Химия окружающей среды

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).

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.

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).

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)

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).

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.

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.

границы этапов развития биосферы Земли. С этой точки зрения биосфера

прошла три этапа:
Восстановительный, завершившийся появлением фотосинтеза
Слабоокислительный этапу.
Этап окислительной фотоавтотрофной биосферы.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

км3 . В каждом кубическом километре морской воды растворено 36

миллионов тонн твердых веществ. Средний химический состав растворенных в морской воде веществ:

Мировом Океане.
Если гипотетически распределить всю воду планеты на поверхности

шара с площадью равной земной, то мы получим слой воды мощностью 2,6 км.
Толщина 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.

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.

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.

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).

биосфера – наиболее могущественная по своей трансформирующей силе оболочка Земли.

Кислород атмосферы – продукт фотосинтеза зеленых растений.
Наличие биосферы в миллионы раз ускоряет геохимические циклы.

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.

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.

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.

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»)

(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.

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).

кубических километров – 1000 км3) и объем потоков в год

(в тысячах кубических километров в год – 1000 км3/год)

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.

(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).

(в гигатоннах – 1 000 000 000 тонн) и массу

годовых переносов углерода (в гигатоннах в год).

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

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.

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.

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

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

наглядно описать с помощью предложенной С. Манахэном универсальной схемы:

гигатоннах), и потоки углерода (в гигатоннах/год), сопряженные с циклами других

элементов.