Нефть, уголь и кислород

К счастью (для нас — дышащих кислородом), этот цикл замкнулся не сразу. Сначала фотосинтетическое разложение воды преобладало над образованием воды в процессах дыхания. Гетеротрофы могут использовать кислород при его не очень низкой концентрации в атмосфере.
Замечательно, что стационарный уровень концентрации кислорода в атмосфере соответствует количеству необратимо разложенной при фотосинтезе воды.
Следовательно, количество биогенных углеводородов (и других органических веществ), накопленных в истории развития аэробной атмосферы Земли, должно быть эквивалентно количеству кислорода в атмосфере (которое, согласно оценке, составляет 1,5-1015 т).
Нефть и другие каустобиолиты являются «зеркальными аналогами» кислорода. Нефть, уголь, торф и другие образуются в результате фоторазложения воды и накапливаются по мере увеличения концентрации кислорода в атмосфере. Отсюда следует, что, если верна теория биогенного образования кислорода атмосферы, то полное окисление всех каустобиолитов приведет к поглощению всего кислорода атмосферы. Кроме того, их полное окисление приведет к образованию воды, и уровень воды в Мировом океане может повыситься примерно на 3 м. Эти рассуждения позволяют оценить запас по всей Земле органического вещества в каустобиолитах примерно в 1 • 1015 т.
Таким образом, до накопления в атмосфере достаточного количества кислорода гетеротрофы могли получать энергию лишь в анаэробных процессах (бескислородных). Анаэробные условия сохраняются в ряде мест и после установления стационарной концентрации кислорода в атмосфере. Это объясняется все теми же диффузионными ограничениями — в толще воды, при отсутствии перемешивания концентрация кислорода быстро падает — там могут жить лишь гетеротрофы, способные к добыванию энергии в анаэробных процессах. Практически анаэробные условия легко возникают и в «толще» многоклеточных организмов. Этим объясняется странное, на первый взгляд, обстоятельство. Широкое распространение анаэробных биохимических превращений веществ и энергии на протяжении многих сотен миллионов лет после установления стационарного уровня концентрации кислорода, а странным это могло бы показаться, поскольку анаэробные превращения во много раз менее энергетически эффективны, чем аэробное окисление (дыхание). Итак, высокосовершенные анаэробные процессы деградации пищевых веществ — условие существования гетеротрофов (и фото-автотро-фов в темноте). Анаэробные биохимические процессы типа гликолиза или брожения настолько совершенны и неожиданно сложны, что почти невозможно использовать метод их дедуктивного, «умозрительного» построения. В этом случае правильнее сразу посмотреть их действительные свойства. Гликолиз и брожение — прекрасный пример предельно совершенного решения конкретной эволюционно-биохимической задачи. Энергетический и химический смысл этих процессов — выделение свободной энергии в результате внутримолекулярных перегруппировок и расщепления исходных молекул. При гликолизе молекула глюкозы превращается в две молекулы молочной кислоты и свободная энергия системы уменьшается на 50 ккал/моль: CgHjAj -» 2СзНв03, AF" = - 50 ккал/моль.
При полном окислении глюкозы в стандартных условиях имеем:
СвН12Ов + 602 -» 6С02 + 6Н20, AF = - 688 ккал/моль
Сущность анаэробного процесса гликолиза состоит в перегруппировке атомов. Составляя баланс разрываемых и образующихся связей, находим, что превращение состоит в образовании одной связи С = 0 и одной С—Н вместо одной связи С—О, одной О—Н и одной С—С.
Изменение энтальпии при таком превращении можно оценить по таблицам энергии связей (см. например, книгу Я. К- Сыркина и М. Е. Дяткиной. Результаты оценки дают, что при разрыве связей расходуется 248 ккал/моль, а при образовании новых связей выделяется 240 ккал/моль. Учитывая неточность табличных данных, можно сказать, что при гликолизе изменение энтальпии молекул АН, равное 8 ккал/моль, пренебрежимо мало. Нас, однако, интересует изменение свободной энергии. По-видимому, главной причиной энергетической выгодности превращения глюкозы в молочную кислоту являются изменения энтропии (образование двух частиц из одной), диссоциация (рН=буфер!) и сольватация образовавшихся ионов карбоксила.







Материалы

Яндекс.Метрика