big-archive.ru

Большой информационный архив

                       

Геологический цикл углекислого кальция

Очевидно, что большая часть углерода, могущего выйти из цикла:

удаляется из него в виде углекислого кальция, так как самая большая масса живого вещества сосредоточена в морях, неразрывно связанных с всемирным океаном.

Между вадозными углеродистыми минералами преобладают карбонаты. Количество их определяется еще тем, что среди карбонатов преобладает карбонат кальция; их образование связано с историей этого элемента, количество которого в земной коре в несколько раз превышает количество углерода. Если количество углерода в земной коре соответствует

1,3∙1017 т,

то количество кальция приблизительно равняется

1,1∙1018 т.

Эти общие числа для всей земной коры представляют лишь предельные величины для непосредственной среды жизни — для биосферы. Ибо сейчас нельзя численно учесть в биосфере отношение Са : С (по весу). Можно лишь утверждать, что величина, равная 7,8 для земной коры, в биосфере резко снижается и едва ли достигает одной трети, едва ли превышает 3,0.

В биосфере создаются все условия для биогенного создания углеродистых соединений кальция, так как в живом веществе концентрируются оба эти элемента.

Углеродные вадозные минералы находятся в биосфере всюду и иногда, как, например, известняки или каменные угли, в огромных количествах.

Получается даже иллюзия о большем, чем есть в действительности, их значении в геохимической истории кальция и углерода, так как требуется усилие, чтобы не забыть, что они лишь малые остатки массы когда-то существовавшего живого вещества, их создавшего. Количество углерода, каждый год выходящего из жизненного цикла, невелико, но в течение геологического времени его набираются огромные массы.

В табл. 13 (16) расположены в убывающем порядке количества СО2, отвечающие углероду в подавляющей части биогенного происхождения, находящемуся в биосфере и в стратисфере.

Эти числа ярко выявляют огромную массу угольной кислоты, которая перешла из живых организмов в известняки в течение геологического времени и не была обратно включена в геохимическую миграцию в течение того же времени. Очевидно, мы имеем дело лишь с малой частью углекислоты, которая находилась в зонах протекших времен в виде СаСО3. Тем более эти числа могут дать понятие о порядке явления. Несомненно, по-видимому, что количество СО2, освободившееся из жизненного цикла в виде углекислого кальция, сохранившегося, как таковой, во много сот раз больше всего количества угольной кислоты, находящейся в данный момент в атмосфере, в океане, в живом веществе, и угольной кислоты, соответствующей углероду пластов каменного угля, технически доступных (с учетом содержания углерода).

Требует еще проверки, но, по-видимому, углекислота этого происхождения останется неизменно большей по массе, если даже мы прибавим к указанным ее источникам годовой баланс углекислоты, выделяющейся в биосферу в газовых струях, в минеральных источниках, в вулканических извержениях. И в то же время все указывает, что масса органогенных, в конце концов, известняков и других органогенных концентраций углекислого кальция биосферы и стратисферы и верхней метаморфической геосферы меньше массы угольной кислоты, отвечающей рассеянным углеродистым соединениям, битумам, углеводородам, гумусовым веществам, карбонатам, элементарному углероду различных форм. Все земное вещество проникнуто этим углеродом, и нельзя найти вадозных или фреатических пород, в которых он отсутствовал бы. Его может быть меньше в ювенильных породах, но все же несомненно больше, чем мы это сейчас учитываем.

Несколько чисел могут дать понятие о порядке этих количеств. Так, реки ежегодно изливают в океан органические вещества в количествах, превышающих 2•108 т. Количества этих веществ, растворенных в морской воде, соответствуют по меньшей мере массам в 5•1012 т и, вероятно, еще гораздо более значительным. Но воды представляют не больше 7% массы земной коры (до 16 км мощностью), и те же следы в гораздо больших количествах находятся и образуются повсюду. Огромные количества их рассеяны в осадочных породах, за исключением известняков и доломитов. Согласно Ф. Кларку, в таком состоянии находится не менее 7•1015 т углерода. Однако Ф. Кларком были приняты во внимание лишь сланцевые и глинистые породы и оставлены в стороне песчаники; но мы знаем, что нет осадочного кварца, в котором бы отсутствовали органические вещества.

Указанное выше число 7•1015 т углерода следует увеличить по меньшей мере до нескольких единиц — 1016 т органических и других углеродсодержащих веществ.

Это рассеяние углерода сопутствует каждому химическому явлению, каждому жизненному процессу. Я упоминал о большом количестве угольной кислоты, ежегодно выделяемой человеком в атмосферу при сжигании различных горючих веществ. Это количество до войны, несомненно, превышало 1•109 т СО2. Согласно опытам, правда давним, А. Смита в 1871 г., рассеивалось в виде тонкодисперсных битумов и сажи по крайней мере 1•107 т в год. Очевидно, это число сейчас должно быть увеличено во многие сотни раз, учитывая и рост нашей технической цивилизации, и то, что Смит брал лишь часть культурных стран того времени.

Таким образом, можно считать доказанным два факта: 1) что большая часть массы углерода, освобождающаяся из жизненного цикла, находится в состоянии тонкого распыления и рассеяния в каждом земном веществе и 2) что наибольшая часть этого углерода находится там в виде карбонатов, главным образом в виде углекислого кальция.

Это образование карбонатов — в этой форме и в форме известняков — имеет большое значение в геохимической истории кальция. Я не могу здесь входить в эту историю. Скажу лишь несколько слов о громадном биогенном значении этого явления. Мы почти не встречаем неорганических известняков, химически, чистых осадков СаСО3. Внимательное изучение земных реакций все яснее доказывает, что это по большей части осадки биохимические.

В настоящее время мы не знаем ни одной вадозной химической реакции, дающей значительные скопления карбонатов кальция, которая была бы независима от жизни. Несомненно, есть случаи, когда карбонат кальция образован чисто химическими реакциями, но он тогда рассеян, образует небольшие распыленные концентрации, которые почти всегда немедленно вновь поглощаются организмами.

Мы видели, что кальций — наиболее распространенный в организмах металл. Он принадлежит в них ко II декаде, его количество в живом веществе в среднем должно превышать 1 % по весу; порядок его в живом веществе тот же, что углерода и азота. Организм его всюду выискивает: если он находит его среди доступных ему рассеяний кальция, он его немедленно поглощает, например из пыли, всегда содержащей углекислый кальций. В силу этого углекислый кальций в рассеянном состоянии немедленно вступает в живое вещество, в жизненный цикл. Организм совершает огромную работу, чтобы его добыть. Так, например, согласно расчетам К. Бишофа817, одна устрица для построения своей раковины должна провести через свое тело количество воды, превышающее от 2,7∙104 до 6,6∙104 раза ее вес. Эта работа совершается теперь так же, как совершалась в течение всего геологического времени, главным образом в океане, бесчисленным количеством организмов.

В воде океана углекислый кальций не существует, как таковой. Кальций вносится в нее в виде карбонатов и бикарбонатов реками, большей частью разложенным на ионы; в морской воде его количество уменьшается чрезвычайно быстро под влиянием жизни, и невероятно, чтобы он мог существовать там в форме карбонатов.

Углекислый кальций образуется в море в твердом состоянии почти исключительно в живом веществе или биохимическим путем. Часто указывали на образование углекислого кальция в поверхностных частях моря, но становится все более очевидным, что это также биохимический процесс, связанный с жизнью микробов.

В организмах углекислый кальций кристаллизуется в тканях в очевидной связи с физиологическими функциями. Он всегда тесно смешан с азотистыми органическими материями.

При отсутствии или бедности жизни в природных условиях, при быстром испарении и концентрации соленой воды кальций выделяется главным образом в виде сульфатов.

Биогенное же выделение кальция в морской воде, в океане, дают только карбонаты. В морской воде, наполненной жизнью, осаждение карбонатов происходит биохимическим путем; сульфаты начинают образовываться лишь в концентрированных водах, уже лишенных жизни.

Это явление не зависит от геологического времени, оно существует по крайней мере с кембрийского периода.

Но далеко не ясно сейчас, можно ли идти дальше и утверждать, что так было в течение всей геологической истории.

Мы стоим сейчас перед одной из огромных задач геологии — о внезапном появлении высокоразвитой жизни с начала кембрия, примерно миллиард лет назад.

По нашим современным представлениям, надо предполагать, что сотни миллионов лет протекли, прежде чем выработались эти формы живого вещества. А между тем нет их остатков в предшествующих слоях.

Сейчас нельзя уже это объяснить недостаточной геологической изученностью, ибо в общем геологическое исследование охватило весь земной шар. Можно даже внести поправку и присоединить к кембрию, вероятно, и альгонкскую эру, куда спускаются некоторые кальциевые организмы, схожие с кембриевыми. Мы спустимся еще ниже, на несколько сот миллионов лет, перейдем за 1,1—1,2•109 лет. Но все-таки факт останется. Ниже кембрия (вероятно, верхнего альгонка) кальциевых организмов, т. е. имеющих кальциевый скелет, нет.

Приходится, следовательно, допустить, или 1) что примерно в эту эпоху произошел резкий перелом в истории кальция в земной коре и появились впервые организмы с кальциевым скелетом, или 2) что это явление кажущееся и есть следствие того, что в явлениях метаморфизма происходит — с ходом времени — накопление неизбежных процессов растворения и весь кальциевый скелет всех организмов не сохраняется. Однако это представление маловероятно, так как общая метаморфизация многих кембрийских отложений очень мала и не соответствует этому предположению.

Точно так же нельзя допустить, чтобы кальциевая функция живого вещества до альгонка отсутствовала в той или иной форме, ибо никакого изменения в характере выветривания отложений кембрийского периода не наблюдается, и в толще докембрийских отложений наблюдаются мощные известковые слои, ничем не отличающиеся от обычных органогенных известняков и пород, из них метаморфически происшедших (например, гренвилльская серия в Канаде). Нет никаких оснований, учитывая совершенно исключительное значение кальция в явлениях жизни, придавать этим известнякам особое происхождение.

Следовательно, если не будет каких-нибудь неожиданностей, надо допустить, что кальциевая геохимическая функция изменила более или менее резко свою морфологическую структуру в биосфере самое позднее в верхнеальгонкское, если не в доальгонкское время.

Нет надобности в представлениях, допускающих геологически быстрое морфологическое изменение чрезвычайно сложного верхнеальгонкского живого мира — массового создания содержащих скелет организмов или резкое изменение состава океана— геохимическую катастрофу, — если нет для этого никаких других указаний, кроме отсутствия остатков кальциевых организмов в древних пластах. Ибо нет отрицательных данных для одного из тех основных проявлений кальциевой биогеохимической функции, которая и сейчас имеет место в самой коре в форме бактериального процесса — создания карбоната кальция. Он мог идти все время и тогда.

Можно, имея это в виду, утверждать, что в океане в общем того же состава, как теперь, неизменно существовали в течение всего геологического времени бесчисленные виды организмов — концентраторов кальция, кальциевых и богатых кальцием организмов. Первые содержат более 10% кальция в своей живой массе. Кальций в них находится в большем количестве, чем углерод, и его процентное содержание того же порядка, как содержание кислорода и водорода. Эти организмы, начиная с альгонка — моллюски, брахиоподы, иглокожие, кораллы и гидроиды, черви, водоросли, криноидеи, корненожки, бактерии и т. д. — оставляют в своих отбросах после смерти огромные количества кальция и углерода в виде карбонатов. Часть этих карбонатов вновь растворяется и в жизненном цикле немедленно вступает в живое вещество, другая часть поглощается другими организмами и не покидает больше жизненного цикла. Но очень заметная часть раковин и скелетных частей или жизненных отложений карбоната (бактерии и их продукты) остается более или менее нетронутой и образует скопления кальция и углерода. Когда благодаря геологическим явлениям, например отложениям новых осадков, она изолируется от влияния живого вещества, она дает известняки путем дальнейшего диагенеза.

Теперь очевидно, что большая часть отложений углекислого кальция не образуется этими более молодыми большими организмами, привлекающими наше внимание, среди великого богатства жизни океана. Самая большая часть образуется организмами, невидимыми глазу, существующими с археозоя. Долго принимали во внимание лишь фораминифер. Их значение в образовании известняков было доказано почти сто лет назад Эренбергом, введшим вновь в науку старый принцип Линнея: «omne calx e vermibus» — вся известь происходит из червей, т. е. беспозвоночных животных, согласно нашей современной терминологии. Лет 20 назад было открыто, что еще гораздо большее значение имеют существа, несравненно более мелкие, одноклеточные водоросли планктона — кокколитофориды, коккосферы, рабдосферы. Они водятся в огромных количествах и размножаются с невероятной быстротой.

Рост хлорофильных кальциевых организмов связан с быстротой их хлорофильного синтеза, и этим вызвано значение их и zooxantella, живущих в полипах, для построек кораллов.

В XX в. открыли еще новые организмы, еще меньшие кальциевые бактерии, по-видимому представляющие еще более могущественный механизм для образования углекислого кальция.

Возможно определить количество или, вернее, порядок количества углекислого кальция, осаждаемого жизнью на дне океана. Оно огромно. Можно сказать, что вся масса кальция, ежегодно вливаемая реками в океан в виде карбонатов и бикарбонатов, отлагается в нем в тот же срок в виде биогенного углекислого кальция.

Числа Ф. Кларка это ясно показывают (табл. 14(17)).

Таким образом, вторичный геохимический цикл углерода на земной поверхности является жизненным циклом, не вполне обратимым. Часть углерода постоянно из него уходит. Количество этого выходящего углерода, как бы ни казалось оно нам великим, представляет лишь ничтожную долю всего углерода жизненного цикла:

Главная часть этого углерода отлагается, как мы видели, в виде СаСО3. Таким способом ежегодно отлагается в океане 2,2∙108 т углерода. С первого взгляда кажется, что это большая часть того углерода, который в каждый данный момент находится в живом веществе. Но масса углерода, прошедшего в океаны в течение одного года через живое вещество, без сомнения больше, чем его масса, заключающаяся в живом веществе в данный момент. Мы знаем, что она огромна, но еще не можем сейчас выразить ее числом.

Мы должны сравнивать углерод углекислого кальция с о всей массой углерода, связанного с жизненным циклом, а не с углеродом живого вещества. Очевидно, что он в таком случае будет отвечать незначительной части такого углерода, долям процента всего углерода жизненного цикла. Но эти небольшие доли процента, собранные в течение геологических веков, дают огромную массу вещества, и процесс их образования имеет первостепенную важность в химии земной коры.

По-видимому, масса эта ограничена и не растет беспредельно в течение геологического времени. Благодаря этому углерод ее вновь входит в газообразную угольную кислоту и возвращается в жизненный цикл.

Можно предположить (и уже старые натуралисты, как Е. Снядецкий, это думали), что весь углерод жизненного цикла в конце концов возвращается в него через достаточно продолжительное время из земных глубин, т. е. из фреатической области.

Мы не можем этого, однако, сейчас доказать. И мы даже должны допустить, что если он и возвращается в жизненный цикл, то это происходит за счет энергии, независимой от солнечного излучения, питающего жизненный цикл.

Лишь небольшая доля рассеянного углерода мало-помалу под влиянием озона и, вероятно, кислорода превращается на земной поверхности в угольную кислоту и таким образом вновь увлекается в жизненный цикл. Большая часть такого углерода превращается в СО2 лишь в глубине, в метаморфических и ювенильных областях под влиянием тепла глубоких слоев земной коры. Пока углерод так далеко не проникает, он остается вне жизненного цикла. Рассеянный углерод может оставаться неопределенное время в таком состоянии.

Но, оставаясь иногда в течение геологических эонов в форме связанного углерода, карбоната кальция, углей, нефтей, битумов, вне жизненного цикла, по выходе из него углерод своим выходом создает и поддерживает в механизме биосферы явление огромного первостепенного значения, так как только этим путем создается возможность для существования в биосфере соответственных масс свободного кислорода.

В процессе жизни живое вещество, разлагая угольную кислоту и воду, выделяет кислород, собирающийся в свободном состоянии. Это кислород атмосферы и. водных растворов.

Весь кислород атмосферы и водных растворов имеет такое происхождение.

Если бы углерод не выбывал из жизненного цикла в виде углеводородов, углей, битумов, графитов или в виде карбонатов кальция, свободного кислорода не существовало бы вовсе, не было бы также, следовательно, тысяч важнейших химических реакций биосферы, с ним связанных, ибо свободный кислород земной коры чрезвычайно активен: он одарен свободной химической энергией в степени, несравнимой с другими химическим элементами.

Должно, следовательно, существовать простое числовое соотношение, еще нам неизвестное, между количеством свободного кислорода нашей планеты, ее биосферы, и массой каменных углей, битумов и нефтей, карбонатов, в ней существующих.

Таким образом, изучение необратимости жизненного цикла приводит нас к еще более глубоким проблемам. Оно приводит нас в научную область, находящуюся в процессе образования и касающуюся великих задач жизни и энергетики. Эта наука есть область будущего — будущая энергетика нашей планеты.

Приблизительно 90 лет назад немецкий врач Р. Майер первый понял, что зеленые растения в силу факта своего существования изменяют энергетику земной коры. Они превращают лучистую энергию Солнца в новую форму и захватывают ее в благоприятной для химических процессов, развивающихся на нашей планете, форме. Эти идеи Р. Майера остались непонятыми даже долго спустя после проникновения в научную мысль его же идей о единстве и сохранении энергии. Р. Майер несколько раз возвращался к этим представлениям после первого их опубликования, он из них вывел заключение (с тех пор само собой разумеющееся), что каменные угли содержат энергию потенциальную, энергию солнечных лучей, принадлежащую прошлым геологическим эпохам, и что человек, употребляя эти горючие ископаемые, вновь пускает эту ископаемую энергию в ход.

Живое вещество в форме зеленого растительного мира накопляет солнечную энергию; собранная этим путем сила может быть сохранена миллионы лет в виде каменного угля, вадозного по началу генезиса минерала углерода.

Мы теперь должны обобщить идею Р. Майера. Солнечная энергия через посредство живого вещества пребывает в потенциальном состоянии не только в каменном угле, происходящем прямо из зеленых растений, но во всех вадозных минералах углерода, в углекислом кальции и в других биогенных минералах, в большинстве вадозных минералов, думаю, в существенной мере во всех.

Несомненно, что все химические соединения, связанные с жизнью, являются собирателями солнечной энергии. Если даже энергия проявляется в них в виде молекулярной или химической энергии, ее существование стало возможным только благодаря лучистой энергии Солнца, захваченной живым организмом, превратившим ее в химическую энергию.

Мы здесь касаемся явлений жизни самых глубоких из всех, какие были до сих пор изучаемы наукой. Нельзя обходить их молчанием, чтобы понять все философское и научное значение затронутых идей и сделать научной работой и философским анализом те выводы, которые пока в них скрыты.

 

Предыдущая глава ::: К содержанию ::: Следующая глава

 

                       

  Рейтинг@Mail.ru    

Внимание! При копировании материалов ссылка на авторов книги обязательна.