ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 28.09.2020
Просмотров: 3928
Скачиваний: 7
141
12.1.2.
ГЕОХИМИЯ БИОСФЕРЫ
12.1. Зарождение жизни
У химических веществ живой материи, по утверждению Пастера, имеется
особое вещество, которое отличает их от неживой природы: атомы и молекулы
являются биогенными. Например, винная кислота поворачивает плоскость поля-
ризации световых волн, а виноградная кислота того же состава не обладает таким
свойством из-за асимметрии структуры молекул, имеющих отношение к процессу
жизни. Это проявление «силы», корни которой лежат в асимметрии самой Все-
ленной.
Истинным источником жизни, видимо, является информационно-
биологическое поле Вселенной.
В первичной атмосфере Земли (
СН
4
– 50%,
CO
2
– 35, N – 11,
NH
3
, H
2
O
) не
могла реализоваться жизнь. Синтезирование первых органических «кирпичиков»
происходило под действием ультрафиолетового излучения. Появились первые
анаэробы. Возможно, такой зачаток жизни определил ее дальнейшее развитие.
Ведь эмбрионы высших организмов после оплодотворения живут без кислорода
(анаэробы) и получают энергию в процессе превращения сахара в молочную кис-
лоту в результате брожения. Таким же путем получают энергию и простейшие
кисломолочные бактерии.
Синтез органических молекул мог происходить в результате случайных вза-
имодействий. Они становились все более разнообразными и сложными настолько,
что стали способными воспроизводить копии самих себя. Самовоспроизводящая-
ся молекула должна быть заключена в оболочку, т.е. превратиться в живую клет-
ку. Сама клетка могла образоваться различным путем. За счет поглощаемого ве-
щества капельки-клетки разрастаются до определенных размеров и делятся, как
делится капля воды. Размножение предшествует образованию системы, снимаю-
щей копию со структуры и функции клетки. Это система наследственности, кото-
рая предшествует размножению.
В дальнейшем один из организмов наталкивается на способ воспроизводства
пищи с помощью хлорофилла, например, водоросли. Этот момент эволюции счи-
тается решающим. С этого времени жизнь становится независимой от случайного
синтеза углеводородов в океане. Наступает период
биологической революции
.
Бактерии представляют собой сложные организмы и содержат более 2000
различных белков, а нуклеиновые кислоты – сахариды, несколько видов липидов,
большой спектр минеральных веществ и микроэлементов.
Процессы обмена в клетке – это целые микролаборатории, связанные в от-
дельную цепь по выработке энергетических ресурсов, производству ферментов,
гормонов и других сложных соединений, микрозаводы по утилизации различных
веществ. Если клетка представляет собой биологический компьютер, то любой
многоклеточный организм – это информационная система, способная управлять
сама собой при создании половой клетки, в период роста, функционирования и
старения. Самостоятельное управление дало основание рассматривать организмы
как биологические информационно-кибернетические системы (БИКС).
Биологический мир на современном этапе представлен 1,9млрд. видов рас-
тений и животных. На пути мутаций в организме много защитных, профилактиче-
142
ских и лечебных факторов. Каждый биологический вид создан по собственной
модели, на основе собственного программного обеспечения. Генетический мате-
риал образуется и живет по биологическим, физико-химическим и информацион-
ным правилам.
Жизнь – это постоянная борьба против тенденции к возрастанию энтропии.
Согласно второму закону термодинамики, справедливому для всех явлений при-
роды, избежать возрастания энтропии нельзя, поэтому живые организмы избрали
наименьшее зло – они существуют в стационарных состояниях, для которых ха-
рактерна минимальная скорость возрастания энтропии.
Метаболические (обменные) процессы в организме модифицируются в соот-
ветствии с индивидуальным опытом и экологическими факторами, характером
питания. Чтобы не было сбоев в информационной системе организмов, необхо-
димо создать благоприятные внешние условия, своевременное и регулярное по-
ступление химических элементов. Самая выносливая форма жизни на Земле –
лишайники.
Концентрация химических элементов в организме определяется условиями
жизни, наличием подвижных форм элементов для растений, концентрацией тех
или иных элементов в местах зарождения вида. Например, астрагалы хорошо раз-
виваются в местах концентрации в породе и в почве селена. В тоже время астра-
галы в местах их великолепного развития служат индикатором концентрации се-
лена в почве и породе. На этом принципе основаны биогеохимические методы
поисков полезных ископаемых.
12.2.
Химический состав организмов и образование живого вещества
Живые организмы в системе сфер Земли образуют
биосферу
. Это понятие
было введено французским натуралистом Ж.Б. Ламарком (1744-1829) для обозна-
чения мира живых организмов Земли. Геологическое определение биосферы как
оболочки Земли было дано Э. Зюссом (1875). Учение о биосфере разработал В.И.
Вернадский: это пространство, где присутствуют живые организмы от единичных
бактерий до мощных экваториальных лесов с его обитателями. Совокупность ор-
ганизмов, выраженная в единицах массы и энергии, В.И. Вернадский назвал
жи-
вым веществом
. Основу живого вещества составляет углерод, обладающий спо-
собностью давать бесконечное множество разнообразных химических соедине-
ний. Вместе с ним
О, N, H
образуют основные органические соединения: белки,
жиры, углеводы. Если углеводы разных растений имеют одинаковый химический
состав, то белки разных организмов никогда не бывают одинакового состава даже
у представителей одного и того же вида. Эта специфичность белков определяется
тем, что их строение зависит от наследственных свойств клеток организма. Лишь
у близнецов состав и строение белковых молекул одинаковы.
В живом веществе единицей наследственности, способной к самовоспроиз-
водству, является ген. Он построен из пуринов, пиримидинов, сахара, фосфатных
ионов, которые составляют дезоксирибонуклеиновую кислоту (ДНК). В состав
живых организмов входят все природные химические элементы. Их делят на
структурные (
C, H, O, N, P, S, Cl, Na, K, F, Mg, Si, Ca
) и биокатализаторы (
Fe, Cu,
Формат:
Список
143
B, Mn, Zn, I, Mo, Co
и др.). Несмотря на организационную роль углерода (18%),
живое вещество кислородное (70%). Роль углерода велика в химических реакци-
ях. Некоторые элементы менее исследованы и их роль в живых организмах не-
определенна.
В 1928г. В.И. Вернадский сформулировал понятие о биогеохимических
функциях живого вещества: газовых (кислородно-углекислотных, азотных, серо-
водородных и др.), концентрационных и биохимических.
Образование живого вещества из неорганических соединений происходит
преимущественно в результате фотосинтеза и частично хемосинтеза. В результате
разложения воды в атмосферу поступает свободный кислород как сильный окис-
литель, и образуется органическое вещество, как сильный восстановитель. При
фотосинтезе
О, С, Н
заряжаются энергией и становятся
геохимическими аккуму-
ляторами энергии
(по Н.В. Белову). Так нейтральные соединения
СО
2
и
Н
2
О
в ре-
зультате фотосинтеза создали сильно окислительную среду со свободным кисло-
родом и сильно восстановительную с органическими соединениями.
По О.П.Добродееву, растения ежегодно продуцируют 3,2∙10
11
т кислорода и
за 3700 лет создают его массу равную 1,18∙10
15
т в атмосфере.
Создание живого вещества приводит к резкому росту химической и биоло-
гической информации. В образовании
О
2
и поглощении
СО
2
заключается кисло-
родно-углекислотная биогеохимическая функция живого вещества, деятельность
микроорганизмов определяет биохимическую функцию.
В 1890г. С.Н. Виноградский (1856–1953) открыл микроорганизмы, способ-
ные окислять аммиак и не нуждающиеся в органических соединениях как источ-
нике энергии:
2NH
3
+ 3O
2
= 2HNO
2
+ 2H
2
O
= 660,7 кДж (Nitrosomonas)
2HNO
2
+ O
2
= 2HNO
3
+ 180,6 кДж (Nitrobacter)
Энергия используется микроорганизмами для синтеза органических веществ
из
СО
2
, Н
2
О
, минеральных солей. Обнаружены другие автотрофы, окисляющие
S,
H
2
S, Fe
2+
, Mn
2+
, Sb
3+
, H
2
, CH
4
.
Этот процесс назван
хемосинтезом
. Бактерии хе-
мосинтетики встречены в водах с температурой 300
о
С.
Живое вещество состоит из преобладающей фитомассы, малой зоомассы и
еще меньшей массы микроорганизмов. По Н.И. Базилевич, Л..Е.Родину (1971),
общая фитомасса составляет 2,4∙10
12
т сухого вещества (с учетом восстановления
природного растительного покрова). Леса составляют 82% от фитомассы суши.
Если принять, что в течение пятисот миллионов лет (с начала ордовика) годичная
продукция живого вещества была близка к современной, то ее сумма по массе за
это время превысила бы массу земной коры.
Зоомасса суши составляет 2–10% от фитомассы. Фитомасса океана составля-
ет 1,7∙10
8
т (0,007% от всей фитомассы), зоомасса и микробиомасса – 3,3∙10
9
т. По
количеству живого вещества на 1га океан близок к пустыням, за исключением зон
концентрации коралловых рифов, Саргассова моря и зон апвелинга – подъема по-
верхностных глубинных вод богатых биоэлементами.
По образному выражению В.М. Гольдшмидта, если литосферу по массе
представить в виде каменной чаши в 13 фунтов, то масса современной гидросфе-
ры составит один фунт, атмосферы – вес медной монеты, живого вещества – вес
144
почтовой марки. Однако благодаря ежегодному приросту и отмиранию живое ве-
щество в геохимическом отношении является ведущей силой на Земле.
Кларки живого вещества впервые привел В.И. Вернадский, затем уточнил
А.П. Виноградов и дополнил В.В. Добровольский, А.И.Перельман (В.А. Алексе-
енко, 2000):
Макроэлементы (n∙10
–3
, n∙10)
А. Воздушные мигранты
(98,8 %)
О
– 70,
С
– 18,
Н
– 10,5,
N
– 3∙10
–1
Б. Водные мигранты
(1,20 %)
Са
– 5∙10
–1
Mg
– 4∙10
–2
Na
– 2∙10
–1
К
– 3∙10
–1
P
– 7∙10
–2
Cl
– 2∙10
–2
Si
– 2∙10
–1
S
– 5∙10
–2
Fe
– 1∙10
–2
Микроэлементы (водные мигранты) (n∙10
–3
% и менее)
Mn
– 9,6∙10
–3
Pb
– 1∙10
–4
Cs –
6∙10
–6
Al
– 5∙10
–3
Ni
– 8∙10
–5
Be
– 4∙10
–6
Zn
– 2∙10
–3
Cr – 7∙10
–5
Ga
– 2∙10
–6
Sr
– 1,6∙10
–3
V –
6∙10
–5
Se
– 2∙10
–6
Ti
– 1,3∙10
–3
Li
– 6∙10
–5
W
– 1∙10
–6
B
– 1∙10
–3
Co
– 4∙10
–5
Ag
– 1,2∙10
–6
Ba
– 9∙10
–4
La
– 3∙10
–5
U
– 8∙10
–7
Cu
– 3,2∙10
–4
Y
– 3∙10
–5
Hg –
5∙10
–7
Zr
– 3∙10
–4
Mo
– 2∙10
–5
Sb
– 2∙10
–7
Rb
– 2∙10
–4
I
– 1,2∙10
–5
Cd
– 2∙10
–7
Br
– 1,6∙10
–4
Sn
– 1∙10
–5
Au –
1∙10
–8
F
– 1,4∙10
–4
As
– 6∙10
–6
Ra
– n∙10
–12
Обнаружены в организмах без учета количественной величины:
He, Ne, Ar,
Sc, Kr, Nb, Rh, Pd, In, Te, Xe, Ta, Tl, Bi, Th. Не
обнаружены в организмах
Ru, Hf, Re,
Os, Ir, Po, Ac
и в земной коре
Tc, At, Fr.
Живое вещество состоит в основном из химических элементов, подвижных в
земной коре и почвах. Их кларки уменьшаются с ростом атомной массы, хотя и не
отмечено прямой зависимости. Ведущий элемент – кислород (70%).
По В.И. Вернадскому, главной особенностью истории живого вещества –
образование из газов и превращение после отмирания снова в газы (
CO
2
, NH
3
, N
2
,
H
2
O
– водяной пар). Слабоподвижные элементы в земной коре поступают в орга-
низм в незначительном количестве. Например, кларк алюминия в литосфере око-
ло 8%, а в живом веществе он присутствует в микроколичестве (5∙10
–3
%).
Для оценки концентрации элементов в живом веществе А.И. Перельман ре-
комендует использовать коэффициент
биофильности
. Это отношение кларка эле-
мента в живом веществе к его кларку в земной коре. Наиболее биофильны
С
(780),
N
(160),
H
(70),
O
(1,5) и
Cl
(1,1). Остальные элементы имеют биофильность
менее единицы. Очень низкая биофильность
Fe, Al, Ti
.
Растительные организмы в зависимости от семейства и вида концентрируют
отдельные химические элементы. Количественно это можно выразить через
ко-
эффициент биологического поглощения
(А
х
), который представляет собой отно-
шение содержания элемента в золе к его содержанию в почве (породе). Такие рас-
145
четы впервые осуществил Б.Б. Полынов, которые дополнил А.И. Перельман
(рис. 21).
По величине биологического поглощения все химические элементы разде-
лены на две группы: элементы биологического накопления и элементы биологи-
ческого захвата. К первой группе относятся элементы, содержание подвижной
формы которых в почвах относительно высокое. Соответственно эти элементы
потреблялись растениями в большей степени, чем элементы второй группы – ма-
лоподвижные или неподвижные. Кроме того, и та и другая группа по величине
коэффициента биологического поглощения подразделены также на две группы в
зависимости от величины самого коэффициента.
К энергично накапливаемым химическим элементам отнесены галогены и
физиологически важные для растений – фосфор и сера. Все элементы сильного
накопления жизненно необходимы растениям. Исключением является стронций,
который является антагонистом кальция. Вхождение его в эту группу обусловле-
но хорошей растворимостью его соединений.
Группы среднего, слабого и очень слабого захвата представлены химиче-
скими элементами, которые выполняют физиологическую роль или функция их
неизвестна. Этим подтверждается закономерность существующая среди живых
организмов – чем больше содержится химических элементов в подвижной форме
в почвенном растворе, тем больше их поступает в организм. К сожалению, приро-
да не придумала эффективного фильтра по отсеиванию химического балласта.
Рис. 21. Ряды биологического поглощения элементов (по А.И. Перельману, 1989)