Учебное пособие для студентов специальности I 51. 01. 01 " Геология и разведка месторождений полезных ископаемых"
ГЕОХИМИЯ БИОСФЕРЫ 12.1.Зарождение жизни
жүктеу/скачать 5.81 Mb.
|
- Бұл бет үшін навигация:
- 12.2.Химический состав организмов и образование живого вещества
12.ГЕОХИМИЯ БИОСФЕРЫ12.1.Зарождение жизниУ 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 поляризации 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 Вселенной. Истинным источником жизни, видимо, является информационно-биологическое поле Вселенной. В первичной атмосфере Земли (СН4 – 50%, CO2 – 35, N – 11, NH3, H2O) 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 кислоту в результате брожения. Таким же путем получают энергию и простейшие кисломолочные бактерии. Синтез органических молекул мог происходить в результате случайных взаимодействий. Они становились все более разнообразными и сложными настолько, что стали способными воспроизводить копии самих себя. Самовоспроизводящаяся молекула должна быть заключена в оболочку, т.е. превратиться в живую клетку. Сама клетка могла образоваться различным путем. За счет поглощаемого вещества капельки-клетки разрастаются до определенных размеров и делятся, как делится капля воды. Размножение предшествует образованию системы, снимающей копию со структуры и функции клетки. Это система наследственности, которая предшествует размножению. В дальнейшем один из организмов наталкивается на способ воспроизводства пищи с помощью хлорофилла, например, водоросли. Этот момент эволюции считается 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 отдельную 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 1,9 млрд видов растений и животных. На пути мутаций в организме много защитных, профилактических и лечебных факторов. Каждый биологический вид создан по собственной модели, на основе собственного программного обеспечения. Генетический материал образуется и живет по биологическим, физико-химическим и информационным правилам. Жизнь – это постоянная борьба против тенденции к возрастанию энтропии. Согласно второму закону термодинамики, справедливому для всех явлений природы, избежать возрастания энтропии нельзя, поэтому живые организмы избрали наименьшее зло – они существуют в стационарных состояниях, для которых характерна минимальная скорость возрастания энтропии. Метаболические (обменные) процессы в организме модифицируются в соответствии с индивидуальным опытом и экологическими факторами, характером питания. Чтобы не было сбоев в информационной системе организмов, необходимо создать благоприятные внешние условия, своевременное и регулярное поступление 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 развиваются в местах концентрации в породе и в почве селена. В тоже время астрагалы в местах их великолепного развития служат индикатором концентрации селена в почве и породе. На этом принципе основаны биогеохимические методы поисков полезных ископаемых. 12.2.Химический состав организмов и образование живого веществаЖивые организмы в системе сфер Земли образуют биосферу. Это понятие было введено французским натуралистом Ж.Б. Ламарком (1744-1829) для обозначения 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 организмов, выраженная в единицах массы и энергии, В.И. Вернадский назвал живым веществом. Общая масса живого современного вещества ориентировочно определяется величиной 2,4∙1012 т (Н.И. Базилевич, Л.Е. Родин, 1971). Основу живого вещества составляет углерод, обладающий способностью давать бесконечное множество разнообразных химических соединений. 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 самовоспроизводству, 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, B, Mn, Zn, I, Mo, Co и др.). Несмотря на организационную роль углерода (18 %), живое вещество кислородное (70%). Роль углерода велика в химических реакциях. Другие элементы менее исследованы и их роль в живых организмах неопределенна. В 1928 г. В.И. Вернадский сформулировал понятие о биогеохимических функциях живого вещества: газовых (кислородно-углекислотных, азотных, сероводородных 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 окислитель, и образуется органическое вещество, как сильный восстановитель. При фотосинтезе О, С, Н заряжаются энергией и становятся геохимическими аккумуляторами энергии (по Н.В. Белову). Так нейтральные соединения СО2 и Н2О в результате фотосинтеза создали сильно окислительную среду со свободным кислородом и сильно восстановительную с органическими соединениями. По О.П.Добродееву, растения ежегодно продуцируют 3,2∙1011 т кислорода и за 3700 лет создают его массу 1,18∙1015т в атмосфере. Создание живого вещества приводит к резкому росту химической и биологической информации. В образовании О2 и поглощении СО2 заключается кислородно-углекислотная биогеохимическая функция живого вещества, деятельность микроорганизмов определяет биохимическую функцию. В 1890 г. С.Н. Виноградский (1856-1953) открыл микроорганизмы, способные окислять аммиак и не нуждающиеся в органических соединениях как источнике энергии: 2NH3 + 3O2 = 2HNO2 + 2H2O = 660,7 кДж (Nitrosomonas) 2HNO2 + O2 = 2HNO3 + 180,6 кДж (Nitrobacter) Энергия используется микроорганизмами для синтеза органических веществ из СО2, Н2О, минеральных солей. Обнаружены другие автотрофы, окисляющие S, H2S, Fe2+, Mn2+, Sb3+, H2, CH4. Этот процесс назван хемосинтезом. Бактерии хемосинтетики встречены в водах с температурой 300оС. Живое вещество состоит из преобладающей фитомассы, малой зоомассы и еще меньшей массы микроорганизмов. По Н.И. Базилевич и др., общая фитомасса составляет 2,4∙1012 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 составляет 1,7∙108 т (0,007% от всей фитомассы), зомасса и микробиомасса – 3,3∙109 т. По количеству живого вещества на 1 га океан близок к пустыням, за исключением зон концентрации коралловых рифов, Саргассова моря и зон апвелинга – подъема поверхностных 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 гидросферы составит один фунт, атмосферы – вес медной монеты, живого вещества – вес почтовой марки. Однако благодаря ежегодному приросту и отмиранию живое вещество в геохимическом отношении за геологическое время является ведущей силой в концентрации, круговороте и миграции химических элементов. Кларки живого вещества впервые привел В.И. Вернадский, затем уточнил А.П. Виноградов и дополнил В.В. Добровольский и др.:
О – 70, С – 18, Н – 10,5, N – 3∙10–1 Б. Водные мигранты (1,20 %)
Микроэлементы (водные мигранты) (n∙10–3 % и менее)
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 (CO2, NH3, N2, H2O – водяной пар). Слабоподвижные элементы в земной коре поступают в организм в незначительном количестве. Например, кларк алюминия в литосфере около 8%, а в живом веществе он присутствует в микроколичестве (5∙10–3%). Для оценки концентрации элементов в живом веществе А.И. Перельман рекомендует использовать коэффициент биофильности. Это отношение кларка элемента 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 коэффициент биологического поглощения (Ах), который представляет собой отношение содержания элемента в золе к его содержанию в почве (породе). Такие расчеты впервые осуществил Б.Б. Полынов, которые дополнил А.И. Перельман (рис. 18). 
Рис. 21. Ряды биологического поглощения элементов (по А.И. Перельману, 1989) Эти средние данные для растений будут отличаться для отдельных видов растений. Например, картофель концентрирует калий, лютик едкий – литий и т.д. Элементы с Ах более единицы относятся к элементам накопления. жүктеу/скачать 5.81 Mb. Достарыңызбен бөлісу:
|