Тогда его прекрасное построение нельзя было еще перевести на язык химии. Но сейчас, когда химия мощно врывается в область геологической науки, когда агрохимики стали управлять жизнью растений и теми реакциями, которые происходят в почве, когда геохимики охватывают своими исследованиями все области странствования атомов, — мы начинаем понимать те сложные пути, которые проходит каждый атом в разных широтах нашей Земли.
А между тем прошлое учит нас, что эти широты менялись. В течение почти двух миллиардов лет менялась жизнь нашей земной коры, изменялось положение полюсов, горные хребты сначала вздымали свои снежные вершины лишь в полярных странах, и постепенно складчатость перемещалась на юг, образуя такие хребты, как пояса Альп и Гималаев. Перемещались с севера на юг и большие моря, опоясывающие Землю; менялись пояса, менялись условия ландшафта. В каждом месте много раз сменялись моря горами, горы — пустынями и снова морями.
Так в долгой геологической истории Земли менялся и ход химических реакций и странствования отдельных атомов, а почвенные и поверхностные покровы в каждом данном месте земного шара есть лишь отражение тех химических судеб, которые испытывали атомы в долгие периоды разнообразной истории нашей Земли.
Сейчас мы знаем, что все живет, все течет, все меняется во времени и пространстве, и среди природы самым подвижным, постоянно ищущим новых путей является атом, первозданный кирпичик, из которого строятся самые замечательные постройки мира, который вечно ищет покоя и равновесия, покорный основным законам природных процессов.
Ищет — но не находит и не найдет никогда, так как в природе нет покоя, а есть только вечная материя в вечном движении…
Атомы в живой клетке
Простым глазом можно видеть, что угли слагаются из остатков растений.
Раковины ископаемых морских моллюсков образуют нередко пласты известняков. Но если мы рассмотрим известняки, мел, диатомит и многие другие так называемые осадочные породы под микроскопом, то увидим, что они часто сплошь состоят из остатков скелетов организмов микроскопической величины.
Одним словом, в геологии давно признана огромная роль населяющих земной шар организмов во всех процессах, которые происходят на поверхности Земли.
Живое вещество принимает большее или меньшее участие в таких геохимических процессах, как образование горных пород, концентрация или рассеяние отдельных химических элементов, осаждение веществ из воды, образование известняков из известковых скелетов организмов.
Но далеко не у всех морских организмов скелеты из извести. У некоторых, например губок, скелеты из кремнезема.
Но еще более существенно то, что в процессе жизни все организмы Земли, растения и животные, извлекают, поглощают или поедают и снова выделяют огромные массы различных веществ и как бы пропускают эти вещества через себя.
Скорость этого процесса особенно велика у самых мельчайших организмов: бактерий, простейших водорослей и других низших организмов.
Это связано с огромной скоростью их размножения. Они делятся каждые пять — десять минут.
Но и продолжительность жизни их невелика.
Подсчет показывает, что в этом процессе деления клеток захватывается количество вещества, во много тысяч раз большее того, которое находится в каждый данный момент во всех организмах Земли, растениях и животных или, как говорят, во всем живом веществе планеты.
Напомним, что зеленые растения на свету выделяют из своих листьев кислород и поглощают углекислоту. Кислород воздуха, образовавшийся таким путем, идет на окисление растительных остатков, окисляет некоторые горные породы, поглощается животными при дыхании.
Углекислота в растениях превращается в углеводы, белки и другие соединения. Представьте себе на момент, что на поверхности Земли, в ее морях и океанах, на равнинах и в горах исчезли все организмы. Что бы произошло?
Кислород связался бы остатками органического вещества и исчез бы из атмосферы. Состав ее стал бы другой. Микроскопических морских организмов с известковым скелетом не стало бы — следовательно, не стали бы образовываться пласты известняка и мела, перестали бы вздыматься меловые горы. Лик Земли совершенно преобразился бы и стал иным.
Геохимическая деятельность организмов чрезвычайно разнообразна. Разные организмы могут участвовать в самых различных процессах.
Для того чтобы выяснить геохимическую роль организмов, прежде всего необходимо знать их химический состав. Свое тело организмы строят целикам за счет веществ, извлекаемых тем или иным путем из окружающей их среды, — из воды, почвы и воздуха.
Очень давно было установлено, что главной составной частью всех организмов является вода — Н2О, в среднем около 80 %, причем несколько больше в растениях и несколько меньше в животных.
Поэтому элемент кислород в организмах занимает по массе первое место.
Совершенно исключительную роль играет в строении тела организмов углерод.
Углерод образует многие тысячи разнообразных соединений с водородом, азотом, серой, фосфором, из которых, в свою очередь, слагаются белки, жиры, углеводы, тела организмов.
Основным источником для этих углеродных соединений в живом веществе является углекислота. Далее, в организмах содержится значительное количество азота, фосфора, серы в виде сложных органических соединений.
Наконец, в организмах всегда находятся кальций — особенно в скелетах, — калий, железо и другие химические элементы.
Вначале полагали, что для всех организмов исключительное значение имеют десять — двенадцать элементов, находящихся в них в наибольших количествах.
Но позднее оказалось, что существуют организмы, которые помимо наиболее часто встречающихся десяти — двенадцати химических элементов концентрируют то железо, то марганец, то барий, то стронций, то ванадий, а также и многие другие редкие химические элементы.
Оолитовая руда
Так, обнаружилось, например, что кремний играет важную роль в жизни кремневых губок, микроскопических радиолярий, диатомовых водорослей, скелеты которых образуются из окиси кремния.
Железные бактерии концентрируют в своих телах железо. Открыты были бактерии, таким же образом концентрирующие марганец и серу.
В скелетах некоторых морских организмов обнаружили вместо кальция барий и стронций.
Некоторые организмы, например морские беспозвоночные оболочники, выбирают и накапливают атомы ванадия из морской воды и морского ила, где имеются лишь ничтожные следы этого элемента.
После гибели этих организмов ванадий в концентрированном виде остается в морских осадках.
Другие, как, например, водоросли, выбирают из морской воды йод, которого здесь миллионные доли процента. Затем йод с остатками морских водорослей поступает в морской грунт. В породе, впоследствии сложившейся из этого грунта, образуются йодные минерализованные воды. И мы добываем йод из пластовых вод, пробуривая глубоко породы там, где было когда-то море.
Геохимическая роль подобных организмов-концентраторов огромна.
Чем совершеннее техника исследования состава организмов, тем большее число химических элементов находим мы в них, правда, в очень малых количествах.
Вначале даже допускали, что серебро, рубидий, кадмий и другие химические элементы, обнаруженные в организмах, — лишь случайное загрязнение, но теперь твердо установлено, что практически в состав организмов входят все химические элементы. Весь вопрос в том, в каких количествах содержатся они в разных организмах. В настоящее время именно этот вопрос и занимает ученых.
Мы заранее можем сказать, что состав организмов далеко не повторяет состава окружающей среды — пород, вод, газов, вместе взятых.
Например, в почвах и породах находятся в значительных количествах титан, торий, барий и другие химические элементы, между тем титана в организмах в десятки тысяч раз меньше, чем в почвах, и тому подобное.
С другой стороны, в почвах, в водах мало углерода, фосфора, калия и других химических элементов, которые скапливаются в организмах в значительно больших количествах.
С геохимической точки зрения в настоящее время стало ясно, что главная масса тела организмов слагается из тех химических элементов, которые в условиях поверхности Земли — биосферы (области обитания организмов на нашей планете) образуют легкоподвижные соединения или газы. Действительно, углекислота, азот, кислород, вода — все это газы или жидкости легкоподвижные, доступные для организмов в процессе их жизни. Йод, калий, кальций, фосфор, сера, кремний и многие другие легко образуют растворимые в воде соединения.
Раковина аммонита, превратившаяся в минерал марказит (FeS2)
Зато титан, барий, цирконий, торий хотя и находятся в достаточном количестве в почвах и породах, не образуют в биосфере легко растворимых в воде и, следовательно, легко перемещающихся соединений. Они менее доступны или совсем недоступны организмам. Организмы их не накапливают. Они находятся в них в непропорционально малых количествах.
Очень мало в организмах и тех химических элементов, которых в биосфере недостаточно, как, например, радия, лития.
Химические элементы, находящиеся в организмах в очень малых количествах — порядка сотых долей процента и меньше, — называются часто микроэлементами.
В настоящее время признано, что физиологическая роль микроэлементов очень важна. Многие микроэлементы входят в состав физиологически важных веществ организмов, наподобие того как железо входит в состав гемоглобина крови, йод входит в состав гормона щитовидной железы животных, а медь и цинк — в состав ферментов животных и растений.
Можно было бы построить карту анатомического строения организмов с указаниями, где, в каких органах и тканях концентрируются химические элементы. Но нас сейчас занимает геохимическая роль организмов.
И мы должны согласиться, что разные организмы выполняют различные геохимические функции в зависимости от их способности концентрировать тот или иной химический элемент, или, иначе говоря, в зависимости от их химического элементарного состава.