Круговорот веществ

Среди многих ярких достижений наук XX века достойны быть отмеченными успехи биогеохимии, которая изучает роль живых организмов в химическом преобразовании поверхности Земли, ее вод и атмосферы. Рождение этой науки связано с именем В. И. Вернадского, который пришел к своим фундаментальным обобщениям в значительной мере благодаря изучению химии почвенных процессов, прекрасно зная не только геохимию, но и агрохимию своего времени.

Немаловажно и то, что его учитель В. В. Докучаев, прежде чем стать великим почвоведом, был магистром геологии и минералогии Санкт-Петербургского университета, прекрасно знал агрохимию. Докучаевское определение почвы как естественного тела, образовавшегося под воздействием климата и живых организмов на геологической породе, стало началом не только науки о почвах. Установленная Докучаевым связь между живыми и неживыми компонентами природы имела большое значение для развития таких научных дисциплин, как ландшафтоведение, биогеоценология, экология, биогеохимия.

Краеугольное понятие всех перечисленных наук - представление о биосфере. Ее определение было дано академиком В. И. Вернадским: биосфера - это часть литосферы, гидросферы и атмосферы, где распространена жизнь, где существует живое вещество, где химические свойства среды определяются действием живых организмов.

Наука, изучающая химизм природных процессов, законы миграции, концентрации и рассеяния атомов химических элементов на Земле, могла появиться только после открытия Д. И. Менделеевым периодического закона и создания Н. Бором теории строения атомов. "Геохимия - наука XX века" - так начал свои лекции в Сорбонне 60 лет назад В. И. Вернадский.

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 полезных, 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 (СО₂). 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. Вильямс 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 Земли насчитывает 4,5 миллиарда лет), хотя в океане жизнь 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 академик Л. С. Берг озаглавил одну из своих статей сорокалетней давности так: "Жизнь и почвообразование на докембрийских 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.