Занимательная геохимия. Химия земли - Александр Евгеньевич Ферсман

В скелетах некоторых морских организмов обнаружили вместо кальция барий и стронций.

Некоторые организмы, например морские беспозвоночные оболочники, выбирают и накапливают атомы ванадия из морской воды и морского ила, где имеются лишь ничтожные следы этого элемента.

После гибели этих организмов ванадий в концентрированном виде остается в морских осадках.

Другие, как, например, водоросли, выбирают из морской воды йод, которого здесь миллионные доли процента. Затем йод с остатками морских водорослей поступает в морской грунт. В породе, впоследствии сложившейся из этого грунта, образуются йодные минерализованные воды. И мы добываем йод из пластовых вод, пробуривая глубоко породы там, где было когда-то море.

Геохимическая роль подобных организмов-концентраторов огромна.

Чем совершеннее техника исследования состава организмов, тем большее число химических элементов находим мы в них, правда, в очень малых количествах.

Вначале даже допускали, что серебро, рубидий, кадмий и другие химические элементы, обнаруженные в организмах, — лишь случайное загрязнение, но теперь твердо установлено, что практически в состав организмов входят все химические элементы. Весь вопрос в том, в каких количествах содержатся они в разных организмах. В настоящее время именно этот вопрос и занимает ученых.

Мы заранее можем сказать, что состав организмов далеко не повторяет состава окружающей среды — пород, вод, газов, вместе взятых.

Например, в почвах и породах находятся в значительных количествах титан, торий, барий и другие химические элементы, между тем титана в организмах в десятки тысяч раз меньше, чем в почвах, и тому подобное.

С другой стороны, в почвах, в водах мало углерода, фосфора, калия и других химических элементов, которые скапливаются в организмах в значительно больших количествах.

С геохимической точки зрения в настоящее время стало ясно, что главная масса тела организмов слагается из тех химических элементов, которые в условиях поверхности Земли — биосферы (области обитания организмов на нашей планете) образуют легкоподвижные соединения или газы. Действительно, углекислота, азот, кислород, вода — все это газы или жидкости легкоподвижные, доступные для организмов в процессе их жизни. Йод, калий, кальций, фосфор, сера, кремний и многие другие легко образуют растворимые в воде соединения.

Раковина аммонита, превратившаяся в минерал марказит (FeS2)

Зато титан, барий, цирконий, торий хотя и находятся в достаточном количестве в почвах и породах, не образуют в биосфере легко растворимых в воде и, следовательно, легко перемещающихся соединений. Они менее доступны или совсем недоступны организмам. Организмы их не накапливают. Они находятся в них в непропорционально малых количествах.

Очень мало в организмах и тех химических элементов, которых в биосфере недостаточно, как, например, радия, лития.

Химические элементы, находящиеся в организмах в очень малых количествах — порядка сотых долей процента и меньше, — называются часто микроэлементами.

В настоящее время признано, что физиологическая роль микроэлементов очень важна. Многие микроэлементы входят в состав физиологически важных веществ организмов, наподобие того как железо входит в состав гемоглобина крови, йод входит в состав гормона щитовидной железы животных, а медь и цинк — в состав ферментов животных и растений.

Можно было бы построить карту анатомического строения организмов с указаниями, где, в каких органах и тканях концентрируются химические элементы. Но нас сейчас занимает геохимическая роль организмов.

И мы должны согласиться, что разные организмы выполняют различные геохимические функции в зависимости от их способности концентрировать тот или иной химический элемент, или, иначе говоря, в зависимости от их химического элементарного состава.

«Кальциевые» организмы, из скелетов которых слагаются известняки, участвуют в геохимической истории кальция в биосфере; организмы, концентрирующие кремний, ванадий, йод, играют важную роль в истории этих атомов.

Перед нами стоит задача — изучить влияние организмов на геохимическую историю разных атомов в биосфере, оценить это влияние и использовать его.

Уже сейчас оказалось возможным отыскивать месторождения металлов, наблюдая за характером растительности данного места и находя известные растения — концентраторы этих металлов. Руда, лежащая под почвой, невольно заражает собою почву. В такой почве увеличивается содержание никеля, кобальта, меди, цинка, а следовательно, увеличивается и содержание их в растениях.

Поэтому сейчас анализируют содержание этих элементов в растениях. Если оно повышенное, роют канавы и закладывают шурфы. Так были открыты некоторые цинковые, никелевые, молибденовые и другие месторождения.

Организмы — растения и животные — «привыкли» к определенной концентрации тех или иных химических элементов в среде — водах, почвах, породах. Там, где их оказывается меньше или, наоборот, больше, организмы отвечают изменениями своей формы и роста. Недостаток йода в почвах, водах и продуктах в некоторых горных районах вызывает у людей и животных эндемический зоб, а недостаток кальция — ломкость костей, и так далее.

Это все указывает, какая тесная зависимость существует между так называемой мертвой природой и живым веществом.

Они связаны друг с другом общей историей атомов химических элементов.

И чем лучше и подробнее мы будем знать историю перемещения химических элементов — атомов — на Земле, тем ярче и точнее будем представлять себе геохимическую деятельность живых организмов, а для этого необходимо прежде всего знать их количественный химический элементарный состав.

Атомы в истории человечества

Прослеживая историю открытия химических элементов, мы наталкиваемся на странные и удивительные вещи. Первые элементы человек узнал попутно, не думая о них, даже не подозревая, что он владеет тайной, которая открыла бы острому уму важнейшие секреты природы. Трудно, с колоссальным усилием проникала в сознание почерпнутая из практики мысль о простых веществах, лежащих в основе строения всякой материи.

Алхимики не знали способа отличать простое тело от сложного, но они знали металлы и некоторые вещества, например мышьяк и сурьму. Вершины алхимической мудрости изложены в следующей записке алхимика:

Семь металлов создал свет

По числу семи планет.

Дал нам космос на добро

Медь, железо, серебро,

Злато, олово, свинец…

Сын мой! Сера их отец.

И спеши, мой сын, узнать:

Всем им ртуть родная мать!

(стихотворный перевод Н. Морозова)

Алхимики, а позднее некоторое время и химики называли металлы именами планет: золото — Солнце, серебро — Луна, ртуть — Меркурий, медь — Венера, железо — Марс, олово — Юпитер, свинец — Сатурн. Мышьяк и сурьма не считались металлами, хотя их свойства окисляться и возгоняться при нагревании были известны очень хорошо.

К сожалению, алхимики часто маскировали свои рецепты нелепыми и подчас трудно понимаемыми аллегориями.

Вот, например, «филозофическая рука алхимиков». Вы видите на ладони рыбу — символ ртути и огонь — символ