Геохимия биосферы

Биосферой называется та часть земного вещества, в состав которого входят растения, животные, почвы, а также осадки и осадочные горные породы, представляющие собой реликты биологической жизнедеятельности в прошлом.
Область геохимии, занимающаяся процессами в биосфере, часто называется биогеохимией. Термин "биогеохимия" впервые был введен В. И. Вернадским. Область интересов биогеохимии часто перекрывает таковые многих других наук, таких как биохимия, физиология, экология, таксономия, микробиология и почвоведение.
Граница биосферы на Земле гораздо менее четка, чем границы литосферы, гидросферы и атмосферы.
Биосфера может быть подразделена на следующие три группы:
1) живая материя: растения, животные и микроорганизмы;
2) среда существования живой материи: почва, вода и воздух;
3) биогенные породы и минералы: гумус, уголь, нефть и другие осадки и осадочные породы биологического происхождения.
Для живой материи наиболее характерны С, Н, О, N и Р. Эти элементы называются биофильными, так как они наиболее распространены в биосфере. Кислород и водород в живой материи присутствуют преимущественно в виде воды, а углерод - обычно в виде углеводов, протеина и других органических веществ в соединении с О, Н, N и Р. Кроме того, в виде органических и неорганических соединений в живой материи содержатся многие другие элементы.

Главными элементами растений, являются следующие 15 элементов: C, H, O, N, S, P, K, Ca, Mg, Fe, Mn, Cu, Zn, B и Mo. Существенную роль, как показывают наблюдения над некоторыми растениями, играют также Si, Al, Cl, Ni, Co и Ga.
Для животных очень важными элементами питания являются C, H, O, N, S, P, K, Ca, Mg, Fe и Mn; сюда же, видимо, относятся Mo, F, Ba и Sr, но в отношении их окончательных результатов еще не получено. В тех случаях, когда тот или иной элемент существенно важен для поддержания жизни живой материи, последняя в состоянии поглощать его даже тогда, когда концентрация его в среде чрезвычайно мала.
Среди атмосферных компонентов наиболее важными питательными веществами являются углекислый газ и кислород, ввиду чего живая материя играет чрезвычайно большую роль в геохимических циклах углерода и кислорода. Некоторыми типами микроорганизмов поглощается также азот. Некоторые малые примеси атмосферы обусловлены процессами диссимиляции и гниения живой материи. Примером таких примесей могут служить аммиак и H2S.
Гидросфера в виде Мирового океана образует на Земле колоссальную по объему среду обитания живой материи, и его органическая продукция играет важную роль в жизни человека.

Почва представляет собой поверхностный слой литосферы, преобразованный под совместным влиянием климата (солнечная радиация, тепло, ветер и воздух, вода), растений и животных.
Нижняя часть почвы подстилается коренными породами (D-горизонт), за счет которых и возникла почва, а у поверхности почвы располагается слой (А-горизонт), содержащий большое количество органических веществ, обусловленных растительными остатками.
Промежуточный слой имеет постепенные переходы между нижним и верхним слоями, но по внешнему облику и характеру протекающих здесь процессов слой подразделяется на В-горизонт (или субпочву) и С-горизонт. А-горизонт и верхняя часть В-горизонта непосредственно и наиболее тесно связаны с живой материей. Вещественными компонентами почвы являются минералы, органические вещества и газы.

Органические вещества почвы образуются за счет жизнедеятельности животных и растений, при этом наиболее значительное количество - за счет жизнедеятельности последних. При отмирании травянистых растений и осенних листопадах все вещества, содержащиеся в живой материи, переходят в почву.
В соответствии с данными Ваксмана, органический состав торфообразующих растений таков, %:
Целлюлоза..........…...….....15-30
Гемицеллюлоза..........…....20-30
Лигнин................…….…...10-40
Протеины.............…….…...2-15
Танин, масла и озокерит....1-5
При разложении этих органических соединений конечными продуктами окажутся H2O, CO2, CH4, N и его окиси NH3, H2S, S и ее окиси.
Каждая часть растений противостоит разложению в разной степени. Наиболее устойчивы масла, озокерит, смолы и лигнин. Они сохраняются до самого конца и, взаимодействуя с органическими соединениями азота, образуют полимолекулярные коллоидные соединения, известные под названием гумуса.
Как установил Гольдшмидт, в гумусе и углях часто концентрируются элементы группы тяжелых металлов. Процесс концентрации металлических элементов грубо может быть подразделен на селективную абсорбцию живыми организмами и на концентрацию их разлагающимся органическим веществом.

Неорганические соединения нефти, являющиеся важным органическим образованием, исследовались главным образом с промышленной точки зрения. Неочищенные масла обычно содержат менее 0,001-0,05% золы.
Содержание металлов в ее золе проявляет большие флуктуации. Особенно большие значения получены для V и Ni; максимальное содержание V2O5, равное 64,9%, было установлено в нефти из Вайоминга, а максимальное содержание Ni (17,9%) - в нефти из Техаса. Кроме того, в золе обычно присутствует более 1% Na, Fe, Al и Si и от 0,1 до 1% таких элементов, как Ca, Cu, Mg, Pb, Cr, Mn и Mo; в некоторых нефтях установлены Ag, Co, Sr, B, Ti, K, Pt.

Происхождение живой материи рассматривается, исходя из посылки, что первоначально на Земле связанный углерод присутствовал в виде простых углеводородов, азот - в виде NH3, и что на Земле существовало огромное количество воды и водяных паров.
На первой стадии имели место реакции углеводородов с Н2О, приведшие к образованию таких органических соединений, как алкоголи, альдегиды, кетоны и кислоты. Эти органические соединения, реагируя с NH3, образовали аммонийные соли, амиды и амины. Далее, при соответствующих температурах в колоссальном по размерам объеме Земли эти химические реакции получили дальнейшее развитие и продолжение, приведшие к возникновению аминокислот.
При разрастании молекул первичные протеины приобрели характер коллоидов и образовали жидкие капли с некоторой внутренней структурой - коацервату. Одним из важнейших свойств коацерваты является способность к осуществлению ею примитивного метаболизма, осуществляющегося за счет поглощения веществ извне.
В отношении других физических и химических свойств коацервата весьма сходна с протоплазмой живых организмов. Однако, при современном состоянии науки между коацерватой и живой клеткой продолжает оставаться пробел неизвестности.
Например, известно, что состав крови различных животных очень близок составу морской воды современного океана.