книги / Основы геохимии

способных усваивать энергию Солнца, — основы всего живого на Земле, в пределах биосферы быстро установилось динамическое хи­ мическое равновесие между главными газовыми компонентами.

В истории Земли выделяют длительный криптозойский эон (см. рис. 29) с морфологически скудными следами жизни, и относительно короткий фанерозойский эон. В фанерозой эволюция пошла быстрыми шагами вперед и привела в большому разнообразию органических форм. Переломным считается кембрийский период. После него из­ менился и характер эволюции. Соотношение между крупными интервалами геологического времени можно представить в сле­ дующем виде:

Приведенные выше хронологические данные указывают на то, что темпы эволюции организмов во времени возрастали в общем в гео­

ками организмов до сих пор считались строматолиты, образованные синезелеными и зелеными водорослями. Древнейшие известные стро­ матолиты куполовидной формы, сравнимые с Collenia, были описаны из раннедокембрийских известняков в 53 км от Булавайо в Южной Африке. Пегматитовые дайки, интрудирующие эти отложения у Би­ кита, имеют возраст 2,65 млрд. лет. Следовательно, минимальный воз­ раст найденных строматолитов также 2,65 млрд. лет. По мнению

А.Холмса (1965), возраст их близок к 3 млрд. лет.

Следы ползания относительно высокоорганизованных животных

Metazoa в виде искривленных веретен с латеральными морщинами и билатеральной симметрией найдены недавно в песчаниках гуронской системы у озера Эллиот в провинции Онтарио (Канада), возраст кото­ рой 2—2,5 млрд. лет. Г. Гофманн (1967), описавший эти находки, свя­ зывает их с аннелидами двух видов — Rhysonetron lahtii, Rhysonetron byei.

Однако уникальными находками являются следы жизни в хал­ цедоновых черных сланцах формации Фигового Дерева (Fig Tree), входящей в состав Свазилендской системы вблизи Барбертона в Юж­ ной Африке. Возраст этой системы близок к 3,4 млрд, лет, если не более. В результате исследований, проведенных в Гарвардском уни­ верситете В. Шопфом и Е. Баргхурном (1967), в сланцах формации были обнаружены древнейшие бактерии Eobocterium isolatum и сво­

201

еобразные сферические образования, сравнимые с синезелеными во­ дорослями группы Chroococales и похожие на ранее найденные сфероидальные водорослеподобные микроорганизмы из кремневых отложений формации Ганфлинт в Северной Америке (средний докем­ брий, возраст 2—2,5 млрд. лет). Эти древние сфероидальные тела получили название Archaesphaeroides barbertonensis. Они малых размеров (диаметр 15—24 мкм). Биологическое происхождение этих форм несомненно, поскольку они ассоциированы с изопреновыми уг­ леводородами (пристаном и фитаном) .которые возникают при фотосинтетическом воспроизводстве органических веществ и широко распростра­ нены в отложениях более молодых геологических эпох. Изопреновые дериваты представлены во всех современных организмах, за исключе­ нием анаэробных бактерий. Определение изотопного состава углерода ( 12С : 13С) из отложений показало хорошее совпадение с данными для нефтей, углей и других органических веществ фотосинтетического происхождения или их производных, отчетливое расхож­ дение с изотопными отношениями, известными для неорганических соединений углерода.

Совместно с Eobacterium isolatum органогенные сфероиды Archaeospheroides barbertonensis представляют собой древнейшие ископаемые организмы, известные в настоящее время. Возможно, что Archaeospheroides barbertonensis являются эволюционными предками современ­ ных коккоидных синезеленых водорослей.

Существование фотосинтезирующих организмов в далекие эпохи криптозоя просто и логично объясняет находки восстановленного углерода во многих отложениях раннего докембрия в виде графитовых образований в гнейсах и рассеянного углистого вещества в черных слан­ цах. Кроме того, мы имеем право заключить, что фотосинтезирующие организмы возникли весьма рано в эволюции биологических систем.

Новые данные неопровержимо указывают на большую древность биосферы Земли в целом и отодвигают эпоху возникновения жизни за пределы 3,6 млрд, лет тому назад, в те далекие времена, которые не зафиксированы горными породами, сохранившимися до наших дней.

ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ ОРГАНИЗМОВ

Основу живого вещества составляет углерод, обладающий уни. кальным свойством давать бесконечное множество разнообразных химических соединений. Данные химических анализов показывают, что любая форма живого состоит из сочетаний немногих химических элементов. Так, например, 96% массы человеческого тела составдяют такие распространенные в природе элементы, как О, Н, С, N. Осталь_ ные элементы в составе живого вещества встречаются в относительно небольших количествах, несмотря на исключительно важную роль некоторых из них в физиологии организмов. В табл. 64 приведен эле. ментарный химический состав органического вещества по А. П. g H_ ногр адову (1967).

202

Все живые организмы независимо от их видовой принадлежности и условий существования состоят из протоплазмы, которая не встре­ чается в косной материи биосферы. Живая протоплазма состоит из углеводов, жиров, воды и нуклеиновых кислот. В биосфере сущест­ вует бесчисленное множество форм протоплазмы. Причем основные компоненты ее сохраняют определенную устойчивость, но резко меня­ ются их соотношения. Все основные части протоплазмы,за исключением воды, представляют собой сложные соединения углерода.

Углеводы — наиболее простые соединения углерода в живых организмах, состоящие из С, О, Н в разных отношениях. К углеводам относятся моносахариды, представителями которых являются глю­ коза и фруктоза СвН 12Ов, и полисахариды. Наиболее известный поли­ сахарид — крахмал (СвН10О5)„. В животных организмах встречается один из самых сложных сахаридов — гликоген, молекула которого состоит из 1000 молекул моносахаридов. Очень важной в составе растений является клетчатка (целлюлоза), из которой построены стен­ ки растительных клеток.

Жиры — сложные органические соединения, представляющие со­ бой сочетания различных жирных кислот. В кислотах атомы углерода образуют цепи, соединенные с атомами водорода. Кислорода очень мало. В качестве примера можно привести строение молекулы жир­

Белки — исключительно сложные химические соединения из С, О, Н, содержащие также азот, иногда серу. В настоящее время известно около 30 видов аминокислот, входящих в состав белков и образующих множество комбинаций. Аминокислоты отличаются друг от друга по

203

структуре, в которой атомы углерода образуют либо цепи, либо замк­ нутые кольца. В молекуле аминокислоты к одному из атомов углерода всегда присоединяется аминогруппа. Это можно показать на примере простейшей аминокислоты:

N — С—С

N o - н

нн

Если глюкоза и другие углеводы разных растений имеют одинако­ вый химический состав, то белки разных организмов никогда не бы­ вают одинакового состава. Даже у представителей одного и того же вида строение белков разное. Состав белков специфичен для каждого живого организма. Эта специфичность объясняется тем, что строение белков определяется наследственными свойствами клеток организма, и лишь у близнецов наблюдается одинаковый состав и строение бел­ ковых молекул.

Организованные скопления органического вещества, способные к самовоспроизведению и представляющие собой единицы наследст­ венности, называются генами. Самовоспроизводство генов происходит только внутри живого организма. Такой способ воспроизводства имел место в течение всей геологически изученной истории Земли, для ко­ торой вполне оправдал себя принцип Ф. Реди (1626— 1698) — «все живое от живого».

Гены в общем построены из пуринов, пиримидинов, сахара и фос­ фатных ионов. Структурные молекулы некоторых из них имеют сле­

В целом вещество, слагающее гены, называется дезоксирибонуклеи­ новой кислотой (сокращенно ДНК). Молекула Д Н К имеет форму двой­ ной спирали, две цепи которой соединены между собой слабыми во­ дородными связями. В 1963 г. Г. Шрамму удалось доказать возмож­ ность синтеза нуклеиновой кислоты, имеющей, как и ДН К, структу­ ру двойной спирали. Синтез был осуществлен в смеси простых саха­ ров, пуринов, пиримидинов с добавкой фосфатных соединений при повышенных температуре, давлении и электрических разрядах. По­

204

лучение искусственных нуклеиновых кислот со свойствами живого вещества — самовоспроизведением, по-видимому, дело не столь отдаленного будущего.

С геохимической точки зрения особый интерес представляет хими­ ческий состав живого вещества планеты. В этом отношении мы рас­ полагаем сводными данными А. П. Виноградова (1954). Ниже приво­ дится средний элементарный состав живого вещества Земли, по А, Г). Виноградову в массовых процентах на живой вес:

Качественно в организмах обнаружены инертные газы, Be, Sc, Ga Zr, Ag, Cd, Sb, Те, Hf, Та, Re, Au, Tl, Bi, Th и элементы платиновой группы. При оценке состава предусматривалось, что основная масса живого вещества — это растительность моря и суши. Данные А. П. Ви­ ноградова весьма показательны. Они указывают на то, что, несмотря на организационную роль углерода, живое вещество Земли есть кис­ лородное вещество, богатое углеродом (В. И. Вернадский, 1934). В атомарных соотношениях (по числу атомов) в реальной массе живо­ го вещества преобладают кислород и водород. Однако в геохимичес­ ких реакциях значение углерода несравненно более велико, чем это следует из массового содержания.

Живые организмы избирательно используют элементы из внешней среды в соответствии со своими физиологическими потребностями. Все элементы, входящие в состав организмов, можно подразделить на структурные элементы — С, Н, О, N, Р, S, Cl, Na, К, F, Mg, Si, Са — и элементы биокатализаторы — Fe, Си, В, Mn, I.

Роль отдельных элементов в жизни животных и растений еще не­ достаточно выяснена, так как химически исследовано всего около 7 000 видов почти из двух миллионов.

ФОТОСИНТЕЗ И ГЕОХИМИЧЕСКИЙ БАЛАНС УГЛЕРОДА

Фотосинтез зеленых растений представляет собой мощный косми­ ческий процесс, вовлекающий в годовой круговорот огромные массы вещества Земли и определяющий высокий кислородный потенциал ее атмосферы и биосферы в целом. Фотосинтез выступает, таким обра­ зом, как регулятор едва ли не всех гипергениых геохимических про­ цессов, как фактор, определяющий наличие свободной энергии верх­ них оболочек нашей планеты. С химической точки зрения фотосин­

205

тез — окислительно-восстановительная реакция, протекающая при участии хлорофилла зеленых_рдстений за счёт энергии солнечных лу­ чей. В схематическом виде процесс фотосинтеза может быть изобра­ жен следующей реакцией:

С 02 + 2Н20 (Н—С—ОН) + Н ,0 + 0 2

Таким образом за счет поглощения углекислоты и воды синтезиру­ ется органическое вещество и выделяется""свободный кислород. При восстановлении одного моля С 02 до углеводного уровня поглощается 469 кДж, а свободная энергия увеличивается на 502 кДж. Прямыми продуктами фотосинтеза являются не только углеводы, но и белки. В целом весь процесс фотосинтеза в современных зеленых растениях имеет довольно сложный характер. Изучение изотопного состава кислорода, выделяющегося при фотосинтезе, показало, что он образу­ ется'преимущественно за счет разложения воды, а не углекислогбТаза, как это допускалось ранее. Кислород углекислоты идет на образова­ ние органических соединений (Виноградов, Тейс, 1949). Простейшим продуктом фотосинтеза является глюкоза, образование которой идет по схеме

ключением, и создает огромный геохимический эффект, который обыч­ но определяется как сумма всей массы углерода, ежегодно вовлекаемой в построение органического вещества биосферы. Однако оценка массы углерода еще недостаточно точная. Обычно принимается, что на каж­ дый гектар суши в среднем в результате фотосинтеза фиксируется 1,2 т углерода. Следовательно, растительность суши ежегодно усваивает 2 109 т углерода. В отношении растений гидросферы имеются зна­ чительные расхождения. По расчетам Е. И. Рабиновича (1945),

206

Это продукция фитопланктона Мирового океана. В действительности продукция органической массы гидросферы тесным образом связана с деятельностью фитопланктона, бактерий и зоопланктона. Прибли­ женная оценка биомассы и продукции органического углерода в Миро­ вом океане представлена в табл. 65.

она ближе к истине, чем ранее произведенные оценки массы фиксируе­ мого углерода. В целях дальнейших расчетов, несколько округляя цифру, мы можем принять, что Мировой океан в результате фотосин­

ющая часть углерода входит в биогенный цикл моря и меньшая часть — суши. Учитывая общий баланс элементов прифотосинтетической реак­ ции, нетрудно прийти к выводу, что Мировой океан с его живым насе­ лением является главным генератором свободного кислорода в атмос­ фере.

Можно дать количественную оценку баланса основных веществ, участвующих в реакциях фотосинтеза в планетарном масштабе.Так, например, если ежегодно всем живым веществом биосферы усваивается 1 1011 т углекислоты, то это неизбежно ведет за собой использование 3,65 • 1011 т углекислоты и 1,5- 1011 т воды. В общей сложности 5 х Х10ц т веществ внешней неорганической природы потребляется еже­ годно в биосфере Земли в связи с фотосинтезом зеленых растений. Это на два порядка превышает массу ионного стока в океан в течение года (см. табл. 53). Расчет отдельных видов потребляемых и созда­ ваемых фотосинтезом веществ представлен в табл. 66.

Из данных табл. 66 следует, что ежегодно 266 млрд. т. свободного

207

счет кислорода фотосинтеза. Несмотря на то что приведенные цифры носят формальный характер, так как не все части свободного кисло­ рода и углекислоты биосферы одинаково подвижны для полного об­ новления, представляется несомненной выдающаяся роль фотосин­ теза как ведущего процесса круговорота веществ в биосфере ЗемлНЕсли учесть, что биосфера существует не менее 3,6 млрд, лет, то не­ трудно подсчитать, что при постоянной интенсивности фотосинтеза вся вода Мирового океана не менее 400 раз прошла через биогенный цикл, свободный кислород атмосферы обновлялся не менее 800 000 раз, а вся углекислота биосферы миллионы раз прошла через фотосинтез. Все эти цифры говорят об огромной напряженности фотосинтетического процесса, в котором прямо или косвенно участвуют и остальные биофильные элементы — N, Р, S а также металлы — К, Si, Сз, Mg, Na.

Приближенный расчет показывает, что ежегодно в круговорот углерода в биосфере в связи с фотосинтезом вовлекается азота 1,14 ><

гичный расчет может быть проведен для всех химических элементов, входящих в состав зеленых растений планеты.

При гибели организмов происходит процесс, обратный фотосин­ тезу, — разложение органического вещества путем его окисления и об­

0 2 отличается удивительным постоянством. Отсюда, естественно, воз­ никает важное следствие — общее количество биомассы (живого ве­ щества) на Земле остается постоянным. Этот вывод ни в коем случае не имеет абсолютного значения. Величайшая напряженность жизни, ее повсюдность, как отражение переработанной энергии солнечного луча, приводит к планетарному равновесию между фотосинтетической продукцией живого вещества и его разложением. Поэтому неизбежно устанавливается тенденция постоянства массы живого вещества, ко­ торая нарушается локальными причинами. Если равновесие в уравнениисдвигается вправо, происходит захоронение орга­ нических масс с последующим образованием нефти, угля, битумов.

208

В процессе круговорота углекислота атмосферы взаимодействует с литосферой, вызывает химическое выветривание полевых шпатов и некоторых других силикатных минералов. Определенная часть уг­ лекислоты почвы фиксируется микроорганизмами, которые не содер­ жат хлорофилл. Этот процесс происходит за счет энергии различных химических реакций и называется хемосинтезом. Он был открыт в

аммиак до солей азотистой, а затем азотной кислоты с выделением энергии. Энергия, выделяемая при окислении, используется для синтеза органических веществ из С 02, Н 2, 0 2 и минеральных веществ почвы. В отличие от фотосинтеза здесь не используется прямая энер­ гия солнечной радиации. Однако хемосинтез косвенным образом связан с фотосинтезом. Свободный кислород, используемый при хемо­ синтезе, является продуктом фотосинтеза.

Наиболее типичные представители хемосинтезирующих микроор­ ганизмов — нитрифицирующие (Nitrosomas) бактерии — Nitrobacter, серобактерии, железобактерии и водородные бактерии.

Нитрифицирующие бактерии Nitrosomas окисляют аммиак до нитритов:

2NH3 + 3 0 2 2HN02 + 2Н20 + 578 кДж

Nitrobacter окисляют нитриты до нитратов:

2HN02 + 0 2 2HN03 + 180,86 кДж

Бесцветные серобактерии, как, например, Beggiatoa, окисляют сероводород до серы по схеме

H2S + 1/2 0 2 -> S + Н20 + 136 кДж

Другие серобактерии (как, например, Thiobacillus thiooxidans) окисляют серу до серной кислоты по схеме

S + 1,5 0 2 + Н20 -> H2S 0 4 + 594 кДж

Железобактерии способствуют окислению закисного железа в окисное:

4FeC03 + 0 2 + 6Н20 -*■ 4Fe(OH)3 + 4С02 + 335 кДж

Водородные бактерии окисляют свободный водород по схеме

0 2 + 2Н2 -*■ 2Н20 -F 573 кДж

Очевидно, что благодаря способности синтезировать органические вещества из углекислоты и воды, хемосинтезирующие бактерии отно­ сятся к автотрофным организмам. В определенных участках биосферы они играют важную геохимическую роль. В почвах деятельность нитри­ фицирующих бактерий повышает плодородие, способствует накопле­ нию нитратов. В замкнутых водоемах и придонных слоях серобак­ терии восстанавливают сульфаты морской воды. В верхних горизон­ тах моря (например, Черного) некоторые бактерии способствуют окис­

210