5.4. Развитие представлений об эволюционной химии

Эволюционная химия рассматривает вопросы эволюционного раз­вития и совершенствования химической формы материи, в том числе в процессах ее самоорганизации до перехода в биологическую форму. Сегодня химики пришли к выводу, что, используя те же принципы, на которых построена химия организмов, можно создать новую химию, новое управление химическими процессами, в котором будут осуществляться принципы воспроизведения себе подобных по матричному синтезу. Для освоения опыта живой природы прогнозируется развитие эволюционной химии в направлениях молекулярного ката­лиза объектов живой природы (хлорофилл, гемоглобин и др.); модели­рования ферментов и работы мультиферментативных путей; выделения из организма ферментов; изучения каталитического опыта живой природы.

Большинство из известных в настоящее время химических элементов принимает участие в жизнедеятельности живых организмов. Однако основу живых систем составляют только четыре элемента (98%): углерод, водород, кислород, азот – макроэлементы. К микроэлементам относятся магний, натрий, калий, кальций, железо, сера, фосфор, хлор; в сумме они составляют около 2–3%. К группе ультрамикроэлементов относят цинк, медь, йод, фтор, марганец, кобальт, кремний и др. (суммарное содержание около 0,1%).

Химическая эволюция среди огромного количества соединений для построения живых организмов отобрала лишь несколько сотен. Так, в состав белков входит только 20 аминокислот, всего четыре нуклеотида участвуют в построении ДНК и РНК, ответственных за наследственность и регуляцию белкового синтеза в любых живых организмах. В ходе эволюции отбирались те структуры, которые способствовали резкому повышению активности и селективности действия каталитических групп.

В основе химических процессов клетки лежит биокатализ, основанный на способности различных природных веществ, участвующих в химических реакциях, управлять ими, замедляя или ускоряя их про­текание. Ферменты (энзимы) – белки, обладающие каталитической активностью.

Лекция 6. Геологические концепции постижения природы

6.1. Структура Земли

Документальными свидетелями допланетной стадии развития ве­щества и ранних этапов существования Земли служат соотношения изотопов и радиоактивность химических элементов, из которых состоят Земля и метеориты. Земля, как и другие планеты, возникла из солнечного вещества. На основании данных астрофизики и космохимии можно предполагать, что задолго до формирования планет Солнечной системы их вещество прошло звездную стадию, включавшую синтез ядер атомов в недрах звезд, одна из которых была предком Солнечной системы. В результате взрыва этой звезды в плоскости ее экватора об­разовалась протопланетная туманность.

Исходным материалом для образования планет был так называемый звездный газ – ионизированные атомы. По мере охлаждения из него возникали твердые частицы и происходило их слияние. Древнейшими твердыми телами Солнечной системы являются метеориты. По данным ядерной геохронологии, их возраст составляет 4,5–4,7 млрд. лет. Абсолютный возраст вещества Луны – 4,7 млрд. лет. Земля как пла­нета имеет такой же возраст. Как небесное тело Земля образовалась при температурах ниже точки плавления составляющих ее материалов. Затем начался ее разогрев вследствие распада радиоактивных элемен­тов. Кроме того, Земля нагревалась за счет кинетической энергии соударения метеоритных потоков. В результате произошла дифференциация химических веществ планеты на оболочки разного строения и состава.

Внутреннее строение Земли. Методами изучения внутренних частей являются в первую очередь геофизические наблюдения за скоростью распространения сейсмических волн, образующихся при взрывах или землетрясениях. Среди них выделяют волны продольных и попе­речных колебаний. Продольные колебания представляют собой чере­дование сжатия и растяжения вещества в направлении распространения в жид­ком веществе, поперечные – только в твердом. Если при прохождении сейсмических волн через какое-либо тело будет обнаружено, что оно не пропускает поперечные волны, то можно предполагать, что это вещество находится в жидком состоянии. Если через тело проходят оба типа сейсмических волн, то это свидетельство твердого состояния вещества. Скорость волн увеличивается с возрастанием плотности вещества. При резком изменении плотности вещества скорость волн изменяется скачкообразно. Изучение распространения сейсмических волн через Землю показало, что имеется несколько определенных границ скачкообразного изменения скоростей волн. Поэтому предполагается, что Земля состоит из нескольких концентрических оболочек (геосфер).

На основании установленных трех главных границ раздела выделяют три главные геосферы: земную кору, мантию и ядро.

Первая граница раздела характеризуется скачкообразным увеличе­нием скоростей продольных сейсмических волн от 6,7 до 8,1 км/с. Эта граница получила название «раздела Мохоровичича», или просто «гра­ница М.» Она отделяет земную кору от мантии. Плотность вещества земной коры не превышает 2,7–3,0 г/см³. Граница М расположена под континентами на глубине от 30 до 80 км, а под дном океанов – от 4 до 10 км.

Земная кора представляет собой тонкую пленку на поверхности планеты, составляющую менее 1% ее общей массы и примерно 1,5% ее объема.

Мантия. Мантия – самая мощная из геосфер Земли. Она распространяется до глубины 2900 км и занимает 82,26% объема планеты вещества мантии в целом возрастает с 3,32 до 5,69 г/см³, хотя это про­исходит неравномерно. На границе с земной корой вещество мантии находится в твердом состоянии. Поэтому земную кору вместе с самой верхней частью мантии называют литосферой.

Агрегатное состояние вещества мантии ниже литосферы недостаточно изучено, по этому поводу имеются различные мнения. Предпо­лагается, что температура мантии на глубине 100 км составляет 1100– 1500 °С, в глубоких частях – значительно выше. Давление на глубине 100 км оценивается в 30 тыс. атмосфер, на глубине 1000 км – в 1350 тыс. Несмотря на высокую температуру, судя по распространению сейсми­ческих волн, вещество мантии преимущественно твердое. Колоссаль­ное давление и высокая температура делают невозможным обычное кристаллическое состояние. По-видимому, вещество мантии нахо­дится в особом высокоплотном состоянии, которое на поверхности Земли невозможно. Уменьшение давления или некоторое повышение температуры должно вызвать быстрый переход вещества в состояние расплава.

Мантию подразделяют на верхнюю (слой В, простирающий­ся до глубины 400 км), промежуточную (слой С – от 400 до 1000 км) и нижнюю (слой D – от 1000 до 2900 км). Слой С именуют также слоем Голицына, а слой В – слоем Гутенберга.

В верхней мантии (в слое В) имеется зона, в которой скорость поперечных сейсмических волн значительно уменьшается. По-видимому, это связано с тем, что вещество в пределах зоны частично находится в жидком (расплавленном) состоянии. Зона пониженной скорости распространения поперечных сейсмических волн предполагает, что жидкая фаза составляет до 10%; это обусловливает более пластичное состояние вещества по сравнению со слоями мантии, расположенными выше и ниже.

Относительно пластичный слой пониженных скоростей сейсмических волн получил название астеносферы (от греч. asthenes – слабый). Мощность ослабленной зоны достигает 200–300 км. Располагается она на глубине примерно 100–200 км, но глубина меняется: в центральных частях океанов астеносфера располагается выше, под устойчивыми участками материков опускается глубже.

Астеносфера имеет весьма важное значение для развития глобальных эндогенных геологических процессов. Малейшее нарушение термодинамического равновесия способствует образованию огромных масс расплавленного вещества (астенолитов), которые поднимаются вверх, способствуя перемещению отдельных блоков литосферы по поверхности Земли. В астеносфере возникают магматические очаги. Литосфера находится в тесной связи с астеносферой, эти два слоя часто объединяют под названием «тектоносфера».

В последнее время внимание ученых привлекает зона мантии, расположенная на глубине 670 км. Полученные данные позволяют предполагать, что эта зона намечает нижнюю границу конвективного тепломассообмена, который связывает верхнюю мантию (слой В и верхнюю часть промежуточного слоя) с литосферой.

В пределах мантии скорость сейсмических волн в целом возрастает в радиальном направлении от 8,1 км/с на границе земной коры с мантией до 13,6 км/с в нижней мантии. Но на глубине около 2900 км скорость продольных сейсмических волн резко уменьшается до 8,1 км/с, а поперечные волны глубже вообще не распространяются. Этим намечается граница между мантией и ядром Земли.

Ученым удалось установить, что на границе мантии и ядра в интер­вале глубин 2700–2900 км происходит зарождение гигантских тепло­вых струй, периодически пронизывающих всю мантию и проявляю­щихся на поверхности Земли в виде обширных вулканических полей.

Ядро. Ядро Земли – центральная часть планеты. Оно занимает только около 16% объема Земли, но содержит более трети всей ее массы. Судя по распространению сейсмических волн, периферия ядра на­ходится в жидком состоянии. В то же время наблюдения за происхо­ждением приливных волн позволили установить, что упругость Земли в целом очень велика (больше упругости стали).

В ядре доминируют условия высокого давления в несколько миллионов атмосфер, при котором происходит полное или частичное разрушение электронных оболочек атомов. Вещество «металлизируется», т.е. приобретает свойства, характерные для металлов, в том числе высокую электропроводность. Возможно, что земной магнетизм явля­ется результатом электрических токов, возникающих в ядре в связи с вращением Земли вокруг своей оси.

Плотность ядра – 5520 кг/м³, т.е. вещество, составляющее ядро, в 2 раза тяжелее каменной оболочки Земли. Вещество ядра неоднород­но. На глубине около 5100 км скорость распространения сейсмических волн вновь возрастает с 8100 м/с до 11000 м/с. Поэтому предполагают, что центральная часть ядра твердая.

Вещественный состав оболочек Земли. Исследование вещественно­го состава оболочек Земли представляет весьма сложную проблему: для непосредственного изучения состава доступна лишь земная кора. Имеющиеся данные свидетельствуют о том, что земная кора состоит преимущественно из силикатов, а 99,5% ее массы приходится на во­семь химических элементов: кислород, кремний, алюминий, железо, магний, кальций, натрий и калий. Все остальные химические элемен­ты в сумме составляют около 1,5%.

О составе более глубоких сфер земного шара можно судить лишь ориентировочно, используя геофизические данные и результаты изуче­ния состава метеоритов. Поэтому модели вещественного состава глу­бинных сфер Земли, разработанные разными учеными, различаются. Можно предполагать, что верхняя мантия также состоит из силикатов, но по сравнению с земной корой содержащих меньше кремния и боль­ше железа и магния, а нижняя мантия – из оксидов кремния и магния, кристаллохимическая структура которых имеет значительно большую плотность, чем у этих соединений, находящихся в земной коре.

Еще более гипотетичны представления о составе ядра Земли. Учитывая высокую плотность (9,4–11,5 г/см) и невозможность распро­странения поперечных сейсмических волн, ученые предполагают, что периферия ядра находится в состоянии расплава и состоит из окси­дов или сульфидов железа с примесью кремния, углерода и некоторых других элементов. По причине еще большей плотности центральной части ядра можно ожидать, что она близка к составу железных метео­ритов и состоит из никелистого железа.