Основи біогеохімії

Прийнято вважати, що ще 4,5 мільярдів років назад формування різних сполук хімічних елементів на планеті Земля відбувалось повністю за рахунок  фізичних і хімічних процесів. Результати дослідів останніх років показують,  що перші ознаки життя відмічені більше 3,5 - 3,8 мільярдів років назад. З того часу постійно зростає роль біологічних процесів в перерозподілі хімічних елементів і їх сполук.

Розглянемо походження елементів, в контексті формування загального хімічного складу Землі. Термодинаміка енергетичних потоків визначила рамки, в межах яких сонячна радіація постачає енергією хімічні реакції, геохімічні і біогеохімічні  цикли  в  різних  сферах  в  процесі  еволюції  біосфери  Землі.  В  рамках  цих  обмежень  життя  з  більшою вірогідністю могло  виникнути  в  послідовності  геохімічних  і фотохімічних  реакцій.  Виникнувши,  живі  організми  стали змінювати хімічний склад протобіотичної Землі. Це було пов'язано і зі зміною метаболізму живих організмів, і з його адаптацією до різнобічного оточуючого середовища.

Первинний синтез елементів

Ядра атомів будь-якого елемента складаються з двох основних компонентів: протонів і нейтронів. Об'єднання цих складових в різних пропорціях веде до формування різних елементів і їх ізотопів. Достатня для синтезу хімічних елементів кількість протонів і нейтронів була утворена всього за декілька секунд життя Всесвіту. Враховуючи існуючу в той час температуру,  біля  1010К,  сучасні  розрахунки  показали,  що  протягом  перших  трьох  хвилин  виникли  стабільні  ядра Дейтерію, Гелію-3, Гелію-4 і Гелію-7.

 

Рис. 2.13. Часова шкала синтезу різних елементів в зірках. Крива дає температуру центру Всесвіту як функцію часу для зірки з масою, яка відповідає сонячній.

 

Відповідно, важкий ізотоп Гідрогену і ізотопи Гелію були синтезовані в плазмі в декількох перших секундах з масовим співвідношенням 3:1. Інші 90 елементів були синтезовані на певних зірках при відповідних енергетичних рівнях. Виглядає обґрунтованим припущення, що елементи утворились з Гідрогену, оскільки, на відміну від нейтрона, протон є стабільним. Більше того, Гідроген є переважаючим елементом.

Послідовність формування елементів може бути найкращим чином прослідкована при  русі по температурній шкалі від

"помірних" декількох мільйонів градусів до декількох мільярдів градусів. Схематично це показано на рис. 2.13.

Ілюстрація зіркових реакцій ядерного синтезу наведена в таблиці 2.15 у вигляді серій розпаду Урану-238 (238 U). Радіоактивні  ядра розпадаються  під впливом  α-,  β-  і γ-випромінювання.  Періоди  напіврозпаду  змінюються  від  часток секунд до мільярдів років.

 

Таблиця 2.15

 

Послідовність розпаду Урану-238

 

ЕлементСимволПеріод напіврозпадуВипромінюванняНайменування

Уран92 U2384,5   .   109

роківαУран І

Торій9 0

Th23424 дніβУран ХІ

Протактиній9 1

Pa2341,2 хвβУран Х2

Уран92 U234248  .   103

роківαУран ІІ

Торій9 0

Th23080 . 103

роківαТорій

Радій88

Ra2261,622 роківαРадій

Радон86

Rn2223,8 днівαРадон

Полоній84

Po2183,0 хвαРадій А

Плюмбум8 2

Pb21426,8 хвβРадій В

Бісмут83 Bi21419,7 хвβРадій С

Полоній84

Po2141,6  .   10-4

секαРадій С'

Плюмбум8 2

Pb21021 годαРадій D

Бісмут83 Bi2105,0 днівβРадій Е

Полоній84

Po210138,4 днівαПолоній

Плюмбум8 2

Pb206Стабільний-Плюмбум

Таким чином,  формування  елементарних  часточок і елементів  підпорядковується  логічному  порядку,  який,  в  свою чергу, може бути використаний вченими для ранжування космічних подій і тимчасових датувань. Формування Оксигену і Карбону відбувається відносно легко при діленні Гідрогену, Дейтерію і Гелію, відповідно, їх розповсюдженість характеризується подібними величинами.

 

Головним джерелом внутрішньої енергії Землі є процес гравітаційної диференціації, що відбувається у внутрішніх оболонках.  За математичною моделлю зонного плавлення Землі, зони  плавлення  неодноразово  виникали  у верхньому

500-кілометровому шарі, з інтервалом часу 170 - 100 мільйонів років. Очевидно, що значимість процесів, які визначають еволюцію  геохімічних  циклів  на  передбіотичній  Землі  і  наступний  розвиток  життя,  зменшувалась  з  часом  по  мірі охолодження Землі (рис. 2.14).

 

Рис. 2.14. Продуціювання теплової енергії при розпаді радіонуклідів

 

З рисунка видно, що понад 4 мільярди років назад значно скоротився вклад в забезпеченні теплової енергії Землі за рахунок радіоактивного розпаду Алюмінію і Плутонію. Відносно стабільним був вклад окремих ізотопів Торію, (232  Th) і

 

Урану (238 U), тоді як вклад радіоактивного ізотопу К (40К) і особливо одного з ізотопів Урану (235 U) суттєво скорочувався протягом геологічного часу розвитку Землі.

Таким чином, геохімічний кругообіг елементів на ранній Землі був достатньо складним, що пов'язано з наявністю різнобічних  сполук  хімічних  елементів,  наявністю  серед  них відновників  і окисників,  включаючи  різноманітні  форми Карбону. Самі геохімічні умови були також дуже різнобічними. Вочевидь, окремі складники існуючого на ранніх стадіях геологічного розвитку геохімічного абіотичного кругообігу елементів мають аналоги з відомими в даний час реакціями. Наприклад, при сучасних умовах відома фіксація  СО2  протягом  абіотично спряжених реакцій,  наприклад,  при синтезі піриту.

 

Походження життя та еволюція біогеохімічних циклів

 

В даний час існує безліч різних теоретичних підходів до проблеми виникнення життя. Схематичний  огляд різних теорій приведено на рис. 2.15.