Живые организмы играют фундаментальную роль в формировании химического облика Земли, выступая активными агентами геохимических процессов. Их деятельность влияет на круговорот элементов, преобразование минералов, формирование осадков и состав атмосферы и гидросферы. Взаимодействие биоты с абиотической средой формирует особую сферу — биосферу, где химические, физические и биологические процессы взаимосвязаны.
Основой участия живых организмов в геохимии служат биогеохимические циклы, в которых элементы совершают многократные переходы между живыми существами и неорганической средой. Важнейшими из них являются циклы углерода, азота, серы, фосфора и кислорода.
Цикл углерода основан на фотосинтезе и дыхании. Растения, цианобактерии и водоросли поглощают углекислый газ, превращая его в органические соединения, которые через пищевые цепи вовлекаются в метаболизм животных и микроорганизмов. При дыхании, разложении органического вещества и сгорании биомассы углерод возвращается в атмосферу и гидросферу. Значительная часть органического углерода осаждается в осадках, образуя углеродистые породы и ископаемое топливо.
Цикл азота осуществляется благодаря микроорганизмам. Азотфиксирующие бактерии преобразуют атмосферный азот в аммоний, доступный растениям. Далее нитрифицирующие и денитрифицирующие бактерии вовлекают азот в круговорот, переводя его между различными окислительными формами (NH₄⁺, NO₂⁻, NO₃⁻, N₂). Этот цикл контролирует биологическую продуктивность и баланс питательных веществ.
Цикл серы связан с деятельностью серобактерий и редуцентов, которые окисляют или восстанавливают сернистые соединения. В анаэробных условиях сульфатредуцирующие бактерии восстанавливают сульфаты до сульфидов, а в окислительных — сероокисляющие организмы переводят сульфиды в сульфаты. Эти процессы участвуют в образовании осадочных сульфидов и сульфатов.
Фосфорный цикл контролируется живыми организмами через усвоение фосфатов и их возвращение в почву при разложении остатков. Поскольку газовой фазы фосфора нет, его миграция происходит главным образом в литосфере и гидросфере.
Кислородный цикл тесно связан с фотосинтезом, в ходе которого выделяется O₂, и дыханием, где он потребляется. Благодаря живым организмам поддерживается современный окислительный характер атмосферы.
Многие минералы и горные породы имеют биогенное происхождение. Организмы участвуют в осаждении и накоплении химических осадков, в минерализации скелетных структур, в образовании углеводородов и руд.
Биогенные карбонаты (известняки, мел, доломиты) формируются при участии морских организмов — фораминифер, кораллов, моллюсков. Кальцит и арагонит, входящие в их раковины, после гибели организмов осаждаются и цементируются на дне.
Кремнистые осадки (диатомиты, радиоляриты) возникают в результате накопления скелетных остатков диатомовых водорослей и радиолярий, богатых SiO₂.
Органические отложения — нефть, уголь, битуминозные сланцы — результат длительной переработки органического вещества под действием микробиоты, давления и температуры. Эти процессы преобразуют биомассу в углеводороды и другие органические соединения.
Микроорганизмы — наиболее активные агенты геохимической трансформации. Они способны изменять валентное состояние элементов, катализировать реакции окисления и восстановления, способствовать растворению или осаждению минералов.
Бактерии рода Thiobacillus окисляют сульфиды железа, меди и цинка, образуя серную кислоту и способствуя выщелачиванию металлов. Метаногенные археи осуществляют восстановление углекислого газа до метана в анаэробных условиях. Железобактерии (Gallionella, Leptothrix) участвуют в образовании железистых конкреций и болотных руд.
Бактерии, редуцирующие железо и марганец, играют значительную роль в диагенезе осадков, меняя их окраску, плотность и химический состав. Таким образом, микробные сообщества выступают катализаторами процессов, определяющих минералогический облик осадочных толщ.
Живое вещество определяет химическое равновесие атмосферы и гидросферы. Продукты фотосинтеза поддерживают высокий уровень кислорода, а дыхание и разложение регулируют содержание CO₂. Водоросли и бактерии контролируют концентрации растворённых веществ в океанах, особенно карбонатов, фосфатов и нитратов.
В биогенных зонах океана происходит интенсивное поглощение CO₂, что связывает атмосферный углерод и способствует формированию известковых отложений. Организмы выступают важнейшим фактором биогеохимического буферирования — стабилизации химического состава природных вод.
Биогенная деятельность участвует в рудообразовании, особенно при формировании железистых и марганцевых отложений, фосфоритов и серосодержащих минералов. Сульфатредуцирующие бактерии обеспечивают осаждение сульфидов металлов в морских осадках, а фотосинтетические цианобактерии — накопление кислорода, необходимого для образования оксидных руд.
Фосфоритовые конкреции часто формируются вокруг остатков организмов в донных отложениях. Накопление органического вещества способствует захоронению металлоорганических комплексов, что является важным звеном в геохимической миграции элементов.
Биосфера представляет собой саморегулирующуюся систему, где живое вещество является активным звеном геохимических циклов. Баланс между процессами фотосинтеза и дыхания, минерализации и синтеза, выветривания и осадконакопления поддерживает устойчивость химического состояния Земли.
Эволюция жизни на протяжении геологического времени привела к глубинным изменениям геохимии планеты: появлению кислородной атмосферы, формированию осадочной оболочки, возникновению сложных циклов миграции элементов. Таким образом, живые организмы не только адаптируются к геохимической среде, но и активно её преобразуют, выступая ключевым фактором химической эволюции Земли.