Глобальні біогеохімічні цикли

Наявні факти дозволяють припускати, що в біосфері існує глибокий зв'язок хімічного складу земної кори, Світового океану і атмосфери. Цей зв'язок обумовлений процесами масообміну між зовнішніми оболонками Землі. Зазначені процеси споконвічно мали циклічний характер насамперед через добові, сезонні, річні і більш протяжні ритмічні коливання енергії, що надходила від Сонця. Циклічності масообміну також сприяло безперервне видалення гідрогену внаслідок його дисипації. Окиснені сполуки, що виникали в результаті фотохімічних реакцій у верхній атмосфері, поверталися на поверхню Землі.

Процеси циклічного масообміну безперервно змінювалися протягом геологічної історії, що спричиняло зміну складу зовнішніх оболонок. Головним фактором спрямованої зміни глобальних циклів масообміну і перетворення вихідної системи фазових оболонок у сучасну систему біосфери була жива речовина. Вбудовуючись у систему циклів і виконуючи ті ж функції, що абіогенні хімічні процеси, живі організми одночасно продукували субстрати метаболізму і відмирання. Нагромадження цих продуктів протягом тривалого часу значно змінювало геохімічні умови навколишнього середовища, що в свою чергу стимулювало еволюцію організмів стосовно до нових розумів. Фракціонування хімічних елементів у біогеохімічних циклах наклало глибокий відбиток на склад осадової оболонки, Світового океану, атмосфери. За допомогою безперервного циклічного масообміну життя формувало середовище перебування. Найбільш яскравим прикладом є утворення педосфери, яка породжена життєдіяльністю наземної біоти і разом з тім що забезпечує існування і відтворення головної частини біомаси Землі - рослинності Світовий суши.

Розрахунки розподілу мас хімічних елементів у біосфері і мас, що беруть участь в процесах біогенної міграції, ґрунтуються на двох групах даних. По-перше, необхідні відомості про середні значення концентрації елементів у компонентах біосфери: у біомасі рослинності Світовий суши, воді рік, педосфері та ін. По-друге, мають бути наявними відомості про масу кожного з компонентів біосфери.

В наш час виділяють глобальні цикли натрію - одного з головних елементів, акумульованого в земній корі в процесі її виплавляння; хлору - типового таласофільного елемента; цикли елементів, що надійшли в біосферу внаслідок дегазації (карбон, сульфур, нітроген); цикли елементів, що надійшли в біосферу в результаті мобілізації із земної корі (кальцій, калій, кремній, фосфор); циклі масообміну важких металів.

Розглянемо глобальні циклі натрію і хлору, геохімія яких у біосфері досить тісно пов'язана.

 

Глобальний цикл натрію

Натрій - один з головних елементів, акумульованих у земній корі в процесі її виплавляння. Основна маса цього елемента випадає на останніх стадіях магматичної кристалізації і частково залишається в постмагматичних розчинах. Натрій займає в кристалохімічних структурах силікатів порожнини між стійкими алюмосіліційоксигеновими угрупованнями і тому легко звільняється із структур гіпогенних силікатів при вивітрюванні кристалічних порід. Концентрація Na₂О в "гранітному" шарі земної кори 2,71%. в осадовій оболонці - 1,5%. Відповідно маса натрію в гранітному шарі дорівнює 165∙10¹⁵ т, в осадовій оболонці - 26,7∙10¹⁵ т. Звільняючись із кристалічної речовини земної кори, натрій у формі добре розчинного катіона переноситися з континентальним стоком в океан, у водах якого втримується 14,7∙10¹⁵ т цього елемента.

Головний міграційний потік натрію в біосфері пов'язаний з водним стоком із суши, з яким виноситься 0,185∙10⁹т іонів цього елемента. Одночасно натрій виноситься в складі твердого стоку, перебуваючи переважно в сорбованому стані. Приймаючи середню концентрацію натрію в суспензіях річкового стоку рівною 4,6 мг/л, можна оцінити масу елемента, що виноситься в складі суспензій, в 0,19∙10⁹ т/рік.

В циклі масообміну між поверхнею океану і тропосферою бере участь близько 1,3∙10⁹ т/рік водорозчинних форм натрію, між поверхнею суши і тропосферою - приблизно 0,14∙10⁹ т/рік. З повітряними масами морського походження на сушу переноситися більше 0,1∙10⁹ т/рік розчинних форм натрію. Одночасно з поверхні суши в океан виноситься з вітровим пилом приблизно 0,01∙1 0⁹ т натрію в сорбованому стані.

Перевага розчинного катіона Na⁺ у біосфері обумовлює присутність значних мас натрію у всіх типах природних вод, у яких він пов'язаний еквівалентними співвідношеннями з аніонами Сl^-, SO₄^2- і почасти зHCO₃^-. В організмах солі натрію (головним чином хлориди) мають важливе значення. Хлорид натрію є обов'язковим компонентом рідких тканин тварин (плазми, крові, лімфи) і клітинного соку рослин, відіграє важливу роль у підтримці кислотно-лужної рівноваги, регулює осмотичний тиск і впливає на вміст води в тканинах тощо. В силу важливої фізіологічної ролі хлорид натрію у великій кількості поглинається рослинними і особливо тваринними організмами, його нестача викликає важкі захворювання.

Різні автори розходяться в оцінці середньої концентрації натрію в живій речовині. За даними Х. Боуена, середня концентрація натрію в біомасі рослинності Світовий суши близько 0,12% маси сухої речовини. Виходячи із цього значення_, можна вважати, що в біомасі суши втримується 3∙10⁹ т натрію. Концентрація в живій речовині океану значно вище - 3,3% маси сухої речовини, але загальна кількість натрію, зв'язана в океанічній біомасі, на два порядки менше, ніж у наземній.

У структурі глобального біологічного круговороту натрію яскраво виявляється його таласофільність. Жива речовина Землі протягом року пропускає через собе близько 4,6∙10⁹ т натрію, причому на суші в біологічний круговорот включається 0,2∙10⁹ т, а в океані майже в 20 разів більше.

З рослинних залишків солі натрію легко вилужується, тому концентрація натрію в неживій органічній речовині і гумусі педосфери невелика - близько 0.01%, а маса близька до 0,2 -0,3∙10⁹ т. Натрій активно сорбуєтся опадами морів, тому в осадовій оболонці втримується його велика маса.

Глобальний цикл хлору

Цей цикл має багато загального із циклом натрію. Xлop типовий таласофильнийелемент. Його розподіл у біосфері характеризується ясно вираженою акумуляцією у воді Світового океану, в якій у формі розчинених йонів Сl^- утримується переважна частина маси елемента. Вміст хлору в гранітному шарі земної корі становить 0,021%, маса -1,7∙10¹⁵ т. В осадовій оболонці концентрація хлору в 10 разів вище - 0.27%. а маса дорівнює 6,5∙10¹⁵ т. Подібно натрію, серед форм знаходження хлору в біосфері домінують добре розчинні йони Сl^-. Вони визначають основні риси глобального циклу масообміну елемента, серед яких головна - винятково висока здатність до водної міграції. Значні маси хлору, як і натрію, багато мільйонів років мігрують з поверхні Світовий суши в океан. Друга особливість глобального геохімічного циклу хлору, виражена ще сильніше, ніж у циклі натрію, - активна міграція в атмосфері в складі аерозолів і повернення значної маси елемента на сушу. Протягом року з океану в атмосферу надходить 2,4∙10⁹ т/рік (з врахуванням сухих осаджень}, а повертається з опадами і у формі сухих осаджень 2,2∙10⁹ т/рік. Різниця в 0,2∙10⁹ т/рік переноситися з повітряними масами на сушу і там випадає. Таким чином, значна маса Сl^- циркулює в системі суша - океан - суша. У хімічній метеорології хлор називають циклічним елементом. Хлор має важливе фізіологічне значення і утримується в живих організмах у вигляді хлоридної кислоти, її солей, серед яких найпоширеніша - хлорид натрію, а також різноманітних хлорорганічних сполук. Середня концентрація хлору в масі живої речовини суши дорівнює 0,2% (суха маса), у фітомасі океану значно вище - близько 1%. Можна вважати, що в живій речовині суши перебуває 5∙10⁹ т, у біомасі фотосинтетиків - 0,17∙10⁹ т хлору. Концентрація елементу в неживій органічній речовині педосфери і гумусі приблизно дорівнює 0,01%, отже, маса хлору в педосфері становить близько 0,3∙10⁹ т.

В біологічний круговорот на суші захоплюється близько 0,34∙10⁹ т/рік хлору. У морській воді його концентрація значно вище і становить близько 3% сухої маси організмів. Протягом року біота Світового океану втягує в круговорот приблизно 4,4∙10⁹ т хлору, тобто на порядок більше, ніж на суші.

Як випливає з викладеного, в структурі глобальних циклів масообміну натрію і хлору багато загального: переважають добре розчинні форми, активна водна міграція з континентів в океан і зворотний атмосферний перенос значних мас з океану на сушу. Важливою рисою біосферної геохімії розглянутих елементів є їх значно виражена таласофільність, наслідком якої є перевищення маси біологічного круговороту в океані над масою біологічного круговороту на суші. Зближає біогеохімію цих елементів важливе фізіологічне значення їх головної хімічної сполуки - хлориду натрію.

Разом з тим розподіл мас хлору і натрію в біосфері принципово розрізняється. Величезна кількість натрію, зосереджена в осадових породах і в океані (40,7∙10¹⁵ т), становить усього лише 19,8% маси елемента, що втримується у вихідному гранітному шарі земної кори, з якої натрій поступово витягався і включався в процеси циклічного масообміну. Зовсім інша картина розподілу мас хлору. В осадових породах і в основному резервуарі - океані хлору майже в 20 разів більше, ніж у гранітному шарі. Якби увесь величезний гранітний шар був зруйнований, то маси, що звільнилася при цьому, хлору було б менше його маси, що перебуває в наш час в океані. Очевидно, що джерела надходження розглянутих елементів у циклі масообміну, що відбувалися протягом геологічної історії в біосфері, були різні. Натрій надходив у результаті процесів мобілізації і вилужування із гранітного шару кори континентів, хлор - завдяки процесам дегазації мантії і виносу вулканічних газів.