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 0,18109т благодаря его диссипации. Скорость диссипации водорода 25103 т/год. За время существования Земли общая потеря элемента составила 0,11015 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 1,81012 т воды и соответственно связано 0,31012 т водорода. В настоящее время в процессе фотосинтеза природной растительностью на суше и фотосинтетиками в океане на протяжении года расщепляется около 200109 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.
- Омск – 2003
- Рекомендации к тестовым заданиям
- 1. Экология
- 2. Определение экологии
- Понятие биоценоза
- Видовое разнообразие биоценоза
- Пространственная структура биоценоза
- Отношения организмов в биоценозах
- Трофическая структура биоценоза
- Понятие о популяции
- Свойства популяционной группы
- Рождаемость популяции и смертность
- Вариант 2
- 1. Предмет и основные задачи экологии
- 2. Экосистемы
- 3. Биогеоценоз
- 4. Биомы. Основные типы сухопутных биомов
- 5. Экологические пирамиды
- 6. Экологические факторы
- 7. Основные экологические факторы. Температура
- 8. Типы экологических взаимодействий
- 9. Развитие и эволюция экосистемы
- Общие закономерности сукцессии
- Вариант 3
- 1. Биосфера Земли
- 2. Биосфера как внешний уровень организации живых систем. Совершенный дизайн не может быть продуктом случая
- 3. Границы биосферы
- 4. Неоднородность, мозаичность биосферы
- Организованность биосферы
- Компоненты биосферы
- Живое вещество планеты
- 8. Средообразующая роль живого вещества
- 9. Средообразующая роль живого вещества. Состав атмосферы
- 10. Функции живого вещества в биосфере
- Вариант 4
- 1. Биологическое разнообразие как основа стабильности биосферы
- 2. Биологическая продуктивность экосистем
- 3. Уровни биологической организации и экология
- 4. Развитие организма как живой целостной системы
- 5. Органические соединения в живом веществе
- 6. Фотосинтез – основной процесс в экосистеме
- 7. Хемосинтез
- 8. Саморегуляция и устойчивость экосистем
- 9. Экологическая ниша
- 10. Биологические ритмы
- Вариант 5
- 1. Баланс энергии и круговорот вещества в биосфере
- 2. Круговорот воды
- 3. Биогеохимические циклы
- 4. Круговорот углерода
- Биогеохимический круговорот азота
- 7. Биохимические циклы кислорода
- Биохимический цикл водорода
- 8. Биохимический цикл серы
- Биохимический цикл фосфора
- Мировая суша
- Земная кора
- Отличительные признаки ноосферы. Техногенез