Відносний зміст хімічних елементів в земній корі

На підставі аналізу хімічного складу гірських порід Ф.Кларк довів, що в земній корі переважають 8 хімічних елементів: O, Si, Al, Fe, Mg, Ca, K, Na.

Середні значення відносного вмісту хімічних елементів у земній корі та інших глобальних і космічних системах називають кларками (за Ферсманом).

Кларк - досить важлива величина в геохімії. Аналіз величини кларків дозволяє зрозуміти глобальні закономірності розподілу хімічних елементів у космічних масштабах. Так у земній корі кларки різних елементів розрізняються більш, ніж на 10 порядків. І це визначає якісно відмінну роль двох груп елементів в земній корі. Найбільше яскраво це проявляється у тому, що елементи першої групи, які мають високі кларки, утворюють самостійні хімічні сполуки, а другої групи, що має низькі кларки, переважно розпилені, розсіяні серед хімічних сполук інших елементів.

Елементи 1-й групи називаються головними, елементи 2-й групи - розсіяними (trace, minor elements).

Умовною межею вважається вміст 0,1% в земній корі, але для більшості розсіяних елементів кларки становлять тисячні і менші частини відсотка, навіть для восьми основних елементів діапазон: оксиген - 48,1%.....до Mg - 1,2%, а серед розсіяних елементів, наприклад: Bi – 0,000001%, Ag – 0,0000088%, Au – 0,00000012%.

 

Форми знаходження хімічних елементів у земній корі

Для розсіяних елементів можна констатувати наступні форми знаходження в кристалічній речовині земної кори.

А) Мікромінералогічні форми:

· елементи, що входять в акцесорні мінерали;

· елементи, що містяться в мікроскопічних виділеннях, спричинених розпадом твердих розчинів;

· елементи, що перебувають у включеннях залишкових розчинів.

Б) Немінералогічні форми:

· елементи, адсорбовані поверхнею дефектів реальних кристалів;

· елементи, що входять у структуру мінералу - носія за законами ізоморфізму.

· елементи, що перебувають у структурі мінералу-носія в неупорядкованому стані.

Сполучення всіх названих форм знаходження розсіяних елементів суттєво змінюється залежно від багатьох факторів. Відповідно змінюється сумарний вміст розсіяного елемента в різних ділянках земної кори, що можна оцінювати тільки статистичними методами.

Про форми головних елементів

Для, того щоб реакція утворення кожного хімічної речовини протікала, необхідно досягти певної мінімальної концентрації вихідних компонентів. Тому основу кристалічної структури земної кори становлять хімічні сполуки, що складаються з елементів з високими кларками. Загальна кількість мінералів становить 2 - 3 тис. різновидів, однак число мінералів, які утворюють літосферу невелике: 80% маси земної кори становлять силікати Al, Fe, Ca, Mg, K, Na, і 12% - SiО₂. Кристалічна будова цих мінералів визначає загальні особливості будови і кристалохімії земної кори. Фактично - це каркас на 91% свого об’єму заповнений аніонами оксигену, у його порожнинах розташовуються більше дрібні за радіусом катіони Si та інших елементів. Відповідно до принципу найщільнішого упакування, у порожнини між атомами з відповідною кристалічною структурою можуть увійти тільки ті іони, які мають певний розмір радіусів і відповідну валентність.

Взаємне заміщення іонів у кристалічній структурі з причини близькості їхніх радіусів називається ізоморфізмом.

Тому розсіяні елементи закономірно концентруються в певних мінералах -основах. Однак ізоморфні заміщення не єдина форма знаходження розсіяних елементів. Феномен розсіювання в земній корі проявляється в різних формах і на різних рівнях дисперсії речовини.

 

 

ЖИВА РЕЧОВИНА

Обґрунтоване Вернадським уявлення про живу речовину Землі як про планетарну сукупність всіх живих організмів, що характеризується масою і хімічним складом, дає можливість для порівняння складу носіїв життя - живої речовини - зі складом інертної речовини зовнішніх оболонок Землі: земної кори, атмосфери, гідросфери.

Насамперед необхідно визначити масу живої речовини та її хімічний склад, тобто, середні концентрації (кларки) хімічних елементів, з яких складена жива речовина

Але хімічний склад живої речовини не статичний, він безперервно оновлюється під час взаємодії з інертною речовиною Землі. Тому крім кларків необхідно:

з'ясувати головні закони геохімічної взаємодії, а саме: визначити селективність та інтенсивність захоплення живою речовиною хімічних елементів з навколишнього середовища, кількісно визначити масообмін окремих елементів між живою речовиною та інертним середовищем, щоб встановити спрямованість масообміну.

Склад живої речовини

Визначено, що в складі живих організмів переважають елементи, які утворюють на поверхні Землі пари і гази: О, С, N. В той же час, у будь-якому організмі присутня деяка кількість хімічних елементів, що утворюють мінеральний залишок при руйнуванні - золу. Вихідним джерелом тут є земна кора. Сума зольних елементів живої речовини - це складний підсумок взаємодії із земною корою, що має важливе значення.

Визначення складу будь-якого середнього значення усієї живої речовини є складним завданням з багатьох причин. Існує 3 варіанти вираження складу будь-якого біологічного об'єкта і глобальної живої речовини. Відносний вміст хімічних елементів можна розрахувати:

 

· на живу (сиру) речовину організмів;

· на суху біомасу (102-105 ;

· на золу - як суму мінеральних речовин.

 

Кожний з варіантів застосовується при вирішенні певних завдань.

Визначення кларків ускладнюється також сильним коливанням концентрації хімічних елементів в індивідуальному організмі.

Концентрація змінюється залежно від систематичного положення середовища перебування, стадії розвитку організму. Навіть в одному організмі концентрація одного елемента в різних тканинах і органах неоднакова.

Але можна вважати, що кларк в основному визначається вмістом елемента в тих організмах, які становлять домінуючу частину живої речовини (по масі):

 

· а це вищі рослини суші;

· маса живої речовини Океану в сотні разів менше;

· маса тварин суші становить всього 1% від фітомаси.

Тому склад рослинності суші визначає склад всієї живої речовини Землі.

 

Отже можна вважати, що в сирій біомасі суші: 60% Н₂О; 38% органічної речовини; 2% зольних елементів. В перерахунку на суху біомасу: 95% органічної речовини і 5% зольних.

 

Таблиця 1. Порівняльна поширеність атомів головних хімічних

елементів живої речовини.

 

Хімічні елементи	Поширеність, атомні % (відносно 1000 атомів Si)
В космосі в цілому	В леткій фракції комет	В живій речовині Землі
H O C N S	76.5 0.82 0.34 0.12 0.0015	2.7 0.3	63.3 26.6 8.9 1.2 0.01

 

Однак, щоб встановити вміст хімічного елемента в живій речовині суші, необхідно визначити її загальну біомасу. При цьому враховується, що склад живої речовини суші, складається не тільки з головних хімічних елементів, але додатково містить до 70 хімічних елементів, відносний вміст, яких мізерний, вимірюється мкг/г (ррм, 1 ∙ %).

Маса біоти океану (водорості) - усього 1% від маси рослинності Світової суші. Але її хімічний склад відрізняється тим, що тут значно вища концентрація всіх головних зольних елементів, особливо Na, Mg, Cl, S, ще значніше перевищується концентрація багатьох розсіяних елементів.

Концентрація головних елементів у різних біохімічних об'єктах змінюється. Розмах коливання концентрації розсіяних елементів ще більше. Однак найбільший інтерес представляють дані про вміст розсіяних елементів у рослинах суші, які визначають величину кларків, але вони сьогодні переважно стосуються вегетуючих органів. Оцінка мас на сьогодні виглядає так:

 

Номер	Групи елементів	Маса, млн. т.
	Mn	100n
	Sr, Zn, Ti, B, Ba, Cu.	10n
	Zr, Br, F, Rb, Ni, Cr, V, Li	n
	La, Y, Co, Mo, I, Sn,As,Be	0.1n
	Se, Ga, Ag, U, Hg, Sb, Cd.	0.01n

 

Отже маса розсіяних елементів у рослинності суші: від десятків мільйонів тонн до десятків тисяч тонн.

 

Мікроелементи

У живій речовині суші перебувають практично всі розсіяні елементи, але їх біологічна роль неоднакова. Виділили (1937 р. Уэбб, Ферон) групи макро - і мікрокомпонентів живлення. Вперше було сформульоване поняття про якісно відмінний стан головних і розсіяних елементів у живій речовині.

Далі в 1974р. (В.В. Ковальский) всі розсіяні елементи, що містяться в організмах ссавців розділино на три великі групи:

· Zn, Cu, I, Mn, V, Mo, Co, Se - їх незамінність для організму встановлена;

· більша частина розсіяних елементів становить групу, біологічна роль

недостатньо вивчена і фізіологічна роль неясна;

· для Sc, Nb, Ta, P3Е,W і деяких інших елементів кларки у тваринних організмах взагалі невизначені.

Необхідно підкреслити, що фізіологічне значення розсіяного елемента не визначається його концентрацією. В живих організмах одні розсіяні є домішками, що варіюють, а інші входять до складу сполук, що відіграють важливу роль, забезпечують і регулюють життєво необхідні біохімічні процеси.

До них належать ферменти, гормони, вітаміни та близькі до них речовини.

Катіони розсіяних, будучи коферментними компонентами, виявляють властивості активаторів у процесах дихання, фотосинтезу, кровотворення, синтезу білків, всіх видах обміну.

1) Відома велика кількість металоферментів:

Zn → карбонатгідраза, алкогельдегідрогеназа;

Mn → аргіназа, фосфортрансферази;

Cu → тирозиназа, цитохромоксидаза;

Fe → пероксидаза, каталаза.

2) Полівалентні метали переносять електрони в процесах дихання, фотосинтезу тощо.

3) Забезпечують взаємодію ферменту із субстратом, наприклад: фермент – гліцилглініндипетидаза

 

Н О Н Н

│ ║ │ │

Н – С – С – N – C – H - субстрат

│ │

NH₂ COOH

 

 

Co²⁺ - фермент

 

 

Дія різних мікроелементів, як правило, складно взаємозалежна і взаємообумовлена.

 

4) В гормонах:

J₂ → синтез тироксину;

Cu → стимулює гормон гіпофізу;

Zn → стимулює статеві гормони.

5) Синтез вітамінів:

Co → вітамін В₁₂

Mn → вітамін С

Zn, Mn → вітамін В₁.

Можна припускати, що селективна концентрація елементів у живій речовині Землі - результат тривалої взаємодії організмів з навколишнім середовищем. В ході еволюції вироблялися необхідні біохімічні механізми, в яких приймали участь певні розсіяні елементи. В силу цього вони концентрувалися в організмах, а особливості біохімічної поведінки збереглися у відповідних систематичних групах.

 

Жива речовина океану

Для живої речовини океану характерні інші закономірності біологічного круговороту, порівняно із сушею. Біомаса Світового океану значно менше біомаси суші. Переважний внесок тут вносить фітопланктон, суха маса якого ~ 3,4 ∙ тонн. Однак стрімка відтворюваність планктонних організмів робить швидкість біологічного круговороту набагато більшою, ніж на суші. Особливості розсіювання сонячного світла, роблять саме поверхневий шар океану (~100 м) найбільш насиченим фітопланктоном. Оборот речовини в планктоні становить 1 добу, що обумовлено низькою концентрацією багатьох елементів у поверхневому шарі океану. І навіть при невеликій фітомасі, завдяки швидкій відтворюваності планктонних організмів річна продукція фотосинтезу Світового океану досить велика. Вона наближається до показників фітомаси суші. З цієї причини більша частина розчинених речовин, необхідних морським організмам (N, P, Si, мікроелементи) захоплюється і у значній мірі не випускається з біологічного круговороту. Однак частковий вихід з нього елементів має місце, тому нижче планктонного шару концентрація зростає.

Пристосовані на протязі геологічного часу до дефіциту багатьох елементів у морському середовищі перебування, гідробіонти очевидно не мають механізмів, що перешкоджають надходженню розсіяних елементів, і активно їх поглинають, у тому числі і токсичні. Концентрація цих елементів поступово зростає в трофічних ланцюгах, що становить небезпеку для людини. Цим можна пояснити випадки отруєння людей морепродуктами при забрудненні морської води неочищеними стоками.