осадочной оболочке равна 272,8*1015 т.
Со временем происходит метаморфизация осадочных пород, в результате которой формируется порода – известняк. При термальном метаморфизме доломит переходит в сочетание кальцита и периклаза. Осуществляются также химические реакции, связанные с образованием силикатов кальция. В простейшем случае происходит реакция между кальцитом и кремнеземом с образованием волластонита и выделением углекислоты. При контактовом метаморфизме, при взаимодействии магмы с карбонатными породами, образуются скварны – сложные ассоциации Сапироксенов и Са-гранатов.
Карбонатные породы – известняки и доломиты – являются главными агентами переноса углекислоты в глубинные горизонты земной коры. При регрессии моря известняк обнажается, оказывается на суше и снова начинается процесс его разрушения.
Для процесса глобального массообмена кальция главное значение имеют биологический круговорот и водная миграция ионов в системе «суша
– океан». В биологический круговорот на суше вовлекается 2,3 *109т/год кальция; в первичной биологической продукции океана в 2 раза меньше. Поэтому кальций – характерный элемент живого вещества суши.
Биогеохимический цикл кальция в настоящее время сильно нарушается техногенным фактором. Карбонатные породы интенсивно извлекаются из недр Земли и перевозятся на значительные расстояния для использования в металлургии, строительстве и сельском хозяйстве. Кальций, отчуждаемый из почв с урожаем сельскохозяйственных культур, нарушает баланс биологического круговорота. Внесение кальция с удобрениями и мелиорантами не может восполнить потерь кальция из биосферы.
Биогеохимический цикл кремния. Кремний – второй после кислорода по массе элемент земной коры. Он интенсивно накапливается в веществе литосферы в процессе его выплавления. Содержание элемента в верхней мантии около 19 %, в базальтах – 24 %, в гранитах – 32 %. Прочное сочетание катиона кремния с четырьмя анионами кислорода является основной структурной единицей кристаллического вещества земной коры. Комбинации кремнекислородных тетраэдров создают все известное разнообразие радикалов силикатных минералов и окислов кремния. В гранитном слое литосферы концентрация SiO2 составляет 63 %, что соответствует 2427,5*1015 т кремния. Известно свыше 800 минералов, содержащих кремний, главными из которых являются кварц, оливин, калиевой шпат, плагиоклаз и другие минералы.
Исключительно велико значение в химии биосферы кремнезема SiO2, на долю которого от состава литосферы приходится 87 % SiO2 в зависимости от термодинамических условий выступает в разных полиморфных модификациях. С плотностью 4,35 г/см3 SiO2 играет существенную роль в составе нижней мантии Земли в виде нижней мантии Земли в виде китита. Наиболее распространенной SiO2 в земной коре является кварц (2, 65 г/ см3 ), чистая разновидность которого представляет собой горный хрусталь. В
21
земной коре широко распространены скрытокристаллические (халцедон, агат, яшма, кремень) и аморфные (опал, гейзерит) формы кремнезема. Кварц выступает в качестве главного породообразующего минерала.
В почвах кремнезема находится в кристаллической, аморфной, коллоидной форме и в виде биолита. Валовое его содержание оставляет 4090 % от массы почвы. Преобладает кристаллический и частично аморфный кремнезем. Почвенный кремнезем активно вовлекается в биологический круговорот. В больших количествах поглощают кремнезем хвощи, папоротники, мхи, ковыли, вейники, осоки, злаки, иглы хвойных деревьев, листья и кора дуба, осины. Средняя концентрация кремния в наземной растительности составляет 0,5 % сухого вещества, что соответствует массе 12, 5*109т. В биологический круговорот растительностью суши ежегодно захватывается 0,86*109 т кремния.
Растения переводят кремнезем в особую минеральную форму – биолиты, которые, по определению Вернадского В.И., образуются в особом термодинамическом поле живого организма. Этот процесс происходит не только в растениях, но и непосредственно в почвах. Кроме того, переводить кремний в доступную для живых организмов форму в почве способны разные микроорганизмы. Многие из них выделяют кислоты, обладающие большой разрушительной способностью. Особенно большую растворяющую способность имеют кислоты, дающие комплексные соединения с элементами, входящими в состав минералов. Этой способностью обладают полигидроксиди- и трикарбонатные кислоты. Большую роль в разрушении силикатов играют слизи, образуемые микроорганизмами, и биогенные щелочи. Биогенные щелочи – это соли слабых органических кислот и сильных оснований, образующихся при разложении растительных остатков. Слизи микроорганизмов имеют карбоксильные и фенольные группы, которые реагируют с определенными элементами силикатов, образуют комплексные связи, что приводит к разрушению кристаллических решеток минералов и высвобождению кремнезема. В составе организмов животных кремний участвует в строении скелетов.
После отмирания организмов кремний поступает в почву и вновь вступает в новый цикл биологического круговорота, а освобождаемые из органических остатков биолиты разрушаются, так как вне организмов они малоустойчивы. В мертвом органическом веществе суши концентрация кремния ориентировочно составляет 1 %, а масса – 31*10 9 т.
На поверхности континентов силикатные породы выветриваются, кварц остается в коре выветривания, а кремнезем силикатов удаляется природными водами. В ходе круговорота воды с поверхности земного шара реки выносят огромное количество кремнезема. С континентальным стоком выносится 0, 2*109 т растворимых соединений кремния, а в океане их масса составляет 4110*109 т. Концентрация элемента в морской воде в 2 раза ниже, чем в речной, что объясняется активным поглощением кремния морскими организмами для построения своего скелета. Содержание кремния в планктоне – 5 %, что соответствует массе 0,17*109 т. Главными группами
22
организмов, которые удаляют растворенный кремнезем из морской воды, являются диатомовые водоросли, радиолярии, силико-флягелляты и кремниевые губки.
Биогенное поглощение уменьшает концентрацию растворенного кремнезема в поверхностных слоях океана. Минимальная его концентрация, необходимая для роста диатомовых водорослей – 0,2 мг/л. После гибели органические остатки погружаются на дно и образуют осадочные породы биогенного происхождения – диатомиты, радиоляриты. Часть скелетного материала подвергается разложению и растворению. Растворение этого материала происходит с меньшей скоростью, чем окисление органического вещества, и при этом возрастает концентрация растворенного кремнезема с глубиной от 5 до 10 мг/л в придонных слоях. Поток осаждения биогенного кремнезема от поверхностных слоев океана балансируется восходящими потоками растворенного кремнезема от континентального водного стока. Растворение кремнеземных скелетов может продолжаться после осаждения водами дна. Во время уплотнения осадков вода выходит из них и подключается к потоку кремнезема вверх. Количество кремнезема в океане, ежегодно удаляемое биогенным осаждением, в среднем на 70 млн т превышает количество, которое поступает при стоке с континентов и при подводном выветривании. Это расхождение баланса может быть компенсировано привносом растворенного кремнезема от подводного кремнезема от подводного вулканизма. Морские организмы, преимущественно диатомеи и радиолярии, существенно контролируют концентрацию кремнезема, растворенного в современном Мировом океане.
Для водной миграции кремния характерно преобладающее движение от суши к океану, которое не компенсируется в обратном направлении. Несмотря на миграцию значительного количества растворенного кремния в составе обломочного материала, его выносится в 30 раз больше, а в Мировом океане его растворимые формы составляют менее 0,001 % от его массы в осадочных породах. При средней концентрации кремния в веществе речных взвесей – 117 м/л, масса элемента, выносимая с твердым стоком, равна 4,8* 109 т/год. С ветровым выносом суша теряет в год около 0,5* 109 т/год элемента. При формировании континентальных отложений господствует накопление кристаллического кварца, а биогенное накопление носит подчиненный характер. В пресных водах кремнезема образует скопления коллоидных отложений – опалы.
В большинстве осадочных пород кремний присутствует в составе глинистых минералов и обломочных пород кварца, попадающего первоначально за счет выветривания кварцсодержащих кислых изверженных пород. В толще осадочных пород содержится 44 % SiO2, что соответствует количеству кремния 494*1015 т. Формирование отложений кварца в виде песков и песчаников встречаются редко. В большинстве случаев в них присутствуют примеси полевых шпатов и некоторых других минералов, устойчивых к химическому выветриванию.
Биогеохимический цикл кремния в современных условиях нарушается
23
техногенным фактором. Это выражается в перевозке и переработке громадных количеств минерального сырья для получения кирпича, цемента, в поступлении в водоемы отходов производств, сельскохозяйственных стоков, удобрений, бытовых отходов. Попадая в водоемы, эти продукты изменяют продуктивность диатомового фитопланктона – носителя кремнезема.
Группа гипотез возникновения жизни за пределами Земли с последующим заносом на нее и абиогенного синтеза предбиологических систем в протопланетном диске Солнечной системы (гипотезы возникновения жизни или предбиологических систем вне Земли).
Гипотеза происхождения жизни путем заноса живых организмов – прокариот (бактерий) инопланетного происхождения (гипотеза «панспермии»); гипотеза происхождения жизни на Земле путем заноса органических соединений (кометная гипотеза); гипотеза астрокатализа – абиогенного происхождения предбиологических систем в протопланетном диске Солнечной системы.
Гипотеза происхождения жизни путем заноса живых организмов – прокариот (бактерий) инопланетного происхождения (старое название – гипотеза «панспермии») и гипотеза происхождения жизни на Земле путем заноса органических соединений (кометная гипотеза).
Эти две гипотезы тесно связаны между собой, и их целесообразно рассмотреть совместно. Гипотеза «панспермии» берет начало от старой гипотезы Аррениуса. Согласно этой гипотезе, предложенной в 1865 г. немецким ученым Г. Рихтером и окончательно сформулированной шведским ученым Аррениусом в 1895 г., жизнь могла быть занесена на Землю из космоса. Не разбирая здесь необоснованных прежних утверждений о возможности заноса на Землю неких высокоорганизованных организмов или их половых клеток, отметим, что в кардинально пересмотренном виде эта гипотеза имеет фактические свидетельства о возможности заноса законсервированных низших организмов или их важнейших компонентов.
По современным представлениям наиболее вероятно попадание живых организмов внеземного происхождения с метеоритами и космической пылью. Это предположение основывается на данных о высокой устойчивости некоторых организмов и их спор к радиации, глубокому вакууму, низким температурам и другим воздействиям.
В последние два десятилетия исследованы некоторые метеориты с большим содержанием углерода (углистые метеориты, или углистые хондриты). Они представляют легко режущийся материал черного цвета. В них обнаружено значительное количество углеродных органических соединений, содержащих повышенное содержание изотопа углерода 12С. Известно, что растения интенсивно накапливают 12C и относительное содержание этого изотопа в их составе выше, чем в неживой природе, например в атмосфере.
24
Обнаружены также окаменевшие остатки, которые очень напоминают отдельные клетки и цепочки прокариот. На этом основании делается вывод о возможности заноса на Землю законсервированных прокариот. При этом считается, что жизнь или преджизнь не могли быть занесены из отдаленных уголков Вселенной, в связи с тем, что время образования Вселенной составляет 13–14 млрд лет, и, следовательно, даже свет от отдаленных звезд доходит до Солнечной системы за многие миллиарды лет. Солнечная же система возникла 5 млрд лет назад. Сторонниками данной гипотезы предполагается, что жизнь могла возникнуть в пределах Солнечной системы или на планетах относительно близких звезд.
Американские ученые в 1990-х гг. установили, что в углистом метеорите, найденном еще в 1969 г. в Австралии (его название – Murchison, или Мурчисонский метеорит, масса 108 кг) содержится большое количество органических включений. В частности, результаты исследования его состава
впоследние годы самыми современными биохимическими методами показали наличие в нем аминокислот (причем, как и на Земле, левых изомеров) и нуклеиновых оснований. Однако некоторые ученые подвергли сомнению результаты этих исследований, заявив, что преобладание левых аминокислот в метеорите – всего лишь следствие загрязнения метеорита земной породой. Сторонники внеземного происхождения аминокислот и азотистых оснований (блоков нуклеиновых кислот – генетического материала) в этом метеорите (а также и в некоторых других метеоритах) доказывают обратное: эти сложные соединения при контаминации (загрязнении) были бы только снаружи метеорита, но никак не внутри него. Но ведь именно в глубине метеорита такие соединения и обнаружены.
Установлено, что углистые хондриты имеют возраст 4,39–4,59 млрд лет. Во всех группах углистых хондритов присутствуют очень сложные органические соединения. Однако неопровержимые доказательства их биогенного происхождения пока отсутствуют, и вопрос остается открытым.
Вцелом, на Землю постоянно поступает огромное количество внеземного (космического) материала в виде космической пыли и значительно реже в виде достаточно крупных обломков, которые можно (около 1 %) обнаружить и распознать. Наиболее принятые (наиболее вероятные) оценки количества внеземного вещества, поступающего на Землю, – 100–1000 т в сутки.
Исследования с помощью электронного сканирующего микроскопа углистого вещества метеоритов Мурчисон российских ученых показали, что
всоставе его минеральной матрицы довольно часто встречаются микроскопические структуры, которые с достаточной степенью вероятности могут быть приняты за литифицированные остатки коккоидных бактерий типа современных цианобактерий рода Gloecapsa. Можно наблюдать общий вид макроколоний и сколы, на которых видны более мелкие микроколонии и отдельные клетки. Размер макроколоний обычно составляет 10–16 мкм, микроколоний – 5–6 мкм. Некоторые остатки коккоидных форм по строению чрезвычайно сходны с современными цианобактериями Enthophysalis
25