Материал: Промышленность и окружающая среда.

Таблица 2.14

Содержание химических элементов в различных средах, масс.%

тельности из-за дегазации пород сформировалась атмосфера, содержащая Н20, N2, С02, с о , Н2 и Не. Легкие газы Н2 и Не достаточно быстро улетучи­ вались из атмосферы в космическое пространство, так как земной силы тя­ жести не хватило для их удержания. Часть паров воды сконцентрировалась, образовав на земной поверхности гидросферу - океаны, моря, реки и т.д. Хи­ мический состав земной коры, гидросферы и атмосферы обеспечивали в ос­ новном 26-30 первых элементов периодической системы (до Fe, Си, Zn).

Дальнейшая химическая история Земли связана с развитием жизни. Первые следы живых организмов датируются временем 3,6 млрд лет назад. Основные элементы, которые входят в состав органических веществ, име­ лись к тому времени в значительных количествах. Это Н, С, N, О, Na, Mg, Р, S, Cl, К, Са и Fe. Будем называть их биологически активными элементами. Дополнительно необходимыми для возникновения жизни являются также Si и А1, которые, хотя и не присутствуют в ощутимых количествах в живых тканях, но составляют основу донных отложений небольших водоемов, т.е. ту среду, где предположительно зародились первые простейшие организмы.

В табл. 2.14 приведены данные по содержанию биологически активных элементов, а также А1 и Si в различных средах на Земле и в среднем в Сол­ нечной системе. Как видно из данных таблицы, количество жизненно важ­ ных элементов в космосе исчезающе мало, в то время как в трех приповерх­ ностных среда** Земли —литосфере, гидросфере и атмосфере —содержится все необходимое для возникновения и поддержания жизни. Поэтому понят­ но, что именно здесь на границе этих трех сред и возникла биосфера. С те­ чением времен*! организмы приспосабливались к окружающей среде, о чем свидетельствует близость химических составов этой среды и живых орга­ низмов. Обращает на себя внимание, что основные элементы биосферы -

кислород и водород - присутствуют в гидросфере в тех же количествах, что

ив организмах, что свидетельствует о зарождении жизни в водной среде.

Сразвитием биосферы, в результате жизнедеятельности живых организ­ мов, происходило изменение химического состава атмосферы: уменьшилось количество углекислого газа и возросло количество чистого кислорода. Меня­ лись и сами организмы. Если вначале это были анаэробные формы жизни, т.е. не включающие в свой метаболизм (жизненный цикл) процессы окисления чи­ стым кислородом, то в более позднее время, когда кислорода в атмосфере ста­ ло достаточно, возникли аэробные современные организмы. Произошло это примерно 1,6 млрд лет назад. Одновременно под действием солнечной радиа­ ции на высоте около 40 км над земной поверхностью стал формироваться озо­ новый слой, который, поглощая ультрафиолетовое жесткое излучение, предо­ храняет высшие организмы от вымирания. Полностью он сформировался не­ сколько сотен миллионов лет назад. С тех пор химический состав окружаю­ щей среды практически не менялся и сохранился до нашего времени.

Проведенное краткое рассмотрение истории формирования современ­ ной окружающей среды позволяет сделать следующий вывод: существова­ ние жизни, живого вещества, возможно только в среде, имеющей вполне оп­ ределенный химический состав, который образовался в результате длитель­ ной геологической эволюции в процессе взаимного приспособления нежи­ вой и живой природы. Изменения химического состава окружающей среды наверняка оказали бы отрицательное влияние на биосферу.

2.2.З.1.2. Химическая устойчивость биосферы и биосферные катастрофы

Определяющая роль химического состава окружающей среды связана прежде всего со следующим обстоятельством. Органические молекулы, яв­ ляющиеся основным строительным материалом живых организмов, образу­ ются в результате реакции конденсации (дегидратации). Например, образо­ вание молекул белка из аминокислот происходит путем образования пеп­ тидной (белковой) связи между двумя аминокислотами:

нн н О

Несмотря на то что энергия Гиббса - энергия образования молекулы ди­ пептида Д(?2 9 8 обр - отрицательна, т.е. эта молекула термодинамически ус­

тойчива » стандартных условиях, стандартное изменение энергии Гиббса в реакции конденсации больше 0. Это означает, что в водной среде идет реак­ ция гидратации дипептида, обратная данной. Поэтому при избытке HjO об­ разование белков термодинамически невыгодно, т.е. если белки и другие сложные биологические полимеры поместить в водную среду, то они через некоторое время гидролизуются (разрушаются). Таким образом, устойчи­ вость живой материи является не абсолютной, а лишь метастабильной. Она поддерживается за счет подвода энергии (солнечной, химической, тепловой) и органического вещества в среде строго заданного химического состава. Нарушение этих условий (химический состав, величина потока энергии) приводит к нарушению в структуре белковых молекул и к мутациям орга­ низмов; при существующих отклонениях скорости реакции распада органи­ ческих полимеров становятся значительными и организмы погибают. Та­ ким образом, постоянный химический состав окружающей среды является основным фактором существования биосферы в целом и человека как вида в частности.

Итак, биосфера находится в метастабильном стационарном устойчивом состоянии. Полем устойчивости биосферы будем называть диапазон изме­ нения внешних параметров, внутри которого возможно сохранение совре­ менного состояния биосферы. С точки зрения химического состава, это ди­ апазон концентраций химических соединений в окружающей среде, кото­ рый обеспечивает устойчивую жизнедеятельность организмов.

Возникает вопрос: не было ли за всю историю развития биосферы слу­ чаев нарушения ее поля устойчивости? Исследования геологических разре­ зов показали, что за время существования на Земле несколько раз происхо­ дили глобальные массовые вымирания целых сообществ растений и живот­ ных. К последнему событию такого рода относится катастрофа, известная как гибель динозавров, которая произошла около 60 млн лет назад. Относи­ тельно причин исчезновения рептилий с лица Земли высказывались различ­ ные предположения. Одно из них - усиление вулканической деятельности в этот период и увеличение выбросов в атмосферу большого количества га­ зов и пыли, т.е. изменение химического состава атмосферы за короткий в геологическом масштабе срок. В результате, как считается, произошло зна­ чительное падение средней температуры у поверхности Земли, что и приве­ ло к гибели не приспособленных к холоду динозавров.

Если рассматривать химический аспект взаимодействия внешней среды с живым организмом (например, с организмом человека), то следует иметь в виду два типа процессов. Во-первых, это процессы обмена веществ в орга­ низме, поддерживающие его жизнедеятельность, - процессы метаболизма, которые можно определить как физико-химические процессы внутреннего кругооборота, в результате которых в организме устанавливается вполне определенный химический и вещественный состав, отвечающий фазе функ­ ционирования самого организма и внешним условиям. Кроме того, в при­ родной среде существуют физико-химические процессы, поддерживающие ее состояние и состав, которые следует определить как внешний кругообо­ рот. За длительное время совместного существования внутренний и внеш­ ний кругообороты веществ подстроились друг к другу. Сезонные и другие циклические изменения состава внешней среды вызывают соответствую­ щие изменения внутри организма. Поэтому любые изменения во внешнем

кругообороте приводят к изменениям во внутреннем кругообороте. Если изменения не очень велики, то действует принцип Ле Шателье - организм, находящийся в устойчивом метастабильном состоянии, стремится сохранить устойчивость и противодействует изменению состава внешней среды. Про­ тиводействие возможно, пока изменение находится в пределах поля устой­ чивости. За пределами поля устойчивости в организме начинают происхо­ дить катастрофические процессы, которые приводят к нарушениям метабо­ лизма, болезни или даже смерти. Если рассматривать влияние внешнего хи­ мического состава на биосферу в целом, то вне поля устойчивости биосфе­ ры наступает биосферная катастрофа.

Как мы уже убедились, катастрофы могут быть природные (вспомним судьбу динозавров) и антропогенные. В зависимости от масштабов воздей­ ствия они могут носить локальный или глобальный характер. Например, сход с рельсов цистерны с кислотой или даже утечка нефти при аварии на нефтеналивном судне при всей трагичности последствий имеют локальный характер. А возможное столкновение Земли в начале XXI в. с астероидом, конечно, глобальная катастрофа.

Многие ученые считают, что в настоящее время Земле угрожает антропогенная токсикация. За последнее столетие увеличение про­ мышленного производства привело к многократному возрастанию объема и номенклатуры изготовления химических веществ, как уже имеющихся в природной среде, так и совершенно новых, синтезирован­ ных человеком для собственных нужд. Попадая в природную среду, эти вещества включаются во внешний кругооборот. Их постоянное накоп­ ление вызывает изменения химического состава всех природных сфер. В крупных промышленных регионах, прежде всего в городах, концен­ трация некоторых веществ выходит за пределы поля устойчивости. Несмотря на принимаемые меры, имеется постоянная тенденция к воз­ растанию отклонений химического состава среды от состава, сформи­ ровавшегося в течение миллионов лет в результате биологической эво­ люции. Если этот процесс будет продолжаться, то через короткое вре­ мя локальные обратимые изменения могут перейти в глобальные не­ обратимые.

2.2.З.1.З. Природные источники химической нагрузки на биосферу

Общая масса Земли считается равной 5,974 • 1027 г, средняя плотность - 5,517 г/см3, средняя плотность горных пород, составляющих верхнюю обо­ лочку, - 2,8 г/см3. Глубинные части планеты отличаются более высокой плотностью. Данные для создания моделей строения Земли получены на основании изучения особенностей распространения сейсмических волн. Во всех основных моделях наша планета разделена на три главные части: зем­ ную кору, или литосферу, мантию и ядро. К земным оболочкам относят еще атмосферу и гидросферу. Общие сведения о них приведены в табл. 2.15.

Земная кора отличается крайней неравномерностью распространения химических элементов. Содержание одних элементов отличается от содер­ жания других в миллиарды раз. В этих условиях у части элементов многие химические свойства остаются нереализованными. Так, элементы с малой

концентрацией часто не могут образовать достаточное число собственных минералов, попадая в виде примесей (закономерных и случайных) в “чужие” минералы.

Отметим, что в природных условиях практически никогда не происходят реакции между отдельными элементами. В них участвуют (хотя и в различ­ ной мере) многие химические элементы. При этом надо иметь в виду, что в соответствии с законом Кларка-Вернадского в каждом природном объекте присутствуют все химические элементы. Конечно, не все они в прямом смысле участвуют в конкретных химических реакциях. Многие из этих эле­ ментов ускоряют или замедляют реакции, другие - создают определенные щелочно-кислотные условия, часть из них входит в состав новых образова­ ний в виде закономерных или случайных примесей.

Наиболее важны химические процессы в атмосфере. Она является са­ мым маленьким из геологических резервуаров Земли. Именно ограничен­ ные размеры делают атмосферу такой чувствительной к антропогенным воздействиям. Внесение даже небольших количеств дополнительных ве­ ществ может привести к значительным изменениям в ее поведении.

Следует заметить, что скорость переноса веществ в атмосфере очень ве­ лика. Выбросы крупных катастроф можно через короткое время обнару­ жить по всему земному шару. Такое перемешивание, содействуя распро­ странению загрязнителей на большие площади, в то же время ослабляет их действие. В противоположность этому распространение в океане идет на­ много медленнее, а в других резервуарах Земли происходит только в геоло­ гических временных масштабах, равных миллионам лет.

Общий состав атмосферы в результате высокой степени перемешива­ ния почти одинаков по всей Земле. В горизонтальном направлении переме­ шивание осуществляется благодаря вращению Земли. Вертикальное пере­ мешивание является в основном результатом нагрева поверхности Земли солнечным излучением.

Концентрации основных газов в атмосфере приведены в табл. 2.16. Важным понятием в химии окружающей среды является время пребы­

вания вещества в среде. Вещества с большим временем пребывания могут