В природе имеет место грандиозный процесс извлечения из биосферы свободного азота бактериями почвы и вод, а также некоторыми водорослями. Азот при этом поступает в тела организмов в виде разнообразных соединений, а потом иногда накапливается в виде азотсодержащих минералов, например, селитры, азотных соединений нефтей, каменных углей и т. д. В то же время в природе идет не менее грандиозный процесс выделения свободного азота биохимическим путем, тоже при участии организмов, в основном бактерий, принадлежащих к группе так называемых денитрифицирующих. Таким образом, часть азота из состава живых тел и захваченных ими аммиачных и кислородных соединений возвращается назад в атмосферу, часть откладывается в составе ряда минералов или снова захватывается живым веществом биосферы (селитра, аммиачные соединения) или захороняется в осадочных отложениях.
В. И. Вернадский полагал, что количество свободного азота в атмосфере, по-видимому, не меняется и что его приток из более глубоких слоев Земли возмещает его потребление организмами и образование азотсодержащих минералов. Решающая роль в этом процессе отводится живым организмам.
Если учесть приведенные выше данные, что биофильный изотоп азота N14 в истории Земли проявляет тенденцию к накоплению в биосфере, по отношению к более тяжелому изотопу, то относительное обогащение некоторых минералов изотопом N15 позволяет считать его в большей степени связанным с химическими процессами. Между тем в первичной атмосфере, где преобладали лишь химические реакции преобразования ее вещества под влиянием электрических разрядов, трудно допустить большое содержание свободного азота. Скорее всего, он был преимущественно связан в соединения с водородом и углеродом в виде аммиака и углеводородных газов.
Водород представлен в природе тремя изотопами: Н1 - протий, Н2 - дейтерий и радиоактивный Н3 - тритий.
Присутствие свободного водорода в составе атмосферы и гидросферы нашей планеты не вполне еще исследовано. В окружающей среде мы не видим его заметного содержания, но имеется достаточно данных о его присутствии в верхних слоях атмосферы, что установлено исследованиями с помощью ракет. В то же время известно, что свободный водород присутствует в глубинах земной коры и выделяется при вулканических процессах. По данным Резерфорда, весьма вероятен синтез водорода в процессе разрушения атомов других элементов.
Значение водорода определяется его свойствами, в частности исключительной легкостью, вследствие чего Земля может обмениваться им с космосом.
В земной коре водород наряду с другими газами захватывается магматическими и лавовыми массами. Крайне интересно, что в комплексе этих газов оказываются Н2, СН4, C2H4, СО, СO2, N2 и другие, поскольку их ассоциация, несомненно, отражает исконное свойство земной материи и ее первичный газовый состав вообще.
Содержание водорода в твердых породах достигает 36-38%. Водород входит в состав вод минеральных источников, нефтей, часто выделяется мощными струями из залежей морских солей, в частности калийных. В газовой фракции выбрасываемых вулканами веществ он составляет до 3% у Везувия, до 22,3% у Мон-Пеле, а в Исландии вулканические источники выбрасывают струи газа, содержащие 54% водорода. Кроме того, водород высвобождается при гниении органических (белковых) веществ вследствие жизнедеятельности некоторых видов бактерий, что должно давать большой эффект в ходе геологического времени.
На высоте около 100 км водород - является господствующим газом. Предполагается, что он частично улетучивается из земной атмосферы в космическое пространство. Под влиянием азота верхних слоев атмосферы, под влиянием почвенных бактерий и другими путями водород окисляется в воду.
Изотопы водорода дейтерий и протий обычно присутствуют в соотношении 1:6409. В связи с различием в массе протия и дейтерия органические и неорганические процессы с их участием идут различно. Обычно протиевые соединения вступают в реакцию энергичнее и быстрее, чем дейтериевые, примерно в 6 раз. Тритий радиоактивен; его содержание в веществах определяется путем измерения радиоактивности. Полагают, что из изотопов водорода именно протий проявляет тенденцию к утечке в космическое пространство, тогда как дейтерий в ходе геологического времени накапливается. Окись дейтерия - так называемая "тяжелая" вода - имеет особые свойства, в частности является менее активным химическим веществом по сравнению с водой. Тяжелая вода вредна для организмов, а чистая окись дейтерия даже ядовита, способна задерживать биологические процессы. Между тем организмы, усваивая воду, способны разделять изотопы в соотношении обычно около 4500-6000.
Водород - активный биофильный элемент. Многие бактерии, способные к автотрофному существованию, т. е. не требующие для себя готовых органических соединений, могут получать жизненную энергию при окислении водорода: Н2 + 1/2 О2 = Н2O + 56 больших калорий энергии. Правда, эти микроорганизмы не являются обязательными автотрофами, так как могут существовать и на обычных органических средах. Имеется группа водородных бактерий, которые усваивают водород, окисляя его. в присутствии кислорода среды (аэробные бактерии). Некоторые бактерии развиваются автотрофно на минеральной среде в присутствии окиси углерода и кислорода.
Существование автотрофных бактерий, добывающих энергию за счет окисления водорода в присутствии углекислоты, представляется фактом исключительного значения, к которому далее мы вернемся.
В природе существует три изотопа кислорода: О16, О17 и О18. При этом в атмосферном кислороде изотопы составляют соответственно 99,760, 0,042 и 0,198%. Изучение их распространения в природе позволило, прийти к выводу, что тяжелый кислород О18 преимущественно концентрируется в кислороде двуокиси углерода, в частности в кислороде карбонатов и образованных из них кислородных соединений. Установлено, также, что О16 скорее усваивается организмами, в частности почвенными бактериями и в процессе фотосинтеза растений. Этот изотоп в основном составляет кислород воды. Именно О16, легкий изотоп кислорода, преобладает в процессе жизнедеятельности морских организмов, поглощающих кислород.
Поскольку тяжелый изотоп кислорода в большей степени оказывается связанным с минеральным веществом земной коры, а легкий О16 - с жизнедеятельностью организмов и водой гидросферы, то геологическая история их, несомненно, была различной. Малые запасы тяжелых изотопов О17 и О18, вероятно, представляли собой кислород древнейшей атмосферы Земли, тогда как легкий изотоп создавался организмами, вероятно, за счет соответствующих соединений, в связи с его более высокой химической активностью.
Ранее полагали, что кислород атмосферы происходит из кислорода двуокиси углерода при фотосинтезе. Между тем оказалось, что кислород водных растений образуется при фотосинтезе из воды, что подтверждено данными изучения фотосинтеза у ряда видов современных водорослей (хлорелла, гелиатус и др.). В выделяемом водорослями кислороде изотопа О18 оказывается меньше, чем в составе атмосферы. Изучение А. П. Виноградовым, Р. В. Тейс и другими учеными процесса фотосинтеза у элодеи показало, что состав фотосинтетического кислорода совпадает с изотопным составом кислорода воды, но существенно отличается от общего изотопного состава кислорода атмосферы и кислорода углекислоты. Изотопный состав фотосинтетического кислорода оказывается средним по отношению к составу кислорода атмосферы и углекислоты. Это обстоятельство породило гипотезу о том, что в растениях содержатся атомы кислорода, происшедшего как из воды (две трети), так и из двуокиси углерода (одна треть). Путем определения изотопного состава кислорода ряда древних изверженных пород был установлен первоначальный изотопный состав земного кислорода. Отношение между изотопами O16/018 для него получилось в пределах 495,6-495,3. Выяснено, что содержание О18 в карбонатных осадках способно указывать температуру процесса их осаждения в геологическом прошлом - палеотемпературу. Г. Юри на основе тщательного измерения содержания О18 в породах разработал метод измерения температуры воды в момент образования отложения древних карбонатных осадков.
