pdf.php@id=6161.pdf

фические сланцы и метакварциты Гренландии, Южной Африки. Все они содержат Сорг; при помощи электронной микроскопии в них обнаружены форменные остатки, методом хроматомассспектрометрии идентифицированы хемофоссилии.

К числу наиболее древних определений биогенного ОВ от­ носится формация Фиг-Три в Южной Африке, возраст которой 3,1 млрд лет. В кремнистых сланцах формации обнаружены фор­ менные остатки, идентифицированные как «окаменелости бакте­ рий». Хроматограмма экстракта из этих пород имеет нормальное распределение н-алканов С14—С25, в малых количествах присут­ ствуют пристан и фитан (Кальвин, 1971). По-другому выглядит хроматограмма экстракта из более древних пород формации Онфервахт (возраст 3,7 млрд лет). На ней на фоне гладкой кривой выделяются отдельные пики, обычно свойственные н-алканам биогенного генезиса, т.е. эта хроматограмма идентифицируется как смесь абиогенных и биогенных УВ. М. Кальвин сделал это заключение с большой осторожностью, отдавая себе отчет в том, что для такого вывода (граница жизнь—преджизнь) требуются очень веские доказательства. На рис. 3.1 приведена геохроно­ логическая таблица химической и биологической эволюции, на которой четкая граница между этими двумя важнейшими этапа­ ми в эволюции Земли отсутствует, она лежит в интервале 3,1— 3,7 млрд лет.

Анализ всех данных палеогеохимии, палеобиологии и геохи­ мии, проведенный Дж. У. Шопфом, позволяет предположить, что жизнь появилась на Земле более 3,5 млрд лет назад и, веро­ ятно, ранее этого рубежа в органическом мире уже были развиты такие явления, как анаэробная хемогетеротрофия и анаэробная фитоавтотрофия (Соколов, Федонкин, 1988).

Считают, что первые организмы были анаэробные гетеротрофы — бродилыцики; они потребляли органические вещества, синтезированные абиогенным путем. Когда запас этих веществ был исчерпан, появились первые автотрофы. Они черпали энер­ гию для жизни, расщепляя H2S, выделяя при этом серу, — аноксигенный хемосинтез; затем они научились потреблять водород, расщепляя воду и выделяя кислород, — оксигенный фотосинтез. Формирование ОВ протекало согласно реакциям:

аноксигенный хемосинтез

пС02 + 2 /ÎH2S -> С„(Н20)„ + 2«S + яН20 ;

оксигенный фотосинтез

111

Рис. 3.1. Геохронологическая таблица химической и биологической эволюции Земли (по М. Кальвину, 1971)

Выделение кислорода в атмосферу и накопление его приве­ ло к формированию озонового слоя, благодаря которому жизнь смогла выйти на сушу.

Первые организмы (архебактерии, бактерии, цианобактерии) были прокариотами, т.е. у них отсутствовало ядро и половое де­ ление, ДНК сосредоточена в центре клетки.

Существуют разные точки зрения, когда появился кислород в атмосфере. Согласно одной из них, накопление 0 2 в атмосфере шло медленно и плавно, достигнув современного уровня в тече­ ние фанерозоя, так как прокариотная система не могла обеспе­ чить более 1% свободного кислорода в атмосфере. Более распро­ странена идея, что свободный кислород начал играть заметную роль в атмосфере начиная с 1 ,8 —2 , млрд лет назад — именно к этому времени приурочено появление красноцветных формаций,

112

широко распространенных практически на всех континентах. Существует также гипотеза, основанная на сходстве изотопного состава серы фанерозойских и архейских образований, что аэроб­ ная фотоавтотрофия существовала уже 2,9—3 млрд лет назад.

Эукариоты появились 1,5 млрд лет назад, они имели клетку с четко выраженным ядром; первые эукариоты были однополыми.

Винтервале 0,8—1,0 млрд лет появились разнополые эукариоты, которые дали толчок бурному развитию разных форм жизни; к концу протерозоя появились зеленые, бурые, красные водорос­ ли. На границе кембрия—докембрия появление многоклеточных организмов повлекло за собой бурное развитие жизни — фауны

ифлоры. Возможно, что бесскелетная фауна появилась раньше.

Ввендских отложениях (600 млн лет) найдены отпечатки круп­ ных бесскелетных организмов (эдиакарская фауна), но точная принадлежность этой группы ископаемых не определена. Первые наземные растения фиксируются в конце силура, расцвет их на­ чинается с карбона и продолжается с постоянным увеличением видов вплоть до кайнозоя, с начала кайнозоя — млекопитающие,

ав конце кайнозоя — человек (Homo sapiens) — вершина эволю­ ции живого вещества.

Основные биопродуценты и их эволюция

Несмотря на единство элементного и компонентного соста­ вов различных представителей живого вещества, в их химиче­ ском составе и молекулярной структуре наблюдаются заметные отличия.

Живое вещество любого участка суши или моря характеризу­ ется определенными биоценозами. Биоценоз — это совокупность всех живых организмов (животных, растений, грибов и др.), со­ вместно населяющих какой-либо участок суши и (или) водоема.

Влюбом биоценозе по типу питания выделяются три группы ор­ ганизмов: продуценты, консументы и редуценты. Продуценты — живые организмы, производящие живое вещество из неживого, автотрофы, например зеленые растения, водоросли; консумен­ ты — потребители, питающиеся ОВ продуцентов, гетеротрофы — все животные; редуценты — грибы и бактерии, разлагающие ОВ как консументов, так и продуцентов, минерализующие его.

Основным продуцентом ОВ в современных водоемах является фитопланктон. Поскольку НМ-потенциал ОВ в основном опре­ деляется долей липидных и липоидных компонентов в исходном ОВ, то именно распределение этой группы соединений в основ­ ных продуцентах представляет особый интерес (см. табл. 3.2).

Втабл. 3.4 приводится содержание липидов в разных группах

113

Таблица 3.4

Основные породообразующие водоросли (по Г.К. Барашкову, Б.А. Романкевичу)

водорослей. Повышенной концентрацией липидов отличаются диатомовые водоросли, по биопродуктивности первое место за­ нимают также диатомовые, затем следуют динофлагеллаты, отно­ сящиеся к группе перидиней. Современные диатомовые водорос­ ли синтезируют более 50% ОВ. Широкое распространение они получили с конца юрского периода, хотя некоторые исследовате­ ли считают, что первые диатомеи появились уже к началу палео­ зоя. Диатомеи содержат повышенные концентрации внутрикле­ точных липидов (до 38% сухого веса); кроме того, липиды входят в состав клеточных мембран и запасных систем. Состав липи­ дов непостоянен, соотношение свободных и связанных жирных кислот, их распределение различны. Так, у диатомеи Sceletonema costatum в общем количестве липоидов жиры составляют 34%, свободные жирные кислоты — 15, глицериды — 11, галактолипиды — 12%. Преобладают жирные кислоты с неразветвленной цепью и четным числом атомов С, причем незначительно прева­ лируют ненасыщенные кислоты: С16 — 70%, С14 — 10, С2о — 5%, очень мало С18 и С22 (Барашков, 1972).

Характерной особенностью диатомовых и некоторых других водорослей (золотистых, желтозеленых, перидиней) является их способность накапливать в виде запасных веществ липиды, при­ чем наиболее нейтральные. Благодаря отложению этого легкого резервного вещества диатомеи имеют достаточную подвижность, несмотря на наличие тяжелой кремниевой оболочки. Содержа­ ние и состав запасных липидов зависят от разных экологических

114

факторов: освещенности, содержания минеральных веществ. Установлено, что при недостатке азота, при голодании в диатомеях резко возрастает доля липидов в ОВ. Дополнительные на­ копления липидов происходят в результате стрессовых ситуаций: облучения, холода, тепла, нарушения солевого обмена, воздей­ ствия химических стимуляторов. В эксперементальных условиях доля липидов возрастала до 70%. Важнейшим компонентом за­ пасных липидов являются длинноцепочечные жирные кислоты, в основном ненасыщенные.

Накопив запасные вещества, водоросль может их сама израс­ ходовать в процессе жизнедеятельности. Для того чтобы запас­ ные липиды попали в осадок, необходимо отмирание организма в момент накопления этих резервных веществ. Таким образом, на состав ОВ осадка влияют не столько экологические условия жизни основных биопродуцентов, сколько условия их отмира­ ния, т.е. танатоценозы.

Следующая по численности группа альгофитопланктона пред­ ставлена динофлагематами, относящимися к группе перидиней, или панцирных жгутиконосцев. Перидинеи в массовых количе­ ствах встречаются в основном в теплых морях. В их клетках не­ сколько повышено содержание липидов — от 3 до 18%, в сред­ нем 1 1 %. В составе жирных кислот присутствуют С18, С2о, С2, резко преобладает С18 (до 57%). Установлены также стероиды. Характерный биомаркер — 4-метилстероид, обнаруженный в по­ вышенных концентрациях в ОВ рэтских горючих сланцев Запад­ ной Англии, рассматривается как показатель исходной биомассы динофлагеллат. Расцвет перидиней был в поздней юре и мелу, в кайнозое их распространение пошло на спад, но и в совре­ менных водоемах, морских и пресноводных, они еще достаточ­ но широко развиты. Единичные их формы описаны в силуре в Черногории, но широкое распространение типичные перидинеи получили только с юрского периода.

Золотистые водоросли более распространены среди ископае­ мых форм, окраска их обусловлена наличием желтого фермен­ та — финохризина. Примитивные формы золотистых водорослей известны с кембрия, более сложные — с мела. Наиболее рас­ пространены два подкласса: кокколитофориды (coccolitophorea) — очень мелкие наннопланктонные формы, обитающие в теплых морях и образующие известковый ил; силикофлагеллаты (silicoflugellatae) — водоросли с кремниевой функцией, кремниевые жгутиковые. Эти водоросли достигли широкого распространения с сенона, встречаются они и в отложениях юры, имеются све­ дения о нахождении примитивных форм в ордовике. Это очень мелкие, исключительно морские формы, обитают в основном

115

в области литорали. В биохимическом составе этих водорослей изучены только жирные кислоты; их состав: С18 — 16—27%, С14 — 11%, С16 — 7—10%. В качестве резервных веществ современные формы накапливают липиды.

Желтозеленые водоросли значительно менее распространены; они играют важную роль в формировании озерных отложений, обогащенных ОВ. Свое название эта группа водорослей получила благодаря содержанию наряду с хлорофиллом желтых пигмен­ тов — ксантофилла и каротина. Желтозеленые водоросли обна­ руживают большое сходство с зелеными водорослями. Особый интерес представляет водоросль Batryococcus, широко распро­ страненная в современных сапропелевых илах и ископаемых сапропелитах, в горючих сланцах, как озерных, так и морских. Так, содержание УВ в варпалотских горючих сланцах Венгрии прямо пропорционально количеству остатков водорослей Batryococcus. Батриококкус является породообразующей водорослью так на­ зываемых торбанитов — озерных горючих сланцев Австралии пермского возраста.

Способность накапливать этими водорослями в особых усло­ виях липиды в больших количествах может быть использована для получения синтетической нефти. Ученые Иерусалима в ла­ боратории получили углеводороды из водорослей Batryococcus, выращенных в теплой соленой воде. В США были выполнены подобные эксперименты: в воду, населенную водорослями Ba­ tryococcus, добавляли азот, микроэлементы и продували диоксид углерода, при этом резко возрастала биопродуктивность водорос­ лей и содержание в них липидов. Квадратный метр поверхности такого водоема ежедневно может производить 50 г ОВ, из них 70% составляют липиды, 80% которых используется для получе­ ния дизельного топлива.

Наиболее широкое стратиграфическое распространение свой­ ственно синезеленым водорослям. Они относятся к прокариотам, что сближает их с бактериями. Есть и другие признаки, более свойственные бактериям: строение клеточной стенки, наличие газовых вакуолей, способность к фиксации азота и др. В настоя­ щее время их чаще называют цианобактериями. Они существуют на Земле более 3 млрд лет. Автотрофные формы при фотосин­ тезе используют С 02 и выделяют кислород; благодаря их жиз­ недеятельности была создана кислородная атмосфера Земли. В течение всей истории своего развития они не претерпели из­ менений. В протерозойских бассейнах они были подавляющей формой жизни и поставщиком ОВ. Многими исследователями отмечались консервативность цианобактерий, их экологическая выносливость. Сине-зеленый цвет определяется наличием сине­

116

го и бурого пигментов в сочетании с хлорофиллом. Некоторые формы имеют и другие пигменты — от красного до черного. Эти водоросли токсичны, хищны, подавляют развитие других водо­ рослей и зоопланктона, радиорезистентны, приспособлены жить в темноте, в горячих и холодных водах. Очень важным свойством этих водорослей является антибактериальное действие их липи­ дов (цианофитина и хлороллина). Это предопределило устойчи­ вость ОВ синезеленых (как и некоторых зеленых) водорослей к микробному разрушению. Цианобактерии представлены как од­ ноклеточными, так и многоклеточными формами.

В цианобактериях обнаружены чрезвычайно устойчивые био­ полимеры, но существенно иного типа, чем в батриококкусах. Эти биополимеры образуются в оболочке клеток живого ве­ щества и характеризуются аморфной структурой, благодаря им формируется аморфный кероген. Такие структуры керогена встречены как в современных осадках, так и в страмотолитах докембрийского возраста. Благодаря этому ОВ синезеленых водо­ рослей имеет достаточно постоянный и устойчивый состав, оно несколько обеднено гетероэлементами и обогащено водородом. Несмотря на невысокое в среднем содержание липидных ком­ понентов (до 1 2 %), оно характеризуется высоким нефтематерин­ ским потенциалом.

Основную массу ОВ поставляют продуценты — основа пище­ вой цепи. Следующая группа пищевой цепи — копеподы, круп­ нейшая группа зоопланктона. Копеподы питаются непосред­ ственно фитопланктоном, видимо, поэтому существует сходство между составом липидной фракции копепод и фитопланктона. Изопреновый углеводород пристан, присутствующий во многих современных осадках, видимо, имеет тот же источник: он явля­ ется основным компонентом жировых телец копепод из отряда

Calonoida.

При переходе по пищевой цепи от продуцента к следующему звену пищевой цепи масса ОВ сокращается на порядок. В ряду фитопланктон -> копеподы рыбы -> хищники масса ОВ сокра­ тилась в 1000 раз. Несмотря на это, отдельные группы зооплан­ ктона, видимо, вносят заметный вклад в ОВ и (или) влияют на его исходный состав. Так, ОВ силурийских граптолитовых слан­ цев характеризуется повышенными содержаниями азота за счет зоопланктона.

Вклад бактериального ОВ в исходное ОВ неоднозначно оце­ нивается различными исследователями. Ведущая роль бакте­ рий в преобразовании ОВ, в формировании окислительно­ восстановительной обстановки, в воздействии на минеральную составляющую породы признается всеми. Бактерии — наиболее

117

распространенные представители живого вещества. Благодаря им зона действия живого вещества расширяется до глубины в несколько километров, охватывает высокотемпературные (более 100 °С) зоны, такие, как области развития «курильщиков», го­ рячие озера. На основании такой «повсюдности» бактерий было предложено выделять сферу их жизнедеятельности как бактериосферу (Соколов, 1993).

Бактерии — мельчайшие организмы (ультрапланктон), размер которых не превышает 5 мкм. Бактерии являются автотрофами, гетеротрофами и олиготрофами. Автотрофные бактерии вклю­ чают фотосинтезирующие формы, использующие для синтеза ОВ из минеральных веществ солнечную энергию, и хемосинте­ зирующие, использующие для этой цели химическую энергию. Автотрофные бактерии — это нитрофикаторы, сульфатредуцирующие, железобактерии и др.

Большая часть бактерий — гетеротрофы, они существуют за счет органических веществ других организмов, за счет разложе­ ния сложных органических молекул. Гетеротрофы, использую­ щие для питания мертвые ОВ (некрому), называются сапрофита­ ми или гнилостными', те же бактерии, которые живут в теле живых организмов, называются паразитами.

По отношению к кислороду бактерии подразделяются на аэроб­ ные, развивающиеся в присутствии кислорода, анаэробные — при отсутствии свободного кислорода, факультативно-анаэробные, растущие в тех и других условиях. Бактерии, развивающиеся в высокоминерализованных средах (более 1 0 0 г/л), называются галофильными. Анаэробные гетеротрофы — это метанобразующие, метанокисляющие, молочнокислые, маслянокислые, гнилостные бактерии и др.

Характерной чертой бактерий является автолиз — самоуни­ чтожение своей некромы. Автолизу препятствует сорбция бак­ териального ОВ минеральными частицами и резко восстанови­ тельная обстановка. Возможно, что автолиз уничтожает не все ОВ бактерии, а только наиболее подверженные микробиальному окислению компоненты, липидная же составляющая или часть

еесохраняется.

Согласно расчетам Н.В. Лопатина, доля некромы бактерий в

ОВ к концу диагенеза может составлять ориентировочно в илах озер до 25—35%, в мелководных морских заливах и лагунах 1015%, в шельфовой зоне океана 5—10%, в океанических осадках менее 0,5% (Лопатин, 1982).

Таким образом, геохимическая роль бактерий заключается прежде всего в разложении огромных масс растительных и жи­ вотных остатков. Велика роль их в круговороте С, N, P, S, Fe, Мп

118

идр. С жизнедеятельностью бактерий связаны процессы биоде­ градации нефти и нафтидов, образования и разрушения серы и сульфидных руд, окисления метана в угольных месторождениях

ит.д. Если вопрос о вкладе бактериального ОВ в исходное ОВ до сих пор дисскусионен, то участие липидной составляющей бактерий в формировании состава ОВ бесспорно.

Бактерии имеют изменчивый состав: 80% и более составляет вода, 20% — ОВ. По современным оценкам, 30-40% мертвого ОВ, потребляемого бактериями, идет на построение живого ве­ щества самой бактерии, остальные 60-70% служат для получе­ ния энергии и после изменений превращаются в минеральные осадки. Их химический состав: С — 50%, О — 20%, Н — 8 %, N — 5-10%, S — 1%, в малых количествах присутствуют магний, кальций, марганец, медь, цинк. Групповой состав: белки — 50— 60%, материал клеточных мембран — 2 0 %, на 20—40% состоящих из липидов, 10% липиды, липоиды, 10% ДНК, РНК. Жирные кислоты, извлекаемые из бактерий, обычно представлены со­ единениями ряда С|0—С20, преобладают кислоты с разветвленной цепью — изо- и антеизоконфигурациями. Помимо жиров многие бактерии способны накапливать полифосфаты, полисахариды и серу. В составе ОВ бактерий отмечены также тритерпаны ряда гопана, в частности бисноргопаны, гаммацераны.

Высшие растения также являются поставщиком органического вещества в исходное ОВ аквальных осадков. ОВ высших растений представлено главным образом целлюлозой и лигнином, доля липоидных компонентов в них в целом мала. Однако заметное количество липидов и липоидов накапливается в листьях, спо­ рах, пыльце, коре, плодах и семенах. Липиды высших растений характеризуются некоторой специфичностью, например, среди н-алканов от Ci0 до С40 отмечается повышенная концентрация УВ высокомолекулярных — С27- С 29, а также значительное (до 10 раз) преобладание нечетных УВ над четными. В строении не­ растворимой части керогена участвуют компоненты углеводов, белков и лигнина.

Состав и тип захороняющегося в осадках ОВ определяется пре­ жде всего соотношением разных групп организмов-поставщиков, фациальной и физико-химической обстановками осадконакопления. Абстрагируясь от условий осадконакопления, проследим, как химический состав ОВ осадка в значительной степени из­ менялся в зависимости от эволюционного уровня развития групп организмов — поставщиков ОВ.

Биохимические предшественники нефти (рис. 3.2) могли на­ ходиться только в кайнозойском бассейне, т.е. в бассейне того

119