БІОСФЕРА

Для оцінки геохімічної діяльності організмів за геологічну історію необхідно підсумувати кількість живої речовини, яка була на Землі за 4 мільярди років. Згідно Н.І. Базилевич, К.Е. Батьківщину і Н.Н. Розовим, в сучасну епоху суху речовину біомаси Землі складає 2,4*10¹² т, тобто 0,00001% маси земної кори (2*10¹⁹ т). Щорічна продукція дорівнює 2,32*10¹¹ т. Оскільки жива речовина - це хімічно надзвичайно активна "діюча маса", то стає зрозуміла і грандіозна геохімічна роль живої речовини, про яку писав Вернадський. Саме тому область житті нашої планети представляє особливу систему - біосферу. Нижче її на материках розташовуються гірські породи, формування яких прямо чи опосередковано пов'язано з життям. Це осадові породи і гранітний шар - область "колишніх біосфер", за Вернадським, "метабіосфера", за Н.Б. Вассоевичу. Вище біосфери розташовується мертва зона газоподібних продуктів життя - "апобіосфера", за Вассоевичу. Сукупність біосфери, метабіосфери і апобіосфери цей учений назвав "мегабіосферой", або "панбіосферой".

Елементи сучасної концепції біосфери були розвинені на початку ХІХ століття великим французьким натуралістом Ж. Б. Ламарком. У 1875 р. австрійський геолог Е. Зюсс поряд з атмосферою, гідросферою та літосферою виділив в якості самостійної оболонки Землі біосферу - сферу життя. Однак проблемою біосфери Зюсс не займався, і наступні 40 років, аж до робіт Вернадського, ця сфера не привертала уваги дослідників.

Біосфера - це складна динамічна система з величезним числом випадкових факторів та ймовірнісним характером багатьох процесів. До її складу входять тропосфера, Світовий океан, літосфера до шарів з температурою, що обмежує діяльність бактерій. У формуванні біосфери безсумнівна роль сонячної енергії, підняттів і опускань земної кори, горотворення, льодовиків та інших зовнішніх факторів. Всі вони приводять в рух потужні внутрішні "механізми" біосфери, яка розвивається за специфічними законами. Головний механізм, що визначає єдність і цілісність біосфери - біологічний колообіг атомів - БІК. Велику роль відіграє і кругообіг води, який до певної міри можна порівняти з БІКом, так як джерелом енергії обох кругообігів служить Сонце. Тільки кругообіг води - головний агент механічної роботи, а БІК - хімічної. Вода теж виконує хімічну роботу (розчинення, вивітрювання і т.д.), але ця робота в основному здійснюється за участю живої речовини - або за рахунок організмів, що знаходяться у водах, або за рахунок таких продуктів їх життєдіяльності, як СО₂, гумус та інші хімічно активні речовини.

Про грандіозну енергетичну роль живої речовини, як акумулятор сонячної енергії, вже говорилося. Акумуляторами є і сульфіди: щоб відновити сірку і залізо, треба затратити енергію, і вона в прихованому вигляді міститься в піріті та інших сульфидах. Пірит (FeS₂) - найбільш поширений сульфід і тому головний геохімічний акумулятор серед даних мінералів. Меншу роль відіграють сульфіди Cu, Zn, Pb, Ag і інших металів. Але і вони також "зарядилися" енергією, яку віддають навколишнього середовища при окисленні в ландшафтах. Тому в зоні окиснення сульфідних руд підвищується температура, в Сибіру навіть тане вічна мерзлота, у багатьох країнах на ділянках розробки сульфідних руд відомі "колчеданні пожежі". Енергія виділяється в хімічній формі, так як при окисленні піриту утворюється сірчана кислота, що руйнує навколишні породи

Багатство вільної хімічної енергією визначає неравновесность біосфери, присутність в ній речовин з протилежними властивостями, як, наприклад, сильних окислювачів - вільного кисню і сильних відновників - органічних речовин. В біосфері згідно із законами термодинаміки окислення органічних речовин і інші процеси спрямовані на досягнення рівноваги, проте воно ніколи не досягається, так як нові порції активних сполук весь час надходять у систему або утворюються в ній за рахунок сонячної та іншої енергії. Особливо характерна неравновесность для живих організмів, поверхневих вод та ґрунтів, тобто для ландшафту і верхніх шарів Світового океану. Це не виключає повністю рівноваги, яке, однак, має приватне значення. Неравновесна біосфера і в механічному відношенні, про що говорить протягом річок, переміщення водних мас в океанах, повітряних - в атмосфері

Біосфера являє собою гігантський "хімічний комбінат", на якому з суміші речовин (вивержені породи, морська вода і т.п.) виходять прості і порівняно чисті сполуки, що складаються з двох або трьох головних елементів. Продукцією цього комбінату є і цілі гори кухонної солі (Na і Cl) і товщі вапняків (Са, С, О), латерити тропіків (Fe, Al, O, H). Отже, перетворення в біосфері сонячної енергії в енергію геохімічних процесів призводить до диференціації хімічних елементів, зростанню різноманітності, накопичення інформації, зменшення ентропії.

В ході тривалої еволюції організми пристосувалися до різних умов середовища і винятково чутливо реагують на їх зміну. Тому спостерігається безліч форм біологічного кругообігу і біогенна міграція значно різноманітніше фізико - хімічної і механічної. Це підтверджує вивчення всіх типів ландшафтів. Наприклад, у тундрі, північній тайзі бик різко різний, а фізико - хімічна міграція майже однакова.

Надзвичайна різноманітність біосфери ускладнювало в минулому сприйняття її єдності (цілісності). Чому атмосфера, ґрунти, океан і інші великі природні системи є частинами цілого? Є процеси, характерні для всіх частин біосфери? Таким процесом є розкладання органічних речовин в організмах, і в грунтах, і в мулах, та в поверхневих водах, і в глибоких водоносних горизонтах акумульована в органічних речовинах сонячна енергія виділяється. В результаті в навколишнє середовище надходить хімічна енергія, носіями якої переважно є природні води. Звідси зрозуміло геохімічне схожість ґрунтів, мулів, кор вивітрювання, водоносних горизонтів і поверхневих вод. Всі ці біокосні системи характеризуються однаковими або близькими термодинамічними умовами - температурою і тиском, в них розвивається БІК, основним середовищем міграції служить вода. По суті, у всіх випадках класифікують одне і те ж виникнення - природні води в їх різних формах. Тому, відзначаючи існування в біосфері окремих біокосних систем, необхідно враховувати не тільки їх відмінності, але і те загальне, що їх об'єднує в одну категорію утворень.

Принципово іншими біокосними системами є ландшафти суші і верхні горизонти океану, де протікає не тільки розкладання органічних речовин, але і їх утворення з мінеральних сполук - фотосинтез. Тому за процесами розкладання органічних речовин біосфера єдина, а за процесами їх утворення поділяється на дві частини. Верхню частину, куди проникає сонячне світло і де можливий фотосинтез, О.М.Лавренко запропонував іменувати фітосферою (фітогеосферою), а Н.Б.Вассоєвич - фотобіосферою. У нижню частину біосфери сонячне світло не проникає, там фотосинтез неможливий і біомаса з мінеральних сполук практично не утворюється. Це область ґрунтових, підземних вод на мулових материках, темних глибин морів і океанів. А.В.Перельман запропонував іменувати цю зону редусферою, Н.Б. Вассоєвич - афотобіосферою, А.В.Лапо - мелонобіосферою.

Великий інтерес представляє питання про центр біосфери, тобто такої її частини, яка відіграє провідне значення, визначає своєрідність біосфери в цілому, "керує" цією складною системою. Неважко довести, що таким центром служать ландшафти суші, а точніше - лісові ландшафти. Це пояснюється тим, що в них зосереджена основна маса живої речовини планети - головного геохімічного агента біосфери. Саме в ландшафтах протікають процеси розкладання органічних речовин, що формують хімічний склад поверхневих і ґрунтових вод. Стік цих вод робить глибокий вплив і на моря і океани. Ландшафт - це "клітинка біосфери", для якої характерні основні особливості даної системи. Разом з тим ландшафт невеликий за розмірами, легко доступний для дослідження, що визначає велике методологічне значення геохімії ландшафту для вивчення інших біокосних систем, характеристики біосфери в цілому. Можливо, що до центру біосфери слід віднести і верхні горизонти океану, де протікає фотосинтез.