Миллиарды лет назад Земля выглядела совсем не так, как сейчас. Это было неспокойное место — с постоянными извержениями вулканов, неистовыми ливнями и сверкающими молниями. В ат­мосфере почти не содержалось кислоро­да, а озоновый слой, поглощающий жё­сткое излучение Солнца, отсутствовал совсем. Вот в таких условиях возникали простейшие органические молекулы. Процесс их возникновения можно вос­произвести в лабораторном эксперимен­те. Если через нагретую смесь воды и га­зов, например метана СН₄, углекислого газа СО₂, аммиака NН₃ и водорода Н₂, пропускать электрический разряд или ультрафиолетовое излучение, из них образуются небольшие, содержащие уг­лерод молекулы. Но наша планета обла­дала огромными преимуществами перед учёными: она была (как, впрочем, оста­ётся и по сей день) очень велика и рас­полагала сотнями миллионов лет.

Что тогда происходило, мы в точно­сти не знаем, и вряд ли когда-нибудь будем знать наверняка. Однако сущест­вует модель химической эволюции, ко­торая объясняет происхождение и раз­витие биомолекул.

Живая клетка состоит из ограниченного набора эле­ментов, причём на долю четырёх из них (С, Н, N, О) приходится около 99 % её общей массы. А соединение, которое живая клетка содержит в наибольшем количе­стве, — это вода. Она составляет около 70 % массы клет­ки, и большинство внутриклеточных реакций протека­ет в водной среде. Жизнь на нашей планете возникла в океане, и условия этой первобытной среды наложили не­изгладимый отпечаток на химию живых существ.

Вода — привычное нам вещество, но с точки зре­ния и химика, и физика, она обладает аномальными свойствами. Из-за своей сильной полярности молеку­лы воды вмешиваются во все протекающие в водной среде реакции, активно взаимодействуя с другими мо­лекулами. Полярностью молекул воды объясняются и её необычно высокие температуры плавления и кипе­ния, а также поверхностное натяжение. «Самое удиви­тельное вещество в мире», «вещество, которое созда­ло нашу планету» — так учёные отзываются об этом соединении.

В древности люди не имели чёткого представления о том, чем раз­личаются живая природа и «мёртвая» материя, а потому допуска­ли произвольное зарождение жизни, если для этого есть подходя­щие условия. Во времена Аристотеля полагали, например, что простейшие животные могут появляться при переходе влажных тел в сухие и наоборот. Якобы роса, сгущаясь на листьях капусты, спо­собна порождать гусениц, из которых впоследствии выходят бабоч­ки-капустницы; из пыли образуется моль; гниющее мясо само по себе превращается в червей и т. д. Подобные идеи господствова­ли на протяжении многих веков. Один из крупнейших учёных XVII в. голландский врач и естествоиспытатель Ян Баптист ван Гельмонт утверждал, что он лично наблюдал самопроизвольное зарождение мышей в горшке с грязными тряпками, пшеничной мукой и пылью. Но уже его современник, выдающийся английский врач Уильям Гарвей (1578—1657), предположил, что каждое живое существо по­является только от себе подобного. Исключение он сделал лишь для некоторых паразитических форм.

На протяжении многих веков учёные пытались понять: что есть жизнь? Шло время, одна эпоха сменяла дру­гую, философы и естествоиспытатели ломали копья в спорах. И хотя наши знания о мире существенно расшири­лись, но этот вопрос по-прежнему остаётся открытым.

С точки зрения химика, всё про­сто: вещество — и живое, и нежи­вое — состоит из разных по размеру и составу молекул, а молекулы, в свою очередь, — из атомов. И объединение атомов в молекулы, и взаимодействие молекул подчиняются общим законо­мерностям. Но если на этом уровне никаких принципиальных различий между живым и неживым, казалось бы, нет, почему же тогда в нашем со­знании эти два мира разделены про­пастью? Если и тот и другой состоят из обыкновенных молекул, почему по строению и свойствам живое и нежи­вое столь не похожи друг на друга?

Ежесекундно на Земле вспыхивает в среднем 100 молний. И хотя каждая вспышка длится всего доли секунды, их общая электрическая мощность дости­гает 4 млрд. киловатт. Резкое повыше­ние температуры в канале молнии — до 20 000 °С — приводит к разрушению молекул азота и кислорода с образова­нием оксида азота NO. Последний за­тем окисляется атмосферным кислоро­дом в диоксид: 2NO+О₂=2NO₂, который в свою очередь, реагируя при избытке кислорода с атмосферной вла­гой, превращается в азотную кислоту: 4NO₂+2Н₂О+О₂=4HNO₃. В резуль­тате этих процессов ежедневно обра­зуется примерно 2 млн. тонн HNO₃ (или более 700 млн. тонн в год), и в виде сла­бого раствора выпадает на землю с дождями. Это количество «небесной» азотной кислоты интересно сравнить с её промышленным производством, к слову, одним из самых крупнотоннаж­ных. Оказывается, здесь человек дале­ко отстаёт от природы: мировое произ­водство азотной кислоты составляет около 30 млн. тонн в год.

Благодаря расщеплению молекул азота молниями на каждый гектар зем­ной поверхности, включая горы и пус­тыни, моря и океаны, ежегодно выпа­дает около 15 кг азотной кислоты. В почве, а частично и в атмосфере, она переходит в соли — нитраты, которые являются прекрасными азотными удоб­рениями и необходимы для роста рас­тений.

Организмам для жизни нужны вещества и элементы в определённых соотношениях. Например, когда растёт картофель, ему тре­буются азот, фосфор и калий в соотношении 9:4:16. Именно в таких пропорциях (с не­которыми вариациями) он и будет поглощать элементы из почвы. Если, допустим, соотношение доступных азо­та, фосфора и калия в почве 20 : 4 :20, то лишние азот и калий останутся в земле, а картофель вырастет ровно настолько, на­сколько ему хватит фосфора. И даже если залить поле азотны­ми удобрениями, урожай не поднимется. Чтобы урожай увели­чился, а азот и калий поглотились, нужно внести фосфорные удобрения, т. е. тот элемент, который находится в относительном недостатке.

На такую зависимость роста урожая от количества удобрений впервые обратил внимание немецкий химик Юстус Либих. В 1840 г. он сформулировал следующий принцип: «Рост организма ограни­чивается тем ресурсом, который находится в относительном недостатке (лимитирующим ресурсом)». Этот принцип получил на­звание закона Либиха, или «бочки Либиха» (по аналогии с бочкой, уровень воды в которой не может быть выше, чем высота самой низкой рейки). Закон Либиха помогает рассчитать оптимальное ко­личество удобрений, которые нужно вносить под ту или иную сель­скохозяйственную культуру. Этот же принцип позволяет предска­зать, что с увеличением стока соединений азота и фосфора в океаны (где эти соединения являются лимитирующим ресурсом) воз­растёт и поглощение углекислого газа океанскими организмами.

Биосфера состоит из живых организ­мов. Те организмы, которые прожива­ют в одной местности, связаны меж­ду собой многочисленными связями и формируют устойчивые сообщест­ва — биоценозы. Вместе с территори­ей обитания биоценозы образуют эко­системы. Именно по экосистемам и путешествуют элементы и вещества.

Живым организмам нужны энер­гия и строительный материал. Кроме того, и организмы, и экосистемы вы­нуждены поддерживать внутренние условия постоянными, даже если внешние сильно меняются, т. е. под­держивать гомеостаз.

Например, где бы ни жил человек и какую бы пищу он ни ел, концен­трация хлорида натрия в его крови будет постоянной. В организме чело­века всегда находится около 4—5 г железа, независимо от того, вегетарианец он или питается исключительно мясной пищей.

В организмах и экосистемах есть специальные механизмы, которые позволяют им получать из окружаю­щей среды нужные элементы и пре­пятствуют поглощению вредных ли­бо выводят вредные элементы, если уж они в организм попали. Так, все растения накапливают в первую оче­редь азот, фосфор и калий, тепло­кровные животные — железо и хлор, водоросли — медь. А такие элементы, как алюминий, титан, хром, организ­мами практически не поглощаются.

Элементы присутствуют в окружаю­щей среде не сами по себе, а в виде соединений, которые ещё называют химическими формами. Некоторые

Род проходит, и род прихо­дит, а земля пребывает вовеки. Восходит солнце, и заходит солнце, и спешит к месту своему, где оно восходит. Идет ветер к югу, и переходит к северу, кру­жится, кружится на ходу своем, и возвращается ветер на круги свои. Все реки те­кут в море, но море не пере­полняется: к тому месту, от­куда реки текут, они возвра­щаются, чтобы опять течь.

Устье реки, где речная вода смешивается с морской, в результате чего многие элементы переходят в другие формы, — мощный геохимический барьер. Река Колвица. Мурманская область.

Вещество на Земле не стоит на мес­те — оно постоянно перемещается. Масштабы потоков поражают своей грандиозностью. Так, за одну минуту

с поверхности океана испаряется 40 млн. тонн воды! Чтобы перевезти та­кую массу, не хватит всех цистерн, ко­торые курсируют по железным дорогам России. Потоки расплавленной магмы в земных недрах вызывают из­вержения вулканов, землетрясения и даже движение целых континентов. Потоки воды захватывают множест­во веществ, перемещая их на огром­ные расстояния. Одна только река Волга каждый год выносит в Каспий­ское море около 50 тыс. тонн раство­рённых солей, а это не менее десяти железнодорожных составов.

Из-за различий в свойствах ве­ществ они перемещаются по плане­те с разными скоростями, иными словами, отличаются по своей мигра­ционной способности. А из-за неод­нородности Земли миграционная способность одного и того же эле­мента неодинакова для разных облас­тей. В некоторых случаях это приво­дит к концентрированию отдельных элементов. Например, в ртутных ру­дах содержание ртути иногда превы­шает кларк в 100 тыс. раз!

Благородный берилл 3ВеО•Аl₂О₃•6SiO₂ принадлежит к числу популяр­ных драгоценных камней. Чистый, не содержащий примесей берилл бес­цветный, однако такие камни встречаются в природе крайне редко и не ис­пользуются в ювелирном деле. Наиболее распространены окрашенные бериллы. Их окраска обусловлена тем, что часть атомов бериллия и алю­миния в кристаллической решётке минерала замешена ионами переход­ных металлов. В зависимости от цвета различают несколько типов берил­лов, имеющих особые тривиальные названия.

Изумруд (смарагд) — это ярко-зелёный берилл. Эту окраску ему при­дают ионы хрома (Сr³⁺), которые частично замешают ионы алюминия (Аl³⁺) в кристаллической решётке минерала. Чем больше в изумруде ионов хро­ма, тем глубже, интенсивнее становится окраска. Обычно изумруды юве­лирного качества представляют собой мелкие кристаллы. Однако быва­ют и исключения. Самый крупный в мире изумруд, найденный в ЮАР на руднике Сомерсет, имел размер 14х35 см и массу 24 000 карат (4,8 кг). Увы, люди не пощадили это чудо, созданное природой: торговцы распи­лили камень на несколько частей.

Аквамарином называют берилл небесно-голубого, зеленовато-голубо­го или синего цвета (цвета морской воды: aqua marina — «морская во­да»). Считается, что окраска этого камня связана с частичным замеще­нием ионов бериллия и алюминия ионами железа (иона Fe²⁺ вместо Ве²⁺ и иона Fe³⁺ вместо Al³⁺). Гораздо реже в природе находят бериллы розо­вого и даже красного цвета (воробьевиты, их окраска связана с ионами марганца), а также оранжевые, жёлтые и лимонно-жёлтые (гелиодоры, жёл­тый цвет им придают ионы железа).

Кристалл кварца SiO₂ построен из кремнекислородных тетраэдров [SiO₄], которые расположены по спирали во­круг центральной оси (поэтому разли­чают левовращающие и правовращаю­щие кристаллы — т. е. кристаллы, которые вращают плоскость поляриза­ции света на определённый угол влево и вправо). Кварц встречается в приро­де не только в виде кварцевого песка, но и в виде красивых камней (найдены

кристаллы кварца весом более тонны), многие из которых издревле использо­вались человеком.

Горный хрусталь — это кристаллы бесцветного прозрачного кварца, по­хожие на бриллианты. Согласно древ­нему поверью, горный хрусталь обра­зуется под действием сильного холода. Недаром это слово происходит от гре­ческого «кристаллос» — «лёд».

Иногда в кварцитовой породе уда­ётся найти камень гораздо более лёгкий, чем его собратья. Если аккурат-

но распилить его на части, внутри обнаружится полость, поверхность ко­торой покрыта сросшимися друг с дру­гом необычайно красивыми фиолето­выми кристаллами — аметистами.

Окраска этих камней связана с час­тичным замещением ионов Si⁴⁺ в кри­сталлической решётке кварца на ионы Fe³⁺ (избыточный заряд компенсирует­ся ионами щелочных металлов или во­дорода). К сожалению, под действием солнечного света окраска аметистов становится более бледной.

Александрит — одна из разновидностей минерала хризоберилла ВеАl₂О₄. Многие века этому камню приписывали магиче­ские свойства: в Изборнике Святослава (1073 г.) его советуют носить на теле, что­бы уберечься от порчи и проказы.

Александрит является настоящим хамелеоном из-за своих необычных оптических свойств: в зависимости от освещения его окраска изменяется от изумрудно-зелёной (при дневном свете) до фиолетово-красной (при свете электрической лампы). Цвет кам­ня обусловлен примесями, в первую очередь ионов хрома Сr³⁺. Крупные кристаллы александрита редко встречаются в природе: кристалл размером 6х3 см уже считается выдающейся находкой.