Введение в экологическую химию - Скурлатов Ю.И.
NBSN 5-06-002593-4
Скачать (прямая ссылка):
Важной отличительной особенностью атмосферы ранней Земли являлось отсутствие в ней свободного кислорода. Он не мог накапливаться в атмосфере, содержащей большие количества газов, обладающих восстановительными свойствами (Н2, СН4, Н28 и др.), в условиях продолжающейся вулканической деятельности, тем более при высоком содержании в воде в растворенном виде восстановленных -ионов металлов (главным образом ионов железа).
Можно представить, какой гигантский химический газожидкостный реактор представляли атмосфера Земли и Океан. К тому же жесткий солнечный ультрафиолет почти беспрепятственно достигал поверхности Земли. В результате атмосферных электрических разрядов и вулканической деятельности в зоне высоких температур (900—1000° С) осуществлялось множество химических реакций. Плюс к этому — высокий уровень ионизирующего излучения. Не удивительно, это показали и модельные эксперименты, что в анаэробных условиях под влиянием всех этих факторов эффективно протекали абиотические процессы синтеза из простых газов разнообразных химических веществ, в том числе и органических соединений, включая углеводороды, альдегиды, кетоны, карбоновые и аминокислоты. В результате химической эволюции материи, круговорота органических соединений образовывались все более и более сложные структуры. Предпосылкой прогрессирующего усложнения структуры явилось отсутствие деструкции молекул органических соединений до углекислого газа и воды, как это происходит в современной атмосфере при участии кислорода. Под действием УФ-света, в результате разрыва связей и процессов ионизации происходило не окисление, а распад молекул на отдельные фрагменты (свободные радикалы), которые служили строительным материалом для образования других соединений. Так, энергия солнечного излучения постепенно запасалась в виде все большего количества органического вещества все более сложных структур. Процессы деструкции органических веществ в водной среде под воздействием жестких УФ-лучей протекают не столь эффективно, как в атмосфере, так что стационарная концентрация органических веществ в условиях их образования и разрушения была, по-видимому, значительной. При этом происходил своего рода абиотический "естественный отбор" химических молекул в направлении усложнения молекулярных структур и накопления в Океане наиболее устойчивых из них.
По оценкам специалистов, с учетом известных квантовых выходов реакций фотохимического синтеза амино- и оксикислот из простых
13
газов содержание органических веществ в водах первобытного Океана могло достигать 1%. Во всяком случае концентрация органических веществ в таком "бульоне" оказалась достаточной для возникновения и поддержания на первых стадиях эволюции примитивных форм жизни.
По мнению Фолсома (1982), самопроизвольное зарождение химическим путем макромолекул, воспроизводящих себе подобных, несущих и передающих "наследственную" информацию, произошло 3,8 млрд. или более лет назад; такой возраст имеют породы, сохранившие остатки примитивных микроорганизмов. Земле, по Кэлдэру, исполнилось тогда всего 8 "лет". В осадочных породах свазилендской системы (Южная Африка), возраст которых составляет 3,4 млрд. лет, обнаружены остатки уже сформировавшихся микроорганизмов.
Бурному развитию жизни в Океане способствовала высокая концентрация в воде различных растворенных веществ. Под воздействием солнечной радиации, мощного фактора радиационного мутагенного воздействия, началась эволюция жизни на Земле. Поначалу жизнь брала из окружающей среды все готовое, получала энергию путем ассимиляции органического вещества, образовавшегося в ходе абиотического синтеза. Это так называемые гетеротрофные, нефотосинтезиру-ющие организмы, главным образом бактерии. Появились и автотроф-ные, фотосинтезирующие бактерии, использовавшие энергию солнечного света для окисления растворенных в воде тазов. В качестве
окислителей эти бактерии использовали СОг, N2, В01~, N0$ и другие богатые энергией неорганические молекулы. Донорами электрона (водорода) служили СН4, ГШ3, Н^Б, растворенные в воде органические вещества.
Где-то около 3,5 млрд. лет назад произошло знаменательное, но, по-видимому, закономерное в ходе эволюции биологической жизни событие — в качестве донора водорода некоторые бактерии "научились" использовать воду. Это ознаменовало появление автотрофных фотосинтезйрующих организмов, продуцирующих во внешнюю среду молекулярный кислород. До этого момента свободный кислород появлялся в атмосфере лишь за счет ультрафиолетовой радиации паров воды.
В результате деятельности таких фотосинтезйрующих микроорганизмов началась перестройка химического состава атмосферы Земли: цианобактерии (или сине-зеленые водоросли — так называются древнейшие, живущие и поныне фотосинтезирующие организмы) начали извлекать из атмосферы СО2 и выделять О2. Кислород постепенно окислял восстановительные эквиваленты в воде и воздухе. На
14
основании изучения ископаемых остатков древних организмов и изменений процессов формирования осадочных пород удается определить момент перехода от анаэробной — восстановительной — атмосферы к аэробной — окислительной.
