Егоров Экохимия. В. В. Егоров
 Скачать 2.47 Mb.
|
|
137 реакций в первичной атмосфере, содержащей азот, углекислый газ, метан, пары воды и водород. Эти реакции протекали в отсутствии кислорода под влиянием высокой температуры, жесткого облучения, плазмы молний. В результате (по Миллеру) появились органические соединения (их было около 1% в первичном океане, в составе которых были аминокислоты, а возможно, и азотистые основания. Примерно 3,8 млрд лет назад из них образовались полипептиды, или прабелки, (данные Фокса и др, и полинуклеотиды, предположительно в объединенной форме в составе одной молекулы. Они существовали сначала в виде коацерватов (Опарин), которые, объединяясь с липосомами (ассоциатами органических ПАВ, образовали сначала протобионты (промежуточное звено в процессе возникновения жизни, а потоми первые клетки (около 3,5– 3,6 млрд лет назад. Поданным ученых США, это были термофильные археобактерии — строматолиты. Заметим, что самый древний найденный кусок угля (продукт преобразования остатков организмов) датируется 3,5 млрд лет. С этого момента наука начинает отсчет жизни на Земле. Какие же условия привели к появлению живой клетки. Восстановительная первичная атмосфера, содержащая биогены, и высокоэнергетические воздействия на нее, что позволило осуществить синтез первичных органических молекул (так называемых мономеров — аминокислот, нуклеотидов, сахаров и др) без последующего их сгорания (в кислороде. Наличие жидкой воды — матрицы жизни, растворившей и тем самым сохранившей указанные мономеры, а также липиды, жиры и пр. от разложения. Кроме того, она способствовала формированию липидами и другими ПАВ замкнутых структур, содержащих воду (везикулы, липосомы) и способных избирательно включать в состав бислоя биополимеры, главным образом белки, а внутрь определенные ионы (калий, магний) и определенные органические молекулы (левовращающие. Наличие условий для поликонденсации мономеров (Фокс) с образованием полимеров (полипептидов — белков, полинуклеотидов — ДНК, РНК, а также и полисахаридов ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ ХИМИЯ и сополимеров. Полипептиды с включенными катионами металлов или без них, а также некоторые неорганические соединения здесь и далее выступают в роли катализаторов синтеза и других реакций. Полинуклеотиды являются матрицами для направленного синтеза, а полисахариды — источником энергии для этих реакций. Все они находятся вводе в виде коацерватов (Опарин), те. набухших вводе клубков. Объединение таких коацерватов с липидными структурами с образованием безъядерных праклеток, или про тобионтов (в чем то подобных современным вирусам, которые обладали или в процессе дальнейшей эволюции приобретали способность к метаболизму, адаптации, саморегуляции. По видимому, для них были характерны раздражимость и другие признаки живого организма, в том числе возможность к воспроизводству, например за счет растворенных вводе органических молекул. В результате они становятся средством создания, хранения, накопления и использования информации — как мы полагаем, основного признака жизни (Тринчер, Егоров. Конкуренция и жесткий отбор наиболее жизнеспособных одноклеточных форма далее их усложнение и совершенствование, те. эволюция одноклеточных прокариоты эукариоты, гетеротрофы — автотрофы, а затем и многоклеточных организмов (рис. При этом наряду с теорией о спонтанных мутациях, конкуренции и отборе наиболее устойчивых форм (Дарвин) наука сегодня рассматривает подход, связанный с направленным ходом эволюции. В частности, Кауфман полагает, что «большая часть порядка, который мы наблюдаем в организмах, может быть прямым результатом неестественного отбора, но естественного порядка, привилегию работать над которым получил отбор. Сточки зрения теории Приго жина об открытых самоорганизующихся неравновесно устойчивых системах, к которым относятся организмы, их способность осуществлять циклы с обратной связью может обеспечивать спонтанные переходы к структурам более высокого порядка (например, в так называемых точках бифуркации раздвоения пути, те. эволюцию. Заметим, что в рамках такого подхода рассматривается и возможная предбиологиче ская фаза эволюции. Но это пока только теория, хотя и под Глава 6. ЭКОХИМИЧЕСКИЕ ПРОБЛЕМЫ БИОСФЕРЫ 139 тверждаемая вероятностными оценками. Так, по мнению ряда ученых, возможность возникновения даже простейших клеток за обозримый период развития Земли практически равна нулю (Капра). К своего рода точкам бифуркации часто относят и катастрофы, повторяющиеся на планете. Например, полагают, что резкое падение содержания водорода в атмосфере более двух миллиардов лет назад привело к эволюционной инновации использованию воды в фотосинтезе, а накопление в результате этого кислорода спустя миллионы лет — к гибели одних и появлению других — дышащих им бактерий. Две последующие катастрофы — 245 и 66 миллионов лет назад расчистили путь для эволюции млекопитающих. Вернемся к появлению организмов. По мнению американских ученых, сначала возникли гетеротрофные фотосинтезирующие одноклеточные организмы прокариоты строматолиты (цианобактерии. — Авт, очевидно, анаэробные (отсутствовал в атмосфере кислорода далее — автотрофные фотосинтезирующие анаэробные и аэробные организмы, про и эукариоты. Первые археобактерии использовали вместо кислорода для получения энергии углекислый Рис. Эволюция на Земле (цифры — млрд лет назад ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ ХИМИЯ газ, нитрат и сульфат анионы, а также азот. Сегодня, как отмечалось, самыми древними из сохранившихся организмов, обладающих такой способностью, считаются сине зеленые водоросли. Итак, 3,5 млрд лет назад появляются первые организмы фотосинтезирующие археобактерии, сначала анаэробные, использующие неводные окислители и водорода далее аэробные, использующие воду как донор водорода для синтеза органики и источник свободного кислорода. До этого момента атмосфера планеты была равновесной восстановительной, нос появлением и накоплением кислорода равновесие начинает меняться. В интервале 1– 2 млрд лет назад (после окончания процессов окисления в гидросфере и на поверхности литосферы) атмосфера становится окислительной, образуется озоновый слой и наступает новое равновесие (гомеостаз) в природе млн лет назад жизнь выходит на сушу, и на Земле образуется саморегулирующаяся биогеохимическая система (Вернадский) — биота плюс биома, те. современная биосфера. Интересно отметить, что по мере появления крупных многоклеточных форм жизни и все большей специализации их клеток снижались возможности, связанные сих восстановлением и регенерацией органов и тканей. Так, если плоские черви, полипы и морские звезды могут полностью регенерировать свое тело из практически отдельных клеток, то у ящериц, саламандр, крабов и многих насекомых сохраняется способность к восстановлению только отдельных органов, а для высших животных характерна лишь возможность регенерации тканей в процессе заживления ран. Некоторые ученые полагают, что именно вследствие потери этих функций все высшие организмы подвержены старению и смерти. Лишь половое размножение как бы возвращает им восстановительный процесс. Следует назвать четыре основных условия существования жизни на нашей планете, в том виде, в котором она представлена сегодня достаточное количество кислорода и углекислого газа достаточное количество жидкой воды благоприятный диапазон температур Глава 6. ЭКОХИМИЧЕСКИЕ ПРОБЛЕМЫ БИОСФЕРЫ наличие определенного минимума минеральных ве ществ. Таким образом, современная биосфера адаптирована к составу атмо и гидросферы, а также к климату Земли, его флуктуациям. Так, средняя температура у поверхности планеты составляет 20 ± С. Ее колебания (за 1000 лет) составляют ±1°. Нов течение 10 лета тем более одного года они бывают значительными. В заключение данного раздела нельзя не привести мнение Вернадского о том, что жизнь на планете возникла сразу как совокупность организмов, их биоценозов, выполняющих определенные биогеохимические функции. Причем, по мнению ученого, она могла появиться как абиогенно, таки путем проникновения из космоса. Вернадский полагал, что жизнь во Вселенной существует вечно, не имея ни начала, ни конца. 6.2. ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ РОЛЬ БИОСФЕРЫ Роль биоты в круговороте вещества и энергии определяется высоким уровнем энергетических процессов у организмов, их разнообразием и подвижностью. Живое вещество на планете постоянно обновляется, в среднем залет. Общая его масса за всю историю превышает массу самой Земли. Уже это обстоятельство определяет ту огромную роль, которую играют организмы в природе нашей планеты. Биосфера выполняет многочисленные экологические функции, главные из которых следующие активно взаимодействует с неживой природой (атмо , гидро , эда и литосферой осуществляет биологический и биотический круговорот веществ поддерживает равновесие, главным образом биогенов. При этом, по словам крупнейшего американского эколога Одума, материя циркулирует, энергия рассеивается». Так, по оценкам ученых, весь кислород атмосферы оборачивается через биоту залет, углекислый газ — залет, вода — за 2 млн лет. В тоже время солнечное излучение, его энергия, пройдя через биотические циклы ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ ХИМИЯ рассеивается в атмосфере в виде тепла, что требует постоянного ее пополнения в биоте. Кроме этого, организмы формируют ландшафт, играют почвообразующую роль, участвуют в формировании состава воды. Они являются необходимыми звеньями в цепях питания, но они же могут оказаться вредителями как в положительном (например, уничтожение паразитов, таки в негативном плане (болезнетворные микроорганизмы, хищники и пр. В целом можно отметить, что чем больше разнообразие организмов, чем протяженнее и сложнее цепи питания в биоценозе, тем он устойчивее (Константинов). Таким образом, все перечисленные факторы обеспечивают устойчивость экосистем в природе. Об их высокой стабильности свидетельствуют катастрофы на Земле, которые не привели к ликвидации жизни. Одна из них произошла около 6,5 млн лет назад. Тогда метеоритный ливень привел к образованию пылевого экрана в атмосфере. Он вызвал удаление озонового слоя и снижение температуры на планете примерно на 10 °C. Крупные ящеры, древовидные папоротники и хвощи практически вымерли. Но Земля восстановила равновесие. Важно отметить, что в результате каждой катастрофы происходило скачкообразное развитие биоты, ее приспособление к окружающей среде, ее изменчивость и образование новых видов, их естественный отбор (Дарвин) и проникновение в новые условия обитания. Примерно 1 млн лет назад появляются предки современного человека (homo erectus и далее homo sapiens), пока еще не играющие заметной роли в экологии. 6 тыс. лет назад образуются первые цивилизации (в Междуречье и, предположительно, в Африке, а 300 лет назад — индустриальное общество. Именно оно, как мы видели, привело в итоге к нарушению равновесия в природе. При обсуждении роли биосферы и влияния внешних факторов на нее нельзя еще раз не подчеркнуть, что все биохимические процессы поддерживаются солнечной энергией (рис. 24). Если бы ее не было, тов открытой устойчиво неравновесной самоорганизованной системе (Приго жин) — организме наступило бы термодинамическое равновесие, что эквивалентно его гибели Глава 6. ЭКОХИМИЧЕСКИЕ ПРОБЛЕМЫ БИОСФЕРЫ 143 В этой связи можно сформулировать следующий закон. Основной закон биологии (Бауэр). Работа организма против внешних сил по поддержанию гомеостаза (и себя самого с использованием энергии солнца. — Авт.). В топке жизни горит солнце — так поэтически можно выразить последнюю мысль. И еще одна важная мысль. Роберт Винер еще в 1950 году писал, что организм — это в первую очередь не вещество, атак называемый паттерн организации (завихрение в потоке вечно текущей реки, существующий по принципу обратной связи как саморегулируемая и самоорганизующаяся система. Мы — не вещество, которое ждет и терпит мы — паттерны, которые продолжают и утверждают себя (Винер). Ив этом процессе у организмов ключевой является роль образования и воспитания (в самом широком смысле этого слова, основанных на информации. «Взаимодействие живого организма — растения, животного или человека — с окружающей его средой есть взаимодействие познавательное. Ментальный процесс имманентен материи на всех уровнях жизни (Капра). Как уже говорилось, биосфера включает в себя биоту и биому. Окружающая среда, сточки зрения экологии, характеризуется условиями, необходимыми для поддержания жизни. Например, для гетеротрофных аэробных Рис. Круговорот элементов входе биохимических процессов (по Онзагеру) ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ ХИМИЯ организмов необходимы кислород и органика, которую они превращают в неорганические вещества. Для автотрофных, в том числе анаэробных организмов нужны неорганические биогены (вода, соединения азота, фосфора и др.), которые они преобразуют в органику. При этом, как уже отмечалось, биота сама активно воздействует на окружающую среду, например, поддерживая соотношение органического и неорганического вещества в гидросфере и состав атмосферы. Именно биота океана сегодня сохраняет постоянной концентрацию углекислого газа и кислорода в атмосфере. Если она начнет исчезать, то количество первого возрастет, а второго упадет вне сколько раз. Это приведет к мировой катастрофе. Таким образом, биота активно участвует в циклах кислорода, углерода, азота, фосфора и др. биогенов, те. она контролирует содержание их определенных форм в природе (см. Второе положение экологии. Например, установлено, что скорость притока углерода в биому и скорость его оттока из биоты совпадают с точностью до 0,01%. Следовательно, мощная биота нужна Земле, всем ее сферам для поддержания концентраций биогенов, в частности для быстрого восстановления их нарушений (метеориты, вулканы и пр. В самой биоме в этом плане работает известный принцип. Принцип Ле Шателье–Брауна. Если на систему, находящуюся в состоянии равновесия, осуществляется воздействие, то это равновесие смещается в направлении уменьшения этого воздействия. Однако в организме, пока он не начинает гибнуть, этот принцип не реализуется. Для биоты справедлив закон Бауэра. Мощь биоты становится опасной в двух случаях если она удаляется и когда она нарушает сложившееся равновесие. Так, принцип Ле Шателье–Брауна работал примерно до начала XIX столетия. Однако с этого момента, например, скорость выделения углерода (в виде углекислого газа) превышает скорость его поглощения. О последствиях этого мы уже говорили Глава 6. ЭКОХИМИЧЕСКИЕ ПРОБЛЕМЫ БИОСФЕРЫ 145 6.3. БИОГЕННЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ Говоря об организмах, нельзя обойти вниманием вопрос, из чего они состоят, те. биогенные элементы. Следует отметить, что в природе в заметном количестве встречается около 50 элементов, из них примерно 25 — биогенные, остальные — второстепенные. Среди биогенных есть макроэлементы, их одиннадцать углерод, кислород, водород, азот, фосфор, кальций, сера, хлор, магний, калий и натрий. Макроэлементы еще называют органогенами, так как они образуют биомолекулы. Ежедневная потребность человека в них высокая — более 100 мг. Их содержание в организме, с одной стороны, постоянно, с другой — выдерживает без последствий значительные отклонения. Кроме того, в организме находятся микроэлементы: цинк, медь, марганец, йод, бром, кобальт, железо, молибден, фтор, селен и др. Они встречаются главным образом в составе органических и неорганических комплексов, выполняющих различные специальные функции каталитические, сигнальные и пр. Потребность в них — около 1 мг в сутки, но даже небольшие отклонения в их содержании в организме вызывают нарушения и заболевания. Заметим, что у животных и растений набор макро и микроэлементов существенно отличается. В частности, калий чрезвычайно важен для растений, а натрий — для животных; аналогично магний и железо. Интересно сравнить содержание некоторых важнейших элементов в природе ив организме, например, человека (см. табл. Как видно из таблицы, есть определенное соответствие нахождения элемента в природе ив организме. Его выражает следующий закон. Биогеохимический закон (Вернадского. Чем выше атомная масса элемента, тем меньше его содержание в природе ив организме. У этого закона есть ряд исключений, например, железный пику организмов ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ ХИМИЯ В целом наличие того или иного элемента в организме определяется следующим функциями, которые он выполняет наличием его в природе в доступной, главным образом водорастворимой форме способностью организма поглощать, удерживать и накапливать этот элемент, его соединения. Правило Бернала. Лабильные атомы (сера, медь, железо, существенно изменяющиеся в природе, играют главную (функциональную — Авт) роль в биохимии, а стабильные (кремний, алюминий, образующие земную кору, — второстепенную. Как у любого правила, здесь имеется ряд исключений, например стабильный кислород. Каковы же биохимические функции отдельных элементов Отметим только важнейшие. Железо — регулирование гемоглобина в крови (дыхание, перенос кислорода). Кальций — образование костной ткани, свертывание крови, мышечная и сердечная деятельность (генерация электрических потенциалов, сокращение мышечных волокон, иммунитет организма. Кислород, фосфор энергетика биохимических про цессов. Натрий, калий — регуляция водного и солевого баланса, осмотического давления, рН, участие в проведении нервного импульса 4 482 4 48 12345 67894 12 32 42 52 62 472 892 2 2 2 2 3 2 2 372 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 !2 2 2 2 2 2"# $%&2 '( )#2 * 2 * 2 2 2 2 2 2 2 !2 2 2 2 2 2 1 Глава 6. ЭКОХИМИЧЕСКИЕ ПРОБЛЕМЫ БИОСФЕРЫ 147 Йод — гормональная деятельность, а значит, регулирование обмена, физиологических процессов и функций. Кобальт, марганец и медь участие в ферментативных и обменных процессах. Фтор — остеотропные и обменные процессы, имму нитет. Магний — фотосинтезу растений. Говоря о биогенах, следует отметить, что они являются связующим звеном между живой и неживой природой. Для них характерна постоянная циркуляция, поддерживаемая солнечной энергией. Например, фотосинтезирующие автотрофные организмы продуценты (гелиотрофы, производящие органику) осуществляют следующее превращение, используя солнечный свет 2 2 n 2 ct nCO + nH O (CH O) + n 2O . 1 Здесь катализатором является хлорофилл, в состав которого входит катион магния. Обратный процесс идет с участием гетеротрофных организмов консументов (потребляющих органику. В результате окисления органических веществ сохраненная энергия (солнца) у них запасается в форме АТФ, АДФ (мак роэргов), и далее она вместе с энергией мембранных потенциалов и активных частиц используется для жизнедеятельности. (Заметим, что продуценты для своего дыхания, как правило, также используют кислород.) Однако есть и нефотосинтезирующие организмы. Это так называемые хемосинтезирующие бактерии (хемотро фы). Мы уже говорили о нитрификаторах, серобактери ях и др. Запасая энергию, организмы продуценты в свою очередь являются пищей для более высоких форм (консументов), которые сами напрямую преобразовать энергию солнца в энергию химических связей не могут. Последние становятся пищей для высших организмов. Так формируются трофические цепи (вводе и на суше. Например, листья продуценты это питательные вещества для гусениц фитофагов консументы первого порядка, те — для жуков ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ ХИМИЯ (хищников — консументы второго порядка, жуки — для животных и птиц (хищников — консументы третьего порядка, а они — для человека (хищника. Здесь все, кроме листьев (и травы, — консументы. Кроме указанных двух типов организмов, существуют еще организмы редуценты. Это грибы, бактерии, насекомые, черви, которые питаются органикой, например останками животных и птиц. Они выделяют углекислый газ, воду и простые органические соединения. В заключение следует отметить, что в биосфере действует закон потребления, связывающий размеры потребляющих организмов сих численностью. |