Земля и жизнь - Александр Вологдин

В вулканических областях известны струи газов с содержанием СO2 до 59%, например на о-ве Мартиника у Мон-Пеле, а также около Неаполя. В области Тихоокеанского вулканического пояса, в Северной Америке, в "Долине десяти тысяч дымов" сухие газовые струи углекислоты, вырываясь в атмосферу, сильно охлаждаются и газ выпадает у самых источников в виде твердой углекислоты.

Громадные запасы углекислоты в земной коре находятся в связанном состоянии в разнообразных изверженных породах, куда она попала в процессе их первичного формирования. Азот, количественно основной компонент атмосферы Земли, представлен в ней двумя стабильными изотопами N14 и N15 в соотношении: N14 - 99,635%, N15 - 0,365%. Отношение N14/N15 = 273. Изотоп N14 под влиянием космического излучения превращается в верхних слоях атмосферы в радиоактивный углерод С14 и в радиоактивный тритий - Н3. При искусственной бомбардировке альфа-частицами изотоп N14 превращается в кислород О17. На больших высотах отношение между изотопами N14 и N15 возрастает, в частности, на высоте 58,3 км до 282,6. Полагают, что в разделении изотопов проявляется сила тяжести.

Важно отметить, что в радиоактивных минералах различного геологического возраста отношение изотопов азота иное. Так, отношение N14/N15 в урановой смолке различного геологического возраста следующее:

Из этих данных отчетливо видно, что у определенного вида минералов отношение изотопов отражает геологический возраст, проявляя Тенденцию со временем к относительному уменьшению изотопа N15. По мнению некоторых ученых, отношение изотопов в минералах, содержащих азот, не зависит от химического их состава, хотя наблюдаются и исключения.

Откуда появился азот в атмосфере Земли и ее минеральных образованиях? Один из возможных путей - это распад какого-то азотного соединения под влиянием излучений радиоактивных элементов на азот и гелий. Таким исходным веществом мог быть скорее всего аммиак, известный в составе атмосферы ряда планет Солнечной системы. При распаде U238 также образуется азот. Наличие азота в составе многих минералов должно указывать на особую геологическую, или точнее догеологическую, древность этого процесса, относящегося к стадии формирования нашей планеты и ее коры.

Между тем есть и другие точки зрения на происхождение азота в атмосфере. Так, В. И. Вернадский считал, что азот постоянно приходит в атмосферу из глубоких зон земной коры в составе газов, выделяющихся при деятельности вулканов и минеральных источников. На Земле во многих местах известны газовые струи, почти нацело состоящие из азота с примесью благородных газов (гелий, аргон). Под влиянием электрических разрядов азот входит в соединение с водородом и кислородом, образуя NH3, NO2 и NO3, азотистокислые и азотнокислые соли аммония, а также и более сложные азотные органические соединения, "строящие тела организмов".

В природе имеет место грандиозный процесс извлечения из биосферы свободного азота бактериями почвы и вод, а также некоторыми водорослями. Азот при этом поступает в тела организмов в виде разнообразных соединений, а потом иногда накапливается в виде азотсодержащих минералов, например, селитры, азотных соединений нефтей, каменных углей и т. д. В то же время в природе идет не менее грандиозный процесс выделения свободного азота биохимическим путем, тоже при участии организмов, в основном бактерий, принадлежащих к группе так называемых денитрифицирующих. Таким образом, часть азота из состава живых тел и захваченных ими аммиачных и кислородных соединений возвращается назад в атмосферу, часть откладывается в составе ряда минералов или снова захватывается живым веществом биосферы (селитра, аммиачные соединения) или захороняется в осадочных отложениях.

В. И. Вернадский полагал, что количество свободного азота в атмосфере, по-видимому, не меняется и что его приток из более глубоких слоев Земли возмещает его потребление организмами и образование азотсодержащих минералов. Решающая роль в этом процессе отводится живым организмам.

Если учесть приведенные выше данные, что биофильный изотоп азота N14 в истории Земли проявляет тенденцию к накоплению в биосфере, по отношению к более тяжелому изотопу, то относительное обогащение некоторых минералов изотопом N15 позволяет считать его в большей степени связанным с химическими процессами. Между тем в первичной атмосфере, где преобладали лишь химические реакции преобразования ее вещества под влиянием электрических разрядов, трудно допустить большое содержание свободного азота. Скорее всего, он был преимущественно связан в соединения с водородом и углеродом в виде аммиака и углеводородных газов.

Водород представлен в природе тремя изотопами: Н1 - протий, Н2 - дейтерий и радиоактивный Н3 - тритий.

Присутствие свободного водорода в составе атмосферы и гидросферы нашей планеты не вполне еще исследовано. В окружающей среде мы не видим его заметного содержания, но имеется достаточно данных о его присутствии в верхних слоях атмосферы, что установлено исследованиями с помощью ракет. В то же время известно, что свободный водород присутствует в глубинах земной коры и выделяется при вулканических процессах. По данным Резерфорда, весьма вероятен синтез водорода в процессе разрушения атомов других элементов.

Значение водорода определяется его свойствами, в частности исключительной легкостью, вследствие чего Земля может обмениваться им с космосом.

В земной коре водород наряду с другими газами захватывается магматическими и лавовыми массами. Крайне интересно, что в комплексе этих газов оказываются Н2, СН4, C2H4, СО, СO2, N2 и другие, поскольку их ассоциация, несомненно, отражает исконное свойство земной материи и ее первичный газовый состав вообще.

Содержание водорода в твердых породах достигает 36-38%. Водород входит в состав вод минеральных источников, нефтей, часто выделяется мощными струями из залежей морских солей, в частности калийных. В газовой фракции выбрасываемых вулканами веществ он составляет до 3% у Везувия, до 22,3% у Мон-Пеле, а в Исландии вулканические источники выбрасывают струи газа, содержащие 54% водорода. Кроме того, водород высвобождается при гниении органических (белковых) веществ вследствие жизнедеятельности некоторых видов бактерий, что должно давать большой эффект в ходе геологического времени.

На высоте около 100 км водород - является господствующим газом. Предполагается, что он частично улетучивается из земной атмосферы в космическое пространство. Под влиянием азота верхних слоев атмосферы, под влиянием почвенных бактерий и другими путями водород окисляется в воду.

Изотопы водорода дейтерий и протий обычно присутствуют в соотношении 1:6409. В связи с различием в массе протия и дейтерия органические и неорганические процессы с их участием идут различно. Обычно протиевые соединения вступают в реакцию энергичнее и быстрее, чем дейтериевые, примерно в 6 раз. Тритий радиоактивен; его содержание в веществах определяется путем измерения радиоактивности. Полагают, что из изотопов водорода именно протий проявляет тенденцию к утечке в космическое пространство, тогда как дейтерий в ходе геологического времени накапливается. Окись дейтерия - так называемая "тяжелая" вода - имеет особые свойства, в частности является менее активным химическим веществом по сравнению с водой. Тяжелая вода вредна для организмов, а чистая окись дейтерия даже ядовита, способна задерживать биологические процессы. Между тем организмы, усваивая воду, способны разделять изотопы в соотношении обычно около 4500-6000.

Водород - активный биофильный элемент. Многие бактерии, способные к автотрофному существованию, т. е. не требующие для себя готовых органических соединений, могут получать жизненную энергию при окислении водорода: Н2 + 1/2 О2 = Н2O + 56 больших калорий энергии. Правда, эти микроорганизмы не являются обязательными автотрофами, так как могут существовать и на обычных органических средах. Имеется группа водородных бактерий, которые усваивают водород, окисляя его. в присутствии кислорода среды (аэробные бактерии). Некоторые бактерии развиваются автотрофно на минеральной среде в присутствии окиси углерода и кислорода.

Существование автотрофных бактерий, добывающих энергию за счет окисления водорода в присутствии углекислоты, представляется фактом исключительного значения, к которому далее мы вернемся.

В природе существует три изотопа кислорода: О16, О17 и О18. При этом в атмосферном кислороде изотопы составляют соответственно 99,760, 0,042 и 0,198%. Изучение их распространения в природе позволило, прийти к выводу, что тяжелый кислород О18 преимущественно концентрируется в кислороде двуокиси углерода, в частности в кислороде карбонатов и образованных из них кислородных соединений. Установлено, также, что О16 скорее усваивается организмами, в частности почвенными бактериями и в процессе фотосинтеза растений. Этот изотоп в основном составляет кислород воды. Именно О16, легкий изотоп кислорода, преобладает в процессе жизнедеятельности морских организмов, поглощающих кислород.