🗊Презентация Химия окружающей среды Возникновение жизни. Земля. Природные циклы

Химия окружающей среды Возникновение жизни. Земля. Природные циклы.

Возникновение жизни Возникновение биосферы относится к самым ранним периодам развития планеты. Первые известные окаменелые остатки живых организмов (возраст – 3,55 млрд. лет), были обнаружены в Западной Австралии. Они чрезвычайно похожи по структуре на современных цианобактерий (иначе называемых сине-зелеными водорослями). Геохимические данные свидетельствуют о том, что фотоавтотрофная жизнь (использующая процесс фотосинтеза) на планете существовала 4 млрд. лет тому назад. С биологической точки зрения ей должна была бы предшествовать жизнь гетеротрофная (использующая органические вещества).

Теории биогенеза Теории биогенеза – это теории, постулирующие самозарождение жизни в результате спонтанных химических реакций. Очевидно, что «сборка» организма должна пройти следующие стадии: эволюция малых молекул; образование из них полимеров; возникновение у них каталитических функций; самосборка молекул; возникновение мембран и создание доклеточной организации; возникновение механизма наследственности; образование клетки.

Теории биогенеза А. И. Опарин в 1924 г., а затем Дж. Холдейн в 1929 г. выдвинули гипотезы биогенеза – возможности самопроизвольного зарождения жизни на Земле, экспериментальной базой которых послужила возможность синтеза простейших органических соединений в условиях древней Земли, как мы их себе сейчас представляем. Толчком к этому послужило открытие Миллером легкости образования аминокислот из 23 неорганических предшественников. Этот подход породил множество работ, доказывавших возможность синтеза достаточно сложных органических веществ в условиях древней Земли (см. работы Горовица (Horowitz, 1962), Понампернума (Ponnamperuma, 1968), Фокса (1975), очерк Н. Л. Добрецова (2005) и др.). Вместе с тем, «данные космохимии метеоритов, астероидов и комет свидетельствуют, что образование органических соединений в Солнечной системе на ранних стадиях ее развития было типичным и массовым явлением» (Войткевич, 1988).

Недостатки теории биогенеза Осуществление каждого определенного этапа на пути к появлению клетки обладало определенной вероятностью: возникновение аминокислот в первичном океане под действием электрических разрядов вполне вероятно, образование из них пептидов – немного менее вероятно, но осуществимо; спонтанный синтез ферментов – явление с точки зрения теории вероятности и термодинамики – крайне маловероятное. Зарождение жизни, в результате, доказывается лишь «простым фактом, что мы существуем и, стало быть, сами являемся косвенным аргументом в пользу биогенеза» (Лем, 2002). «Сам факт того, что мы находимся здесь, обязательно означает, что жизнь действительно зародилась» (Крик, 2002)

Недостатки теории биогенеза «Должны оставаться без рассмотрения все вопросы о начале жизни на Земле… Эти вопросы вошли в науку извне, зародились вне ее – в религиозных или философских исканиях человечества… Все нам известные, точно установленные факты ни в чем не изменятся, если даже все эти проблемы получат отрицательное решение, т. е. если бы мы признали, что жизнь всегда была и не имела начала, что живое – живой организм – никогда и нигде не происходил из косной материи и что в истории Земли не было вообще геологических эпох, лишенных жизни» (Вернадский, 2004, с. 53).

Критические уровни содержания кислорода До тех пор, пока кислород образовывался за счет фотодиссоциации молекул воды, его содержание в атмосфере не превышало 0,1%. В таких условиях не мог образовываться озоновый слой, и жизнь была возможна в водоемах на глубине 12 метров. По достижении уровня содержания кислорода 1 % от современного создалась возможность поглощения ультрафиолета. Область жизни значительно расширилась, поскольку стало достаточно 30 см воды для задержания ультрафиолета. Это произошло 600 млн. лет назад.

Критические уровни содержания кислорода Всего за 20 млн. лет возникло множество новых видов, ускорилось накопление кислорода в атмосфере. 400–420 млн. лет назад содержание кислорода достигло 10 % от современного. Озоновый экран стал настолько мощен, что жизнь смогла выйти на сушу. Это привело к новому взрыву эволюции.

Эволюция биосферы Уровни содержания кислорода в атмосфере, рассмотренные выше, используются как границы этапов развития биосферы Земли. С этой точки зрения биосфера прошла три этапа: Восстановительный, завершившийся появлением фотосинтеза Слабоокислительный этапу. Этап окислительной фотоавтотрофной биосферы.

Эволюция биосферы 600 млн. лет назад жизнь овладела мелководьями и относительно быстро после этого вышла на сушу. 60 млн. лет назад, наступило царство млекопитающих и покрытосеменных растений, т.е., биосфера приобрела облик близкий современному. 6 млн. лет назад возникла группа приматов, являющихся предками современного человека, – гоминиды. 600 тыс. лет тому назад появился человек разумный. 60 тыс. лет назад предки человека овладели огнем и, таким образом, резко выделились из природы. 6 тыс. лет тому назад возникла современная цивилизация, 600 лет назад был создан новые методы промышленного производства. Глобальных масштабов антропогенное воздействие на окружающую среду достигло к середине ХХ века.

Эволюция биосферы

Земля Земля имеет массу 6*1021 тонн и состоит из 88 различных химических элементов. Несмотря на все изменения, наблюдаемые в самых разных масштабах времени и пространства, Земля в целом остается постоянной. Крупные составные части земного шара, такие, как ядро, мантия, кора, океаны, атмосфера и биосфера могут рассматриваться как сложная, взаимодействующая система. В ней циклично происходит передача вещества от одного резервуара к другому.

Геологический цикл

Геологический цикл Горные породы выветриваются с образованием осадка, который потом заборанивается. При погружении на глубину породы испытывают метаморфизм и/или плавление. Позже они деформируются и перемещаются в горных цепях вверх, чтобы снова подвергнуться выветриванию и совершить новый цикл.

Ядро и мантия Земля резко разделяется на две части – богатую железом (ядро) и силикатную (мантия и кора). Вместе они составляют более 99,6 % общей массы Земли. Температура ядра оценивается в 4–5 тыс. °С, давление – на этих глубинах 1,5–3,5 млн. атм. Ядро Земли состоит из сплавов железа, находящихся в твердом состоянии в центральной и в жидком состоянии в остальной части ядра. Турбулентные течения жидкости и генерируют магнитное поле Земли.

Конвекция Огромная силикатная оболочка разогревается за счет распада радиоактивных изотопов. Подвод тепла возбуждает мощные конвективные течения в верхних слоях оболочки, сложенных пластичными породами. Крупномасштабные движения в мантии принимают вид течений плотного, твердого и пластичного вещества. Считается, что глубина конвектирующего слоя Земли составляет примерно 700 км. Кора (и океаническая, и континентальная) лежит на плитах толщиной примерно 100 км.

Земная кора Составляет 0,375 % земной массы. Она построена в основном из минералов, образующих горные породы. Химические элементы распределены в земной коре неравномерно, иногда скапливаясь в рудные месторождения. Земная кора с верхней частью мантии называется литосферой, лежащей на астеносфере.

Океаническая кора Океаническая кора состоит из минералов, богатых Ca, Mg, Fe, Al и Si, составляющих базальты. Океаническая кора в среднем имеет толщину около 6 км (от 5 до 8 км) и она на порядок моложе континентальной. Кора этого типа создается и вновь уничтожается на пути от срединно-океанических хребтов к зонам субдукции, где она погружается обратно в мантию. На гребнях срединно-океанических хребтов (общая протяженность 59 000 км) ежегодно образуется несколько квадратных километров новой океанической коры.

Континентальная кора Континентальная кора составляет более половины массы коры в целом или 0,29 % массы всей Земли. Толщина континентальной коры находится в интервале от 10 до 70 км. Она содержит меньше Fe, Ca и Mg, нежели океаническая кора, но сравнительно больше Si, Al, Na и K, т. е. более легких элементов. Континенты плавают в астеносфере. Континентальная кора покрывает около 45 % поверхности Земли. В гидросфере больше воды, чем могут вместить углубления, образованные плотной океанической корой, поэтому края континентов погружены в воду (континентальный шельф и континентальный склон). Континентальная кора древнее океанической. Она подвержена постоянным тектоническим движениям, эрозии, вулканизму, осадконакоплению проходя собственный цикл развития, сопровождающийся ее разрушением и новым созиданием.

Геологический цикл Ежегодно около 1010 тонн твердого и растворенного вещества, образовавшегося при эрозии земной поверхности, удаляется реками, ветром и ледниками. Выделяют два основных типа пород: изверженные или вулканические горные породы, образованные магмой, формирующейся в глубоких частях земной коры или в верхней мантии; осадочные горные породы, образующиеся при уплотнении материала, получающегося при эрозии континентальных пород и отлагающегося в депрессиях на континентах или на шельфе. Со временем слои этих отложений погружаются на все большую глубину, подвергаясь действию высоких давлений и температур. Образуются метаморфические горные породы. Расплавляясь, они формируют магму вновь.

Гидросфера Водная оболочка составляет 0,025% (0,25*10–3) массы Земли. Объем гидросферы 1375*106 км3 . В каждом кубическом километре морской воды растворено 36 миллионов тонн твердых веществ. Средний химический состав растворенных в морской воде веществ:

Доля вод в гидросфере Подавляющая часть воды на Земле сосредоточена в Мировом Океане. Если гипотетически распределить всю воду планеты на поверхности шара с площадью равной земной, то мы получим слой воды мощностью 2,6 км. Толина слоя пресной воды при этом составила бы 50 м. Из них 49,5 м – вода, сосредоточенная в полярных льдах и ледниках Только 0,5 м – вода, находящаяся в озерах и водохранилищах, т.е., доступная для использования человечеством.

Доля вод в гидросфере

Атмосфера Воздушная оболочка составляет 0,0001 % (10–6) массы Земли, сильно перемешана, состоит из азота, кислорода и аргона на 99,9 %. За счет динамической активности земной атмосферы перераспределяется получаемая Землей солнечная энергия. Атмосфера Земли – это рабочее тело «тепловой машины» планеты. Азот практически не участвует в геохимических процессах и поэтому накапливается в атмосфере, как и аргон. Кислород циркулирует в ионосфере, океане, биосфере и осадочных породах. Количество его в атмосфере определяется скоростью химических реакций и фотосинтеза, которые связывают свободный кислород атмосферы с восстановленным углеродом и частично депонируют его в осадочных породах. По количеству молекул в атмосфере 79 % N2, 20 % O2, 1 % Ar.

Строение атмосферы Над ней находится экзосфера, простирающаяся до 10 000 км. Следующие за стратопаузой 800–1300 км занимает ионосфера (0,9 % массы атмосферы). Выше тропопаузы расположены 40 км стратосферы, на которую приходится примерно 19 % массы атмосферы. Затем на высоте от 20 до 40 км лежит тонкий озоновый слой. Нижняя часть атмосферы – тропосфера мощностью 12–15 км, составляющая 80 % массы атмосферы.

Биосфера Живая оболочка составляет 3*10–9 массы Земли. Биохимические процессы, происходящие в биосфере, влияют и подвергаются влиянию со стороны гидросферы, атмосферы и наружных слоев земной коры. Приблизительно 1/3 химических элементов Земли вовлечена в круговороты с участием биосферы. Благодаря биологическим процессам в земной коре образовались массивные скопления Si, Fe, Mn, S и C. «Все минералы верхних частей земной коры – свободные алюмокремниевые кислоты (глины), карбонаты (известняки и доломиты), гидраты окиси железа и алюминия (бурые железняки и доломиты) и многие сотни других – непрерывно создаются в ней только под влиянием жизни» (Вернадский, 2004).

Роль биосферы Несмотря на ничтожную, по сравнению с другими геосферами массу, биосфера – наиболее могущественная по своей трансформирующей силе оболочка Земли. Кислород атмосферы – продукт фотосинтеза зеленых растений. Наличие биосферы в миллионы раз ускоряет геохимические циклы.

Роль микроорганизмов Главными элементами функционирования биосферы являются микроскопические одноклеточные организмы, в первую очередь – прокариоты: Биомасса микроорганизмов океана составляет около трети всей биомассы биоты планеты, биомасса бактерий суши сравнима с биомассой растений. Таким образом, биомасса прокариот составляет от 50 до 90% всего живого вещества биосферы.

Роль микроорганизмов Существует мнение, что биосфера всегда состояла, главным образом, из бактерий, тогда как остальные организмы – не более, чем добавление к бактериям. Бактериальные сообщества, в отличие от сообществ эукариотов, могут обеспечивать работу автономных, т.е., замкнутых полностью по всем элементам биогеохимических циклов. Человечество оказалось способно влиять на планету за последние 60 лет. Микроорганизмы влияли на планету 4 000 000 000 лет.

Природные циклы Весь взаимообмен между отдельными резервуарами – оболочками планеты имеет циклический характер. Более подробное рассмотрение геологического цикла позволяет выделить в нем два цикла, называемые в англоязычных источниках экзогенный и эндогенный. Циклы, в функционировании которых участвует биота, называются биогеохимическими.

Экзогенный и эндогенный циклы

Биогеохимический цикл

Биогеохимический цикл Вещество извлекается из других геосфер автотрофами (первая стрелка). Часть вещества выводится автотрофами вместе с процессами дыхания и выделения (стрелки вниз). Автотрофы создают либо сами являются источником органики для гетеротрофов (стрелка слева направо и нижняя часть круговорота). Гетеротрофы аналогично участвуют в процессах дыхания и выделения, которые выводят вещество из биоты в другие геосферы (стрелки вниз и направо). При этом часть вещества и энергии теряются (стрелка «выход»)

Биогеохимический цикл Тела гетеротрофов после смерти становятся источником веществ для автотрофов (верхняя часть круговорота). Вещество, которое постоянно циркулирует между геосферами и биотой составляет т.н. «обменный фонд» (цикл в диаграмме). Вещество, которое в данный момент не вовлечено в цикл, но может быть в него вовлечено составляет «резервный фонд» (верхняя часть диаграммы). Данный упрощенный цикл отражает миграцию энергии, но так как и вещество и энергия являются формой материи, то этот цикл аналогичен и для вещества.

Гидрологический цикл Наиболее известен гидрологический цикл под названием «кругооборот воды в природе». Вода под действием энергии солнца постоянно испаряется, конденсируется в атмосфере и в виде осадков возвращается на поверхность океана и континентов. Вертикальные потоки испарения и осадков хорошо сбалансированы между собой, как и потоки горизонтального транспорта в атмосфере (с поверхности океана на сушу) и поверхностного стока (с суши в океан).

Гидрологический цикл Числа на диаграмме указывают объем соответствующего резервуара (в тысячах кубических километров – 1000 км3) и объем потоков в год (в тысячах кубических километров в год – 1000 км3/год)

Циклы биогенных элементов Под биогенными элементами понимаются элементы, которые постоянно входят в состав организмов и выполняют определенные функции. Важнейшие биогенные элементы – О (70% массы организмов), C (18%), H (10%), N, B, S, Ca, P, K, Na, Cl. Это т.н. макроэлементы. Биогенные элементы, необходимые организмам в ничтожных количествах, называются микроэлементами.

Углеродный цикл Главный резервный фонд составляет углерод, растворенный в Мировом океане (в виде CO2 и HCO3-), оперативно доставляемый атмосферой в регионы, где происходит наиболее интенсивное связывание углекислоты в процессе фотосинтеза (прямая реакция): nСО2 + nН2О  (СН2О)n + nО2 Тесно связан с углеродным циклом цикл кислорода, резервный фонд которого в атмосфере, создан исключительно благодаря деятельности биоты. Биотой – же осуществляется и разрушение органического вещества в процессах брожения и дыхания с высвобождением углекислого газа в резервный фонд (обратная реакция).

Углеродный цикл Числа на диаграмме указывают массу углерода в соответствующем резервуаре (в гигатоннах – 1 000 000 000 тонн) и массу годовых переносов углерода (в гигатоннах в год).

Азотный цикл Резервным фондом для азот является атмосфера. Азотный цикл гораздо сложнее из-за особенностей химии азота. В отличие от других элементов азот может находится большем количестве неорганических форм (NxOy, NH3/NH4+, NO2-, NO3-, N2), причем, для его извлечения из резервного фонда нужно разрушить крайне прочную молекулу с тройной связью – N≡N 20% вовлекаемого в цикл азота переводится в оксиды под воздействием электрических разрядов. Оксиды реагируют с водой и превращаются в нитриты и нитраты, становясь доступными для растений. Оставшиеся 80% азота переводятся в аммоний только благодаря деятельности прокариотических микроорганизмов – бактерий, способных усваивать молекулярный азот, превращая его в ионы аммония: N2+2H2O+2(CH2O)→2NH4++2CO2

Азотный цикл Образование из ионов аммония нитрит- и нитрат-анионов может происходить уже самопроизвольно в присутствии кислорода. Дальнейшее образование из неорганических веществ (аммония, нитритов, нитратов) аминокислот и нуклеотидов, белков и нуклеиновых кислот возможно только в результате биохимических реакций, осуществляющихся растениями. Организмы биоты, использовав азот, возвращают его в атмосферу.

Азотный цикл (гигатонны/год)

Фосфорный цикл Резервом фосфора являются фосфатные минералы, и так как эта форма одна, то цикл фосфора намного проще азотного. В результате эрозии фосфаты вымываются из осадочных и вулканических пород; В растворенной форме усваиваются растениями, включаясь в состав живого вещества. В организмах фосфор используется для построения нуклеиновых кислот и АТФ; По использовании, фосфор выводится из биоты вновь в форме фосфатов и захоранивается в донных осадках.

Фосфорный цикл

Серный цикл Еще одним важным элементом является сера. Как и в случае с фосфором её резервным фондом являются осадочные породы (сульфиды). Серный цикл довольно прост и примечателен тем, что в нем ведущую роль играют микроорганизмы. В результате выветривания сера вовлекается в кругооборот из своего осадочного резервного фонда: FeS2 +3,5O2+H2O→FeSO4+H2SO4 Сульфатредуцирующие бактерии, использующие серу в качестве окислителя для извлечения необходимой им энергии из органических веществ, образуют сероводород в отсутствие кислорода: H2SO4+2(CH2O)→2CO2+2H2O+H2S H2SO4+ 4H2→ 4H2O + H2S

Серный цикл В присутствии кислорода целый ряд серных бактерий окисляет сероводород до серы и серной кислоты: H2S+O→S+H2O S+1,5O2+H2O→H2SO4 Главным образом, благодаря этим и подобным им бактериям и сформировались современные запасы самородной серы. В отсутствие кислорода бактерия Thiobacillus denitrificans окисляет серу и сульфиты до сульфатов, используя нитраты. Это связь циклов азота и серы: 5S2O32– + 8NO3– + 2HCO3– →10SO42–+2CO2 + H2O + 4N2 5S + 6NO3–+2CO32– →5SO42– +2CO2+3N2

Серный цикл

Универсальная схема циркуляции Транспорт любых веществ между оболочками Земли можно достаточно наглядно описать с помощью предложенной С. Манахэном универсальной схемы:

Биогеохимический цикл углерода в сопряжении с другими циклами Резервуары углерода (в гигатоннах), и потоки углерода (в гигатоннах/год), сопряженные с циклами других элементов.