kosnoe veoestvo
Основы экологических знаний

Косное вещество и его свойства

Косное вещество, по Вернадскому, —  это:

«Материально-энергетически вещество, строящее биосферу резко неоднородно. Мы в нем с этой точки зрения должны различать главную массу вещества её, не входящую в живое вещество; вещество, которое я буду называть косным, не живым. По весу главная его часть состоит из горных пород. Но по объему выступают на первое место жидкие и газообразные тела – океан и атмосфера. В них находится – живет – совокупность живых организмов планеты – её живое вещество»

Деление вещества на уровни строения, строго говоря,  очень условно, потому что любое вещество есть смесь различных соединений, а в некоторых случаях – смесь элементов. Так, например, большинство горных пород и многие минералы являются сложными смесями, состоящими в основном из ионных соединений, а  цитоплазма клеток живых организмов представляет собой коллоидный раствор, в котором есть и сложные биополимеры и ионы и молекулы со свободными радикалами. Поэтому из общего планетарного вещества, мы вслед за Вернадским, сначала выделим косное вещество, проанализируем с помощью знаний о кларках строение самых типичных и распространенных молекул, а потом сравним их строение со строением и свойствами биологических молекул, составляющих живое вещество планеты Земля.

Иначе говоря, косное вещество – это субстрат жизни для живого вещества. И при этом косное вещество, по выражению В.И. Вернадского, «пронизано» живым веществом. Надо признать, что мы до сих пор не знаем точных границ этого  проникновения.

Для ответа на вопрос, какова структура косного вещества, мы рассмотрим абстрактный «чистый» субстрат, т.е. косное вещество без малейших вкраплений живого вещества.

Косному веществу присущи разные агрегатные состояния: твердое, жидкое, газообразное и плазма[1].

Твёрдое косное вещество    

Твердое  косное вещество – это в основном, минералы[2]. Минералогический состав земной коры – это не то же самое, что её химический состав. Ведь она сложена не из отдельных разобщенных атомов, а из самых различных их сочетаний – природных химических  соединений, какими и являются минералы. В настоящее время известны около 4000 минералов (силикаты, оксиды, гидроксиды, карбонаты, сульфиды, фосфаты и др.), но широко распространены в природе примерно 500.

mineraly
Россыпь минералов

__________________________________________________________________________

[1]        Плазма (от греч.plasma – вылепленное, оформленное), ионизированный газ, в котором концентрации положительных и отрицательных ионов равны (квазинейтральность). В состоянии плазмы находится подавляющая часть вещества Вселенной: звезды,  галактические туманности и межзвездная среда. Около Земли плазма существует в виде солнечного ветра, магнитосферы и ионосферы. Высокотемпературная плазма (Т ≈ 106-108К )из смеси дейтерия и трития исследуется с целью осуществления управляемого термоядерного синтеза. Низкотемпературная плазма (Т≤105К) используется в различных газоразрядных приборах (газ. лазерах, ионных приборах, МГД-генераторах, плазмотронах, плазменных двигателях и т.д.) а также в технике. (БЭС, М., СПб., 2000, с. 915).   

[2]        Минерал: 1. Обычно твердое, достаточно четко физически и химически отчлененное от других, относительно однородное по составу и свойствам тело в составе горных пород, руд и метеоритов;

2. Синоним любого неорганического вещества (солей и др.) (разг.)

Фракталы в минералогии

Мы, конечно, не учитываем то множество искусственно полученных минералов – это стало привычным делом, и нет предела экспериментированию в химических лабораториях. В природе же действует строгий ограничитель: чем выше кларк того или иного элемента, тем больше образуется минералов, в состав которых этот элемент входит (и наоборот).

Кислород, как обладатель наивысшего кларкового рейтинга, входит в почти половину из них, а именно в состав 1364 минералов. Известно более 430 природных минералов, в которых содержится кремний. Затем следуют алюминий, железо, кальций, калий, натрий, магний – каждый из них образует внушительное число минералов. Способность образовывать минералы зависит не только от кларка химического элемента, но также от его свойств. Инертные газы не образуют ни одного соединения в земной коре.

В начале ХIХ века общая до того времени наука о камнях и других ископаемых разделяется на минералогию (науку об ископаемых кристаллах) горнорудное дело, металлургию, геологию и палеонтологию. В конце ХIХ века законы построения кристаллов из атомов и молекул стала изучать наука кристаллохимия, а описывать разнообразие кристаллов – кристаллография. При изучении свойств кристаллов неожиданно оказалось, что многие особенности строения и «поведения» минералов можно сопоставить с явлениями, которые раньше были известны только для мира живой природы. Так появились термины «генерации (поколения) минералов», «анатомия кристаллов», «борьба за выживание», «конкуренция» между отдельными зернами минералов в их сообществах. Теперь все чаще обнаруживаются точки соприкосновения минералогии с новейшими разделами других фундаментальных наук – физики, химии, математики. Так, например, формы многих сростков минералов можно описать при помощи фрактальной геометрии[1]. (Геология: Энциклопедия, т.4 М.: Аванта+, 1995.621 с.)

       Кристалл висмута     

 

Родохронит
Родохронит

____________________________________________________________________________

[1]          Фрактал (лат. fractus — дроблёный) — термин, введённый Бенуа Мандельбротом в 1975 году для обозначения нерегулярных самоподобных множеств. В его работах использованы результаты других учёных, работавших в той же области (Пуанкаре, Жюлиа, Кантор, Хаусдорф).

            Фрактал — это бесконечно самоподобная геометрическая фигура, каждый фрагмент которой повторяется при уменьшении масштаба. Масштабная инвариантость, наблюдаемая во фракталах, может быть либо точной, либо приближённой.

Биоминералогия

biomineral
Биоминералы в составе тел

И все-таки, полностью освободить земное косное вещество от живого почти невозможно. «На заре человеческой деятельности возникла также биоминералогия[1]. В XIX веке, когда начала бурно развиваться геохимия, биология и минералогия двигались по отдельным направлениям. Сегодня же биоминералогия — бурно развивающееся научное направление, которое сложилось на стыке нескольких наук — биологии, геологии и медицины. В результате биоминерального взаимодействия за 3,8 миллиардов лет, например, образовалось около 2 процентов земной коры. Сегодня известно около 300 биоминералов. Биоминералы находятся не только в недрах Земли, но и во всем живом на планете, включая человека. К физиоминералам, например, относятся продукты физиологической деятельности организмов (жемчуг, скорлупа птичьих яиц, кости скелета). Из таких биоминералов складываются целые пласты горных пород, до 18 процентов всех осадочных пород. Биоминералы играют скорее не определяющую роль в жизнедеятельности организмов, а подсобную. Кроме скелетных, поддерживающих и защитных функций, они выполняют сенсорные функции, позволяющие ориентироваться в пространстве (благодаря кристалликам магнетита), и орудийные (зубы для перемалывания пищи). Но биоминералы входят и в состав различных новообразований патогенного характера, возникающих при нарушениях в работе организма. Кстати, такие биоминералы (фосфаты, карбонаты) можно обнаружить практически во всех тканях и органах человека и животных. Рост таких кристаллов в организме причиняет человеку острую боль. Это не только мочевые и желчные камни, но и зубные, слюнные, «сердечные» и «легочные», отложения в костях, мышцах, сосудах, опухоли и даже минеральные выцветы на коже. И если раньше особенности образования биоминералов в организме человека оставались делом исключительно медицинским, то сегодня взаимодействие кристаллов и организма изучает минералогия и кристаллохимия. Интерес к этой проблеме во всем мире постоянно растет из-за резкого ухудшения экологической обстановки. Растет количество заболеваний, при которых возникают патогенные образования в организме человека. Изучение их строения и состава поможет ответить на важные вопросы: почему возникают такие образования, в каких условиях они образуются, как изменяется среда и они сами с развитием заболевания, как можно повлиять на химизм среды, чтобы предотвратить их образование и рост и разработать эффективные методы их лечения без операции?

Фитоминералы

Другая группа биоминералов содержится в растениях.  Не надо думать, что в растениях содержатся именно кристаллы минералов, или мелкие камни.  Внутренняя среда клеток и проводящих тканей растений — это обычно насыщенный раствор разных химических веществ, в том числе солей или ионов калия, натрия, хлора и многих других. Состав минеральных веществ, содержащихся в растениях, зависит от почвы и условий произрастания и определяется по спектральному анализу зольного остатка, то есть, после сжигания.

Это относительно новый класс фитоминералов, еще предстоит понять его роль в формировании литосферы.Из растений, например, можно добывать особо чистый кварц и даже самородное золото.  Сейчас фитоминералогия занимает лидирующие позиции в косметологии и диетологии.  Нет ничего лучше, чем витамины, полученные из растений.

Для геологии важно, что значительное количество источников полезных ископаемых также образовали биоминералы. Они имеют свою специфику, особенный состав и схему образования, поэтому резко отличаются от литосферы. Они занимают некое промежуточное звено между живыми организмами и литосферой, обладая кристаллической структурой, на создание которой требуется затратить много энергии. И если литосфера в основном состоит из силикатов, то большую часть биоминералов занимают фосфаты, по массе — карбонаты, есть окислы и сульфиды. Академик РАН Н.П. Юшкин в своих работах подтвердил идею Вернадского о том, что почти все вещество литосферы переработали живые организмы.

 Нас с Вами минералы интересуют с точки зрения экологии, и это не случайно. Минералы настолько многообразны, индивидуальны, что свести все их свойства в одно определение, можно только вычленив самое главное их свойство – природное происхождение. То есть, минерал – однородный, обычно кристаллический продукт природных процессов, имеющий определённые физические свойства и химический состав. Таким образом, даже полностью сходные с природными образованиями вещества, изготовленные в лаборатории (алмазы, рубины), строго говоря, минералами назвать нельзя. Запомним очень важное для нас – «продукт природных процессов». Еще минералы называют основными «кирпичиками» неживой природы. Действительно, это ведь не только красивые кристаллы на музейных полках, это и разноцветные зернышки в расколотом булыжнике и песчинки на морском берегу, и золотой песок в лотке старателя, и снежинки на рукаве. Они слагают оплавленные куски метеорита и кусок руды в ковше экскаватора и угольный пласт в шахте. (Энциклопедии Аванта+, т.4, Геология, 621 с).

Горные породы.

классификация-горных-пород

Природное соединение одного или нескольких минералов, или скопление минеральных обломков образуют горные породы. По условиям образования горные породы делятся на магматические, или изверженные – те, которые образуются при застывании природных расплавов – магм, лавы;

метаморфические – образуются из магматических, осадочных или ранее метаморфизированных пород на больших глубинах при свойственных им высоких температурах и давлении, а также при обогащении различными газами и парами, выделяющимися из близкорасположенного магматического очага; осадочные – формируются на поверхности Земли при разрушении пород и минералов, а также в результате жизнедеятельности или отмирания организмов. Кратко уточним, из чего состоит каждый тип горных пород.

Магма – это насыщенный газами природный высокотемпературный расплав. Чаще всего состоит из силикатов и алюмосиликатов (SiO2, Al2O3 и химически связанных с ними оксидов К, Na, Ca, Mg, Fe, Ti)

Метаморфические – значит, превращающиеся из одного предмета в другой. Известняки, глины, базальты и др. под действием высоких давления и температуры с помощью проникновения в них высокотемпературных газов и растворов (флюидов) перекристаллизовываются, изменяют свой минеральный состав, размеры зерен и многое другое. В результате этого процесса образуются нежно-зеленые нефриты, сиреневые чароиты, разнообразнейшие яшмы, прочные, как кремень, песчаники и многие драгоценные камни (рубины, благородная шпинель и др.)[2].

Осадочные породы – состоят из продуктов разрушения высоких скал, глубоких оврагов, лесов, пустынь, животных, растений, людей, словом, всего того, что подвержено разрушению и распаду. Продукты разрушения могут быть различны по своим размерам – от крупных глыб до мельчайших пылинок. Но все они так или иначе отрываются от исходных материнских тел и образуют новые геологические тела, новые скопления минеральных и органических частиц. В рыхлом виде такие скопления называются осадком, при уплотнении из них образуются осадочные породы. Как и все горные породы, осадочные породы также состоят из скоплений минералов, но эти минералы могут иметь не только химическое, но и органическое происхождение. Внешняя оболочка Земли, на которой образуются и где находятся осадочные породы, называется в геологии  стратисферой, её изучает наука литология. Отдельную группу осадочных пород составляют каустобиолиты (от греч. «каустикос» — «горючий», «биос» — «жизнь», «литос» -«камень»). Эти породы – торфы, угли, горючие сланцы – образовались из остатков растений, к этой же группе относятся янтарь и нефть.

Осадочные породы

Что касается жидкой составляющей косного вещества, то самый распространенным его компонентом является могучая, великая и таинственная вода с простой формулой Н2О.

foto sergeja filimonova

Газообразная часть – это воздух, которым мы дышим, или атмосфера, оболочка Земли, представляющая собой смесь газов, водяных паров и пыли. В нем содержится азота 78,1%, кислорода – 20,9%, аргона – 0,93%, прочих газов – 0,07%.

vozdukh

 

Вот это все, что касается косного вещества, лежащее на поверхности нашего бытового понимания. Но при подходе: «косное вещество – это все то, что неживое», нужно, пожалуй, отнести сюда и солнечное излучение, и озоновый слой атмосферы, и гравитацию, и электромагнитное поле Земли, и звуковые волны, и, конечно, пространство и время. Строго говоря, последнее перечисленное мало похоже на какое-либо вещество, это больше его свойства, его характеристики, но все это настолько важно для последующего понимания взаимосвязей между живым и неживым.

[1]              Это учение о преобразовании минералов, протекающем в геологической среде с разнообразным участием организмов.

[2]        Наиболее распространенные метаморфические породы: кварцит, гнейсы, сланцы, скарны, грейзен.

 

Один комментарий

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *