиь возникла уже 3 миллиарда лет назад.
Правда, такое мнение отнюдь не бесспорно, поскольку первыми поселенцами суши могли быть микробы, которые обходятся и без свободного кислорода и легко переносят большие дозы ультрафиолета, да и хорошо защищены от него в толще почвы. Недаром академьк Л. С. Берг озаглавил одну нз своих статей сорокалетнел давности так: "Жизнь и почвообразование на докембрииских материках".
Есть все основания полагать, что образование почв происходило задолго до появления наземной растительности (в девонское время) и что биогенный круговорот веществ на материках, отнюдь не безжизненных, многие сотни миллионов лет поддерживался одними микробами.
Перехватывая различные соединения своими корнями, растения частично задерживают вынос веществ из почвы.
Поэтому так называемые биогенные элементы, необходимые для жизни растений, - фосфор, азот, калий, магний и другие - накапливаются, концентрируются в гумусовых горизонтах почв.
Необходимость регулирования круговорота таких элементов, как азот, фосфор, калий, давно уже признана земледелием. Впервые баланс азота в земледелии исследовал французский физиолог растений и агрохимик Ж.-Б. Буссенго, учеником которого с гордостью называл себя основоположник отечественной физиологии растений К. А. Тимирязев. Опыты Буссенго по обогащению почвы азотом при выращивании клевера и люцерны стали классическими, это и дало повод ученику Тимирязева академику Д. Н. Прянишникову считать, что агрохимия возникла в 1836 году - в год опубликования работ Буссенго.
Главная задача агрохимии, по определению Прянишникова, изучение круговорота веществ в земледелии и выявление тех мер воздействия на этот круговорот, которые могут повысить урожай или улучшить его качество. В сельском хозяйстве без удобрений не обойтись: с каждой тонной урожая пшеницы с поля выносится 37 килограммов азота, 13 - фосфора, 23 - калия. Для картофеля на тонну урожая вынос значительно меньше: 6 килограммов азота, 2 - фосфора, 8 - калия, а вот конопля - один из рекордсменов, она выносит с поля на одну тонну полученного волокна 200 килограммов азота, 62- фосфора и 100 - калия.
Углерод растение получает с углекислотой из воздуха, а минеральные элементы ему должна дать почва.
При этом в почве многие из них находятся в виде связанных с гумусом соединений. Например, 95-98 процентов азота содержится в почве в виде органического вещества и только 2-3 процента - в минеральных соединениях, непосредственно доступных растениям. Многие микроэлементы в больших количествах содержатся в живой биомассе растений, животных, микроорганизмов и, пока не погибнут их живые "носители", недоступны для других организмов.
Велико значение почвы и как своеобразного геохимического экрана. Это особенно актуально в связи с загрязнением ландшафтов тяжелыми металлами, такими, как свинец, ртуть, кадмий. Сейчас встает задача обеспечить замкнутый круговорот воды и многих других веществ, создать искусственные среды, из которых в окружающее пространство токсичные компоненты практически не выносились бы. И конечно, абсолютно недопустимо, чтобы те или иные государства использовали для захоронения вредных отходов территории слаборазвитых стран, где "мало отходов и много окружающей среды". Так геохимия соприкасается с социальными и политическими проблемами современности.
Живое вещество
Само понятие "живое вещество", весь комплекс представленией о его геохимической деятельности введены в науку В. И. Вернадским. Гениальная его работа "Биосфера" известна достаточно широко, но не все знают, что к созданию учения о биосфере и ноосфере, многих принципиально новых направлений в науке Вернадский пришел через почвоведение.
На Украине он начинал свой путь под руководством В. В. Докучаева с оценки черноземов Полтавщины и Приднепровья. На протяжении всей своей долгой творческой жизни ученый сохранил глубокий интерес к почвоведению, к практике сельского хозяйства. Значительная часть громадного научного наследия Вернадского непосредственно связана с разработкой фундаментальных проблем почвоведения.
Его интересовала роль живого вещества в создании почвы, биогеохимическая роль алюминия и кремния в почвах, значение почвенной атмосферы и ее биогенной структуры, роль почвенных растворов в биосфере, биогеохимический круговорот, распространение радиоактивных элементов и их накопление живыми организмами.
Учениками Вернадского были ученые, работы которых определили лицо и проблематику геохимии: академики А. Е. Ферсман, В. Г. Хлопин, Д. И. Щербаков, А. А. Полканов, А. П. Виноградов, А. А. Твалчрелидзе, члены-корреспонденты Академии паук СССР А. А. Сауков, К. А. Власов, К. А. Ненадкевич.
В 1919 году Вернадский организовал Украинскую академию наук и стал ее первым президентом. Судьба, однако, распорядилась так, что многие фундаментальные работы Вернадского о деятельности живого вещества в биосфере стали известны широкому читателю несколько десятилетий спустя после смерти их автора, в том числе написанная в начале 20-х годов и опубликованная в 1978 году книга "Живое вещество". А в 1984 году январский номер журнала "Наука и жизнь" украсила впервые увидевшая свет работа Владимира Ивановича "Об участии живого вещества в создании почв", которая 65 лет лежала в архивах. Что же именовал ученый живым веществом?
"Под именем живого вещества, - писал В. И. Вернадский в 1919 году, - я буду подразумевать всю совокупность всех организмов, растительности и животных, в том числе и человека. С геохимической точки зрения эта совокупность организмов имеет значение только той массой вещества, которая ее составляет, ее химическим составом и связанной с ней энергией. Очевидно, только с этой точки зрения имеет значение живое вещество и для почвы, так как, поскольку мы имеем дело с химией почв, мы имеем дело с частным проявлением общих геохимических процессов... Живое вещество, вошедшее в состав почвы, обусловливает в ней самые разнообразные изменения ее свойств, обычно не учитываемые в почвоведении. На первом месте я остановлюсь здесь на его влиянии на мелкоземлистость почвы, ибо это свойство почвы является самым основным и резким ее отличием от всех других продуктов земной поверхности. Оно же определяет ход всех химических реакций в почве и делает из почвы активнейшую область с химической точки зрения в биосфере".
Тогда же ученый впервые высказал мысль об органогенном парагенезисе как факторе геохимических преобразований - совместном нахождении химических элементов в живом веществе, которое определяется биологическими свойствами организмов, а не химическими свойствами элементов. К основным элементам органогенного парагенезиса Вернадский относил С, О, Н, N, S, P, C1, К, Mg, Ca, Na, Fe, к которым обычно присоединяют еще Si, Mn, F, J, Со, В, Ва, Sr, Pb, Zn, Ag, Br, V и т. д. В живом организме всегда содержится не менее 20-25 химических элементов, эти элементы оказываются вместе после гиболи живого в исключительно малых объемах, высоких концентрациях и в соотношениях, которые определяют жизнь.
Вернадский здесь высказался с присущей гению ясностью: "...в почве нет химических процессов вне участия в них живой материи и продуктов ее,изменения".
Но измерять количество живого вещества в почвах и на планете в целом биологи и почвоведы научились не сразу, даже когда поняли, что делать это необходимо.
Еще медленнее шло познание химического состава растений, животных, микробов, тех химических реакций, которые благодаря им осуществляются в почве.
Еще Вернадский отмечал, что масса растений в 10- 100 тысяч раз превышает массу животных, и ему было хорошо известно о почвообразующей деятельности дождевых червей и грызунов, термитов и муравьев, о биохимических процессах в почвах, вызываемых микробами.
Но точную количественную меру всем этим явлениям биологи нашли только в наши дни.
Многие поколения ученых интересовались жизнью корневых систем растений, почвенных животных и микроорганизмов. Они вели наблюдения, собирали и классифицировали материал. Постепенно вырабатывались и точные количественные методы учета. А подвела итоги всей этой работы Международная биологическая программа - МБП.
В 60-х годах нашего века началось планомерное изучение всей биосферы, в том числе п наземных биогеоценозов. Исследовали состав растительного покрова, его массу, ее ежегодный прирост, отмирание и разложение растительных остатков. Учитывали количество разных химических элементов, поступающих в растения и возвращающихся в почву с спадом. Определяли, какую часть биомассы составляют корни, листья, стебли. Исследован! я по международной программе резко изменили оценку роли животных и микроорганизмов в биологическом круговороте и почвообразовании.
Международная биологическая программа предусматривала "глобальное комплексное изучение биологичесш х основ продуктивности и благосостояния человека" и первоначально была рассчитана на восемь лет. В ней присутвовали 58 стран, и еще в 33 странах разрабатывались отдельные пункты программы. Основные исследования велись самостоятельно каждой страной на строго добровольных началах, за счет национальных средств.
Об окончательных научных итогах говорить пока рано, но некоторые выводы сделать все же можно. Вероятно, главный из них в том, что первый опыт международного сотрудничества в области биологии показал плодотворность разработки на международной основе тех ее клпитальных проблем, которые трудно решить в национальных границах. МБП активизировала изучение продуктивности биосферы, что имеет очень большое значение.
Собранные в разных ландшафтно-климатических зонах земного шара сведения помогут провести другую международную программу - "Человек и биосфера", которая в известной мере явится продолжением МБП.
МБП убедительно доказала опасность неблагоприятных изменений природной среды, особенно загрязнения в результате деятельности человека. И в рамках МБП возникла идея создания глобальной биологической службы, без которой невозможно определить тенденции таких изменений.
Так сколько же биомассы вокруг нас? В умеренной полосе СССР в лесах основная биомасса сосредоточена в древесине, ее - от 100 до 400 тонн на гектар. Эта биомасса многолетняя, в почву ежегодно поступает только 3,5-9 тонн опада листвы и сучьев. Масса корней составляет одну четверть от надземной части деревьев, но ежегодно и они дают 3-5 тонн сухого вещества за счет ежегодно отмирающих мелких корневых волосков.
В травянистых сообществах ежегодно отмирает большая часть как наземной, так и корневой биомассы, в степях и на лугах эта величина может быть очень значительной; так, опад в луговых степях только наземной части растений равен И тоннам на гектар.
Урожай с полей собирает человек, поэтому в биологический круговорот включаются только остатки жнивья и отмирающие корни. В дерново-подзолистых почвах, на суглинках, на полях однолетних культур остается 0,3- 1,9 тонны таких остатков и 1,3-5 тонн корней (сухого вещества) на гектар.
Труднее определить биомассу микробов. Она зависит от продуктивности наземной растительности, содержания гумуса и азота почвы, продолжительности теплого времени года, когда микробы могут активно функционировать. В тундрах, например, активное время жизни микробов ограничено 1-2 месяцами, а на юге они способны развиваться, если хватает влаги, круглогодично. По данным ленинградского профессора Т. В. Аристовской, в разных типах почв бактерии дают 3-15 генераций в месяц, но в среднем за год это составит, по-видимому, 10-15 генераций, учитывая разную продолжительность активной жизнедеятельности микробов.
По данным известного исследователя Э. Рассела, живой вес бактериальных клеток в пахотных почвах южной Англии составляет 2-4 тонны на гектар. При этом на долю бактерий приходится 0,5-1 процент от веса органического вещества почвы; биомасса грибов примерно такая же. По другим подсчетам, в пахотных почвах обитает около 20 тонн живых микробов на гектар. Академик Е. Н. Мишустин для разных типов почв дает цифру от 0,6 до 5 тонн сырого веса (0,1 -1,3 тонны сухого веса).
Для водорослей Э. А. Штина определила биомассу порядка 60-500 килограммов сухого веса в почвах под естественной растительностью, в исключительных случаях - до 1400 килограммов на гектар, при четырех генерациях в год -в условиях средней полосы СССР. Велика биомасса почвенных водорослей в агроценозах - порядка 0,2- 2,2 тонны на гектар.
Таким образом, общая продукция микрофлоры в почвах средней полосы европейской части СССР может быть оценена в 2-3 тонны сухого вещества на гектар в год.
На долю почвенных животных приходится 15-20 процентов от веса всех живых существ почвы, то есть около 1-1,5 тонны сухого вещества.
Биомасса млекопитающих в гайге - 141 килограмм на квадратный километр, в смешанных лесах - 511, лесостепи - 1230, степи - около 600. Птиц меньше: в тайге их около 80 килограммов, в смешанных лесах - 40.
лесостепи - 60, степи - около 13 килограммов на квадратный километр. Величины эти очень малы, если иметь в виду, что речь идет о "живой", а не о "сухой" биомассе, и притом на квадратный километр, а не на гектар.
В некоторых зарубежных странах биомассу животных в естественных ландшафтах удалось определить достаточно полно благодаря наблюдениям, которые велись десятилетиями. К таким районам в первую очередь относятся леса северо-западной Европы на бурых лесных почвах.
Так, в Бельгии на гектар лесной растительности приходится 4 тонны листвы, 270 тонн ветвей и стволов, 1 тонна травы, ежегодная первичная продукция составляет 12 тонн, нз них 52 процента составляют древесные растения и 8 процентов травы.
Потребителями этой первичной продукции являются (в живом весе) крупные млекопитающие (косули, кабаны - 2 килограмма на гектар), мелкие млекопитающие (грызуны, хищные, насекомоядные) - 5 килограммов, около 1,3 килограмма - птицы и около 1000 килограммов - почвенные беспозвоночные. Суммарная сухая масса всех животных составляет не более 100 килограммов на гектар.
Какие же изменения в сообществах живых организмов на суше происходят под влиянием хозяйственной деятельности человека?
Расхожее мнение, будто человек лишь губит живой покров Земли, разрушая его, не соответствует истине.
Научно обоснованная, продуманная деятельность человека отнюдь не ведет к обеднению биосферы. По важнейшим биологическим показателям продуктивности, количеству белка, генетическому разнообразию экосистем агросистемы и другие культурные ландшафты не только не уступают естественным, но часто и превосходят их.
И это вполне понятно: человек резко интенсифицирует протекание биологических процессов в биосфере, внося в почву минеральные удобрения, повышая продуктивность засушливых или переувлажненных бесплодных земель, выводя все более продуктивные породы растений, животных, а в последнее время - и микроорганизмов.
Правда, структура естественных сообществ нередко упрощается в агросистемах, но надо учитывать, что созданные человеком экосистемы несравнимо лабильнее. Это и дает основание экологам быть оптимистами, думая о будущем нашей планеты.
Судьбы элементов-биогенов
По сравнению с составом земной коры биомасса растений гораздо богаче азотом, углеродом, водородом и кислородом, а биомасса животных, кроме того, еще серой и фосфором. Все это - биогенные элементы, жизнь без них попросту невозможна. Больше всего в живом веществе, не считая воды, углерода, азота, кальция, калия, кремния, фосфора, серы, стронция, бора, цинка, молибдена, меди, никеля. Именно эти элементы - главные в биогенном круговороте веществ (если, конечно, не забывать, что 2/з любого живого вещества составляет вода). Общая продолжительность биогенного круговорота на суше в целом, по мнению В. А. Ковды, около 300 - 400 лет. Правда, цифра эта относится в основном к лесам, а в агроценозах круговороты биогенных элементов идут во много раз быстрее.
Всего в тканях живых организмов встречается 66 - 68 элементов, причем 47 из них постоянно. Жизненно необходимыми, как это твердо уетановлено, являются многие микроэлементы, в том числе медь, кобальт, цинк, бор, йод, молибден, железо, фтор и др. Можно выделить три группы элементов:
1) те, что постоянно содержатся в тканях и незаменимы в пище (О, С, Н, N, Са, Р, К, S, Cl, Na, Mg, Zn, Fe, Cu, I, Mn, V, Mo, Co, Se);
2) те, что постоянно встречаются в живом организме, но физиологическая роль их изучена плохо и неизвестно, оказывает ли отрицательное влияние их отсутствие (Sr, Cd, Br, F, В, Si, Cr, Be, Ni, Li, Cs, Sn, Al, Ba, Rb, Ti, Ag, Ga, Ge, As, Hg, Pb, Bi, Sb, U, Th, Ra);
3) те, что иногда обнаруживают в тканях, но их количество и физиологическая роль неясны (Sc, Tl, Nb, J, La, Pr, Nd, Sm, Eu, Tb, Dv, Er, Ib, W, Re, Au).
Основную массу нашего тела, так же как растений и микроорганизмов, составляют так называемые макроэлементы - углерод, водород, азот, кальций и т. д. Микроэлементы дают в сумме всего лишь 0,04-0,06 процента веса тела. Но без них невозможны нормальный рост и развитие организма.
Казалось бы, какое значение может иметь крупица меди? Ее всего-то в организме около 100 миллиграммов.
Но если не хватает даже 1/3 этой "крупицы", в крови снижается уровень адреналина, замедляется биосинтез гемоглобина, процессы кроветворения нарушаются. Самым отрицательным образом сказывается недостаток меди на тканевом дыхании, обменных процессах. Вот почему медь относится к группе незаменимых микроэлементов. В эту же группу входят цинк, марганец, кобальт и некоторые другие элементы. Все они обеспечивают высокую химическую и биологическую активность окислительно-восстановительных биосинтетических процессов.
При этом каждый элемент выполняет свою функцию.
Цинк, например, участвует в синтезе ряда ферментов, а также инсулина и полового гормона. Главная роль марганца - активизация окислительно-восстановительных процессов, но он также благотворно действует на рост и половое развитие, участвует в регуляции уровня артериального давления. Без кобальта невозможно образование витамина B12.
Совершенно особое место занимает железо. По количественному содержанию - в органах и тканях взрослого человека около четырех граммов железа - его относят к макроэлементам, а по участию в биохимических процессах - к микроэлементам. Значение железа трудно переоценить. 70 процентов этого элемента содержится в гемоглобине. Железо - важная составная часть ферментов крови, а также дыхательного пигмента мышц - миоглобина.
До сих пор речь шла о незаменимых микроэлементах.
Но в организме имеются еще и такие элементы, которые физиологически неактивны и токсичны. Их роль недостаточно изучена.
Неоднократно пытались выяснить, есть ли какая-то закономерность распределения биологически важных химических элементов в таблице Д. И. Менделеева. По мнению академика А. П. Виноградова, существует один закон для распространения химических элементов в литосфере и в живом веществе: состав организмов отражает химический состав окружающей среды. Виноградов установил также, что количество тех или иных химических элементов в живом веществе находится в обратной зависимости от их атомного веса, то есть живой организм богаче легкими элементами. Такие элементы и их ионы меньше по размеру и при прочих равных условиях "подвижнее".
"...Земная газовая оболочка, наш воздух есть создание жизни" - эти слова принадлежат В. И. Вернадскому.
В них ответ на вопрос о роли ландшафта в формировании современной атмосферы Земли. Важнейшая ее часть - свободный кислород - образуется в результате фотосинтеза, который непрерывно протекает на суше и в поверхностных горизонтах моря вот уже свыше миллиарда лет. Фотосинтез единственный распространенный на Земле процесс, который высвобождает из различных соединений кислород. Во всех остальных реакциях - дыхание организмов, окисление железных, серных, марганцевых и других минералов происходит преимущественно связывание свободного кислорода.
Вместе с тем при фотосинтезе зеленые растения не только выделяют кислород, но и поглощают из воздуха углекислый газ (СС"2). За период геологической истории растительность Земли практически очистила атмосферу от углекислого газа, содержание которого сейчас составляет лишь 0,03 процента. Углерод же, который был в составе углекислого газа воздуха, частично снова возвращается в атмосферу в результате дыхания, горения и других процессов, а частично входит в состав гумуса, торфов, известковых раковин животных. В дальнейшем из этих остатков образуются каменные и бурые угли, нефть, многие известняки.
Развитие жизни на Земле и биологический круговорот - взаимосвязанные и взаимообусловленные явления.
Биологический синтез органических соединений и их последующее разложение, перевод в минеральную форму составляют сущность и жизненных процессов, и биологического круговорота. В процессе разложения органические вещества проходят длинную цепочку превращений, связанных с жизнедеятельностью гетеротрофных организмов, то есть организмов, которые могут жить и развиваться только за счет готовых органических веществ.
В. Р. Вильяме в своих работах, исходя из ограниченности запасов необходимых растениям "биогенных" элементов, неоднократно подчеркивал, что если 75 процентов общего количества ежегодно синтезируемого растениями органического вещества не будет минерализовано гетеротрофами, то через три-четыре года жизнь на Земле должна прекратиться.
Живые существа регулируют круговорот немногих химических элементов: кислорода, азота, в меньшей степени фосфора, серы, углерода и микроэлементов. Для других элементов гораздо большую роль играют физические факторы: перемещение горных пород, вода, ветер (геологический круговорот веществ).
Важнейшая составная часть воздуха, молекулярный азот, как предполагал В. И. Вернадский, - результат деятельности микроорганизмов.
Газообразный химический элемент, из которого на 78 процентов состоит наша атмосфера, назван азотом, что значит нежизненный. В истории химии вряд ли отыщется другой случай, когда название было бы столь неудачным.
Основа любого организма - белок, а в нем содержится 15-17,5 процента азота. Удобрения для полей тоже в значительной степени азот. И не случайно его теперь именуют элементом плодородия.
Биогенного происхождения и подавляющая часть углекислоты в атмосфере. Поступающий в атмосферу углекислый газ образуется при дыхании организмов, главным образом корней растений и бактерий. Это неудивительно, так как бактерии (в пересчете на живой вес) дышат в двести раз интенсивнее человека, а их масса на каждом гектаре измеряется тоннами.
Что касается круговорота воды, то масштабы этого процесса поистине грандиозны: в него ежегодно вовлекается более 1 миллиона (1040 тысяч) кубических километров воды. Только на территории СССР в виде дождя и снега выпадает около 8,5 тысячи кубических километров воды, реки же сбрасывают примерно половину этого количества.
Но влагооборот не только движение воды. В этот мощный геохимический поток вовлекаются огромные массы различных химических элементов. Например, с территории СССР воды выносят 40 миллионов тонн кальция в год.
Помимо растворенных химических элементов, воды переносят огромные массы мелких частиц во взвешенном состоянии. Можно подсчитать, какое количество химических элементов ежегодно мигрирует с единицы площади.
Оказывается, что в различных районах Русской равнины с одного гектара выносится от 0,2 до 2 центнеров твердых частиц и от 1 до 4 центнеров химических элементов в растворенном состоянии.
Вынос химических элементов с суши частично компенсируется обменом веществ между литосферой и атмосферой. На поверхность всей земной суши с атмосферными осадками ежегодно выпадает 1800 миллионов тонн солей.
Установлено, что на каждый гектар европейской части СССР в год из атмосферы поступает от 3 до 33 килограммов кальция, от 5 до 12 килограммов серы, 5-10 килограммов хлора.
Через атмосферу переносятся и огромные массы твердых частиц. Известен случай, когда пылевые бури за несколько дней только на юге Украины вынесли около 25 кубических километров почвы.
Наряду с обменом веществ в системе литосфера - гидросфера - атмосфера существует "биогенный" круговорот - перераспределение химических элементов, вызываемое деятельностью живых организмов. Живые существа захватывают огромные массы химических элементов и вовлекают их в сложную миграцию. Особенно велика здесь роль растений и микроорганизмов.
В обмене веществ между живой и неживой природой наиболее важно перераспределение газов. Растения, синтезируя органическое вещество, поглощают из атмосферы углекислый газ и выделяют кислород. Связывание в органическом веществе 1 грамма углерода сопровождается выделением 2,7 грамма кислорода. В СССР с каждого гектара луговой степи за год в атмосферу выделяется 10-12 тысяч кубических метров этого газа.
Кислородный характер воздуха, которым мы дышим, - важнейшая химическая особенность нынешней атмосферы Земли. А ведь в течение очень длительного периода эволюции нашей планеты этого свойства она была лишена. Считают, что жизнь на суше стала возможна именно тогда, когда в земной атмосфере образовалось значительное количество свободного кислорода и создались условия для формирования в атмосфере озонного слоя, предохраняющего наземную жизнь от губительного действия ультрафиолетовых лучей. Это произошло лишь в последние 400 миллионов лет (напомним, что история Землч насчитывает 4,5 миллиарда лет), хотя в океане жизиь возникла уже 3 миллиарда лет назад.
Правда, такое мнение отнюдь не бесспорно, поскольку первыми поселенцами суши могли быть микробы, которые обходятся и без свободного кислорода и легко переносят большие дозы ультрафиолета, да и хорошо защищены от него в толще почвы. Недаром академьк Л. С. Берг озаглавил одну нз своих статей сорокалетнел давности так: "Жизнь и почвообразование на докембрииских материках".
Есть все основания полагать, что образование почв происходило задолго до появления наземной растительности (в девонское время) и что биогенный круговорот веществ на материках, отнюдь не безжизненных, многие сотни миллионов лет поддерживался одними микробами.
Перехватывая различные соединения своими корнями, растения частично задерживают вынос веществ из почвы.
Поэтому так называемые биогенные элементы, необходимые для жизни растений, - фосфор, азот, калий, магний и другие - накапливаются, концентрируются в гумусовых горизонтах почв.
Необходимость регулирования круговорота таких элементов, как азот, фосфор, калий, давно уже признана земледелием. Впервые баланс азота в земледелии исследовал французский физиолог растений и агрохимик Ж.-Б. Буссенго, учеником которого с гордостью называл себя основоположник отечественной физиологии растений К. А. Тимирязев. Опыты Буссенго по обогащению почвы азотом при выращивании клевера и люцерны стали классическими, это и дало повод ученику Тимирязева академику Д. Н. Прянишникову считать, что агрохимия возникла в 1836 году - в год опубликования работ Буссенго.
Главная задача агрохимии, по определению Прянишникова, изучение круговорота веществ в земледелии и выявление тех мер воздействия на этот круговорот, которые могут повысить урожай или улучшить его качество. В сельском хозяйстве без удобрений не обойтись: с каждой тонной урожая пшеницы с поля выносится 37 килограммов азота, 13 - фосфора, 23 - калия. Для картофеля на тонну урожая вынос значительно меньше: 6 килограммов азота, 2 - фосфора, 8 - калия, а вот конопля - один из рекордсменов, она выносит с поля на одну тонну полученного волокна 200 килограммов азота, 62- фосфора и 100 - калия.
Углерод растение получает с углекислотой из воздуха, а минеральные элементы ему должна дать почва.
При этом в почве многие из них находятся в виде связанных с гумусом соединений. Например, 95-98 процентов азота содержится в почве в виде органического вещества и только 2-3 процента - в минеральных соединениях, непосредственно доступных растениям. Многие микроэлементы в больших количествах содержатся в живой биомассе растений, животных, микроорганизмов и, пока не погибнут их живые "носители", недоступны для других организмов.
Велико значение почвы и как своеобразного геохимического экрана. Это особенно актуально в связи с загрязнением ландшафтов тяжелыми металлами, такими, как свинец, ртуть, кадмий. Сейчас встает задача обеспечить замкнутый круговорот воды и многих других веществ, создать искусственные среды, из которых в окружающее пространство токсичные компоненты практически не выносились бы. И конечно, абсолютно недопустимо, чтобы те или иные государства использовали для захоронения вредных отходов территории слаборазвитых стран, где "мало отходов и много окружающей среды". Так геохимия соприкасается с социальными и политическими проблемами современности.
Живое вещество
Само понятие "живое вещество", весь комплекс представленией о его геохимической деятельности введены в науку В. И. Вернадским. Гениальная его работа "Биосфера" известна достаточно широко, но не все знают, что к созданию учения о биосфере и ноосфере, многих принципиально новых направлений в науке Вернадский пришел через почвоведение.
На Украине он начинал свой путь под руководством В. В. Докучаева с оценки черноземов Полтавщины и Приднепровья. На протяжении всей своей долгой творческой жизни ученый сохранил глубокий интерес к почвоведению, к практике сельского хозяйства. Значительная часть громадного научного наследия Вернадского непосредственно связана с разработкой фундаментальных проблем почвоведения.
Его интересовала роль живого вещества в создании почвы, биогеохимическая роль алюминия и кремния в почвах, значение почвенной атмосферы и ее биогенной структуры, роль почвенных растворов в биосфере, биогеохимический круговорот, распространение радиоактивных элементов и их накопление живыми организмами.
Учениками Вернадского были ученые, работы которых определили лицо и проблематику геохимии: академики А. Е. Ферсман, В. Г. Хлопин, Д. И. Щербаков, А. А. Полканов, А. П. Виноградов, А. А. Твалчрелидзе, члены-корреспонденты Академии паук СССР А. А. Сауков, К. А. Власов, К. А. Ненадкевич.
В 1919 году Вернадский организовал Украинскую академию наук и стал ее первым президентом. Судьба, однако, распорядилась так, что многие фундаментальные работы Вернадского о деятельности живого вещества в биосфере стали известны широкому читателю несколько десятилетий спустя после смерти их автора, в том числе написанная в начале 20-х годов и опубликованная в 1978 году книга "Живое вещество". А в 1984 году январский номер журнала "Наука и жизнь" украсила впервые увидевшая свет работа Владимира Ивановича "Об участии живого вещества в создании почв", которая 65 лет лежала в архивах. Что же именовал ученый живым веществом?
"Под именем живого вещества, - писал В. И. Вернадский в 1919 году, - я буду подразумевать всю совокупность всех организмов, растительности и животных, в том числе и человека. С геохимической точки зрения эта совокупность организмов имеет значение только той массой вещества, которая ее составляет, ее химическим составом и связанной с ней энергией. Очевидно, только с этой точки зрения имеет значение живое вещество и для почвы, так как, поскольку мы имеем дело с химией почв, мы имеем дело с частным проявлением общих геохимических процессов... Живое вещество, вошедшее в состав почвы, обусловливает в ней самые разнообразные изменения ее свойств, обычно не учитываемые в почвоведении. На первом месте я остановлюсь здесь на его влиянии на мелкоземлистость почвы, ибо это свойство почвы является самым основным и резким ее отличием от всех других продуктов земной поверхности. Оно же определяет ход всех химических реакций в почве и делает из почвы активнейшую область с химической точки зрения в биосфере".
Тогда же ученый впервые высказал мысль об органогенном парагенезисе как факторе геохимических преобразований - совместном нахождении химических элементов в живом веществе, которое определяется биологическими свойствами организмов, а не химическими свойствами элементов. К основным элементам органогенного парагенезиса Вернадский относил С, О, Н, N, S, P, C1, К, Mg, Ca, Na, Fe, к которым обычно присоединяют еще Si, Mn, F, J, Со, В, Ва, Sr, Pb, Zn, Ag, Br, V и т. д. В живом организме всегда содержится не менее 20-25 химических элементов, эти элементы оказываются вместе после гиболи живого в исключительно малых объемах, высоких концентрациях и в соотношениях, которые определяют жизнь.
Вернадский здесь высказался с присущей гению ясностью: "...в почве нет химических процессов вне участия в них живой материи и продуктов ее,изменения".
Но измерять количество живого вещества в почвах и на планете в целом биологи и почвоведы научились не сразу, даже когда поняли, что делать это необходимо.
Еще медленнее шло познание химического состава растений, животных, микробов, тех химических реакций, которые благодаря им осуществляются в почве.
Еще Вернадский отмечал, что масса растений в 10- 100 тысяч раз превышает массу животных, и ему было хорошо известно о почвообразующей деятельности дождевых червей и грызунов, термитов и муравьев, о биохимических процессах в почвах, вызываемых микробами.
Но точную количественную меру всем этим явлениям биологи нашли только в наши дни.
Многие поколения ученых интересовались жизнью корневых систем растений, почвенных животных и микроорганизмов. Они вели наблюдения, собирали и классифицировали материал. Постепенно вырабатывались и точные количественные методы учета. А подвела итоги всей этой работы Международная биологическая программа - МБП.
В 60-х годах нашего века началось планомерное изучение всей биосферы, в том числе п наземных биогеоценозов. Исследовали состав растительного покрова, его массу, ее ежегодный прирост, отмирание и разложение растительных остатков. Учитывали количество разных химических элементов, поступающих в растения и возвращающихся в почву с спадом. Определяли, какую часть биомассы составляют корни, листья, стебли. Исследован! я по международной программе резко изменили оценку роли животных и микроорганизмов в биологическом круговороте и почвообразовании.
Международная биологическая программа предусматривала "глобальное комплексное изучение биологичесш х основ продуктивности и благосостояния человека" и первоначально была рассчитана на восемь лет. В ней присутвовали 58 стран, и еще в 33 странах разрабатывались отдельные пункты программы. Основные исследования велись самостоятельно каждой страной на строго добровольных началах, за счет национальных средств.
Об окончательных научных итогах говорить пока рано, но некоторые выводы сделать все же можно. Вероятно, главный из них в том, что первый опыт международного сотрудничества в области биологии показал плодотворность разработки на международной основе тех ее клпитальных проблем, которые трудно решить в национальных границах. МБП активизировала изучение продуктивности биосферы, что имеет очень большое значение.
Собранные в разных ландшафтно-климатических зонах земного шара сведения помогут провести другую международную программу - "Человек и биосфера", которая в известной мере явится продолжением МБП.
МБП убедительно доказала опасность неблагоприятных изменений природной среды, особенно загрязнения в результате деятельности человека. И в рамках МБП возникла идея создания глобальной биологической службы, без которой невозможно определить тенденции таких изменений.
Так сколько же биомассы вокруг нас? В умеренной полосе СССР в лесах основная биомасса сосредоточена в древесине, ее - от 100 до 400 тонн на гектар. Эта биомасса многолетняя, в почву ежегодно поступает только 3,5-9 тонн опада листвы и сучьев. Масса корней составляет одну четверть от надземной части деревьев, но ежегодно и они дают 3-5 тонн сухого вещества за счет ежегодно отмирающих мелких корневых волосков.
В травянистых сообществах ежегодно отмирает большая часть как наземной, так и корневой биомассы, в степях и на лугах эта величина может быть очень значительной; так, опад в луговых степях только наземной части растений равен И тоннам на гектар.
Урожай с полей собирает человек, поэтому в биологический круговорот включаются только остатки жнивья и отмирающие корни. В дерново-подзолистых почвах, на суглинках, на полях однолетних культур остается 0,3- 1,9 тонны таких остатков и 1,3-5 тонн корней (сухого вещества) на гектар.
Труднее определить биомассу микробов. Она зависит от продуктивности наземной растительности, содержания гумуса и азота почвы, продолжительности теплого времени года, когда микробы могут активно функционировать. В тундрах, например, активное время жизни микробов ограничено 1-2 месяцами, а на юге они способны развиваться, если хватает влаги, круглогодично. По данным ленинградского профессора Т. В. Аристовской, в разных типах почв бактерии дают 3-15 генераций в месяц, но в среднем за год это составит, по-видимому, 10-15 генераций, учитывая разную продолжительность активной жизнедеятельности микробов.
По данным известного исследователя Э. Рассела, живой вес бактериальных клеток в пахотных почвах южной Англии составляет 2-4 тонны на гектар. При этом на долю бактерий приходится 0,5-1 процент от веса органического вещества почвы; биомасса грибов примерно такая же. По другим подсчетам, в пахотных почвах обитает около 20 тонн живых микробов на гектар. Академик Е. Н. Мишустин для разных типов почв дает цифру от 0,6 до 5 тонн сырого веса (0,1 -1,3 тонны сухого веса).
Для водорослей Э. А. Штина определила биомассу порядка 60-500 килограммов сухого веса в почвах под естественной растительностью, в исключительных случаях - до 1400 килограммов на гектар, при четырех генерациях в год -в условиях средней полосы СССР. Велика биомасса почвенных водорослей в агроценозах - порядка 0,2- 2,2 тонны на гектар.
Таким образом, общая продукция микрофлоры в почвах средней полосы европейской части СССР может быть оценена в 2-3 тонны сухого вещества на гектар в год.
На долю почвенных животных приходится 15-20 процентов от веса всех живых существ почвы, то есть около 1-1,5 тонны сухого вещества.
Биомасса млекопитающих в гайге - 141 килограмм на квадратный километр, в смешанных лесах - 511, лесостепи - 1230, степи - около 600. Птиц меньше: в тайге их около 80 килограммов, в смешанных лесах - 40.
лесостепи - 60, степи - около 13 килограммов на квадратный километр. Величины эти очень малы, если иметь в виду, что речь идет о "живой", а не о "сухой" биомассе, и притом на квадратный километр, а не на гектар.
В некоторых зарубежных странах биомассу животных в естественных ландшафтах удалось определить достаточно полно благодаря наблюдениям, которые велись десятилетиями. К таким районам в первую очередь относятся леса северо-западной Европы на бурых лесных почвах.
Так, в Бельгии на гектар лесной растительности приходится 4 тонны листвы, 270 тонн ветвей и стволов, 1 тонна травы, ежегодная первичная продукция составляет 12 тонн, нз них 52 процента составляют древесные растения и 8 процентов травы.
Потребителями этой первичной продукции являются (в живом весе) крупные млекопитающие (косули, кабаны - 2 килограмма на гектар), мелкие млекопитающие (грызуны, хищные, насекомоядные) - 5 килограммов, около 1,3 килограмма - птицы и около 1000 килограммов - почвенные беспозвоночные. Суммарная сухая масса всех животных составляет не более 100 килограммов на гектар.
Какие же изменения в сообществах живых организмов на суше происходят под влиянием хозяйственной деятельности человека?
Расхожее мнение, будто человек лишь губит живой покров Земли, разрушая его, не соответствует истине.
Научно обоснованная, продуманная деятельность человека отнюдь не ведет к обеднению биосферы. По важнейшим биологическим показателям продуктивности, количеству белка, генетическому разнообразию экосистем агросистемы и другие культурные ландшафты не только не уступают естественным, но часто и превосходят их.
И это вполне понятно: человек резко интенсифицирует протекание биологических процессов в биосфере, внося в почву минеральные удобрения, повышая продуктивность засушливых или переувлажненных бесплодных земель, выводя все более продуктивные породы растений, животных, а в последнее время - и микроорганизмов.
Правда, структура естественных сообществ нередко упрощается в агросистемах, но надо учитывать, что созданные человеком экосистемы несравнимо лабильнее. Это и дает основание экологам быть оптимистами, думая о будущем нашей планеты.
Судьбы элементов-биогенов
По сравнению с составом земной коры биомасса растений гораздо богаче азотом, углеродом, водородом и кислородом, а биомасса животных, кроме того, еще серой и фосфором. Все это - биогенные элементы, жизнь без них попросту невозможна. Больше всего в живом веществе, не считая воды, углерода, азота, кальция, калия, кремния, фосфора, серы, стронция, бора, цинка, молибдена, меди, никеля. Именно эти элементы - главные в биогенном круговороте веществ (если, конечно, не забывать, что 2/з любого живого вещества составляет вода). Общая продолжительность биогенного круговорота на суше в целом, по мнению В. А. Ковды, около 300 - 400 лет. Правда, цифра эта относится в основном к лесам, а в агроценозах круговороты биогенных элементов идут во много раз быстрее.
Всего в тканях живых организмов встречается 66 - 68 элементов, причем 47 из них постоянно. Жизненно необходимыми, как это твердо уетановлено, являются многие микроэлементы, в том числе медь, кобальт, цинк, бор, йод, молибден, железо, фтор и др. Можно выделить три группы элементов:
1) те, что постоянно содержатся в тканях и незаменимы в пище (О, С, Н, N, Са, Р, К, S, Cl, Na, Mg, Zn, Fe, Cu, I, Mn, V, Mo, Co, Se);
2) те, что постоянно встречаются в живом организме, но физиологическая роль их изучена плохо и неизвестно, оказывает ли отрицательное влияние их отсутствие (Sr, Cd, Br, F, В, Si, Cr, Be, Ni, Li, Cs, Sn, Al, Ba, Rb, Ti, Ag, Ga, Ge, As, Hg, Pb, Bi, Sb, U, Th, Ra);
3) те, что иногда обнаруживают в тканях, но их количество и физиологическая роль неясны (Sc, Tl, Nb, J, La, Pr, Nd, Sm, Eu, Tb, Dv, Er, Ib, W, Re, Au).
Основную массу нашего тела, так же как растений и микроорганизмов, составляют так называемые макроэлементы - углерод, водород, азот, кальций и т. д. Микроэлементы дают в сумме всего лишь 0,04-0,06 процента веса тела. Но без них невозможны нормальный рост и развитие организма.
Казалось бы, какое значение может иметь крупица меди? Ее всего-то в организме около 100 миллиграммов.
Но если не хватает даже 1/3 этой "крупицы", в крови снижается уровень адреналина, замедляется биосинтез гемоглобина, процессы кроветворения нарушаются. Самым отрицательным образом сказывается недостаток меди на тканевом дыхании, обменных процессах. Вот почему медь относится к группе незаменимых микроэлементов. В эту же группу входят цинк, марганец, кобальт и некоторые другие элементы. Все они обеспечивают высокую химическую и биологическую активность окислительно-восстановительных биосинтетических процессов.
При этом каждый элемент выполняет свою функцию.
Цинк, например, участвует в синтезе ряда ферментов, а также инсулина и полового гормона. Главная роль марганца - активизация окислительно-восстановительных процессов, но он также благотворно действует на рост и половое развитие, участвует в регуляции уровня артериального давления. Без кобальта невозможно образование витамина B12.
Совершенно особое место занимает железо. По количественному содержанию - в органах и тканях взрослого человека около четырех граммов железа - его относят к макроэлементам, а по участию в биохимических процессах - к микроэлементам. Значение железа трудно переоценить. 70 процентов этого элемента содержится в гемоглобине. Железо - важная составная часть ферментов крови, а также дыхательного пигмента мышц - миоглобина.
До сих пор речь шла о незаменимых микроэлементах.
Но в организме имеются еще и такие элементы, которые физиологически неактивны и токсичны. Их роль недостаточно изучена.
Неоднократно пытались выяснить, есть ли какая-то закономерность распределения биологически важных химических элементов в таблице Д. И. Менделеева. По мнению академика А. П. Виноградова, существует один закон для распространения химических элементов в литосфере и в живом веществе: состав организмов отражает химический состав окружающей среды. Виноградов установил также, что количество тех или иных химических элементов в живом веществе находится в обратной зависимости от их атомного веса, то есть живой организм богаче легкими элементами. Такие элементы и их ионы меньше по размеру и при прочих равных условиях "подвижнее".