Реферат: Планета Земля - место обитания человека

Планета земля - место обитания человека

Общие сведения

В пределах Солнечной системы живые организмы, а тем более относимые нами к "разумным", известны пока только на Земле. Красивые легенды, фантастические повести и романы о жизни на соседних планетах, увы, не подтвердились. При каких же условиях существует жизнь? Как нам всем вместе сохранить эти условия? Как организовать деятельность все возрастающего населения планеты так, чтобы условия существования жизни не ухудшались сейчас и стали для последующих поколений если не лучшими, то хотя бы такими же, какими были в прошлом столетии?

Вопросов много. Не на все из них можно пока обоснованно ответить. Причин тому также много. К ним относятся и правовые, и организационные проблемы, имеющие свою специфику в каждой стране, а также общие для различных стран - экологические и эколого-геохимические проблемы. Для их разрешения необходимо, в первую очередь, хорошо знать внешние, природные условия в месте обитания человека - на Земле. Сначала кратко рассмотрим основные природные условия существования на нашей планете жизни (а она развивается уже не один миллиард лет) и, в частности, человека.

Земля - одна из девяти основных планет Солнечной системы. Она относится к средним по массе и стоит на третьем месте от Солнца после Меркурия и Венеры (рис. 1.1). Ее средний радиус - 6371 км. Близка к ней по размерам Венера (табл. 1.1). У Меркурия, Марса и Плутона радиус примерно в 2 раза меньше, чем у Земли, а у других планет Солнечной системы - в 3,4... 11 раз больше. Средняя плотность Земли - 5,52 г/см³ , Венеры - 5,0...5,9, Марса - 3,9, Меркурия - 5,4. Плотность остальных планет в 4...6 раз меньше.

Как видно из данных, приведенных в табл. 1.1, только в атмосфере Земли есть свободный кислород, необходимый для жизни людей и большинства организмов. Следует также отметить, что только на поверхности Земли выявлены водные растворы. По современным геофизическим и геохимическим данным нашу планету можно разделить на три большие части: ядро и две оболочки (мантию, непосредственно окружающее ядро, и земную кору). В свою очередь и ядро, и мантию также подразделяют на части: верхнюю - внешнюю и нижнюю - внутреннюю (рис 1.2). Граница внутреннего ядра с мантией проходит на глубине около 5000 км от поверхности Земли, а граница мантии с земной корой на материках - на глубине от 30 до 40 км, редко достигая 80 км, на Дне Океана - на глубине от 5 до 15 км. Поверхность раздела мантии и земной коры носит название границы Мохоровичича и обычно обозначается буквой М. В земную кору входят горные породы (обычно объединяемые общим понятием "литосфера"), перекрывающие их почвы, гидросфера (моря, океаны) и атмосфера. Некоторые параметры оболочек и ядра приведены в табл. 1.2.

По одной из наиболее распространенных гипотез ядро состоит из Fe и Ni с примесью Si, AI, С, О. Состав мантии более достоверен (в отдельных точках она подвергалась непосредственному опробованию). В ней преобладают SiO₂ ,(43...46), MgO (37...42), FeO (6...8), AI₂ O₃ (3...5), Fe₂ 0₃ (0,4... 1,5) (в скобках процентное содержание). Наиболее хорошо изучен состав земной коры. Средние содержания в ней химических элементов получили название кларков (по фамилии американского ученого, впервые их определившего). В земной коре наиболее распространены О, Si, AI, Fe, Ca, Mg, К, Na, в сумме составляющие около 99% ее массы. Общая площадь поверхности Земли - 510 млн км^2, из которых 149 или км² приходится на континенты и 361 млн км² - на моря и океаны.

Таблица 1.1

Сравнительная характеристика планет Солнечной системы.

Воды земной коры часто выделяют в самостоятельную оболочку - гидросферу, а газы, окружающие твердую и жидкую поверхность Земли, - в атмосферу.

Плотность пород, слагающих планету, неравномерно возрастает с глубиной. На поверхности Земли плотность равна в среднем 2,5 г/см^3, а ускорение свободного падения - 982 см/с² .

Основные формы нахождения химических элементов в земной коре

Основную часть массы земной коры составляет литосфера и гораздо меньшую - гидросфера и атмосфера. Кроме этих составных частей земной коры, отдельно выделяют живое вещество, под которым подразумевается вся масса самых разнообразных живых организмов, от вирусов до слонов, включая и человека. Сравнивая их между собой, выдающийся норвежский ученый В.М. Гольдшмидт приводил такой пример: если массу литосферы представить в виде каменной чаши в 13 фунтов (1 фунт - 0,45 кг), то помещающаяся в ней вода массой 1 фунт будет соответствовать гидросфере, массе медной монеты будет соответствовать атмосфера, а массе почтовой марки - живое вещество. Между литосферой, гидросферой и атмосферой идет постоянный обмен веществом, т.е. процесс миграции химических элементов. Во многом он связан с жизнедеятельностью организмов. Наибольшее напряжение всех геохимических процессов миграции на поверхности Земли происходит "на стыке" различных сфер - в почвах. В зоне наибольшего напряжения геохимических процессов происходит и вся жизнедеятельность подавляющего большинства людей. Так было, начиная с появления людей. Следовательно, можно считать, что нахождение людей в зоне максимального напряжения геохимических процессов является оптимальным условием их нормальной жизнедеятельности.

Рассматривая выделенные оболочки с позиции геологической истории Земли, можно говорить о постоянной миграции составляющих их химических элементов как внутри каждой из оболочек, так и между ними. В то же время в каждый промежуток времени определенные, довольно большие группы атомов химических элементов находятся в конкретных относительно устойчивых сочетаниях между собой. Такие сочетания и рассматриваются как формы нахождения химических элементов. Иными словами, под формой нахождений химических элементов понимаются системы различных относительно устойчивых химических равновесий этих элементов.

Относительно устойчивыми они считаются потому, что практически все элементы, составляющие земную кору, вовлекаются в большой и малый циклы миграции*. При этом ранее существовавшие сочетания элементов разрушаются и возникают новые. Однако многие элементы могут находиться в относительном химическом равновесии довольно долго даже с геологической точки зрения.

Отдельные формы нахождения более или менее независимы друг от друга. Сочетание в каждой из них элементов подчиняется различным физико-химическим закономерностям и возможно только при определенных внешних условиях (внешних факторах миграции).

Вообще в природе существует много различных форм нахождения химических элементов. В зависимости от целей исследований или обобщений, а также от уровня развития науки разные ученые рассматривали только отдельные из них. Существовали (и существуют) и различные классификации основных форм нахождения химических элементов в природе. Так, В.И. Вернадским первоначально были выделены четыре главнейшие формы:

горные породы и минералы (к ним были отнесены природные воды и газы);

живое вещество, или биогенная форма нахождения;

магматические (существенно силикатные) расплавы;

состояние рассеяния.

Б,А. Гаврусевич (1968) предложил дополнительно выделять изоморфные примеси, водные растворы и газовые смеси. По мере развития геохимии, а особенно под влиянием проблем, разрешаемых в той ее части, которая считается прикладной, потребовалось рассматривать самостоятельно еще больше форм нахождения элементов в земной коре.

Кроме предложенных, стали выделять коллоидную форму с жидкой дисперсионной средой и техногенные соединения, не имеющие природных аналогов (В.А. Алексеенко, 1989), Выделение последней формы нахождения обусловлено все увеличивающимся воздействием на верхние оболочки Земли антропогенной деятельности и появлением новых техногенных соединений, влияющих на миграцию и концентрацию химических элементов в биосфере. Увеличивающаяся значимость техногенеза в перемещении элементов на поверхности Земли и обилие поступающих при этом в атмосферу и гидросферу мельчайших частиц объясняют и необходимость выделять в особую форму нахождения элементов коллоиды, а также и сорбированные ими вещества.

Мы рассмотрим только важнейшие формы нахождения: состояние рассеяния, самостоятельные минеральные виды, водные растворы, газовые смеси, коллоидную и сорбированные формы, техногенные соединения, не имеющие природных аналогов, биогенную форму.

Состояние рассеяния - наиболее часто встречающаяся в земной коре форма нахождения химических элементов. Еще в 1909 г. В.И. Вернадский, выступая на XII съезде русских естествоиспытателей и врачей, говорил; "В каждой капле и пылинке вещества на земной поверхности, по мере увеличения тонкости наших исследований, мы открываем все новые и новые элементы. Получается впечатление микрокосмического характера их рассеяния. В песчинке или капле, как в микрокосмосе, отражается общий состав космоса. В ней могут быть найдены все те элементы, какие наблюдаются на земном шаре".

Десятилетия, прошедшие после этого выступления, подтвердили гениальное предсказание В.И. Вернадского.

Первые сводки о количественном распространении химических элементов в земной коре были сделаны Ф.У. Кларком. В память об этих работах двух великих ученых Н.И. Сафронов, один из основоположников учения о поисках месторождения полезных ископаемых геохимическими методами, предложил закон о всеобщем рассеянии химических элементов именовать законом Вернадского-Кларка. Применительно к учению о биосфере его можно сформулировать так: 8 любом природном объекте Земли содержатся все химические элементы, находящиеся в ее коре.

Речь может идти только о недостаточной чувствительности методов анализов, используемых для выявления элементов, находящихся в очень малых концентрациях. Ряд исследователей считает, что пределом рассеяния можно считать концентрацию, соответствующую одному атому в 1 см³ вещества. Исходя из закона Вернадского-Кларка, можно сделать несколько выводов. Во-первых, для нормальной жизнедеятельности организмов (в том числе и для человека) в среде обитания необходимо наличие всех химических элементов. Это следует помнить при создании искусственных условий жизнедеятельности. Вторым важным для изучения данного курса выводом можно считать то, что для живых организмов нет вредных и полезных химических элементов; вопрос лишь во вредных концентрациях (как избыточных, так и недостаточных) этих элементов.

Практическая необходимость учитывать закон Вернадского-Кларка появилась в последнее время в связи с разработкой показателей, нормирующих содержание различных химических элементов в среде, окружающей человека.

Самостоятельные минеральные виды - наиболее распространенная (по массе) форма нахождения химических элементов в земной коре. Практически из минералов состоит косная (неживая) часть литосферы. Различные комбинации химических элементов образуют около 2000 самостоятельных, отличающихся друг от друга минеральных видов. Именно они представляют собой среду, в которой и за счет которой развивается основная масса живых организмов материков, в том числе и людей. При этом составляющие минералы химические элементы становятся доступными организмам или в процессе их разрушения, или в его результате. В связи с этим большое значение имеет не только состав минералов, но и их прочность, и особенно - растворимость. К числу важнейших с точки зрения экологии следует относить и такие свойства, как радиоактивность, тепло- и электропроводимость, а также Цвет. Все они влияют и на безопасность жизнедеятельности людей.

Следует отметить, что минералы представляют собой основной источник химических элементов для создания различных техногенных соединений. Кроме того, большие скопления определенных минералов (обычно это месторождения) создают аномальную экологическую обстановку. Такая обстановка при отработке месторождений становится все более отличной от природной, а площади ее распространения и воздействие на человека, как правило, увеличиваются.

В настоящее время нет ни одной отрасли промышленности, в которой не применялись бы природные минералы либо непосредственно в природном виде, либо после соответствующей переработки. Развитие современного сельского хозяйства теснейшим образом связано с использованием минеральных удобрений. Без минерального сырья невозможно развитие топливно-энергетической базы страны. Ряд минералов является не только составной, но и необходимой частью пищи людей (в первую очередь поваренная соль). Применяются минералы в медицине (соли йода, мирабилит и др.). Нельзя не вспомнить об эстетическом значении минералов, используемых для изготовления украшений, поделок, для облицовки при строительстве. Многие полезные свойства минералов еще не открыты, а многие забыты, хотя могли бы дать минералам вторую жизнь.

Различные минералы распространены в верхних частях литосферы довольно неравномерно. Крупные скопления определенных минералов во многих случаях обусловливают место жительства людей и развитие конкретных видов жизнедеятельности. Этим объясняется образование населенных пунктов около рудников, районов добычи нефти, газа, подземных вод и т. д., а также вид основной профессиональной деятельности большинства взрослого населения.

Однако крупные скопления определенных минералов создают и определенную геохимическую обстановку, захватывающую иногда довольно большие территории. Они могут характеризоваться (именно из-за больших скоплений определенных минералов) недостатком или избытком ряда химических элементов, изменением кислотно-щелочных условий подземных и даже поверхностных вод. Это необходимо учитывать при организации безопасной жизнедеятельности жителей в районах разработок месторождений различных полезных ископаемых.

Приведем несколько примеров, показывающих, что без проведения определенных мероприятий во многих из описываемых районов невозможна безопасная жизнедеятельность населения. Так, в Каратау (Казахстан), в районе широкого развития свинцово-цинковых руд в карбонатных отложениях наблюдается резкая нехватка фтора. Это приводит к нарушению структуры костей, зубов, провоцирует развитие ряда заболеваний. Без фторирования питьевой воды безопасная жизнедеятельность людей в этом рудном районе невозможна. Другой пример - Саякский рудный район (тоже в Казахстане), где развиты сульфиды меди, железа, мышьяка, молибдена, кобальта. Эти металлы, попадая в подземные воды (поверхностных там нет), делают их практически непригодными для питья. В результате приходится искать воду за пределами месторождений. На Южном Урале выветривание скопления сульфидов ряда металлов привело к тому, что подземные и даже поверхностные воды (озера) стали представлять собой раствор кислоты, непригодный для употребления. И таких примеров довольно много.

Все перечисленное позволяет считать, что в обозримом будущем разработка месторождений, извлечение из недр Земли минералов и их самое разнообразное использование будет не уменьшаться, а увеличиваться. При этом происходит усиливающаяся (как по дальности перемещения, так и по общему объему) миграция и самих минералов, и составляющих их химических элементов, образующих повышенные концентрации на определенных участках биосферы.

Все возрастающая потребность в минеральном сырье приводит к разработке месторождений с более низким содержанием определенных минералов, но с большими их суммарными запасами. Это в свою очередь вызывает необходимость перемещать все большие массы так называемой пустой породы, также состоящей из минералов. В конечном же счете на все больших площадях меняются минералого-геохимические условия, к которым за многие годы "привыкли" все живые организмы этих районов. При этом из-за катастрофически быстрых изменений многие животные и растительные организмы погибают, не успевая приспособиться к новым условиям.

Рассматривая минералы с точки зрения безопасности жизнедеятельности, следует отметить еще две их особенности. Во-первых, сочетания наиболее распространенных минералов создают в каждом регионе определенный минералого-геохимический фон, который не только определяет многие условия жизни организмов, но часто контролирует и их видовое разнообразие. Во-вторых, доступность для живых организмов химических элементов, составляющих минералы, зависит от свойств этих минералов, от их устойчивости в условиях верхних оболочек земной коры.

Оценивая в целом результаты антропогенного воздействия на минералы, необходимо отметить, что оно способствует переходу химических элементов из минеральной формы в коллоидную, в водные растворы и в биогенную формы нахождения.

Особо следует отметить непосредственное воздействие минералов на человека, приводящее к уменьшению безопасности жизнедеятельности. Еще в недавнем прошлом людей практически постоянно окружали естественные минералы. Современные строительные технологии поместили человечество в мир искусственных соединений, существенно отличный от того, в котором шли развитие и эволюция людей. Все последствия этого изменения еще не выяснены, но можно рассмотреть некоторые формы воздействия минералов на человека и безопасность его жизнедеятельности.

Часть минералов, особенно содержащих радиоактивные элементы, уменьшает безопасность жизнедеятельности даже на расстоянии. Кроме них, природные скопления ряда минералов (например, магнетита) вызывают сильные магнитные и электрические поля и образование геопатогенных зон, отрицательно воздействующих на человека.

Большая часть природных минералов уменьшает безопасность жизнедеятельности при непосредственном соприкосновении с людьми. Так, пыль галогенидов (галита, сильвина, карналлита), попадая на кожу, вызывает ее раздражение. Пыль кварца, асбеста, угля, проникая при дыхании в легкие, вызывает тяжелейшие заболевания - пневмокониозы (силикоз, асбестоз и т.д.), туберкулез, рак легких. (Вот почему необходимо принятие специальных мер предосторожности при работе горняков, особенно в подземных выработках.) Наиболее опасно попадание в легкие пыли минералов радиоактивных элементов, свинца, цинка, меди, ртути, кадмия, кобальта, бора, никеля, молибдена, селена, ванадия и таллия. При работе с ними для обеспечения безопасности жизнедеятельности нужно особо строго соблюдать все меры, обусловленные техникой безопасности, препятствующей попаданию пыли в легкие.

Водные растворы - важнейшая для живых организмов форма нахождения химических элементов. Без них практически невозможна жизнедеятельность людей, а состав этих растворов во многом контролирует ее безопасность. Как уже указывалось, основная масса природных водных растворов часто обособляется в отдельную оболочку Земли - гидросферу. Ее большая часть приходится на долю Мирового океана, меньшая - на подземные и поверхностные воды континентов. В сумме на долю морей и океанов приходится около 71% земной поверхности.

По данным В.М. Гольдшмидта, на 1 см² поверхности Земли приходится 273 л природных водных растворов, распределяющихся следующим образом:

В большинстве случаев именно наличие воды контролирует развитие живых организмов. Вода является и основным природным растворителем минералов, газов и техногенных соединений, не имеющих аналогов в природе. Считается, что в воде взаимодействие между ионами в 80 раз слабее, чем в кристаллах. Поэтому для растений и животных облегчено выборочное поступление необходимых им ионов из водных растворов.

Без воды невозможна жизнь организмов, существующих сейчас на Земле. При этом для большинства из них, в том числе и для людей, нужна не просто вода, а пресная, т. е. такая, в 1 л которой содержание сухого остатка меньше 1 г. А такой воды содержится на Земле всего около 2% ее общих запасов. Большая часть вод отличается довольно высокой степенью минерализации. Так, средняя соленость морей и океанов (а это более 70% всей гидросферы) составляет 3,5 г/л, а соленость минерализованных подземных вод континентов часто доходит до 200 г/л.

Пресную воду люди используют не только для питья, но и в самых разнообразных техногенных процессах. Считается, что общее годовое потребление составляет около 3500 км³ , т.е. на одного человека приходится порядка 800 м³ воды. Наличием пресных вод в еще большей мере, чем крупными скоплениями определенных минералов, обусловлены возникновения и развитие населенных пунктов. Практически все крупные города расположены на реках. Однако довольно часто русла рек приурочены к ослабленным зонам литосферы. В случае землетрясений по этим зонам происходят наибольшие смещения земной коры, вызывающие разрушения построек и гибель жителей. Это необходимо учитывать при организации безопасности жизнедеятельности жителей таких населенных пунктов.

Газовые смеси. Химические элементы, составляющие эту форму нахождения, образуют верхнюю оболочку Земли - атмосферу. Кроме того, значительное количество газов заполняет пустоты и полости в почвах и в горных породах, находится в сорбированном состоянии. Для всех живых организмов, в том числе и для людей, наиболее важны атмосферные и почвенные газы. Поскольку раньше условия жизнедеятельности людей определялись приземной атмосферой, то техногенные процессы влияли на атмосферу в основном на первых километрах от земной поверхности; теперь же этот показатель изменился и составляет уже десятки километров.

В первую очередь следует отметить, что процессы жизнедеятельности воздействуют на так называемый озоновый слой, вызывая его разрушение. Сам озоновый слой представляет собой особую оболочку в составе атмосферы с максимальной концентрацией озона на высоте около 20 км. Этот слой резко снижает интенсивность ультрафиолетовой радиации Солнца. В результате она минимальна у поверхности Земли. Таким образом, озоновый слой обеспечивает сохранность живых организмов и жизни на поверхности Земли в целом.

Коллоидная и сорбированная формы нахождения получили максимальное развитие в почвах, хотя они довольно широко распространены в гидросфере и атмосфере. В этих формах переносятся и отлагаются очень многие загрязняющие вещества. Следовательно, без учета коллоидов невозможно полно и комплексно охарактеризовать условия безопасной жизнедеятельности.

Коллоидные системы обычно неоднородные, гетерогенные, состоят не менее чем из двух фаз. При этом одна из них состоит из частиц размером 0,1...1,0 ммк и называется дисперсной фазой. Частицы этой фазы распределены в другой - дисперсионной среде. Вещества, составляющие разные фазы, отличаются рядом свойств и имеют реальную физическую поверхность раздела. Сорбция представляет собой концентрирование на поверхности частиц лишь определенных веществ из дисперсионной среды. Концентрация этих веществ может быть весьма существенной, а связь их с сорбентом - сильной и сохраняющейся продолжительное время.

В результате антропогенной деятельности масса коллоидов возрастает, особенно в атмосфере. По данным В.В. Добровольского, в 1 м³ воздуха содержание тяжелых металлов над континентами составляет n•10^-5 г. Будучи тонкодисперсными, они, попав в легкие человека, могут быстро и в значительных количествах переходить в кровь, что особо вредно, В очень больших количествах аэрозоли содержатся в атмосфере крупных городов. В работах В.А. Алексеенко (1993, 1994, 2000) показано, что основная их часть довольно быстро осаждается в пределах населенных пунктов. Это существенно ухудшает условия жизнедеятельности людей в местах их наибольшей плотности проживания.

Техногенные соединения, не имеющие природных аналогов, впервые были выделены автором в 1989 г. как самостоятельная форма нахождения химических элементов в земной коре. Количество соединений, созданных человеком и не имеющих природных аналогов, в последние десятилетия непрерывно и очень быстро растет как по их общей массе, так и по видовому разнообразию. Усиливается и их воздействие на организмы. Не учитывать геохимической (биологической) роли техногенных соединений становится невозможным.

Кратко рассмотрим основные группы таких соединений. К ним в первую очередь следует относить различные пластмассы, синтетические моющие средства; многие галогеносодержащие органические соединения, пестициды, полициклические ароматические углеводороды. Их бесконтрольное производство уже сейчас начинает угрожать безопасности жизнедеятельности. Можно уверенно предполагать, что в будущем эта проблема может войти в число основных, стоящих перед человечеством. Причин, позволяющих высказать такое предположение, довольно много. Кратко рассмотрим три из них, которые мы относим к основным:

1. Очень большое число техногенных соединений, не имеющих природных аналогов, относится к токсичным или становится таковым, вступая в реакции с другими веществами. При этом многие из этих соединений создаются не специально, а являются побочными продуктами различных производственных процессов.

2. Особое значение имеет проблема утилизации веществ, очень медленно разлагающихся в условиях биосферы. Это относится к различным пластмассам, диоксинам, синтетическим волокнам, фреонам и т. д. Учитывая опыт других стран, стоит задуматься, следует ли создавать многие пестициды, красивые и трудно разлагающиеся упаковки для различных товаров и многие другие соединения во вред развития живых организмов, включая, в конечном счете, человека.

3. Непосредственное воздействие (а особенно его поздно сказывающиеся последствия) рассматриваемых соединений на человека и другие живые организмы изучено явно недостаточно. Вероятно пройдут еще многие годы, прежде чем будет решена эта проблема.

К биогенной форме относятся химические элементы и их сочетания в земной коре, образующие все многообразие животных и растительных организмов. Впервые эта форма была рассмотрена В. И. Вернадским. Несмотря на сравнительно небольшое содержание живых организмов, обитающих в земной коре, без учета их деятельности невозможно правильно представить геохимические процессы, протекающие на поверхности Земли. Особо отмечая это, В.И. Вернадский писал: "...живое вещество в биосфере играет активную основную роль и по своей мощности ни с чем, ни с какой геологической силой не может даже быть сравнимо по своей интенсивности и направленности во времени". К живому веществу биосферы, по определению В.И. Вернадского, относится совокупность всех ее живых организмов. Не останавливаясь на многообразии процессов, протекающих под воздействием живого вещества, отметим только, что в результате жизнедеятельности и автотрофных бактерий (синтезируют из неорганических соединений органические, используя энергию Солнца), и гетеротрофных (используют органические вещества, созданные другими организмами) образуется вода. В результате процессов фотосинтеза выделяется свободный кислород.

Таким образом, ряд живых организмов создает условия, обеспечивающие жизнь и безопасность жизнедеятельности людей.

Живое вещество

Пока только на одной планете Солнечной системы - на Земле - известна жизнь. Формы существования живых организмов многочисленны, В настоящее время мы выделяем бесклеточное живое вещество (вирусы), бактерии (имеющие и не имеющие ядра), растения, грибы, животные. Изучение их элементного состава показало, что они состоят из тех же химических элементов, что и неживые (косные) естественные тела. Однако еще В.И. Вернадским было подчеркнуто, что "между живыми и косными естественными телами биосферы нет переходов - граница между ними на всем протяжении геологической истории резкая и ясная".

Суммарная масса живого вещества (в пересчете на сухой вес) равняется (2,4...3,6)• 10¹² т (Реймерс), т.е. очень мала по сравнению с массой земной коры (28,46• 10¹⁸ т). {Вспомним сравнение литосферы и живого вещества, сделанное В.М. Гольдшмидтом.)

Однако следует учесть, что определенная часть живых организмов постоянно отмирает, а на смену ей образуются новые организмы (по мнению В.И. Вернадского, общая масса живого вещества остается все время примерно одинаковой). Чтобы охарактеризовать течение этого процесса во времени, используют такой показатель, как ежегодная продукция живого вещества. Для Земли в целом он равняется 2,3 • 10¹¹ т. Выдающийся геохимик нашего времени А.И. Перельман подсчитал, что если последние 500 млн лет годичная продукция была близка к современной, то ее суммарное количество за это время превысило массу земной коры. Правда, вполне вероятно, что основная часть химических элементов, составляющих живые организмы, в процессе биологического круговорота снова попадает в организмы и существенного обмена между организмами и литосферой не происходит.

Каждый химический элемент, входя в организм, по В.И. Вернадскому, "проходит длинный ряд состояний, входит в ряд соединений, прежде чем выйти из него... Атомы, вошедшие в какую-нибудь форму живого вещества, захваченные жизненным вихрем, с трудом возвращаются назад в косную материю". В этой связи интересны данные, полученные при изучении миграции изотопов. Они позволяют считать, например, что выделяющийся при фотосинтезе кислород образуется преимущественно за счет воды, а кислород из углекислого газа идет на образование органических соединений. Всего же кислород составляет около 70% массы живого вещества. На долю углерода приходится 18%, а водорода- 10%. Таким образом, в сумме три этих элемента составляют свыше 98% всей массы живых организмов. Еще пять химических элементов (Са, К, N, Na, Si) содержатся (каждый из них) в организмах в десятых долях процента. Естественно, что все остальные химические элементы обычно образуют в живом веществе концентрации от n• 10^-2 % до n• 10^-12 %.

Считается, что в живом веществе резко преобладает фитомасса, а зоомасса не превышает 2% массы растений. Леса же составляют около 82% фитомассы.

При изучении живого вещества отдельной проблемой стоит его специфика - коренные отличия от косного, неживого вещества. Впервые этот вопрос довольно детально рассматривался В.И, Вернадским. К настоящему времени можно выделить ряд таких основных отличий;

1. Живое вещество биосферы характеризуется огромнейшей свободной энергией. В неорганическом мире с ней сопоставимы только незастывшие лавовые потоки. Но последние, очень быстро остывая, теряют ее.

2. В живом веществе скорость протекания химических реакций в тысячи (а иногда - в миллионы) раз выше, чем в неживой. При этом незначительные начальные порции масс и энергии могут вызвать трансформацию гораздо больших масс и энергий. Так, определенные виды гусениц перерабатывают в сутки в 200 раз больше пищи, чем их собственная масса.

3. Основные химические соединения, определяющие состав живого вещества (белки, ферменты и др.), устойчивы в природных условиях только в живых организмах.

4. Для живых организмов характерны две формы движения, выделенные В.И. Вернадским: пассивная, определяемая их ростом и размножением, и активная, осуществляемая за счет направленного перемещения. Первая из них характерна для всех организмов, вторая - в основном для животных.

Пассивное движение организмов отличают стремление заполнить большинство пространства. В.И. Вернадский назвал этот процесс давлением жизни. Его сила (т. е. скорость размножения) в целом обратно пропорциональна размерам организмов. Очень большим давлением обладают бактерии, вирусы, грибы. У отдельных видов бактерий новое поколение образуется через 22...23 мин. При отсутствии преград к размножению они почти за сутки заняли бы всю поверхность Земли. В этих же условиях гриб дождевик (каждый экземпляр дает около 7,5 млрд спор) уже во втором поколении имел бы объем, в 800 раз превышающий размеры нашей планеты. Слонам же для заселения поверхности Земли потребуется более 1000 лет. Рассмотренной особенностью пассивного движения объясняется распространение эпидемий, вызываемых бактериями и вирусами.

Движение второй формы происходит за счет собственного передвижения организмов. У раздельнополых оно осуществляется самками, приносящими потомство в новых районах.

5. Для организмов характерно гораздо большее морфологическое и химическое разнообразие, чем для неживой природы. Говоря о разнообразии размеров и морфологии, достаточно сравнить вирус со слоном или китом. Их размеры отличаются в миллиарды раз. Химический же состав живого вещества определяют более 2 млн различных органических соединений. Вспомним, что число природных минералов составляет всего около 2 тыс., т.е. в тысячу раз меньше.

Тела живых организмов могут состоять из веществ, находящихся одновременно в трех фазовых состояниях, и, несмотря на это, представлять Единое целое.

6. При огромном разнообразии химического состава организмов они построены в основном из белков, содержащих одни и те же аминокислоты. Передача наследственной информации идет у них по одному пути (ДНК - РНК - белок) с использованием одного генетического кода.

7. Нормальное развитие организмов, в том числе человека, в природе возможно только в их сообществе с другими организмами (биоценоз). Это одно из основных положений безопасности жизнедеятельности людей на практике часто игнорируется. В процессе своей жизнедеятельности мы часто уничтожаем многие виды живых организмов (и часто - безвозвратно), забывая, что тем самым уменьшаем свою безопасность. Перефразируя Дж. Дона, можно сказать: уничтожая живые организмы, не спрашивай никогда, по ком звонит колокол - он звонит по Тебе.

8. Живое вещество существует только в форме непрерывного чередования поколений. Поэтому оно генетически связано с организмами прошлых геологических эпох.

9. Со сменой поколений идет эволюция живого вещества. Как правило, этот процесс наиболее характерен для высших организмов, поскольку примитивнее организм, тем он более консервативен. Периодически возникает вопрос о начале жизни на нашей планете. Обычно высказываются две основные точки зрения на эту проблему: жизнь проникла на нашу планету из космического пространства и жизнь образовалась каким-то неизвестным путем из косной (неживой) материи в один из древнейших периодов ее геологического развития. Иначе подходил к этим проблемам В.И. Вернадский. В работе 1940 г. "Начало жизни и эволюция видов" все живые организмы он объединяет в "момент жизни", "жизненную среду" (не путать со средой обитания организмов). Отрицая начало жизни как точку, от которой в процессе эволюции должен расходиться пучок ветвей, он говорит о параллельных ветвях развития организмов, независимых в происхождении друг от друга, но составляющих единый момент жизни. Он остается в главных своих чертах постоянным в течение геологического времени. Однако при этом формы жизни изменяются. В соответствии с этим В.И. Вернадский считает несостоятельными и фантастичными попытки объяснить происхождение наземных организмов из морских. Кроме того, в другой своей работе "Биосфера" он указывает, что и "воздушная жизнь в рамках геологического времени так же стара, как и морская; ее формы развиваются и изменяются, но это изменение происходит всегда на земной поверхности".

Не разбирая подробно гипотез возникновения жизни на Земле, будем в дальнейшем придерживаться, вслед за В.И. Вернадским, точки зрения о практически одновременном формировании планеты Земля и возникновении на ней жизни. Результаты последних исследований в этой области все больше и больше согласуются с таким подходом к рассматриваемой проблеме. По поводу соседних с Землей планет пока достоверно можно говорить лишь о таких формах нахождения химических элементов, образующих поверхностные оболочки, как о минеральной, о газовых смесях и, вероятно, о состоянии рассеяния.

Минералы, определенные на всех доступных к настоящему времени планетах, близки к земным. Состав же газовых смесей, определенный на этих планетах, весьма отличается от земной атмосферы (см. табл. 1. Т). В атмосфере ближайших к Земле планет (Венеры и Марса), помимо указанных в табл. 1.1, предварительно установлены в виде примесей N_2, CO и следы паров воды. Кроме того, в атмосфере Венеры отмечены пары HCI и HF. Достоверно говорить о наличии на указанных планетах коллоидной и сорбированной форм пока нельзя. С освоением космического пространства на ближайших к нам планетах появились элементы в форме техногенных соединений.

Все сказанное позволяет сделать следующие выводы:

1. Планета Земля по своим параметрам и положению в Солнечной системе довольно близка к соседним планетам, но существенно отличается по формам нахождения химических элементов, образующих поверхности этих планет.

2. Только на Земле к настоящему времени выявлена биогенная форма нахождения элементов. Скорее всего, отсутствием этой формы можно объяснить весьма существенные отличия состава газовых смесей на ближайших к ней планетах, а, возможно, и отсутствие на них химических элементов в такой форме, как поверхностные водные растворы.

3. Создание на нашей планете условий, определяющих не только возможность жизни людей, но и безопасность их жизнедеятельности, следует связывать с наличием на планете живого вещества. Это необходимо учитывать при любых видах антропогенной деятельности и прилагать максимальные усилия для сохранения общей биомассы организмов и их существующего биоразнообразия.

4. Различные соотношения химических элементов, образующих на поверхности Земли основные формы нахождения, как и само соотношение различных форм, часто определяют развитие того или иного вида производственной деятельности в конкретном регионе и мероприятия по безопасности жизнедеятельности.

* Существует также миграция элементов, связанная с процессами формирования и разрушения планет и звезд. Эти процессы рассматриваются в другой науке - в космохимии.