Происхождение жизни и эволюция атмосферы

Неизвестно, какие случайные события вызвали синтез органических молекул или сборку способных к метаболизму самокопирующихся структур, которые мы называем организмами, но можно догадаться о некоторых необходимых условиях и ограничениях. После открытия в 1950-х годах дизоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК) и проведения лабораторного синтеза примитивных органических молекул из экспериментальной атмосферы, богатой метаном и аммиаком, многие ученые надеялись, что происхождение жизни наконец то установлено. Однако сейчас кажется более вероятным, что синтез биологически важных биомолекул происходил в ограниченных, специфических средах, таких как поверхность глинистых минералов, или в подводных вулканических выходах.

Наиболее вероятные предположения ведут к тому, что жизнь началась в океанах около 4,2—3,8 млрд. лет назад. Древнейшие из известных ископаемых — бактерии из пород с возрастом около 3,5 млрд. лет. В породах этого возраста имеются свидетельства достаточно продвинутого метаболизма, при котором использовалась солнечная энергия для синтеза органического вещества. Самые ранние из этих реакций, вероятно, были основаны на сере, поступающей из вулканических выходов:

С0₂+ 2H₂S -> СН₂0+ 2S +Н₂0

В конце концов, природа изобрела фотохимическое разложение воды, или фотосинтез:

Н₂0 + С0₂ -> СН₂0+ 0₂

Образование кислорода в процессе фотосинтеза имело важные последствия. Сначала кислород быстро потреблялся в процессе окисления восстановленных веществ и минералов. Однако наступил момент, когда скорость поступления кислорода превысила скорость его потребления и он начал постепенно накапливаться в атмосфере.

Первичная биосфера под смертельной угрозой своего собственного отравляющего побочного продукта – кислорода была вынуждена приспосабливаться к таким изменениям. Она осуществляла это посредством развития новых типов биогеохимического метаболизма, которые поддерживают разнообразие жизни на современной Земле. Постепенно возникла атмосфера современного состава.

К тому же кислород в стратосфере претерпел фотохимические реакции, приведшие к образованию озона, защищающего Землю от ультрафиолетового излучения. Этот экран позволил высшим организмам колонизовать сушу континентов. Вообще говоря, существует точка зрения, что Земля действует скорее как единое живое существо, чем как управляемая случайным образом геохимическая система. Вокруг этой проблемы, (иногда называемой теорией Геи), возникло множество философских споров. Согласно этому подходу, биология контролирует способность планеты быть обитаемой, делая атмосферу, океаны и сушу удобными для поддержания и развития жизни. У этой «геянской» точки зрения пока немного последователей, но эти идеи стимулируют активные споры о роли организмов как посредников в геохимических циклах. Многие специалисты используют термин «биогеохимические циклы», в котором признается влияние организмов на геохимические системы.

Строение Земли

В настоящее время ученые предполагают, что Земля состоит из трех концентрических оболочек — геологических сфер: центрального ядра, промежуточной оболочки, или мантии, и наружной оболочки, или земной коры,последнюю называют также литосферой. На границах раздела этих геосфер отмечаются резкие скачкообразные изменения скоростей распространения сейсмических волн, что связано с изменениями агрегатного состава и плотности вещества. Наиболее хорошо изучена наружная оболочка Земли — литосфера, так как она доступна непосредственному наблюдению. Подробно ее характеристика приводится ниже. Здесь отметим, что земная кора состоит из трех слоев: осадочного (обычно небольшой мощности), гранитного, сложенного магматическими и метаморфическими горными породами кислого состава типа гранитов, и базальтового, состоящего из основных пород, близких по составу к базальтам. Литосфера является твердой оболочкой кристаллического строения. Средняя плотность земной коры 2,7 г/см³. В зависимости от глубины и слагающих пород плотность может меняться от 1,0 до 3,3 г/см³.

Мантиярасполагается ниже литосферы и простирается до глубины 2900 км. Граница между земной корой и мантией устанавливается по резкой смене скоростей сейсмических волн, она названа разделом Мохоровичича в честь югославского ученого А. Мохоровичича. Иногда ее сокращенно называют поверхность Мохо или просто граница «М». Мантия составляет более 80% объема земного шара, более ²/₃ его массы (примерно 4-10²¹ т), и является твердой оболочкой, за исключением отдельных локальных очагов, находящихся в расплавленном состоянии. Мантия, как полагают, состоит из сильно сжатых силикатных систем и, как показали исследования, неоднородна по своему составу. Мантию принято делить на три зоны: В — до глубины 400км, С -- до глубины 1000км, D — до глубины 2900км. Первые две зоны часто объединяют под общим названием верхней мантии. Именно в этой части Земли происходят те процессы, которые приводят в движение земную кору: здесь кроются причины землетрясений, вулканизма и других явлений. Температура в пределах мантии возрастает с глубиной. Так, на глубине 100 км она составляет 1000— 1300° С, вблизи поверхности ядра она повышается до 2300 °С. Однако такие высокие температуры не приводят к плавлению вещества в силу огромных давлений, господствующих здесь.

Считают, что слой В состоит из магнезиально-железистых минералов –— силикатов типа оливина и пироксена. В некоторых местах земного шара ученые находят куски мантии, вынесенные из глубин базальтовой лавой. Такие породы по составу отвечают оливинитам, пироксенитам и дунитам.

Нижняя мантия, представленная слоем D, характеризуется, как считают, однородным составом и состоит из вещества, богатого оксидами железа, магния и в меньшей степени титана и алюминия.

В условиях высоких давлений (например, в слое С давление достигает 246 тыс. атм.) и больших температур, в мантии меняются свойства атомов химических элементов и происходит переход электронов на незаполненные внутренние уровни. Это — зона так называемого «вырожденного химизма». Здесь процессы происходят по законам, нам неизвестным. Плотность мантии колеблется от 3,3 до 5,7 г/см³, а в зоне D достигает даже 9,4 г/см³.

Ядро Земли состоит из внешней и внутренней оболочек. Предполагают, что с глубины от 2900 до 5100 км находится внешнее ядро, по своему физическому состоянию приближающееся к жидкости. Давление во внешней оболочке достигает 1,5 млн атм, плотность составляет 12 г/см³. Остающиеся до центра Земли 1270 км принадлежат внутреннему ядру, или, как его иногда называют, ядрышку. Внутреннее ядро считают твердым. Здесь давление возрастает до 3,6 млн атм, а плотность достигает 17,3 – 17,9 г/см³

Ядро Земли полностью лишено каких бы то ни было химических свойств. Для ядра характерны: высокие электро- и теплопроводность, близкие к нулю теплоемкость и постоянная температура на всем его протяжении. Это — изотермическое ядро Земли. Эксперименты, поставленные в лаборатории, показали, что свойствами ядра может обладать вещество, состоящее на 80% из железа и на 20% из диоксида кремния. Температура, согласно расчетным данным, во внутреннем ядре составляет несколько тысяч градусов Цельсия. В таблице приведена модель строения Земли по Гуттенбергу — Буллену.

Строение Земли (модель Гуттенберга—Буллена)

Оболочка	Интервал глубин, км	Интервал плотностей, г/см3	Доля от объема, %	Масса, 1023г	Доля полной массы, %
Кора (А)	о-зз	2,7-3,0	1,55		0,8
Мантия (В)	33-400	3,32-3,65	16,67		10,4
Мантия (С)	400-1000	3,65-4,68	21,31		16,4
(D)	1000-2900	4,68-5,69	44,28		41,0
Ядро (£)	2900-5000	9,40-11,5	15,16	-	-
(F)	5000-5100	11,5-12,0	0,28		31.5
(G)	5100-6371	12,0-12,3	-	-	-

Биосфера

Земля уникальна среди планет Солнечной системы. В тонком слое, где встречаются и взаимодействуют воздух, вода и земля, обитают удивительные объекты — живые существа, среди которых и мы с вами. Согласно современным представлениям, биосфера — это своеобразная оболочка Земли, содержащая всю совокупность живых организмов и ту часть вещества планеты, которая находится в непрерывном обмене с этими организмами.

По физическим природным условиям биосфера может быть подразделена на три среды: атмосферу, гидросферу и литосферу.

Пределы биосферы обусловлены, прежде всего, полем существования жизни (В.И. Вернадский, 1926). Всю совокупность организмов на планете Вернадский назвал живым веществом, рассматривая в качестве его основных характеристик суммарную массу, химический состав и энергию.

Косное вещество, по Вернадскому, — совокупность тех веществ в биосфере, в образовании которых живые организмы не участвуют.

Биогенное веществосоздается и перерабатывается жизнью, совокупностями живых организмов. Это источник чрезвычайно мощной потенциальной энергии (каменный уголь, битумы, известняки, нефть). После образования биогенного вещества живые организмы в нем малодеятельны.

Особой категорией является биокосное вещество. В. И. Вернадский (1926) писал, что оно «создается в биосфере одновременно живыми организмами и косными процессами, представляя системы динамического равновесия тех и других». Организмы в биокосном веществе играют ведущую роль. Биокосное вещество планеты, таким образом, — это почва, кора выветривания, все природные воды, свойства которых зависят от деятельности на Земле живого вещества. Следовательно, биосфера — это та область Земли, которая охвачена влиянием живого вещества. Жизнь на Земле — самый выдающийся процесс на ее поверхности, получающий живительную энергию Солнца и вводящий в движение едва ли не все химические элементы таблицы Менделеева.

Биосферу как место современного обитания организмов вместе с самими организмами можно разделить на три подсферы - аэробиосферу, населенную аэробионтами, субстратом жизни которых служит влага воздуха; гидробиосферу— глобальный мир воды (водная оболочка Земли без подземных вод), населенный гидробионтами; геобиосферу— верхнюю часть земной коры (литосфера), населенную геобионтами.

В последнее время широким распространением пользуется термин ноосфера(греч. «ноос» — разум). Это понятие впервые введено французскими учеными Э. Леруа и П. Тейяр де Шарденом (1927). В.И. Вернадский развил представление о ноосфере как качественно новой форме организации, возникающей при взаимодействии природы и общества. Для этой сферы характерна тесная связь законов природы с законами мышления и социально-экономическими законами. В настоящее время человек присутствует при формировании ноосферы и является ее соучастником наряду с природными процессами. Ноосфера — качественно новое состояние биосферы, находящейся в эволюционном развитии.

Атмосфера

Химия атмосферы стала предметом всеобщего беспокойства в последние два десятилетия. Главы государств встречались в Стокгольме, Монреале, Лондоне и Рио-де-Жанейро и уделяли внимание судьбе атмосферы. Телевидение, которое обычно отдает научным вопросам не лучшие часы, показало тщательно сделанные цветные снимки, полученные при дистанционных измерениях озоновой дыры, и огромные выбросы от нефтяных пожаров во время войны в Персидском заливе 1991 г., а вопрос об озоновой дыре не сходит с экранов телеприемников. Такой интерес вызван тем, что атмосфера является самым маленьким из геологических резервуаров Земли.

Именно ограниченные размеры делают атмосферу такой чувствительной к загрязнению. Даже внесение небольших количеств вещества может привести к значительным изменениям в ее поведении.

Следует заметить, что время перемешивания атмосферы очень мало. Выбросы от крупных катастроф, например при аварии на атомном реакторе в Чернобыле в 1986 г., можно было легко обнаружить по всему земному шару. Такое перемешивание, вызванное общей циркуляцией атмосферы, распространяя загрязнители на большие площади, в то же время ослабляет их действие. В противоположность этому распространение загрязняющих веществ в океане идет намного медленнее, а в других резервуарах Земли происходит только в геологических временных масштабах, равных миллионам лет.

Состав атмосферы

Общий состав атмосферы почти одинаков по всей Земле в результате высокой степени перемешивания в пределах атмосферы. В горизонтальном направлении перемешивание осуществляется благодаря вращению Земли..

Условия на верхней и нижней границах атмосферы различаются очень сильно: снизу на нее действует гравитационная сила и тепло Земли, сверху — излучение Солнца. Эти воздействия приводят к тому, что земная атмосфера имеет довольно сложную вертикальную структуру, то есть атмосферу можно разделить на несколько концентрических резервуаров.

Из-за наличия земного притяжения плотность воздуха очень быстро убывает с высотой. Это убывание описывается показательной функцией: на каждые 5850 метров высоты давление (а, следовательно, и концентрация газов) уменьшается в 2 раза (Рис; изгибы вызваны разницей в температурах на разных высотах).

До поверхности Земли доходит только ближний УФ, ближний ИК и видимый свет — все остальное излучение поглощается атмосферными газами. Излучение, дошедшее до земной поверхности, нагревает ее. Поверхность Земли, в свою очередь, во-первых, нагревает воздух, а во-вторых, испускает ИК излучение, которое поглощается парниковыми газами, что приводит к дополнительному нагреву атмосферы. Нагретый воздух конвекционными потоками поднимается вверх. Поскольку температура поднимающегося газа отлична от нуля, он (в первую очередь, парниковые газы в нем) излучает ИК. Хотя это излучение вновь поглощается теми же парниковыми газами, которые снова его переизлучают, перепоглощение в верхних (разреженных) слоях меньше, поэтому в целом атмосфера с увеличением высоты остывает, и к высоте -20 км средняя температура воздуха падает до -60°С.

Выше воздух становится настолько разреженным, что в него проникает средний и жесткий ультрафиолет, который приводит к фотохимическим реакциям образования и распада озона. При образовании О₃ и О₂ из атомарного кислорода выделяется энергия, поэтому выше 20 км температура атмосферы снова начинает расти (фактически, в результате этих реакций электромагнитное излучение превращается в тепловую энергию). Область первого минимума температуры называется тропопаузой и отделяет нижнюю часть атмосферы (тропосферу) от более верхней (стратосферы). Тропопауза является своего рода барьером, поскольку через нее не проходят конвекционные потоки. Тропосферные газы проникают в стратосферу только путем диффузии, поэтому загрязняющие вещества, попавшие в тропосферу, оказываются в стратосфере очень нескоро (не менее, чем через 10 лет).

Температура воздуха в стратосфере до стратопаузы растет с высотой. Выше стратопаузы воздух становится настолько разреженным, что он пропускает даже жесткий УФ, поэтому нагревания за счет поглощения излучения Солнца там не происходит. А еще выше, на высоте около 80 километров, происходит взаимодействие газа с вакуумным ультрафиолетом и рентгеновским излучением, что приводит к отрыву электронов от молекул газов и разрушению самих молекул. В результате выше этой области (мезопаузы) встречаются довольно высокие концентрации (до 10⁵ шт/см3) свободных электронов, а также таких экзотических частиц, как О₂⁺, О⁺, Н₅О₂⁺ и т.п. Из-за высокой концентрации ионов слой атмосферы выше мезопаузы называют ионосферой. Температура ионосферы повышается с высотой. Это обусловлено тем, что рекомбинация ионов и электронов сопровождается выделением энергии. Кроме того, высоких слоев атмосферы могут достичь только частицы с высокими кинетическими энергиями.

В таблице приведен валовой состав незагрязненного воздуха. В ней перечислены компоненты составляющие фон, в среде которого протекают атмосферные химические процессы.

Пары воды, также является важным газом, но ее содержание сильно варьирует. В атмосфере в целом концентрация воды зависит от температуры. Диоксид углерода имеет гораздо меньшую концентрацию, чем множество других сравнительно инертных (т. е. не реагирующих) микрокомпонентных газов. В отличие от воды и, в меньшей степени, СO₂ концентрация большинства газов в атмосфере остается практически постоянной. Хотя нельзя утверждать, что эти инертные газы не важны, внимание химиков, изучающих атмосферу, обычно сфокусировано на реакционноспособных следовых газах. Таким же образом основной интерес химии морской воды сосредоточен на ее следовых компонентах, а не на воде как таковой или хлориде натрия, ее основной растворимой соли.

Рассмотрим отдельный микрокомпонентный газ в атмосфере. Возьмем в качестве иллюстрации метан, не очень реакционноспособный газ. Его содержание в атмосфере составляет около 1,7 ppm.

Метан может реагировать с кислородом следующим образом:

СН₄ + 20₂ -> С0₂ + 2Н₂0

Реакцию можно представить как состояние равновесия и описать традиционным уравнением

К= cCO₂ ^. cH₂O₂

cCH₄ ^. cO₂²

которое можно записать через давление

К= pCO₂ ^. pH2O₂

pCH₄ ^. pO₂²

Константа равновесия (К) равна примерно 10¹⁴⁰. Крайне высокое значение, которое предполагает, что равновесие этой реакции очень сильно смещено вправо и что CН₄ должен содержаться в атмосфере в низких концентрациях. Насколько низких? Это можно вычислить, преобразовав уравнение и решив его для СН_4. Как видно из таблицы, кислород имеет концентрацию около 21 %, т. е. 0,21 атм, в то время как СО₂ и вода имеют значения 0,00036 и около 0,01 атм. соответственно. Подставляя их в уравнение и решая его, приходим к равновесной концентрации 8 • 10^-147 атм. Она очень отличается от значения 1,7^.10^-6 атм., которое на самом деле находят для метана в воздухе.

Этот простой расчет свидетельствует о том, что газы в атмосфере не обязательно находятся в равновесии. Это означает не то, что атмосфера очень неустойчива, а лишь то, что она не управляется химическим равновесием. Многие микрокомпонентные газы в атмосфере находятся в устойчивом состоянии. Оно относится к хрупкому балансу между поступлением и выходом газа в атмосферу. Понятие баланса между источником газа для атмосферы и стоком этого газа является крайне важным. Ситуация часто описывается с помощью уравнения:

F_вх = F _вых = A/τ

Где F _вхиF _вых— это потоки в атмосферу и из нее, А — общее количество газа в атмосфере и τ — время пребывания газа в атмосфере.

При состоянии устойчивости приход должен быть равен расходу. Можно сказать, что в этот момент система устойчива.

Приток метана в атмосферу происходит со скоростью 500 Т • год ^-1 (т. е. 500 • 10⁹ кг • год^-1). Содержание СН₄ в атмосфере составляет 1,7 ррm. Общая масса атмосферы равна 5,2 • 10¹⁸ кг. Если принять во внимание небольшие различия между молекулярными массами СН₄ и атмосферы в целом (т. е. 16/29), общая масса СН₄ в атмосфере может быть оценена как 4,8 • 10¹² кг. Подстановка этих значений в уравнение дает время пребывания τ= 9,75 лет. Это число представляет среднее время жизни молекулы СН₄ в атмосфере (по крайней мере, оно было бы таким, если бы атмосфера была очень хорошо перемешана).

Время пребывания — величина, описывающая системы в устойчивом состоянии. Это очень важное понятие, играющее центральную роль в химии окружающей среды. Вещества с большим временем пребывания могут накапливаться в относительно высоких концентрациях по сравнению с теми, время пребывания которых меньше.