Биохимический цикл водорода

Содержание водорода в земной коре невелико [1, с. 211]: кларк гранитоидов составляет 0,15 %. В земной коре большая часть атомов водорода входит в состав воды, углей, нефти, горючих газов, глинистых минералов, живых организмов. Геохимия водорода тесно связана с историей воды и живого вещества: кларк водорода гидросферы равен 10,72, а живого вещества – 10,5.

Водород – один из двух химических элементов, которые благодаря ничтожной массе их ядер могут диссипировать: уходить из поля тяготения Земли. Транзит водорода и гелия проходит через биосферу. Гелий, как инертный газ, не образует химических соединений, а водород под влиянием жизнедеятельности организмов вступает в соединения и вследствие этого задерживается в биосфере.

Водород в свободной (молекулярной) форме и в составе химических соединений дегазируется из мантии. Значительные массы Н₂ поступают на поверхность Земли при вулканических извержениях и поствулканических процессах, выделяются в результате жизнедеятельности водородных бактерий, участвующих в преобразовании органического вещества в анаэробных условиях, образуются при разложении воды при электрохимических реакциях и под воздействием продуктов распада радиоактивных элементов. В то же время в атмосфере находится Н₂ всего 0,1810⁹т благодаря его диссипации. Скорость диссипации водорода 2510³ т/год. За время существования Земли общая потеря элемента составила 0,110¹⁵ т (Г. А. Заварзин, 1984).

Накопление кислорода в атмосфере связано с удалением из нее водорода. На ранних стадиях истории Земли ведущую роль в удалении водорода, образовавшегося при фотолизе паров воды, играл процесс диссипации. В дальнейшем все большее значение стало приобретать удаление водорода путем связывания его в составе органического вещества. Для создания массы растительности Мировой суши, существовавшей до вмешательства человека, было расщеплено примерно 1,810¹² т воды и соответственно связано 0,310¹² т водорода. В настоящее время в процессе фотосинтеза природной растительностью на суше и фотосинтетиками в океане на протяжении года расщепляется около 20010⁹ т воды и в органическом веществе связывается примерно (30-35)10⁹ т водорода.

Концентрирование водорода в организме человека – около 10 % (7 кг) по сравнению с его содержанием в земной коре (1 %) – свидетельствует об исключительной роли водорода в биологических процессах. На 100 атомов водорода в организме человека приходится всего 58 атомов остальных элементов. В организме человека водород содержится в виде различных биоорганических соединений и воды. Вода – одно из самых важных и распространенных на Земле соединений водорода. Водное пространство занимает почти 75 % поверхности земного шара.

В организме взрослого человека в среднем содержится 65-67 % воды, у эмбрионов (4-месячных) – 94, у новорожденных – 74 %. Все химические реакции в организме протекают только в водной среде. Жизнь без воды невозможна.

Организмы закрепляют водород в биосфере планеты, связывая его не только в органическом веществе, но и участвуя в фиксации водорода минеральным веществом почвы. Это становится возможным в результате диссоциации кислотных продуктов метаболизма с высвобождением иона Н⁺. Последний, как правило, с молекулой воды образует посредством водородных связей ион гидроксония (Н₃О⁺). При поглощении иона гидроксония гипогенными силикатами происходит трансформация их кристаллохимических структур в глинистые минералы. Таким образом, интенсивность продуцирования кислотных продуктов метаболизма является важным фактором гипергенного преобразования кристаллических горных пород и образования коры выветривания.

Изменение концентрации водородных ионов влияет на подвижность многих металлов. Большинство их, растворяясь в кислых растворах, образуют катионы, но с повышением рН они обычно выпадают в осадок в форме гидроксидов или основных солей. С подобным явлением сталкиваются при миграции растворов от сульфидных рудных тел. Щелочностью среды во многом определяется миграция глинозема и кремнезема: при рН = 5-9 первый практически нерастворим, а второй становится подвижным. С изменением кислой среды на щелочную многие окислительно-восстановительные реакции меняют свое направление:

Fe³⁺ + V⁴⁺  Fe²⁺ + V⁵⁺ ; 2 Fe²⁺ + U⁶⁺  2 Fe³⁺ + U⁴⁺.

Известны три изотопа водорода: протий ¹₁Н, дейтерий ²₁Н (или Д), тритий ₁³Н (или Т). Протий и дейтерий – стабильные изотопы; тритий – радиоактивен (период полураспада 12,5 лет). Кислород состоит из трех стабильных изотопов со следующей распространенностью: О – 99,759 %; О – 0,0374 %; О – 0,203 %. Многократно повторяющиеся циклические процессы миграции химических элементов способствуют дифференциации изотопов. Один из наиболее мощных циклических процессов, существующих на поверхности Земли с момента образования атмосферы и океана, – круговорот воды.

Именно цикл массообмена воды наиболее заметно сказывается на разделении изотопов водорода и кислорода. Как это проявляется…?

[1] пары воды при испарении обогащаются легкими изотопами, поэтому атмосферные осадки, поверхностные и грунтовые воды содержат больше легких изотопов;

[2] пары воды при испарении обогащаются тяжелыми изотопами, поэтому атмосферные осадки, поверхностные и грунтовые воды содержат больше тяжелых изотопов;

[3] океанические воды характеризуются устойчивым изотопным составом; материковые льды Арктики и Антарктиды содержат наиболее легкую воду, так как активность разделения изотопов кислорода усиливается при понижении температуры;

[4] океанические воды характеризуются переменным изотопным составом, материковые льды Арктики и Антарктиды содержат наиболее тяжелую воду, так как активность разделения изотопов кислорода понижается при низкой температуре.