Александр Вологдин - Земля и жизнь

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.

Поскольку тяжелый изотоп кислорода в большей степени оказывается связанным с минеральным веществом земной коры, а легкий О16 - с жизнедеятельностью организмов и водой гидросферы, то геологическая история их, несомненно, была различной. Малые запасы тяжелых изотопов О17 и О18, вероятно, представляли собой кислород древнейшей атмосферы Земли, тогда как легкий изотоп создавался организмами, вероятно, за счет соответствующих соединений, в связи с его более высокой химической активностью.

Ранее полагали, что кислород атмосферы происходит из кислорода двуокиси углерода при фотосинтезе. Между тем оказалось, что кислород водных растений образуется при фотосинтезе из воды, что подтверждено данными изучения фотосинтеза у ряда видов современных водорослей (хлорелла, гелиатус и др.). В выделяемом водорослями кислороде изотопа О18 оказывается меньше, чем в составе атмосферы. Изучение А. П. Виноградовым, Р. В. Тейс и другими учеными процесса фотосинтеза у элодеи показало, что состав фотосинтетического кислорода совпадает с изотопным составом кислорода воды, но существенно отличается от общего изотопного состава кислорода атмосферы и кислорода углекислоты. Изотопный состав фотосинтетического кислорода оказывается средним по отношению к составу кислорода атмосферы и углекислоты. Это обстоятельство породило гипотезу о том, что в растениях содержатся атомы кислорода, происшедшего как из воды (две трети), так и из двуокиси углерода (одна треть). Путем определения изотопного состава кислорода ряда древних изверженных пород был установлен первоначальный изотопный состав земного кислорода. Отношение между изотопами O16/018 для него получилось в пределах 495,6-495,3. Выяснено, что содержание О18 в карбонатных осадках способно указывать температуру процесса их осаждения в геологическом прошлом - палеотемпературу. Г. Юри на основе тщательного измерения содержания О18 в породах разработал метод измерения температуры воды в момент образования отложения древних карбонатных осадков.

В. И. Вернадский, отмечая наибольшую роль водорода и кислорода в образовании живого вещества, считал кислород, в виде свободного кислорода биосферы, "продуктом жизни". Он доказывал, что для большинства элементов их геохимия обусловливается живым веществом и вообще до 99% (по весу) вещества земной коры считал "обусловленным жизнью", из чего вытекало его представление о теснейшей вещественной связи между живой и косной (мертвой) природой.

Общее содержание кислорода в современной атмосфере - 2,8-1014 т, между тем все растения земного шара в процессе фотосинтеза за год выделяют его 1,2-1011 т. Таким образом, весь запас кислорода современной атмосферы Земли мог бы образоваться всего за 2-3 тыс. лет, если бы он не расходовался на разнообразные окислительные процессы химического и биологического порядка. Правда, имеются высказывания о неорганическом пути образования свободного молекулярного кислорода вследствие термической диссоциации воды, но они не получают поддержки со стороны геологов и химиков.

Возможно, что диссоциация паров воды и происходит в верхних слоях атмосферы при участии солнечной и космической радиации. Приводимые подсчеты количеств кислорода, который мог бы образоваться таким путем за три миллиарда лет существования Земли оказывались в десятки раз больше, чем современные запасы молекулярного кислорода в атмосфере. Однако количество паров воды в верхних слоях атмосферы весьма незначительно и потому эта гипотеза не получила признания специалистов.

Сера - активный биофильный элемент. На Земле она в основном находится в зоне биосферы, где входит в органические и минеральные соединения, отличающиеся огромным разнообразием. Последнее объясняется существованием у серы способности образовывать полимеры в результате различной валентности (S8, S6, S4, S2 и S1). Известно четыре устойчивых изотопа серы (S32, S33, S34, S36) и получено искусственным путем несколько радиоактивных ее изотопов. Так, например, период полураспада S35 равен 87,1 дня, что делает его пригодным для применения в опытах с мечеными атомами. Изотопный состав серы зависит от того, с минеральными или с биологическими процессами она связана. Общее отношение S32/S34 варьирует в пределах от 21,4 до 23,2. Природная биогенная сера и биогенный сероводород имеют отношение этих изотопов в пределах от 22,4 до 22,6, тогда как сульфатные минералы химического происхождения - 21,6-22,0. Природная вулканическая сера имеет отношение изотопов чуть выше 22,2, тогда как сера сульфидных минералов изверженного происхождения - чуть ниже 22,2. Считают, что деятельность серных бактерий может привести к более или менее полному разделению изотопов серы.