Серед багатьох яскравих досягнень наук XX століття гідні бути зазначеними успіхи біогеохімії, що вивчає роль живих організмів в хімічному перетворенні поверхні Землі, її вод і атмосфери. Народження цієї науки пов'язане з ім'ям В. І. Вернадського, який прийшов до своїх фундаментальним узагальнень в значній мірі завдяки вивченню хімії ґрунтових процесів, прекрасно знаючи не тільки геохімії, але і агрохімію свого часу.
Важливо й те, що його вчитель В. В. Докучаєв, перш ніж стати великим почвоведом, був магістром геології і мінералогії Санкт-Петербурзького університету, прекрасно знав агрохімію. Докучаєвське визначення грунту як природного тіла, що утворився під впливом клімату і живих організмів на геологічній породі, стало початком не тільки науки про грунти. Встановлена Докучаєвим зв'язок між живими і неживими компонентами природи мала велике значення для розвитку таких наукових дисциплін, як ландшафтознавство, биогеоценология, екологія, біогеохімія.
Наріжне поняття всіх перерахованих наук - уявлення про біосферу. Її визначення було дано академіком В. І. Вернадським: біосфера - це частина літосфери, гідросфери та атмосфери, де поширена життя, де існує жива речовина, де хімічні властивості середовища визначаються дією живих організмів.
Наука, що вивчає хімізм природних процесів, закони міграції, концентрації і розсіювання атомів хімічних елементів на Землі, могла з'явитися тільки після відкриття Д. І. Менделєєвим періодичного закону та створення Н. Бором теорії будови атомів. "Геохімія - наука XX століття" - так почав свої лекції в Сорбонні 60 років тому В. І. Вернадський.
Як будь-яка точна наука, геохімія починає з вимірювання. Перш за все вона визначає зміст хімічних елементів в земних породах і мінералах, природних водах і живих організмах. Тільки досконала аналітична техніка змогла забезпечити необхідну точність цих вимірів, довіру до результатів спостережень.
"... Земна газова оболонка, наше повітря є створення життя" - ці слова належать В. І. Вернадського. У них відповідь на питання про роль ландшафту у формуванні сучасної атмосфери Землі. Найважливіша її частина - вільний кисень - утворюється в результаті фотосинтезу, який безперервно відбувається на суші і в поверхневих горизонтах моря ось уже понад мільярд років. Фотосинтез - єдиний поширений на Землі процес, який вивільняє з різних з'єднань кисень. У всіх інших реакціях - дихання організмів, окислення корисних, сірчаних, марганцевих та інших мінералів - відбувається переважно зв'язування вільного кисню.
Разом з тим при фотосинтезі зелені рослини не тільки виділяють кисень, а й поглинають з повітря вуглекислий газ (СО2). За період геологічної історії рослинність Землі практично очистила атмосферу від вуглекислого газу, вміст якого зараз становить лише 0,03 відсотка. Вуглець ж, який був у складі вуглекислого газу повітря, частково знову повертається в атмосферу в результаті дихання, горіння і інших процесів, а частково входить до складу гумусу, торфу, вапняних раковин тварин. Надалі з цих залишків утворюються кам'яне і буре вугілля, нафта, багато вапняки.
Розвиток життя на Землі і біологічний круговорот - взаємопов'язані і взаємообумовлені явища.
Біологічний синтез органічних сполук і їх подальше розкладання, переклад в мінеральну форму складають сутність і життєвих процесів, і біологічного кругообігу. У процесі розкладання органічних речовин проходять довгий ланцюжок перетворень, пов'язаних з життєдіяльністю гетеротрофних організмів, тобто організмів, які можуть жити і розвиватися тільки за рахунок готових органічних речовин.
В. Р. Вільямс в своїх роботах, виходячи з обмеженості запасів необхідних рослинам "біогенних" елементів, неодноразово підкреслював, що якщо 75 відсотків загальної кількості щорічно синтезованого рослинами органічної речовини не буде мінералізованих гетеротрофами, то через три-чотири роки життя на Землі повинна припинитися .
Живі істоти регулюють круговорот небагатьох хімічних елементів: кисню, азоту, в меншій мірі фосфору, сірки, вуглецю і мікроелементів. Для інших елементів набагато більшу роль відіграють фізичні фактори: переміщення гірських порід, вода, вітер (геологічний круговорот речовин).
Найважливіша складова частина повітря, молекулярний азот, як припускав В. І. Вернадський, - результат діяльності мікроорганізмів.
Газоподібний хімічний елемент, з якого на 78 відсотків складається наша атмосфера, названий азотом, що означає нежиттєвий. В історії хімії навряд чи знайдеться інший випадок, коли назва була б настільки невдалим. Основа будь-якого організму - білок, а в ньому міститься 15-17,5 відсотка азоту. Добрива для полів теж в значній мірі азот. І не випадково його тепер називають елементом родючості.
Біогенного походження і переважна частина вуглекислоти в атмосфері. Вступник в атмосферу вуглекислий газ утворюється при диханні організмів, головним чином коренів рослин і бактерій. Це не дивно, так як бактерії (в перерахунку на живу вагу) дихають в двісті разів інтенсивніше людини, а їх маса на кожному гектарі вимірюється тоннами.
Що стосується кругообігу води, то масштаби цього процесу дійсно грандіозні: в нього щорічно залучається понад 1 мільйон (1040 тисяч) кубічних кілометрів води. Тільки на території СРСР у вигляді дощу і снігу випадає близько 8,5 тисячі кубічних кілометрів води, річки же скидають приблизно половину цієї кількості.
Але влагооборот не тільки рух води. В цей потужний геохімічний потік залучаються величезні маси різних хімічних елементів. Наприклад, з території СРСР води виносять 40 мільйонів тонн кальцію в рік.
Крім розчинених хімічних елементів, води переносять величезні маси дрібних частинок в підвішеному стані. Можна підрахувати, скільки хімічних елементів щорічно мігрує з одиниці площі. Виявляється, що в різних районах Російської рівнини з одного гектара виноситься від 0,2 до 2 центнерів твердих частинок і від 1 до 4 центнерів хімічних елементів в розчиненому стані.
Винос хімічних елементів з суші частково компенсується обміном речовин між літосферою і атмосферою. На поверхню всієї земної суші з атмосферними опадами щорічно випадає 1800 мільйонів тонн солей. Встановлено, що на кожен гектар європейської частини СРСР в рік з атмосфери надходить від 3 до 33 кілограмів кальцію, від 5 до 12 кілограмів сірки, 5-10 кілограмів хлору.
Через атмосферу переносяться і величезні маси твердих частинок. Відомий випадок, коли пилові бурі за кілька днів тільки на півдні України винесли близько 25 кубічних кілометрів грунту.
Поряд з обміном речовин в системі літосфера - гідросфера - атмосфера існує "біогенний" круговорот - перерозподіл хімічних елементів, що викликається діяльністю живих організмів. Живі істоти захоплюють величезні маси хімічних елементів і втягують їх у складну міграцію. Особливо велика тут роль рослин і мікроорганізмів.
В обміні речовин між живою і неживою природою найбільш важливо перерозподіл газів. Рослини, синтезуючи органічну речовину, поглинають з атмосфери вуглекислий газ і виділяють кисень. Зв'язування в органічній речовині 1 грама вуглецю супроводжується виділенням 2,7 грама кисню. В СРСР з кожного гектара лугового степу за рік в атмосферу виділяється 10-12 тисяч кубічних метрів цього газу.
Кисневий характер повітря, яким ми дихаємо, - найважливіша хімічна особливість нинішньої атмосфери Землі. А адже протягом дуже тривалого періоду еволюції нашої планети цієї властивості вона була позбавлена. Вважають, що життя на суші стала можлива саме тоді, коли в земній атмосфері утворилася значна кількість вільного кисню і створилися умови для формування в атмосфері озонового шару, що оберігає наземну життя від згубної дії ультрафіолетових променів. Це сталося лише в останні 400 мільйонів років (нагадаємо, що історія Землі налічує 4,5 мільярда років), хоча в океані життя виникла вже 3 мільярди років тому.
Правда, таку думку аж ніяк не безперечно, оскільки першими поселенцями суші могли бути мікроби, які обходяться і без вільного кисню і легко переносять великі дози ультрафіолету, та й добре захищені від нього в товщі грунту. Недарма академік Л. С. Берг назвав одну зі своїх статей сорокарічної давності так: "Життя і грунтоутворення на докембрійських материках".
Є всі підстави вважати, що освіта грунтів відбувалося задовго до появи наземної рослинності (в девонське час) і що біогенний круговорот речовин на материках, аж ніяк не неживих, багато сотень мільйонів років підтримувався одними мікробами. Перехоплюючи різні сполуки своїм корінням, рослини частково затримують винесення речовин з грунту. Тому так звані біогенні елементи, необхідні для життя рослин, - фосфор, азот, калій, магній і інші - накопичуються, концентруються в гумусових горизонтах грунтів.
Необхідність регулювання кругообігу таких елементів, як азот, фосфор, калій, давно вже визнана землеробством. Вперше баланс азоту в землеробстві досліджував французький фізіолог рослин і агрохімік Ж.-Б. Буссенго, учнем якого з гордістю називав себе основоположник вітчизняної фізіології рослин К. А. Тімірязєв. Досліди Буссенго зі збагачення грунту азотом при вирощуванні конюшини і люцерни стали класичними, це і дало привід учневі Тімірязєва академіку Д. М. Прянишникова вважати, що агрохімія виникла в 1836 році - в рік опублікування робіт Буссенго.
Головне завдання агрохімії, за визначенням Прянишникова, вивчення кругообігу речовин в землеробстві і виявлення тих заходів впливу на цей кругообіг, які можуть підвищити урожай або поліпшити його якість. У сільському господарстві без добрив не обійтися: з кожною тонною врожаю пшениці з поля виноситься 37 кілограмів азоту, 13 - фосфору, 23 - калію. Для картоплі на тонну врожаю винос значно менше: 6 кілограмів азоту, 2 - фосфору, 8 - калію, а ось конопля - один з рекордсменів, вона виносить з поля на одну тонну отриманого волокна 200 кілограмів азоту, 62 - фосфору і 100 - калію.
Вуглець рослина отримує з вуглекислотою з повітря, а мінеральні елементи йому повинна дати грунт. При цьому в грунті багато з них перебувають у вигляді пов'язаних з гумусом з'єднань. Наприклад, 95-98 відсотків азоту міститься в грунті у вигляді органічної речовини і тільки 2-3 відсотки - в мінеральних сполуках, безпосередньо доступних рослинам. Багато мікроелементи у великих кількостях містяться в живій біомасі рослин, тварин, мікроорганізмів і, поки вони не загинуть їх живі "носії", недоступні для інших організмів.
Велике значення грунту і як своєрідного геохімічного екрану. Це особливо актуально в зв'язку з забрудненням ландшафтів важкими металами, такими, як свинець, ртуть, кадмій. Зараз постає завдання забезпечити замкнутий круговорот води і багатьох інших речовин, створити штучні середовища, з яких в навколишній простір токсичні компоненти практично не виносилися б. І звичайно, абсолютно неприпустимо, щоб ті чи інші держави використовували для захоронення шкідливих відходів території слаборозвинених країн, де "мало відходів і багато навколишнього середовища". Так геохімія стикається з соціальними і політичними проблемами сучасності.
