Среда обитания

В Восточном Забайкалье, в Приаргунье, распространен так называемый эндемичный деформирующий остеопороз, называемый также Уровской болезнью и синдромом Кашина – Бека. Это эндемичное врожденное заболевание, которому подвержена часть населения в бассейнах рек Уров и Урюмкан. Она характеризуется недоразвитием хрящевой ткани в суставах, укороченными конечностями, гиперлордозом (излишняя выгнутость позвоночника), сниженными умственными способностями. Механизм ее возникновения не вполне понятен, но очевидно, что ее развитие связано с недостатком в окружающей среде селена, йода, а также кальция и избытком серебра и некоторых других металлов. По-видимому, решающую роль здесь играет недостаток селена. А так называемый кретинизм – умственная отсталость, гипертрофированная щитовидная железа – возникают в местностях, бедных йодом. Заметим, что речь идет, по сути, о ничтожных вариациях элементного состава на земной поверхности, пагубных для человека (поселившегося в тех местах относительно недавно), но не влияющих на буйную местную природу. Однако некоторые виды бактерий населяют горячие вулканические источники, в которых соотношения элементов, в том числе металлов, могут быть весьма экзотическими, и эти виды не могут жить в других условиях.

Какие выводы мы можем сделать из всего этого?

1. Каждый вид живого существа очень тонко настроен на конкретное колчественное соотношение множества химических элементов, большая часть из которых так или иначе вовлечена в построение и функционирование организма.

Какое дальнейшее «практическое» следствие мы можем отсюда вывести? Мечты о расселении человека на другие планеты беспочвенны. В прямом смысле беспочвенны – подходящую для него по составу почву найти за пределами Земли практически нереально. Даже на вполне мирно выглядящей земной поверхности человек не везде может безбедно существовать. Так что на других планетах либо среда должна быть искусственная, либо сам человек в той или иной мере искусственный.

2. Жизнь может перенастроиться на другой спектр элементного состава в весьма широких пределах. Но для этого спектр должен меняться очень медленно. Весь вопрос в том, сколько на такую перенастройку уйдет времени, или, лучше сказать, сколько неприспособившихся к меняющимся условиям индивидуумов погибнет, чтобы уступить место приспособившимся.

Кстати, то, к чему мы с вами не только приспособлены, но и жить без чего не можем, представляет собой с химической точки зрения совершеннейший кошмар. Имеется в виду кислородная атмосфера. Кислород – сильнейший окислитель, свободный кислород – крайне реакционноспособное и агрессивное вещество. Для того чтобы жить в такой атмосфере, жизнь долго приспосабливалась. Сейчас существуют анаэробные бактерии, которые способны жить без кислорода. Анаэробы могут быть факультативные, способные жить в присутствии кислорода, и облигатные, для которых кислород является смертельным ядом. (К последним принадлежит бактерия Clostridium botulinum, развивающаяся в недостаточно стерилизованных консервах, выделяющая яд огромной токсичности, отравление которым известно как ботулизм.) Когда-то на Земле жили одни облигатные анаэробы. Но по мере того как кислород накапливался, отбирались организмы, биохимия которых была рассчитана на устойчивость к кислороду. Зато кислородная атмосфера позволила живым организмам гораздо быстрее и эффективнее извлекать энергию из тех веществ, которыми они питаются. Дыхание – это, по сути, контролируемое горение. До этого жизнь пользовалась гораздо менее эффективными химическими путями извлечения энергии.

Атмосфера свободного кислорода – нонсенс, состояние, исключительно далекое от химического и термодинамического равновесия. В любой момент она существует исключительно из-за того, что зеленые растения и сине-зеленые водоросли непрерывно производят кислород (за счет энергии солнечного света) в процессе фотосинтеза. Оборот этого процесса составляет примерно 250 млрд т в год. Иными словами, не только жизнь, как вы узнали из предыдущей лекции, есть состояние, далекое от равновесия, поддерживаемое с затратами энергии, но и вся среда, в которой эта жизнь существует, – атмосфера и гидросфера Земли, находящиеся под воздействием живых организмов, создана и поддерживается в далеком от равновесия состоянии самой же жизнью. Эта идея и заключена в популярном понятии биосферы – оболочки Земли, сформированной и находящейся под сильнейшим влиянием жизни. Она включает в себя всю атмосферу, всю гидросферу и часть литосферы, содержащую осадочные метаморфические породы, сформировавшиеся не без участия живых организмов. Между прочим, зона, в которой на поверхности нашей планеты активны сами живые организмы, гораздо шире, чем можно было бы подумать. Некоторые бактерии живут в облаках, усваивают там атмосферную органику при температурах, близких к нулевым и даже сами в какой-то мере выступают центрами конденсации водяных паров в те капельки, из которых и состоят сами облака. Живые бактерии были также найдены в грунтах на глубинах более 800 м под океанским дном, то есть в условиях чудовищного давления и высокой температуры; биомассу таких бактерий и их роль в геохимических процессах еще предстоит оценить.

Если атмосфера свободного кислорода создана жизнью, значит, до возникновения и довольно далеко зашедшего развития жизни кислорода в атмосфере не было. Действительно, первичная атмосфера Земли была восстановительной и состояла в основном из водорода, азота и его оксидов, углекислого газа, метана и водяного пара. Кислород присутствовал только в связанной форме. И если в атмосфере присутствует такое количество свободного кислорода, его нужно было высвободить из его соедиений. Кто этим занимается – мы знаем (впрочем, первоначально это были цианобактерии – они же синезеленые водоросли, а не растения). Общая реакция фотосинтеза известна:

CO₂ + H₂O = (COH₂) + O₂

(здесь в скобках приведена условная брутто-формула углеводов, являющихся непосредственными продуктами фотосинтеза).

Из нее следует, что если мы получаем кислород, то где-то должны накапливаться и другие продукты реакции, т. е. углерод и водород в связи с меньшим количеством кислорода или вне связи с кислородом вообще. Причем они должны накапливаться в стехиометрическом соотношении, т. е. в количественном соотношении между участвующими в реакции веществами, задаваемыми самой реакцией: на одну молекулу полученного кислорода из состава углекислого газа должен быть выведен один атом углерода. Куда же деваются осиротевшие, лишенные связи с кислородом углерод и водород? Ваши версии!

Ну да, в живое вещество, конечно. Оценки, которые можно найти в интернете, таковы: общая биомасса планеты, в пересчете на сухую массу, составляет 2,4 x 10¹² т (в интернете можно встретить степень до 10¹⁶ – можете себе представить надежность этого источника – разница в четыре порядка), то есть 2,4 триллиона тонн, а ее ежегодный прирост – 2,3 10¹¹ т, то есть около одной десятой. Цифры эти, надо полагать, весьма приблизительны. Тем не менее, кислорода в атмосфере Земли 1,4 x 10¹⁵ т (1 400 трлн т) – на три порядка больше. Стехиометрически этому соответствует масса углерода, составляющая 1/3 от этого количества (один атом углерода атомарной массой 12 у. е. на два атома кислорода с атомарной массой 18 у. е.), т. е. 467 трлн т. Куда же помимо живого вещества делся остальной углерод, выведенный из состава углекислого газа, а также водород, выведенный из состава воды?

Углерод с водородом. Вам это ни о чем не говорит? Углеводороды. Это наши «энергоносители»: нефть, газ, каменный уголь, являющийся фактически чистым углеродом. Все эти горючие полезные ископаемые – биогенного происхождения, продукт функционирования экосистем. Нефть и природный газ – в основном ранних, протерозойских микробных экосистем, уголь – палеозойских, уже вполне похожих на наши. Количество углерода, запасенного в недрах в виде этих ископаемых, оценивается в 4 трлн т. Если учесть горючие сланцы, битуминозные пески и гидраты метана, то и все 10 трлн т. Очевидно, что для количественного соответствия кислороду этого все равно не хватает – тут явно недоучтен какой-то фактор. Много углерода запасено в биогенных известняках, представляющих собой смесь фосфата и карбоната кальция с преобладанием карбоната – CaCO_3.. Углекислый газ участвует в процессах химического выветривания (разрушения) вулканических горных пород, при этом процессе также образуются карбонаты. Но в карбонатах на один атом углерода приходится три атома кислорода, т. е. еще больше, чем в углекислом газе (при растворении в воде CO₂ частично соединяется с ней, преобразуясь в угольную кислоту H₂CO₃, в водных растворах эти два вещества находятся в химическом равновесии, так что по сути речь идет об одном и том же соединении углерода). Поэтому известняк нам не поможет найти тот углерод, который соответствует свободному кислороду. По-видимому, все дело в том, что оценка в 10 трлн т сделана для доступных нам недр, а есть еще недоступные, включая земную мантию. Не следует забывать, на какой страшной планете мы живем. Непрекращающийся дрейф континентов сопровождается субдукцией – погружением океанской коры под наступающую на нее континентальную кору с последующим ее расплавлением. При этом вместе с океанской корой уходят накопившиеся там осадочные породы, способные уносить с собой отложенный углерод.

Биогеохимия – сложная наука, и наши прикидки чрезвычайно упрощены и приблизительны и не учитывают многих факторов. Но в любом случае мышление на глобальные темы должно быть именно таким: всегда помнить о химии и о биологии, которые предполагают вещи довольно простые и при этом весьма важные.

Говорят, что леса – это легкие планеты. В них, кстати, аккумулировано 4/5 всей биомассы. Высказывание чересчур образное, легкие кислород, в общем-то, поглощают. Рассмотрим лес. Листья поглощают углекислый газ, к ним из корней подтягивается вода, на них падает солнечный свет. Они осуществляют свой фотосинтез, выделяют кислород и образуют органические вещества (сложные соединения углерода с водородом, кислородом и другими элементами). Деревья растут, трава под ними... Фотосинтез идет непрерывно. Органика синтезируется непрерывно.

Но разве масса леса увеличивается непрерывно? Вот он за окном, каждый день (но не ночь!) производит органику. А все остается с виду почти как было. Кто-нибудь видел лесную почву? В ней тоже очень мало органики – она светлая, почти без гумуса. Куда же девается произведенная органика? Уходит на жизнедеятельность? Другими словами, органика пошла на покрытие энергозатрат? Для этого у большинства живых существ она опять соединяется с кислородом с образованием углекислого газа и выделением энергии. Это называется дыханием. Дыхание свойственно в том числе и растениям. В нашем примере необходимо, однако, учесть, что в процессах разрушения биомассы и «растраты» ее на дыхание участвуют не столько сами растения, сколько бактерии и грибы, с определенной помощью насекомых. Именно они разрушают стволы, опавшие листья. Получается, что сколько лес произвел органики, столько в нем и разложилось, а углерод улетел в виде углекислого газа. Сколько произвел кислорода, столько же и поглотил.

А откуда берутся горючие полезные ископаемые? Где запасаются те углеводороды и уголь, которые соответствуют выделенному в атмосферу кислороду? Вопроса образования нефти мы касаться не будем, он еще не до конца ясен, а главное – происходил в условиях, мало похожих на современные. А вот уголь. Что часто находят в углях? Правильно, отпечатки растений. Откуда берется уголь?

Угольные бассейны остались от обширных болот. Болота – вот что поставляет нам кислород! В болотах откладывается торф, который и сам является топливом. В дальнейшем, в недрах земли, он все больше обезвоживается и превращается в бурый (за несколько миллионов лет), а затем и в каменный (за сотни миллионов лет) уголь.

К примеру, 200 км на север от места, где мы сейчас с вами находимся, есть замечательное явление природы – знаменитое Васюганское болото – самое большое в мире, между прочим, 53 тыс. км² и прирастает на 0,8 км² в год! Так что мы с вами живем на краю самой мощной в глобальном масштабе фабрики кислорода!

Впрочем, как вы понимаете, желательно, чтобы кислород в атмосфере тоже не накапливался, а оставался на постоянном уровне. В этом смысле леса, луга и океаны – это действительно легкие планеты. Они функционируют как буфер – автоматически отдают и забирают кислород и углекислый газ, поддерживая их концентрации на постоянном уровне, в силу того что так устроена биосфера как саморегулирующаяся система, находящаяся в состоянии устойчивого динамического равновесия.

Мы с вами, по сути, коснулись цикла углерода и кислорода в биосфере, который представляет собой пути циркуляции этих элементов между живым веществом, атмосферой, океаном и литосферой (земными недрами). Не менее важны и другие циклы, например цикл азота. Не будем сейчас углубляться в эти вопросы. Обычно они разбираются в рамках науки экологии. Имеется в виду то, что в течение сотни лет называлось экологией, – наука о взаимодействии живых организмов друг с другом и средой своего обитания, биотической и абиотической. Экология - это экономика природы, наука о тех взаимосвязанных системах, которые формируют сообщества разных живых существ, связанных между собой потоками вещества и энергии, прямыми и обратными связями. Употребление слова «экология» для обозначения чего-то вроде науки о вкусной и здоровой пище или гигиены, т. е. системы взглядов на здоровую среду обитания человека, без мутагенов и тяжелых металлов, возникло в среде средств массовой информации, отличающейся постоянным уровнем универсальной некомпетентности. Но, приобретя политическую окраску в обществе, такое понимание вернулось в науку и было ей навязано, так как получение финансирования под проекты зависит от идей, циркулирующих в обществе и от употребления слов в их вульгарном, а не точном значении. Единственное, что может оправдать так называемое «современное» употребление слова «экология», – его этимология, так как в вольном переводе с греческого это означает «наука о доме». Экология обычно рассматривается в обзорных курсах биологии в самом конце как наука о максимально широких биологических системах, включающих все остальные. Тем не менее, рассуждая о химических основах жизни, необходимо начать со слов о химии внешней для жизни среды, которая, с одной стороны, определяется уникальными свойствами планеты Земля, а с другой – сама в огромной степени создана жизнью. Причем жизни пришлось специально приспосабливаться к собственному созданию, что в конечном счете вылилось в огромное повышение ее собственной эффективности, т. е. к интенсификации энергетических потоков и повышению структурной сложности и разнообразия.

В статье «Венера» в википедии можно найти два любопытных утверждения:

1) «У Венеры самая плотная среди прочих землеподобных планет атмосфера, состоящая главным образом из углекислого газа. Это объясняется тем, что на Венере нет никакого и органической жизни, которая могла бы перерабатывать его в биомассу.»

2) «Известно, что основной серосодержащий газ на Венере - это двуокись серы. Но когда мы начинаем моделировать химию атмосферы на компьютере, то выясняется, что двуокись серы должна быть «съедена» поверхностью в течение геологически короткого времени. Этот газ должен исчезнуть, если нет какой-то постоянной подпитки. Её приписывают, как правило, вулканической активности» (Д. Титов).

Не напоминает ли вам ситуация с двуокисью серы на Венере таковую с кислородом на Земле? Двуокись серы – тоже очень хороший окислитель, и он снова присутствует в атмосфере в огромных количествах и вдалеке от химического равновесия. А активного современного вулканизма на Венере до сих пор не найдено. Не поступает ли двуокись серы из того же источника, в котором расходуется? Не означает ли это, что там имеет место глобальный (вернее, венеральный) геохимический (вернее, венохимический) цикл серы/кислорода, который, возможно поддерживает какая-то другая, неорганическая (возможно, кремниевая или смешанная кремнеуглеродная) форма жизни, способная существовать при высоких температурах в среде серной кислоты?