Химический состав живой материи

ЖИВАЯ МАТЕРИЯ ПЛАНЕТЫ

(ИСПОЛЬЗОВАНИЕ РЕСУРСОВ ПЛАНЕТЫ – с.27)

(ТЕХНОГЕННОЕ ЗАГРЯЗНЕНИЕ И НАРУШЕНИЕ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ – с.56)

Все в мире растет, цветет и возвращается к своему корню.

Согласное с природой означает вечное, поэтому разрушение

не заключает в себе никакой опасности.

Лаоцзы

Химический состав живой материи

Биосфера — это сфера жизни живой материи, современная масса которой составляет примерно n 10¹³т. Однако основная рольорганического вещества (ОВ) заключается не в его количестве, а в исключительной биохимической активности, способности приводить в движение десятки химических элементов, концентрируя и рассеивая их. Более того — живая материя и после своей смерти продолжает определять ход геохимических процессов.

Живая материя (живое вещество) состоит из нескольких групп биомолекул сходного строения: белки, углеводы, липиды (жиры), а также лигнин высших растений. Элементный состав ее компонентов заметно варьирует (табл. 2.1). Кроме приведенных в таблице главных компонентов в составе живой материи в малых количествах присутствуют нуклеиновые кис­лоты, пигменты и витамины.

Таблица 2.1. Элементный состав компонентов

живого вещества и нефти,%

Вещество	С	Н	О	N	S
Белки	50—55	—	19,5—24	15—19	—
Углеводы	40—45	6Д—6,6	50—53	—	—
Лигнин	62—69	4,5—6,5		—	—
Липиды	72—79	11—13	10—12	—	—
Нефть		13,5	0,7	0,3	0,5

В свою очередь содержание компонентов в разных группах биопродуцентов также отличается (табл. 2.2).

Таблица 2.2. Групповой состав биопродуцентов, %

Биопродуценты	Липиды	Белки	Углеводы	Лигнин
Зеленые растения	<5,0	5—10	>50	>25
Фитопланктон	5—20	24—48	30—65	—
Зоопланктон	10—22			—
Бактерии		до 60		—

Живое вещество любого участка суши или моря характеризуется определенными биоценозами. Биоценоз— это совокупность всех живых организмов (животных, растений, грибов и др.), совместно населяющих какой-либо участок суши и (или) водоема. В любом биоценозе по типу питания выделяются три группы организмов: продуценты, консументы и редуценты.

Продуценты — живые организмы, производящие живое вещество из неживого,автотрофы. Основные продуценты на суше – зелёные сосудистые растения; в воде – микроскопические водоросли (одноклеточные и ниточные).

консументы — потребители, питающиеся (ОВ) продуцентов, — гетеротрофы— все животные;

Консумент(от лат. Consumе — употреблять) — гетеротрофы, организмы, потребляющие готовые органические вещества, создаваемые автотрофами (продуцентами).

В отличие от редуцентов, консументы не способны разлагать органические вещества до неорганических.

К консументам относят животных, некоторые микроорганизмы, а также паразитические и насекомоядные растения.

Редуценты (возвращающий, восстанавливающий)— организмы, разлагающие в ходе жизнедеятельности мёртвое органическое вещество и превращая его в неорганическое вещество, обеспечивая т. о. возвращение содержащихся в нём биогенных элементовв круговорот веществ: сапрофаги, грибы и бактерии, разлагающие ОВ как консументов, так и продуцентов, минерализующие его.

Мертвое органическое вещество- количество органического вещества, содержащегося в отмерших частях растений, а также в накопившихся на почве продуктах опада.

Основным продуцентом ОВ в современных водоемах является фитопланктон.

Белки— важнейшие компоненты живой материи, входящие в состав клеточной ткани и участвующие в процессе биосинтеза. Белки являются сложными полимерами, которые состоят из аминокислот. Все разнообразие белков обеспечивается разным порядком соединения этих кислот. Характерным элементом связи аминокислот является пептидная связь: две аминокислоты соединяются в молекулу через углерод кислотной группы и азот основной группы (СО—NH).

Полипептидная цепь может содержать до 1000 аминокислотных остатков. Последовательность аминокислот в белке определяет генетический код. После отмирания организма белки быстро гидролизуются с образованием аминокислот, которые в отдельных случаях сохраняются в ископаемом ОВ. Белки являются основным источником азота в ОВ.

Углеводыслагают большую часть растительного живо­го вещества. Их молекулярная формула C_n(H₂0)_m. Углеводы делятся на две группы: мономерные — моносахариды С₆Н₁₂0₆ (глюкоза и др.) и полимерные (целлюлоза и др.) — продукты конденсации моносахаридов. Углеводы легко по­требляются микроорганизмами, небольшая их часть сохраняется в осадке.

Лигнин — инкрустирующие вещества, совместно с клетчаткой образующие древесную ткань высших растений. Относится к числу наиболее стабильных компонентов живого вещества. В основе химической структуры лигнина лежат ароматические кольца, обычно не синтезируемые животными. Лигнин син­тезируется в растениях при дегидратации и конденсации аро­матических спиртов.

Липиды и родственные им полимерные соединения являются обязательной составной частью всех клеток живых организмов. Это природные жиры. К липидам относятся животные жиры, растительные масла и воски.

Основным продуцентом в водоемах является фитопланктон. Повышенной концентрацией липидов в фитопланктоне (до 38 % сухого веса) отличаются диатомовые водоросли, которые из всех групп фитопланктона занимают первое место по биопродуктивности. Современные диатомеи синтезируют более 50% органического вещества. Характерной особенностью диатомовых и некоторых других водорослей является их способность накапливать в виде запасных веществ липиды.

Широкое распространение свойственно также сине-зеленым водорослям, которые существуют на Земле более 3 млрд. лет. В протерозойских бассейнах они были подавляющей формой жизни и поставщиком ОВ. Антибактериальное действие их липидов (содержание липидов до 12%) предопределило их устойчивость к микробному разрушению.

Основную массу ОВ составляют продуценты — основа пищевой цепи. Следующая группа пищевой цепи—зоопланктон, который питается фитопланктоном. При каждом переходе по пищевой цепи от продуцента к следующему звену пищевой цепи масса ОВ сокращается на порядок. Поэтому в ряду «фитопланктон—зоопланктон—рыбы—хищники» масса ОВ сокра­щается в 1000 раз.

Бактерии— это наиболее распространенные представители живой материи. Благодаря бактериям зона ее действия расширяется до глубины в несколько километров. Бактериям принадлежит ведущая роль в преобразовании ОВ, в формировании окислительно - восстановительной обстановки, в воздействии на минеральную составляющую породы. Геохимическая роль бактерий заключается в разложении огромных масс рас­тительных и животных остатков. Велика их роль в круговороте углерода, азота, фосфора и др. С жизнедеятельностью бактерий связаны процессы биодеградации нефти, образования сульфидных руд, окисления метана на угольных месторождениях и др.

Высшиерастения также являются поставщиком ОВ, которое представлено главным образом целлюлозой и лигнином. Заметное количество липидов накапливается в листьях, спорах, пыльце, коре, плодах и семенах. В до девонское время основными поставщиками ОВ были сине-зеленые водоросли и бактерии. В ту пору высшие растения отсутствовали, поэтому в отложениях до девонского периода пыльца и растительные воски не наблюдаются.

Первичное накопление осадковОВ или седиментация— это сложный процесс взаимодействия геосфер Земли. Формирующееся в бассейне ОВ представлено прежде всего фитопланктоном, который при малых размерах (микро— и нано- уровень) и ничтожной массе отличается чрезвычайно высокой продуктивностью органического углерода С (табл. 2.3). Ежегодная продукция С в Мировом океане по разным источникам достигает 75 10® т. Величина терригенного сноса за год составляет 25 10⁹ т. Подавляющая часть биопродукции не доходит до дна, а минерализуется, образуя растворенные органические соединения, поэтому содержание С в морских осадках не превышает 1 %.

Таблица 2.3. Распределение годового производства углерода по различным областям биосферы, %

Область	Биомасса	Годовая продукция
Сфера почв	99,73	36,98
Болота	0,12	0,92
Озера, реки	0,01	1,09
Океан	0,14	61,01

Биологическую продуктивность контролируют различные факторы: свет, температура, течения, высота водной толщи.

В арктических областях, где самые широкие шельфы, продуктивность лимитируется коротким световым днем, в дельтах рек — мутностью воды. Самая благоприятная температура для жизнедеятельности диатомовых водорослей 5…15°С. Процессы аккумуляции и консервации ОВ в морских осадках определяются скоростью накопления минеральных частиц, их размером, составом, высотой столба воды. Наличие обогащенных органическим углеродом отложений характерно для континентального склона.

Микробиологическое преобразование отмерших организ­мов начинается практически сразу. Устойчивость различных компонентов ОВ к биохимическому разложению следующая: белки — целлюлоза—лигнин — воски — смолы. Первыми разлагаются белки и углеводы с образованием аминокислот, сахаров, фенолов и др. Большая же часть углеводов и белков переходит в водно-растворимые соединения.

Диагенез — это процессы преобразования рыхлых осадков в горную породу в термодинамических условиях поверхност­ного слоя земной коры. В раннем диагенезе протекание всех процессов определяется деятельностью микроорганизмов. Самый ранний этап диагенеза протекает в верхнем слое осадка толщиной до 0,5 м. В течение этого этапа продолжительностью до нескольких тысячелетий образуются железомарганцевые конкреции, фосфориты, цеолиты и др. Второй этап раннего диагенеза протекает в осадках до глубин 10 м и характеризу­ется восстановлением сульфатов, железа и марганца. На третьем этапе прекращается бактериальная деятельность, про­исходит локальная цементация и перекристаллизация образовавшихся минералов.

Биохимическая трансформация ОВ сопровождается интенсивным газообразованием: более четверти ОВ в осадках теряется в виде газа. Главным компонентом свободных газов в приповерхностных осадках является метан, который гене­рируется анаэробными бактериями. Ежегодная биогенерация метана составляет 2,7∙10¹⁴ т. Процессы генерации метана с глубиной быстро затухают и на первых метрах прекращаются.

2.2. Фотосинтез — первоисточник жизни на планете

Если бы звенья пищевой цепочки были ограничены только живыми существами, то жизнь на Земле продлилась бы недолго. Тот факт, что жизнь не прекращается на протяжении миллиарда лет, свидетельствует о том, что в пищевую цепочку должна поступать энергия извне, из источника, не имеющего отношения к живым организмам. Ни один из неодушевленных источников кроме Солнца не может составить энергетическую основу всего живого. Пищевая цепочка, так или иначе, начи­нается с зеленых растений, которые поедаются животными.

Первоисточником энергии в природе является Солнце, но его энергию могут усваивать только фотосинтетики, а все остальные организмы могут получать эту энергию лишь опосредованно. Это открытие было сделано примерно 250 лет назад англичанином Д. Пристли. Его опыты заключались в следующем. Он посадил растение под герметичным куполом, оно росло, пока не исчерпало весь углекислый газ, содержавшийся в замкнутом объеме. После этого растение прекращало рост, несмотря на обилие воды и солнечного света. Помещенная под этот же купол мышь быстро расходовала весь содержащийся кислород и умирала. А вот мышь вместе с растением под од­ним куполом могли прожить гораздо дольше, чем каждое из них по отдельности.

Из этих наблюдений был сделан вывод о том, что растения не только потребляют углекислый газ, но и выделяют кислород, а животные, наоборот, потребляют кислород и выделяют углекислый газ. Таким образом, каждое существо из такой пары помогает удовлетворять потребности другого существа.

Фотосинтез—важнейшая составная часть жизни растений. В переводе с греческого это означает «сборка с помощью света». В отличие от животных, которые используют готовые органические вещества, растения создают эти вещества сами, используя простые неорганические соединения и солнечную энергию (рис. 2.1). Из молекул С0₂ строятся углеродные цепи углеводов и всех необходимых для жизни органических веществ. Источником водорода для этих соединений является вода. Создание молекул органических соединений из С0₂ и Н₂0 совершается в сложнейшем биологическом аппарате зеленого листа растений, называемом аппаратом фотосинтеза.

Рис. 2.1. Схема процесса фотосинтеза в зеленом листе

В результате фотосинтеза в зеленых листьях растений с помощью энергии света из углекислого газа и воды образуются энергетически богатые углеводы, и выделяется кислород.

Суммарная схема реакции фотосинтеза может быть представлена следующей формулой: 6С0₂ + 6Н₂0 + hv → С₆Н₁₂0₆ + 60₂.

Образовавшаяся в результате фотосинтеза глюкоза используется в реакции полимеризации до целлюлозы как структурного элемента растений, а также в реакции синтеза других органических соединений в клетках растений. Фотосинтез не может проходить без наличия хлорофилла, который связывает воедино частицы неживой и живой природы с электромагнитным солнечным излучением hv и при этом сам не изменяется в ходе фотохимического процесса.

По основе строения хлорофилл похож на гем, являющийся частью гемоглобина. Одно из отличий в том, что в составе гема присутствует железо, а в составе хлорофилла — магний.

(Гемы (от др.-греч. ἁίμα — «кровь») — комплексные соединения порфиринов с двухвалентным железом, несущие один или два аксиальных лиганда. Гемы выступают в роли простетических групп (небелковых частей) белков — гемопротеинов (гемоглобинов,миоглобина, цитохромов и др.).

Позвоночные синтезируют гем из более простых азотистых соединений (глицина и сукцината) и из резервного железобелкового комплекса — ферритина, находящегося в селезёнке, печени, костном мозге. Гем, выделенный из крови различных позвоночных животных, имеет одинаковую химическую структуру.

Свободный гем легко окисляется на воздухе до гематина, в котором атом железа трёхвалентен. Многолетние исследования структуры гема завершились синтезом гемина — солянокислого гематина (Г. Фишер, 1929).

Своим зеленым цветом молекула хлорофилла обязана тому факту, что поглощает длинные волны красного и оранжевого участков спектра, а остальные отражает. Если из солнечного света вычесть красный и оранжевый цвета, то получится зеленый - что мы и наблюдаем.

Приведенная реакция является обратной по отношению к реакции горения углеводородов, а также реакции окисления глюкозы—источника энергии в клетках растений и животных.

Первичным восстановителем в фотосинтезе является вода, которая в световой фазе фотосинтеза разлагается в хлорофилл-белковом комплексе, находящемся в возбужденном состоянии, до молекулярного кислорода 0₂ с образованием протонов 4Н⁺ и электронов 4е:

2Н₂0 → 4Н⁺ + 0₂↑ +4е.

В этой же световой фазе синтезируется аденозинтрифосфат (АТФ).

В темновой фазев присутствии АТФ при участии ферментов из диоксида углерода и водорода образуется глюкоза:

6С0₂ + 24Н⁺АТФ → С₆Н₁₂0₆ + 6Н₂0.

В процессе фотосинтеза кислород образуется из расщепленной молекулы воды. А молекула углекислого газа остается нерасщепленной и в таком виде интегрируется в состав органических соединений. Получившиеся в процессе фотосинте­за углеводы используются далее как исходный материал для синтеза других органических соединений.

Фотосинтетический аппарат — это самонастраивающаяся биологическая структура, возникающая в белково-липидных мембранах зеленого листа в результате подстройки друг к другу всех участников фотосинтеза: молекул акцепторов (окислителей) и доноров (восстановителей) электрона, ферментов и источников энергии (АТФ).

Процесс запасания солнечной энергии растениями происходит на атомно-молекулярном уровне. В нем участвуют десятки видов молекул, расположенных в строгом порядке и четко выполняющих свои функции. Наиболее важными составными частями фотосинтезирующего аппарата являются: светособирающая антенна; фотохимический реакционный центр; цепь транспорта электронов; механизм сопряжения транспорта с переносом протонов и синтезом АТФ. В листьях зеленых растений все названные компоненты фотосинтезирующего аппарата строго упорядоченно расположены в мембранах особых внутриклеточных частиц — тилакоидов.

Процесс фотосинтеза начинается с того, что в молекулах пигмента квант света (фотон) возбуждает один из электронов. Молекулы пигмента работают не в одиночку: сотни таких частиц организованы в светособирающие антенны. Фотон исчезает, а его энергия переводит электрон молекулы пигмента на более высокую орбиталь. Возбужденный электрон приобретает восстановительную мощность (потенциал) около одного вольта. Возбужденный электрон передается по цепочке молекул-трансформаторов, отдавая на каждом шагу часть своей энергии на работу по переносу протонов через мембрану. Как только электрон доходит до молекулы-акцептора, он утрачивает оставшуюся часть неизрасходованной энергии, которая переходит в колебания легких атомных групп белка-акцептора.

Энергия, добытая из внешнего источника, запасается в виде высокоэнергетических связей. Часть энергии аккумулируется в форме мембранного потенциала, с помощью которого в резуль­тате ступенчатого окисления глюкозы образуется аденозинтрифосфатАТФ. Процесс ступенчатого окисления глюкозы в клетках носит название окислительного фосфорилирования. АТФ является единственным фосфорилирующим средством в синтезах нуклеиновых кислот РНК и ДНК. Синтез белка происходит на матрицах нук­леиновых кислот. Этот процесс происходит непрерывно с большой скоростью: за минуту одна клетка синтезирует несколько тысяч новых молекул белка. В дальнейшем АТФ, как посредник для передачи химической энергии, легко отдает свои фосфатные группы либо молекулам воды, либо другим молекулам.

В клетках животных и растений непрерывно происходит образование АТФ как в темноте, так и на свету, а также его гидролиз. Реакция гидролиза АТФ до аденозиндифосфата (АДФ) в клетках протекает как ферментативная экзотермическая реакция

АТФ + Н₂0 → АДФ + Н₃Р0₄ + 36,6 кДж/моль.

Эта реакция является главным источником энергии для протекания всех биохимических реакций, которые идут против градиента термодинамического потенциала.