КРУГОВОРОТ ВЕЩЕСТВ
Спасибо нашим инвесторам из казино онлайн
КРУГОВОРОТ ВЕЩЕСТВ
. Вещество зем-! ной коры находится в. непрерывном движе-I нии, вызванном разнообразными причинами, | связанными с физ.-хим. свойствами вещества, | планетными, геологическими, географиче-| скими и биол. условиями земли. Это движение неизменно и непрерывно происходит в течение геологического времени—не менее полутора и повидимому не более трех млрд. лет.—В последние годы выросла новал наука геологического цикла — геохимия, имеющая задачей изучение хим. элементов, строящих нашу планету. Основным предметом ее изучения являются движения хим. элементов вещества земли, какими бы причинами эти движения ни были вызваны. Эти движения элементов называются миграциями хим. элементов. Среди миграций есть такие, во время кгрых хим. элемент через больший или меньший промежуток времени неизбежно возвращается в начальное исходное состояние; история таких хим. элементов в земной коре может быть сведена т. о. к обратимому процессу и представлена в форме кругового процесса, круговорота. Этого рода миграции характерны не для всех элементов, но для значительного их числа, в том числе для огромного большинства хим. элементов, строящих растительные или животные организмы и окружающую нас среду—океаны и воды, горные породы и воздух. Для таких элементов в К. в. находится вся или подавляющая масса их атомов, у других лишь ничтожная их часть охвачена круговоротами. Несомненно, что большая часть вещества земной коры до глубины в 20—25
км
охвачена круговоротами. Для следующих хим. элементов круговые процессы являются характерными и господствующими среди их миграций (цифра указывает на порядковое число). Н, Ве4, В5, С«, N7, 08, Р9, Nan, Mg12,Aha, Sii4,Pi5, Sie, Cli7, K19, Ca2o, Ti22, V23, Cr24, Mn25, Fe2e, Co27, Ni28, Cu29, Zn30, Ge32, As33,Se34, Sr38,Mo42, Ag47,Cd48, Sn50, Sb51, Te62, Ba56) W74, Au79,Hg80,T]81,Pb82,Bi83. Эти элементы могут быть на этом основании отделены от других элементов как элементы циклические или органогенные. Т. о. круговороты характеризуют 42 элемента из 92 входящих в Менделеевскую систему элементов, причем в это число входят самые обычные господствующие земные элементы. Практически—по весу—эти элементы составляют около 99,7% верхней части земной коры, к-рая доступна точному научному изучению (16 — 20
км).
Из 2 — 2,2 х1019
т
вещества этой коры на долю других элементов не приходится и 1017т.— Особое значение приобретают циклические элементы для изучения явлений жизни во-первых потому, что они в огромном большинстве входят в состав организмов, и во-вторых потому, что вызванные жизнью их миграции (биогенные миграции) являются неразрывной частью геохимических круговоротов, характерных для этих элементов. Биогенные миграции, в том числе и метаболизм элементов в организмах при их жизни, закономерно связаны с гео-хим. круговоротами. Все циклические элементы кроме кадмия (и может быть Hg) постоянно входят в состав живых организмов. (Вероятно и кадмий будет найден в организмах. Его геохимия не изучена.) Для живых организмов известно гораздо больше элементов; сейчас установлено 55 элементов, а вероятно их более 70. Но все эти элементы— помимо циклических—встречаются в ничтожных количествах, едва ли цревышающих 10~3—10_4% веса живого организма. Циклические элементы составляют 99,995— 99,985
%
веса живых тел природы. По праву их можно назвать органогенными элемен – тами.—Входя в геохим. круговороты, органогенные элементы вводят в эти К. вещество, строящее живые организмы. Без этого вещества геохим. К. не могут существовать. Т. к. эти К. закономерны и явления жизни составляют их неразрывную часть, то можно считать, что живые тела составляют часть механизма земной коры, выражающуюся в геохим. К. Да появления цивилизованного человечества (в последние 20—30 тыс. лет) за геологическое время не было изменения геохим. К. Мы живем в начале их изменения, вносимого культурой. Необходимо обратить здесь внимание на б и о г е н н ы е миграции хим. элементов в виду интереса этих явлений для врача; биогенными миграциями называются те передвижения хим. элементов, к-рые вносятся:!,)метаболизмом организмов, т. е. жизненными их процессами—дыханием, питанием, внутренним метаболизмом; 2) ростом организмов; 3) размножением организмов; 4) биологией организмов, т. е. условиями их жизни (напр. переселение), и 5) техникой их жизни, так ярко проявляющейся в современном человечестве. Явления размножения и техники жизни являются наиболее могущественными формами биогенных миграций.—Биогенные миграции и связанные с ними биогенные части К. идут
в биосфере
(см.), но по своему эффекту заходят за ее пределы. К. хим. эл
ементов в огромном большинстве случаев захватывают несколько земных оболочек. Наблюдая их в биосфере, мы видим непосредственно лишь части К. О недоступных их частях можно судить косвенным путем, изучая доступные в биосфере глубинные части К.—горные породы, минералы, воды и т. п. Различают круговороты, захватывающие несколько земных оболочек (геохим. круговороты 1-го рода), и круговороты, захватывающие одну оболочку (геохим. круговороты 2-го рода). К числу последних принадлежат все К., связанные с жизненными явлениями, или такие, к-рые начинаются и заканчиваются в океанах. Остановимся на К. первого рода, заключающих биогенные миграции. Эти К. захватывают биосферу (т. е. атмосферу, гидросферу, кору выветривания). Под гидросферой они захватывают подходящую к океаническому дну базальтовую оболочку. Под сушей они в последовательности углубления обнимают толщу осадочных пород (стратосферу), метаморфическую и гранитную оболочки и входят в базальтовую оболочку. Из земных глубин, лежащих за базальтовой оболочкой, вещество земли не попадает в наблюдаемые К. Оно не попадает в них также сверху из-за пределов верхних частей стратосферы. Т. о. круговороты хим. элементов являются поверхностными явлениями, идущими в атмосфере до высот в 15—20
км
(не выше), а в литосфере—не глубже 15—20
км.
Всякий К., для того чтобы он мог постоянно возобновляться, требует притока внешней энергии. Известны два главных и несомнен. источника такой энергии: 1) космическая энергия—излучения солнца (от нее почти всецело зависит биогенная миграция) и 2) атомная энергия, связанная с радиоактивным распадом элементов ’78 ряда урана, тория, калия, рубидия. С меньшей степенью точности можно выделить энергию механическую, связанную с движением (благодаря тяготению) земных масс, и вероятно космическую энергию, проникающую сверху (лучи Гесса). Недоказано существование исконной земной космической энергии—остатка первичных стадиев планеты, которой долго объясняли высокую t° глубоких слоев земной коры. Эти исходные источники энергии выражаются в миграциях элементов—биогенной (живые существа), химической (напр. вулканические извержения), термической (напр. внутренняя теплота земной коры), магматической (застывание массивных пород) и т. п. Круговороты, захватывающие несколько земных оболочек, идут медленно, с остановками и могут быть замечены только в геологическом времени. Часто они охватывают несколько геолог, периодов. Они вызываются геолог, смещениями суши и океана. Части К. могут»итти быстро (напр. биогенная миграция). Остановимся на нескольких основных для жизни круговоротах элементов. Азот по весу составляет ок. 0,04% земной коры (около 8х1015 ж). Его геохим. значение огромно, т. к. он в газообразном виде составляет атмосферу (75,7% по весу, около 4х1015
т)
и является основным элементом живого вещества, входя в состав белков (в живом растении десятые доли процента азота по весу, в живых животных более одного процента—до 5% и больше). В живых организмах должны находиться количества N порядка 1010—1011
т.
В связи с нахождением в атмосфере N растворяется в водах; в океане находится в количестве до 0,02% по весу (т. е. 4 х 1014
т).
Первичными глубинными формами N являются самородный азот N2, м. б. азотистые металлы и аммиак. Аммиак выделяется в нек-рых вулканических извержениях и в глубинных водах, с ними связанных. Не исключена возможность нахождения первичного аммония в алюмо-силикатах массивных пород. Основной чертой К. является образование в биосфере из самородного азота «связанного» азота. Процесс этот идет частично в атмосфере под влиянием коротких излучений солнца и радиоактивных тел, частично в почвах и в растительности (гл. обр. бактерии). Получаются нитраты и окислы N (в атмосфере), NR,, соединяющийся с окислами азота (NH4N03) или окисляющийся; в организмах N дает многочисленные соединения (в белках 14—19% N). При разрушении организмов значительная часть N возвращается назад в самородное состояние, и затем начинается прежний круговорот. Ничтожная часть N собирается в биосфере в минералы (селитры), на время уходящие из круговорота. В конце-концов—в геологич. времени—они возвращаются в круговорот. самородный азот ^ окислы азота и аммиак Лживое вещество’?’ А л ю м и н и й—третий по массе элемент в земной коре; его больше 7,5% (1,5 х 1018 т). Один из главных элементов массивных пород (в среднем 8,1 % А1 по весу). Количество его уменьшается с глубиной в основных по – родах (в нек-рых дунитах—немногие десятые доли процента). В массивных породах он находится гл. обр. в алюмо-силик
атах (каолиновых) калия, натрия, кальция (напр. ортоклаз K2Al2Si6016), в меньшей степени— в шпинелях (напр. MgAl204) и еще реже— в окислах. Алюмо-силикаты массивных пород в биосфере неустойчивы, теряют металлы, поглощают воду и переходят в свободные кислоты (глины, напр. каолин — H2Al2Si2Os. H20). Процесс идет под влиянием С02 и воды и часто (м. б. всегда) связан с жизнью. Глины—каолин в нек-рых почвах и морских илах (м. б. всегда под влиянием биохим. процессов)—распадаются, давая гидраты окиси алюминия [предел—гидр-аргиллит—А12(ОН)6]. Часть алюминия находится в водах; в водных растворах кроме иона А1 могут находиться мицелы гидратов окиси алюминия или глин (каолины); для пресных вод биосферы А1 находится в тысячных и стотысячных долях процента (для океана эта величина не определена). Из водных растворов алюминий переходит в организмы, где он концентрируется (в растениях—сотые доли процента, в животных— больше) и входит в богатые водой труднорастворимые силикаты магния. Эти формы нахождения алюминия неустойчивы в глубоких частях земной коры, в области метаморфизма, куда они попадают в течение геологического времени благодаря смещениям земной коры при горообразовании. В верхних областях метаморфизма образуются новые соединения—каолиновые алюмо-силикаты—из глин (напр. ортоклаз), хлориты (алюмо-силикаты Н и Mg, иногда Fe, особого строения) из гидратов окиси алюминия, темных слюд и поверхностных силикатов А1— Mg(?), окислы Al2Si05 (из глин). Все эти тела при дальнейшем увеличении t° и давления возвращаются в исходные телаг массивных пород (в гнейсах и магмах). Круговорот непрерывно идет в разных частях земной коры в течение всего геолог, времени: Окислы, каолин, алюмосиликаты Са, К, Na, шпинели Хлориты, каолин, алюмо-силикаты, окислы Водные растворы, организмы, глины, алюмосиликаты К и пр. Круговорот алюминия определяет и К. кремния, с к-рым он связан в первичных соединениях. Кремний является вторым элементом по распространенности. В земной коре
больше
четверти вещества состоит из кремния (25,7%, т. е. около 5х1018
т).
Ничтожные количества кремния находятся в атмосфере; его больше в океане (0,0003%, т. е. около 4 х 1012
т).
Организмы получают его из воды и концентрируют (кремния в них в десятки-сотни раз больше, чем в воде). Подобно А1 и Si уменьшается в глубоких частях коры. Для Si кроме первичных алюмо-силикатов К, Каи Са характерны в массивных породах силикаты Mg и Fe и ферри-силикаты Mg, Na, К, Н (например черные слюды). Часть Si02 выделяется Si02 (первичный кварц), Алюмо-силикаты К Na, Ca, каолиновые оиликаты Mg слюды (Mg, Fe И)
Ц>)
I —
в свободном состоянии (кварц). В биосфере эти первичные соединения распадаются, давая водные силикаты и ферри-силикаты, в конце-концов опалы (Si02+nH20—коллоиды) и кварц (Si02). В разрушении силикатов и алюмо-силикатов резко сказывается деятельность организмов. Есть ряд очень распространенных кремневых организмов, заключающих неск. процентов Si на живой организм. Их остатки, измененные позднейшими процессами, дают самые большие скопления SiO в земной коре. Постоянно повторяющийся под влиянием геолог, смещений круговорот Si может быть выражен след. схемой, где указаны предельные члены: {Si02 вторичный, Водные растворы Si, Организмы. Глины каолиновые и т. д. Водные силикаты магния. Четвертый по распространенности элемент—железо. В земной коре железо составляет 4,7% по весу, а в массивных породах в среднем 5,0%. Его количество т. о. уменьшается к земной поверхности. В глубинных породах, напр. базальтах, оно доходит в среднем до 8,7%, во многих их разностях больше—до 40% и даже 65%. В биосфере вполне устойчивыми являются немногие соединения Fe; все другие переходят в них с течением времени. Таковы гидраты окиси железа, гл. обр. лимонит (бурый железняк)
2¥е203.ЗН. гО;
повиди-мому это коллоиды типа 2Fe202(H0)2.H20. Часть «бурых железняков» состоит из хлоритов (водных ферри-силикатов закиси железа). Часть железа находится в растворах: в океанах до 0,00015%, в пресной воде меньше (стотысячные доли). Из воды железо жадно поглощается организмами. В организмах идет концентрация (десятые-сотые доли процента, иногда проценты). Самые огромные скопления железных руд создаются организмами (напр. руды Лотарингии, Керчи). Первичными соединениями являются ферри-силикаты, силикаты, шпинели (магнитный железняк); в меньшем количестве—сернистые соединения Fe: пирит (FeS2), пирротин (r.4.o6p. FeS) и т. п. Пирит образуется и В биосфере в особых условиях. Непрерывен круговорот, крайние члены к-рого следующие: / Гидраты окиси железа и водные ферри-силикаты, Водные растворы, Организмы. Силикаты (авг
иты, оливины и т. п.), Ферри-силикаты (слюды и т. п.), I—»
)
Магнитный железняк (шпи –
‘ ^-
s нели), Самородное железо (Fe, Ni), Сульфиды (пирит и т. д.) Подобно N не количеством массы, а быстротой превращений характеризуются круговороты углерода. Количество С в земной коре достигает десятых долей процента, порядка 0,5%. [В новых исчислениях Кларк и Вашингтон (Clarke, Washington) дают 0,087%. Это число вероятно преуменьшено.] Его количество быстро увеличивается к поверхности планеты и в биосфере исчисляется процентами (близко к 1%), в нек-рых местах, напр. местах скопления живых организмов, в почвах—даже порядка десятков процентов. Углерод составляет 0,008% атмосферы по весу. В океане С боль – ше 0,0035% по весу, большего порядка числа для пресных вод суши (до многих сотых долей процента). Углерод в водах находится гл. обр. в виде С02, в ионах СОз и в сложных органических комплексах, связанных с явлениями жизни. Углерод концентрируется в живых организмах (иногда свыше 20%, но в нек-рых морских—немногие сотые доли процента). Чрезвычайно характерно в круговороте С обилие газообразных его соединений и огромное, первостепенное значение биогенной миграции. Живые организмы непрерывно выделяют и поглощают С02. Ничтожная часть вещества, через них проходящего, выделяется в форме минералов—угли, битумы, металлические карбонаты. Но эти, едва заметные в годовом солнечном цикле тела собираются в геолог, времени в огромные скопления известняков, нефтей, каменных углей, графита, гумусов. В первичных своих формах С находится гл. обр. в виде газов [С02, СО, углеводородов (метан—СН4)]. Устойчив самородный углерод (графит). Другие соединения, напр. кальцит (СаС08), более редки и в общей схеме могут быть опущены. Принимая во внимание конечные продукты, мы имеем следующий круговорот: /СаС03 (известняки, частью MgCO, и т. д.), со, со с сн – Живое вещество,
I
Водные растворы, ганогенные углеродистые минералы, I Орга 1со2. Огромна роль в земной коре водорода, гл. обр. связанного с О (вода). Общее количество Н—около 1% по весу, а по количеству атомов—больше 17%. Вода охватывает пи весу в земной коре (до 20
км
мощностью) главную массу водорода, и больше половины ее сосредоточено в океане. В атмосфере в среднем находится около 1% Н20, т. е. около 0,1% водорода; возможно, что за пределами стратосферы в разреженной. ничтожной по весу верхней части водород преобладает. В организмах Н является одним из господствующих элементов; его количество превышает 10% в водных организмах и колеблется около этого числа в сухопутных. На земной поверхности в биосфере характерны гидраты, например окиси железа, алюминия, и продукты распадения живого вещества. (О роли H2S см. ниже.) Первичными соединениями для него являются Н20, углеводороды (гл. обр. СН4) и самородный водород. В более глубоких частях земной коры в магмах последний должен преобладать благодаря разложению воды. При застывании магм в массивные породы часть Н (десятые доли процента по весу породы) входит в алюмо-силикаты. Характерно в круговороте преобладание газообразных форм и биогенной миграции. Крайние члены определяют след. круговорот: н8 .) / н2о, Н20
у
—> I Живые тела и их продукты, СН4 / «— ) H*S, CH4; гидраты. H2S J I Фосфор является характерным биогенным элементом. По весу он составляет больше 0,1% земной коры. В водах быстро захватывается живыми организмами. В морской воде его около 0,00005%. Того же порядка (меньше) в пресной. Является важ – /Водные растворы, ISOs,
{
Живое вещество, I Сульфаты (гл. обр. Са – VCaS04.’ ной частью живого вещества (входит в состав белков и т. д.). Количество его по весу (на живой организм)—десятые доли процента (часто больше 0,5%). Круговорот определяется жизнью. Из огромного числа атомов фосфора, участвующих в метаболизме живущего организма, ничтожная часть уходит из жизненного цикла и отлагается в форме фосфоритов (морской процесс), переходящих в апатиты. Первичным основным соединением Р в массивных породах являются сложные фосфаты кальция—апатиты. Круговорот определяется крайними членами:
\
&
i
Живое вещество, Апатиты
\ 7_~* {
Водные растворы, J «* I Фосфориты и апатиты. С жизнью в значительной мере связана и с ера. Количество ее превышает 0,1%. (Кларк и Вашингтон дают 0,048%. Число это представляется преуменьшенным.) Сера находится в океане (около 0,09%) и в большинстве пресных и соленых вод суши; в пресной—в среднем тысячные доли процента. Является одним из основных элементов. живых веществ (во всех белках). Основным исходным телом является H2S (в атмосфере окисляющийся в S03); в массивных породах сера скопляется в виде металлических с