46. Соль биосферы Земли
Лимитирующий фактор жизни
Начало: (43), (44), (45)
4. Главная солонка биосферы
Основным источником минеральных элементов жизни, грандиозной планетарной «солонкой», является земная кора, та гигантская «каменная чаша», которая сложена разнообразными кристаллическими горными породами. Образующая её масса минерального вещества в целом очень велика. Особенно в континентальной части земной коры, которая характеризуется весьма значительной толщиной (порядка 40 - 50 км, а в горных областях и того больше) и наряду с базальтовым основанием имеет мощный гранитный слой на всём своём протяжении. Однако это вовсе не означает, что, во-первых, земная кора насыщена именно теми минеральными элементами, которые необходимы для жизни и, во-вторых, эти элементы изначально находятся в доступной для неё форме.
Главная геохимическая особенность земной коры - чрезвычайно высокое содержание (кларк) кислорода, проистекающее от его способности образовывать очень прочные связи с различными элементами. Кислород составляет 46,6% от массы земной коры. Второе место занимает кремний, на долю которого приходится 27,72%. Кремнекислородные соединения (главным образом силикаты) практически полностью слагают объём земной коры, включая минералы, образующие гранит: кварц, полевые шпаты, слюды, роговую обманку.
Если учесть относительно более крупные размеры анионов кислорода по сравнению с катионами кремния, то нам откроется и вовсе парадоксальная картина - всё вещество земной коры предстанет в виде сплошного кислородного каркаса, в пустотах которого располагаются более мелкие катионы кремния, а также некоторых других химических элементов. Каркас кислородных анионов играет роль своеобразного геохимического фильтра, который допускает внутрь кристаллической решётки только положительно заряженные ионы определённого размера. Так вот, в числе допущенных элементов оказались алюминий, железо, магний, кальций, калий и натрий. Вместе с кислородом и кремнием они составили, как это было установлено ещё американским геохимиком Ф. Кларком, основную восьмерку химических элементов (преимущественно лёгких), на долю которых приходится в совокупности более 99% массы земной коры.
Такое своеобразие химического состава земная кора унаследовала от породившей её магмы, представляющей собой силикатный раствор-расплав, в котором изначально преобладают названные выше восемь химических элементов во главе с кислородом и кремнием. Разница состоит лишь в том, что магма содержит в себе ещё значительное количество летучих соединений в виде паров и газов, от которых она освобождается в процессе остывания и отвердения. Основная, силикатная часть магмы претерпевает при этом главным образом структурные (хотя и весьма сложные) изменения, связанные с последовательной кристаллизацией и закономерной сортировкой атомов содержащихся в ней химических элементов (ещё раз подчеркну, под контролем кислородно-кремниевого фильтра).
В магме (а, стало быть, и в порождённых ею магматических горных породах), конечно же, имеются и все другие химические элементы, отображенные в таблице Д.И. Менделеева. Так, в граните присутствуют титан, фосфор, марганец, сера, фтор, хлор, барий, стронций, литий, хром, рубидий, ванадий, цирконий, никель, медь, цинк и многие другие элементы. Одни элементы из категории малораспространённых, имеющие подходящий ионный радиус, вошли в кристаллохимические структуры силикатов в виде изоморфных примесей (надо заметить, что явления изоморфизма играют очень важную роль в химии силикатов). Другие, обладающие слишком большими или слишком малыми радиусами ионов, не смогли преодолеть упомянутый фильтр и оказались в силу этого в магматическом остатке в неупорядоченной и рассеянной форме. Но все они в сумме составляют меньше 1 %!
Итак, земная кора, безусловно, располагает в потенции всеми необходимыми для жизни зольными элементами. Однако их кларки зачастую невелики. Многие элементы пребывают в рассеянном состоянии. Все они при этом изначально находятся в инертной, законсервированной форме, поскольку заключены в твёрдую каменную оболочку. Основная масса этих элементов располагается к тому же на недосягаемой (для тончайшей поверхностно-планетарной плёнки живого вещества) глубине. На этом фоне не только существование жизни, но и само её появление на Земле, выглядит маловероятным и к тому же совершенно бесперспективным.
И вот здесь начинаются поистине удивительные события, которые в корне меняют дело. Выплавленная из магмы и оказавшаяся на поверхности (в силу вертикальных тектонических процессов) земная кора вступает в качественно новую фазу своей эволюции. Начинается грандиозное по своим масштабам и последствиям выветривание горных пород, или гипергенез. Причиной этого весьма сложного планетарного явления служит то обстоятельство, что структура и химическое строение минерального вещества закономерно стремится к равновесию с окружающей его средой и, стало быть, прочные и устойчивые системы из атомов, образовавшиеся в одних условиях, становятся совершенно неустойчивыми - в других. Горные породы земной коры сложены минералами, возникшими в глубинах при очень высоких температурах и давлении. Однако на поверхности суши давление не превышает одну атмосферу, низка и температура, которая к тому же непостоянна и подвержена сезонным и суточным колебаниям. Наконец, что очень важно, земная кора находится под прямым воздействием солнечной энергии и воды. На этом фоне в твёрдых породах (в их поверхностных слоях) исподволь начинается перегруппировка атомов и образование новых минералов, которые соответствовали бы изменившимся внешним условиям.
Если говорить конкретно, трёхмерные кристаллические силикаты перестраиваются в почти двухмерные плоские структуры. В зоне гипергенеза образуются принципиально новые силикаты (ранняя Земля их ещё не знала) - глины, которые составлены из плоских, микроскопических размеров (порядка 0,001 мм) кристаллических частиц, представляющих собой листы кремнекислородных тетраэдров, связанных в двух- или трехслойные пакеты. Эти листы в процессе выветривания последовательно «штампуются» на поверхности горной породы и отделяются от неё под действием воды. Кристаллохимическая структура глинистых минералов приходит в равновесие с новыми условиями. На поверхности суши мягкие, податливые глины оказываются в геохимическом отношении более устойчивыми, чем «несокрушимый» гранит.
Кремне-кислородны тетраэдры
Одиночный тетраэдр
В контексте рассматриваемой мною проблемы минерального питания биосферы наибольшее значение имеет, однако, то обстоятельство, что в процессе выветривания толщи горных пород, составленные трехмерными силикатами, освобождаются от катионов химических элементов с большим ионным радиусом, поскольку им становится тесно в плоских пакетах. Диффузия катионов начинается в результате того, что на границе контакта глубинного силиката и воды возникает перепад концентрации: в воде мало катионов, но есть протоны, а в минерале много катионов. Катионы уходят в воду (вымываются) и затем с ней выносятся за пределы зоны выветривания. Потеря заряда при уходе катиона компенсируется внедряющимися в структуру протонами воды, которые связываются с ионами кислорода.
По данным геохимической науки, первыми из горной породы уходят в водные растворы кальций, натрий, калий, а затем магний и железо. Вместе с ними частично удаляются атомы, находившиеся в виде изоморфной примеси или в состоянии неупорядоченного рассеяния. В результате помимо кислорода и кремния в конечных продуктах выветривания остается только алюминий. Такова цена приобретённой устойчивости!
Конечный продукт выветривания: карьерная глина
В целом же от всего этого происходит колоссальный выигрыш: природа получает реальную перспективу для дальнейшей эволюции в сторону жизни (которой на Земле еще нет). Дело в том, что необходимые для будущей жизни зольные химические элементы освобождаются от каменного плена, переходят в подвижное растворимое состояние, тем самым создаются предпосылки для их включения в грядущие биологические процессы. Вследствие гипергенного преобразования вещества земной коры на поверхности суши начинается грандиозное по своим масштабам движение (миграция) атомов в природных водах. Значительная часть высвободившихся элементов с речным стоком покидает сушу и направляется в сторону океана, вливаясь в «первичный бульон».