Эволюция атмосферы и происхождение жизни - раздел Химия, Предмет и задачи химии окружающей среды Аккреция Вещества Земли Привела К Временному Его Разогреву И Легких Молекул ...
Аккреция вещества Земли привела к временному его разогреву и легких молекул первичной атмосферы, прежде всего водорода и гелия, рассеянных в космическом пространстве. Последующее понижение температуры в результате сильного излучения тепла привело к образованию твердой коры. Активный вулканизм мешал этому процессу, но в то же время поставлял большие количества газов, из которых образовалась вторичная атмосфера. В ней, кроме Н2, было много других газов, таких, как СН4, NН3 и Н2О (рис. 2).
Рис. 1 Процентный состав основных элементов коры Земли
|
Ультрафиолетовое излучение Солнца
|
| Углероды, гетероциклические основания, аминокислоты и другие простейшие углеродсодержащие молекулы
|
Рис. 2 Схема образования простейших органических соединений из газов первичной атмосферы под воздействием ультрафиолетового излучения Солнца
Наряду с водяными парами уже существовал и древний океан, состоящий из жидкой воды. Углекислоты Н2СОз было мало, так как ее восстанавливали соединения Fe3+ содержавшиеся в земной коре. Примерно 1 млрд. лет атмосфера была восстановительной, имелись возможности для процессов абиогенного образования и накопления многих соединений.
На восстановительную вторичную атмосферу воздействовали большие потоки энергии: коротковолновое ультрафиолетовое излучение, ионизирующее излучение Солнца (сейчас экранируется озоновым слоем), электрические разряды (грозы, коронные разряды), местные источники тепла вулканического происхождения. В этих условиях мог идти активный химический синтез, при котором из газов вторичной атмосферы через такие промежуточные продукты, как синильная кислота, этилен, этан, формальдегид и мочевина, образовались сначала мономеры, а затем и полимеры. Ввиду того, что окисления не происходило, водоемы обогащались аминокислотами, пуриновыми и пиримидиновыми основаниями, сахарами, карбоновыми кислотами, липидами.. Образовался «первичный бульон». Происходили процессы осаждения, разделения и адсорбции, а на поверхностях минералов (глина, горячая лава) — дальнейшие синтетические процессы (рис. 4). Это подтверждается результатами анализа древних земных химических ископаемых иих сравнением с внеземным органическим веществом (метеориты), а также многочисленными модельными экспериментами, показавшими, что в смеси газов, воспроизводящей атмосферу, при достаточном притоке энергии действительно происходят процессы синтеза органических веществ. Среди продуктов этого синтеза найдены основные биологически важные соединения, в том числе 14 аминокислот, пурины и пиримидины, сахара, АМФ, АДФ, АТФ, жирные кислоты и порфирины.
По мере возрастающей потери Н2 в космическое пространство создавалась третичная атмосфера, содержащая большие количества N2 (из NH3), СО2 (из вулканических газов и из СН4) и паров воды.
| Предклеточные агрегаты
↑ ↑ ↑
Гамма-излучение горных пород
|
| Фильтрация, хроматографическое разделение
|
Высохшие слой абиогенных
"органических" веществ,
частично с фосфатами
Рис. 4. Возможности химической эволюции на Земле
Около 3,5 млрд. лет назад появились хлорофиллоносные организмы, способные осуществлять фотосинтез, т. е. использовать экзогенный источник энергии (солнечную радиацию) для синтеза из углекислого газа, воды и минеральных элементов всех органических веществ, необходимых для жизни. Эти организмы преобразовывали солнечную энергию в биохимическую.
СО2(г) + Н2О(ж) → СН2О(тв) + 02(г). (1)
«Изобретение» фотосинтеза способствовало повышению содержания кислорода в атмосфере и формированию современной, четвертичной атмосферы.
В атмосфере Земли кислород первоначально накапливался путем разложения воды и водяного пара под действием ультрафиолетовых лучей Солнца. Сначала кислород (О2) быстро потреблялся в процессе окисления восстановленных веществ и минералов. Однако наступил момент, когда скорость его поступления (уже преимущественно в процессе фотосинтеза) превысила потребление и О2 начал постепенно накапливаться в атмосфере. Около 500 млн. лет назад количество кислорода в атмосфере было много больше, чем сейчас, но впоследствии в результате интенсивной вулканической деятельности снизилось до современного. Биосфера под смертельной угрозой своего собственного отравляющего побочного продукта была вынуждена приспосабливаться к таким изменениям. Она осуществляла это посредством развития новых типов биогеохимического метаболизма, которые поддерживают разнообразие жизни и на современной Земле.
Предполагают, что жизнь на Земле 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 развитого обмена веществ, при котором использовалась солнечная энергия для синтеза органического вещества. Самые ранние из этих реакций, вероятно, были основаны на сере (S), поступающей из вулканических выходов:
СО2(г) + 2H2S → СН2О(тв) + 2S(тв) + Н2О(ж) (2)
(органическое вещество)
Содержание углекислого газа (СО2) в четвертичной атмосфере на порядок превышало современный уровень, затем уменьшилось в такой степени, что 500 млн. лет назад оно стало заметно ниже современного уровня и достигло его лишь значительно позже.
Постепенно возникла атмосфера современного состава. К тому же кислород в стратосфере претерпел фотохимические реакции, приведшие к образованию озона (О3), защищающего Землю от ультрафиолетового излучения. Этот экран позволил высшим организм выйти на сушу.
Итак, происхождение атмосферы неразрывно связано с образованием Земли. Эволюция атмосферы происходила (и происходит) под влиянием следующих факторов:
• аккреции вещества межпланетного пространства;
• выделения газов при вулканической деятельности;
• химического взаимодействия газов атмосферы с компонента гидросферы и литосферы;
• диссоциации молекул газов, составляющих воздух, под влиянием солнечного ультрафиолетового и космического излучения;
• биогенных процессов в живом веществе биосферы;
• антропогенной деятельности.
Все темы данного раздела:
Предмет и задачи химии окружающей среды
Проблема охраны окружающей среды сложна и многопланова. Она включает не только чисто научные аспекты, но и экономические, социальные, политические, правовые, эстетические.
В основе процесс
Происхождение и эволюция Земли
Принято считать, что Вселенная возникла в один момент в результате огромного взрыва, обычно называемого Большим взрывом. Планеты нашей Солнечной системы образовались, по-видимому, из облака
Образование земной коры и атмосферы
Земная кора, гидросфера и атмосфера образовались в основном результате высвобождения веществ из верхней мантии молодой Земли. За счет этих процессов сформировалась оболочка из породы толщиной менее
Гидросфера
Вода - ключевой компонент в поддержании жизни на Земле. Вода в своих трех состояниях - жидкость, лед и водяные пары широко распространена на поверхности Земли и занимает объем 1,4 млрд. кмЗ
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 Зем
Микрокомпонентные примеси в атмосфере
Многие микрокомпонентные примеси в атмосфере имеют постоянные концентрации, тo есть существует баланс между поступлением и выходом вещества в атмосферу
Fвх = Fвы
Геохимические источники
Самыми мощными геохимическими источниками служат переносимая ветром пыль и морские брызги, поставляющие огромные количества твердых веществ в атмосферу. Пыль — это в основном почва регионов Земли.
Биологические источники.
В отличие от геологических источников биологические не являются крупным прямым источником поступления частиц в атмосферу, за исключением лесных пожаров (лесные пожары служат значительным источнико
Антропогенные источники
Антропогенные факторы предопределяют существенные изменения в нормальном функционировании атмосферы, причем как в самых нижних, так и в высотных ее частях. Изменения, вызванные человеком, значител
Радиоактивное загрязнение атмосферы
К опасным, факторам антропогенного характера, способствующим серьезному ухудшению качества атмосферы, следует отнести радиоактивность.
Радиоактивностью называется, самопро
Основные радиоактивные изотопы, обнаруживаемые в атмосфере после ядерного взрыва
Изотоп
8938Sr
9038Sr
9540Zr
13153I
Озоновый защитный слой
Как известно, в атмосфере на высоте около 15-25 км (в зависимости от широты) расположен озоновый защитный слой Земли, определяющий верхний предел жизни в биосфере. Озоновый слой появился вм
Механизмы разрушения озона
Выше рассматривался механизм образования озона в атмосфере только на основе кислорода как компонента воздуха. Между тем в образовании и разрушении озона атмосферы играют существенную роль и другие
Состав и строение литосферы
Сейсмические исследования свидетельствуют о том, что при землетрясениях возникают различные сейсмические волны, распространяющиеся в породах Земли с разными скоростями. Наиболее быстрые из них - пе
Процессы выветривания
Поверхность земной коры подвержена действию атмосферы, что делает ее восприимчивой к физическим и химическим процессам.
Физическое выветривание является механическим проце
Общие для большинства почв реакции
При характеристике почв наиболее информативны не отдельные индивидуальные соединения, а их группы, то есть совокупность соединений со сходными строениями и свойствами. Такими группами могут быть мо
Катионный обмен
Для почв наиболее характерны реакции катионного обмена между твердой частью почвы, которая поглощает катионы, и почвенным раствором, который можно рассматривать как раствор электролитов. Если твёрд
Потенциальная кислотность почв
Обменные катионы участвуют также в формировании потенциальной кислотности почв. Такая кислотность встречается в кислых дерново-подзолистых, серых лесных, красноземных почвах. Проявляется о
Щелочность почв
Щелочными считают почвы, водная суспензия которых имеет рН 7,5 — 8,0 или выше. Эти почвы формируются в степных и сухо-степных природных зонах; к ним относятся солонцы, некоторые солончаки. Щелочно
Окислительно-восстановительные режимы
Практически в каждой почве происходят реакции окисления или восстановления химических соединений или элементов. Эти реакции являются сопряженными, и если какой-либо компонент почвы окисляется, то
Гумификация
Это один из самых важных почвенных биохимических процессов. Сущность его заключается в трансформации растительных остатков в своеобразные, темноокрашенные органические гуминовые вещества преимуще
Химическое загрязнение и охрана почв
В последние десятилетия человек стал причиной быстрой деградации почв, хотя потери почв имели место на протяжении всей человеческой истории. Во всех странах мира сейчас распахивают около 1,5 млрд.
Пресные воды подземной гидросферы
Существенную роль в процессах биосферы играет и так называемая подземная гидросфера. Пресные воды после ледников вносят основной вклад в общий баланс пресной воды на планете. Обширные запасы
Химия пресных поверхностных вод
Озера. Озера— это водоемы, не имеющие прямой связи с системой Мирового океана. Они распространены на равнинных и горных территориях, во влажных и засушливых, холодных и жарких ги
Химия воды и режимы выветривания
Состав растворенных ионов в пресных водах зависит от: варьирующего состава дождевых осадков и сухих атмосферных выпадений; изменений в поступлениях в атмосферу вследствие эвапотранспирации; варьи
Растворенные твердые вещества пресных вод
Кремний высвобождается при выветривании силикатов и переносится в природных водах в виде недиссоциированной кремниевой кислоты H4SiО4. Силикаты выветриваются медленно, поэто
Биологические процессы
В ручьях и небольших реках биологическая активность в воде слабо влияет на ее химический состав из-за быстрого течения. В крупных же реках и озерах, со слабым течением основные изменения в химическ
Диаграммы Eh-pH
Кислотность (рН) и окислительно-восстановительный потенциал (Eh) могут определять поведение элементов и их соединений в окружающей среде. Теоретически возможно бесконечное разнообразие сочетаний
Питательные вещества и эвтрофикация
Кроме СO2, воды и света растениям для роста нужны определенные ионы (питательные вещества). Некоторых из этих ионов, на пример Mg2+ , довольно много в пресной воде, однако др
Кислотные осадки
Кислотными называют атмосферные осадки (дождь, снег, роса) с рН<5,5. Естественная дождевая вода имеет слабокислую реакцию (рН=б), так как находится в контакте с СО2 и растворяет ее, о
Процессы в дельтах и эстуариях
Очень интересна химия морской воды вблизи континентальных областей — в переходной зоне между средами обитания суши и открытого океана.
Дельта - устьевая часть реки, в которой происходит р
Изменения веществ в окружающем среде
Для целостного понимания биосферы как глобальной системы важно изучение как природных, так и антропогенных процессов, происходящих в ней.
Для предсказания того, как эта система может измен
Изменения во времени
Естественные (природные) изменения. Изменения геохимических, геофизических и метеорологических параметров за геологические периоды времени, эволюция живых организмов, обитающих в воде и н
Пространственные изменения
Критериями оценки природных и антропогенных веществ по степени их воздействия на изменение окружающей среды являются их количество, объем запасов, частота появления и распространенность. Учет изме
Распространение в окружающей среде
Оценка распространения в окружающей среде синтезированных человеком веществ включает физико-химические свойства этих веществ, физические процессы, связанные с их переносом, биологические п
Перенос между различными средами
Рис. 19. Схема процессов переноса вещества между различными средам
Перенос почва — вода
Перенос веществ на границе раздела почва — вода играет важную роль в процессе загрязнения вод в результате применения химических препаратов или их поступления в почву с дождем, в результате искус
Перенос вода — воздух
Переход вещества в природных условиях из водного раствора в атмосферу называют летучестью; этот процесс осуществляется в результате диффузии, обратный перенос называют сухим осаждением в воду.
Перенос почва -—воздух
В миграционных процессах между почвой и воздухом большое значение имеют обменные процессы жидкость/твердая фаза, жидкость/газ и твердая фаза/газ.
Переход вещества из почвы в атмосферу пут
Поступление и накопление в живых организмах
В принципе любое химическое вещество поглощается и усваивается живыми организмами. Равновесное состояние или состояние насыщения в процессе усвоения достигается в том случае, если его поступлени
Сравнение содержания химических элементов в морской воде и теле рачка Calanus finmarchicue
Химические элементы
Морская вода,
масс,%
Calanus finmarchicus, масс.%
Коэффициент обогащения
Кислород
Географический и биотический перенос
После того как произошло распределение поступивших в окружающую среду химических веществ между воздухом, водой и почвой, необходимо проследитьих дальнейшую миграцию на более или менее далекие рас
Геохимические барьеры
Участки биосферы, на которых в миграционном потоке на коротком расстоянии резко уменьшается интенсивность миграции химических элементов, и как следствие этого процесса, повышается их концентрация
Круговороты макроэлементов
Солнечная энергия обеспечивает на Земле два круговорота веществ: большой, или геологический (абиотический) и малый, или биологический (биотический). Большой круговорот наиболее четко проявляется в
Вещества, попавшие в окружающую среду исключительно в результате.человеческой деятельности
ДДТ(2,2-ди (р-хлорфенил) - 1,1,1 -трихлорэтан)
Пестицид
Неселективный ряд, концентрируется в пищевой цепи
ПХД (полихлориро-ванные
Углерод
Самым важным компонентом природного цикла углерода является газообразный диоксид углерода СО2. Сейчас запасы углерода в атмосфере в виде СО2 относительно невелики в сравнении
АТМОСФЕРА
СО2
Круговороты второстепенных элементов
Микроэлементы, как и макроэлементы, мигрируют между организмами и средой. Многие из них концентрируются в тканях благодаря химическому сходству с какими-либо важными биогенными элементами, что мо
Соединения хлора
Химия соединений хлора в биосфере сравнительно проста. Практически все встречающиеся в почвах хлориды легко растворимы: NaCl, KC1, СаСl2, MgCl2. Растворимы также хлориды боль
Соединения йода
Содержание йода в земной коре колеблется от 0,01 до 6 мг/ кг, достигая максимума в обогащенных органическим веществом сланцах. Минеральные соединения йода легкорастворимы, поэтому йод энергично вы
Соединения брома
Содержание брома в земной коре колеблется от 0,2 до 10 мг/кг, причем максимальные концентрации характерны для глинистых отложений. Бром — сильнолетучий элемент, его соли легкорастворимые. К числу
Соединения фтора
Свойства соединений фтора значительно отличаются от свойств других галогенопроизводных.
Фториды щелочных металлов растворимы в воде и их растворимость уменьшается в ряду KF > NaF >
Тяжелые металлы
Металлы в очень высокой степени вовлечены в антропогенную деятельность, они отличаются настолько высокой технофильностью, что нередко говорят о современной «металлизации» биосферы. Особое значение
Атмосфера
Общий запас 15,6*109 г
Стронций
Sr -хороший пример ранее малоизученного элемента, который теперь служит объектом особого внимания в связи с большой опасностью его радиоактивного изотопа для человека и животных. По свойствам стро
Новости и инфо для студентов