Роль микроорганизмов в геологической истории Земли

Круговорот веществ на протяжении геологической истории Земли

Реакции, в совокупности составляющие круговорот веществ, приводят к сбалансированному образованию и потреблению биологически важных элементов в биосфере. Вполне вероятно, что круговорот веществ функционировал без существенных изменений по крайней мере в течениие нескольких миллиардов лет. Однако есть достаточные основания полагать, что круговорот веществ в ранний период истории Земли, когда на планете впервые появились биологические системы, значительно отличался от современного (рисунок 1.).

Слайд №27. Как уже говорилось в предыдущих лекциях, химические элементы, являющиеся основными компонентами живых организмов, до возникновения жизни на Земле существовали в восстановленной форме. Молекулярный кислород в атмосфере отсутствовал. Появлению живых систем предшествовал длительный период химического синтеза органических веществ с помощью реакций между восстановленными компонентами атмосферы, катализируемых ультрафиолетовыми лучами и грозовыми разрядами. Продукты этих реакций накапливались в первичном океане и подвергались дальнейшим превращениям.

 

Образование сложных органических соединений в результате химических взаимодействий привело к возникновению самоудваивающихся систем, и с этого момента началась биологическая эволюция. Первые живые системы обладали слабыми синтетическими способностями и для получения энергии они использовали реакции брожения. По мере их роста и распространения запас органического сырья постепенно истощался, что способствовало появлению организмов, синтетические способности которых становились более совершенными. На относительно ранней стадии этой пер­вичной биохимической эволюции, произошло истощение запаса богатых энергией органических соединений; поэтому, дальнейший ход биологической эволюции зависел от приобретения некоторыми организмами способности использовать солнечный свет в качестве источника энергии. Поэтому одним из наиболее ранних и важных этапов биохимической эволюции было возникновение механизмов осуществления фотосинтеза. Первые фотосинтезирующие организмы были анаэробами, сходными по типу фотосинтетического метаболизма с современными пурпурными и зелеными бактериями.

Ранняя эволюция фотосинтезирующих организмов достигла кульминации с появлением цианобактерий, способных использовать воду в качестве восстановителя при фотосинтетической ассимиляции двуокиси углерода. После этого этапа в атмосфере начал накапливаться продукт окисления воды — молекулярный кислород, создавая условия, необходимые для эволюции организмов, получающих энергию путем аэробного дыхания. Благодаря наличию молекулярного кислорода в биосфере стали преобладать окисленные формы азота и серы (нитрат и сульфат), и, наконец, наступило время для установления такого круговорота веществ, какой существует в настоящее время.

 

5.2 Микроорганизмы и геологическая история земли

Микроорганизмы сыграли важнейшую роль в построении земной коры. В результате их деятельности произошло частичное разделение химических элементов и соединений, залегавших в коренных породах в виде смесей.

Месторождения многих полезных ископаемых, разрабатываемые в настоящее время, своим возникновением полностью или частично обязаны деятельности микроорганизмов.

 

Отложения железа

Крупнейшие месторождения железных руд представляют собой «полосчатые железорудные формации» (ПЖФ). Осаждение оксидов железа происходило здесь в основном в период от 2, 8 до 1, 6млрд. лет назад. До того времени выделявшееся из магматических пород морского дна железо накапливалось в большом количестве в виде ионов Fe²⁺ вместе с другими восстановленными ионами (S^2-, Mn²⁺) в морях. Когда начался оксигенный фотосинтез цианобактерий, ионы серы стали окисляться в сульфаты a Fe²⁺ -в Fe³⁺. Последние труднорастворимы. Осаждение окиси железа на больших площадях происходило в тех местах, где содержащие железо глубинные воды приходили в соприкосновение с кислородсодержащими поверхностными водами. В полосчатых железорудных формациях чередуются слои окиси железа и слои кремнезема (толщиной от 0, 2 до 2, 0мм). Как полагают, эта слоистость - результат сезонного ритма фотосинтеза в водоемах, где формировались осадки. Только после завершения процесса окисления серы и железа в морской воде, кислород стал накапливаться в атмосфере.

При нейтрализации воды трехвалентное железо выпадает в осадок в виде гидроокиси железа (Fe(OH)₃). Многие месторождения чистого оксида железа создавались в результате продолжавшегося миллионы лет микробного выщелачивания. В других местах в солюбилизации железа участвуют органические гуминовые кислоты. Последующее биологическое окисление Fe(II) в Fe(III) может происходить под воздействием железобактерий. В результате образуется «болотная» и «луговая» железная руда.

Отложения карбоната кальция

Слайд №28. Во многих водоемах кальций присутствует в форме бикарбоната кальция (Са(НС0₃)₂ ) или сернокислого кальция (СаSO₄). Вследствие изменения рН или удаления углекислого газа фотосинтезирующими организмами бикарбонат превращается в труднорастворимый карбонат кальция и выпадает в осадок. В анаэробных условиях сульфат при участии сульфатредуцирующих бактерий восстанавливается до сероводорода, и при этом выпадает в осадок карбонат кальция:

CaS0₄ + 8 [Н] + С0₂ → СаСОз + ЗН₂0 + H₂S

Большая часть известняка образовалась вследствие того, что гидрокарбонат кальция перемещался в тропические водоемы и там осаждался в виде карбоната кальция при выделении двуокиси углерода под действием повышенной температуры:

Са (НС0₃) ₂ → СаСОз + н₂о + со₂

 

Отложения серы

0бразование пригодных для разработки залежей серы связано с бактериальным восстановлением сульфата.

Сера, содержащаяся в морской воде, состоит в основном из двух стабильных изотопов: ³²S (95%) и ³⁴S (4%). При бакте­риальном восстановлении сульфата (которое лимитируется главным образом поступлением доноров водорода) сульфат ³²S0₄^2-, содержащий легкий изотоп, имеет больше шансов быть поглощенным микроорганизмами и подвергнуться восстановлению, чем сульфат с ³⁴S. Поэтому образующийся сероводород содержит меньше ³⁴S, чем сульфат морской воды. При окислении (биологическом или абиотическом) этого «легкого» сероводорода образуется «легкая» сера. Содержание изотопов серы в упомянутых месторождениях указывает на биогенный характер этой серы. Изотопный состав биогенной серы значительно отличается от состава, вулканической серы, найденной на о.Сицилия.

 

⇐ Предыдущая15161718192021222324Следующая ⇒

Поделиться: