Азотфиксация биотических и абиотических процессов / биология

Возможная опасность озона

Опасность проникновения коротковолновых лучей к нижним слоям атмосферы грозит нарушением процессов фотосинтеза, за счет которых обеспечивается жизнь на земной поверхности. Также воздействие излишнего излучения на человека приводит к развитию кожных, глазных, кровеносных заболеваний. Повышенная концентрация озона обладает токсичностью, приводящую к негативным для организма последствиям:

раздражению дыхательных путей;
развитию атеросклероза;
влиянию на репродуктивные функции мужчин;
развитию сердечно-сосудистых заболеваний.

Чрезмерное попадание озона в организм может привести к нарушению структуры ДНК и последующей мутации.

Общий

Круговорот азота в почве

Этот процесс сравним с фотосинтезом, при котором углеводные вещества образуются из углекислого газа (CO ₂ ) в атмосфере. Но в то время как фотосинтез — это работа всех растений (кроме сапрофитных ), фиксация окружающего азота осуществляется только некоторыми видами бактерий, такими как cyanophyceae . Однако многие растения , в основном семейства Fabaceae ( бобовые ), производят его косвенно, в симбиозе с бактериями из их ризосферы , которые обычно расположены в клубеньках, расположенных на их корнях.

До недавнего времени считалось, что микоризные грибы могут фиксировать N ₂ . Теперь известно, что свойство фиксировать N ₂ строго ограничено прокариотами и никогда не проявлялось у мицелиальных грибов. Фиксацию N _2, измеренную по восстановлению ацетилена ( C ₂H ₂ ) до этилена (C ₂ H ₄ или CH ₂ = CH ₂ ) микоризным корнем, следует приписывать не самому грибу , а бактериям, связанным с микоризосферой. . Более того, эта связывающая активность N ₂ в лесной подстилке даже более важна, чем в самой микоризосфере .

Эти прокариотические организмы (бактерии) производят фермент , нитрогеназной , что позволяет синтез аммиака с помощью сильно эндотермической восстановительной реакции :

N ₂ + 16 АТФ + 8 e — + 8 H + → 2 NH ₃ + H ₂ ↑ + 16 АДФ + 16 Pi

в почвенных условиях, в отличие от 450 ° C промышленных процессов, которые также требуют среднего давления порядка 400 атмосфер. Затем аммиак превращается в аминокислоты, которые могут использоваться растениями.

Нитрогеназа на самом деле представляет собой ферментный комплекс, состоящий из субъединиц, функционирование которых ингибируется in vitro кислородом. Но в процессе симбиоза его функционирование становится возможным в зоне микроаэробиоза (в корневых клубеньках) или даже в аэробных условиях внутри корней небобовых растений (с помощью микроорганизмов, называемых « эндофитами » согласно Санти и al. в 2013 году, что, таким образом, кажется, выигрывает от условий.
Кроме того, диазотрофные микроорганизмы (азотфиксирующие) со своей стороны разработали несколько стратегий защиты своего нитрогеназного комплекса.

Ингибирование нитрогеназы O ₂, прямо или косвенно через окислительные радикалы, является сильным регулятором содержания кислорода в атмосфере в кислородном цикле за счет отрицательной обратной связи по фиксации азота. Ингибирование азотфиксации привело бы к падению первичной продуктивности, как непосредственно для диазотрофных цианобактерий, так и косвенно для всей первичной продуктивности гидросферы , вызывая в долгосрочном плане, для круговорота углерода , снижение скорости захоронения. органический углерод. Без захоронения нет чистого образования O _2.биосферой, а избыток кислорода очень реактивными формами постепенно исчезает из-за окисления поверхности планеты .

Эволюция азотфиксирующих симбиозов

Происхождение и внешний вид

Похоже, что rhizobiaceae задействовали микоризный сигнальный путь и что органогенез клубенька происходит из генетической программы вторичного органогенеза корня.
Эндосимбиозы, связывающие азот, должны были появиться 65 миллионов лет назад . У предка, общего для всех этих видов, должен был развиться бактериальный эндосимбиоз благодаря определенной предрасположенности к узловому органогенезу (образование клубеньков является отклонением генетической программы образования вторичных корней). Вероятно, способность образовывать узелки возникала несколько раз и независимо в процессе эволюции . Эта способность также несколько раз терялась, например, при адаптации к более плодородным почвам. Это помогает объяснить присутствие клубеньковых растений в кладе клубеньковых растений.

Специфика

Две антагонистические «силы отбора» могут объяснить специфичность азотфиксирующих симбиозов.

Первая из этих сил, положительная, — это увеличение количества азота, фиксируемого растением-хозяином, колонизированным азотфиксирующим микроорганизмом.
Второй, отрицательный, — это заражение растения-хозяина непродуктивным патогеном.

Низкая специфичность, по-видимому, обнаруживается у родов примитивных растений, в то время как специфичность симбионтов увеличивается в процессе эволюции.

На молекулярном уровне во время диалога растения-хозяина ризобий можно определить три уровня специфичности. Гены Nod переносятся бактериальной плазмидой. Затем может происходить горизонтальный перенос генов, который также передает спектры хозяина. Это объясняет взаимодействие между эволюционно далекими видами бактерий и ближайшими растениями-хозяевами, и наоборот. Таким образом, происходит коэволюция между генами симбиоза и растениями-хозяевами, а не между rhizobiaceae и растениями-хозяевами.

Характеристики озонового слоя

Высота расположения c в разных частях Земли отличается и составляет по наиболее распространенной оценке 15-35 километров от поверхности.

Существуют более широкие оценки: от 10 до 50 километров. В зависимости от климата выделяются три основных значения высоты озонового слоя:

Климат	Высота, км
Тропический	25-30
Умеренный	20-25
Полярный	15-20

Слой целиком располагается в зоне стратосферы, им ограничен верхний жизненный предел в биосфере. Точное значение толщина рассчитать невозможно из-за изменяющихся условий: температуры и давления. При нормальных значениях (0 градусов, давление 100 кПа) толщина озоносферы составила бы от 1,7 до 4 миллиметров.

Озоновый экран полностью состоит из трехатомного кислорода O₃. Он формируется под действием солнечного излучения на двухатомный кислород O₂, содержащегося в стратосфере. Взаимодействие приводит сначала к распаду двух атомов, а затем – к соединению трех. За счет этого происходит формирование озонового слоя, который поглощает наиболее опасные ультрафиолетовые лучи.

Азотфиксирующие бактерии

На Земле есть свободные бактерии, которые живут в почве и обеспечивают фиксацию азота либо по отдельности, либо в симбиозе с другими бактериями. В основном это:

аэробные бактерии : Nostoc , Azotobacter , Azomonas , Beijerinckia ;
анаэробные бактерии : Clostridium , Citrobacter …

Другие бактерии живут в симбиозе с корневой системой растений:

Rhizobium : бобовые (Fabaceae);
актиномицетов Frankia : различные виды покрытосеменных, главным образом , деревьев и кустарников, в том числе ольхи , в крушины , в казуариновые и Myrica буре .

В океанах , это цианобактерии , которые фиксируют азот. Есть два типа:

Так называемые «нитчатые» цианобактерии, такие как Trichodesmium sp., Живущие колониями;
Одноклеточные цианобактерии, называемые UCYN, могут жить свободно или в симбиозе с определенными видами фитопланктона.

Другие растения с ризосферой, фиксирующей азот

У многих растений есть похожие ассоциации:

Allocasuarina, а также другие роды семейства Casuarinaceae
Alnus или ольха (семейство Betulaceae )
Азолла (семейство Azollaceae )
Casuarina (семейство Casuarinaceae )
Ceanothus ( семейство Rhamnaceae )
Церкокарпус (семейство розоцветных )
Cycadacée (семейство Cycadaceae )
Elaeagnus umbellata (семейство Elaeagnaceae )
Gunnera (семейство Gunneraceae )
Лобария — Lobaria cuneifolia (L.) Haw.; выбрано название: Saxifraga cuneifolia subsp. cuneifolia , Painter’s Despair, камнеломка клиннолистная (семейство Saxifragaceae ) с некоторыми лишайниками .
Myrica (семейство Myricaceae )
Purshia tridentata (англ. Antelope bitterbrush) (семейство розоцветные )
Robinia pseudoacacia , Leucaena leucocephala (семейство Fabaceae )
Shepherdia argentea (англ. Серебряный буйвол) (семейство Elaeagnaceae )

Как продолжительность суток повлияла на кислород в атмосфере

Джудит Клатт с группой исследователей из Мичиганского университета изучали воду в воронке на Мидл-Айленде (острове на озере Гурон). В нее со дна просачиваются грунтовые воды, при этом уровень содержания кислорода крайне низкий. Другими словами, условия напоминают те, которые были на нашей планете в течение миллиардов лет до появления в атмосфере кислорода.

В воде живут в основном два вида микробов — пурпурные цианобактерии, которые производят кислород, а также белые сероокисляющие бактерии. Первые генерируют энергию с помощью солнечного света, вторые — с помощью серы. Чтобы выжить, эти бактерии каждый день исполняют своего рода «танец».

Почти весь кислород в атмосфере появился благодаря цианобактериям

От заката до рассвета бактерии, поедающие серу, находится на поверхности, то есть над цианобактериями, блокируя им доступ к солнечному свету. Когда утром выходит солнце, поедатели серы движутся вниз, а цианобактерии поднимаются на поверхность, чтобы начать фотосинтез и производить кислород. Однако с момента восхода солнца и до того, как начинается процесс фотосинтеза, проходит несколько часов. То есть оказалось, что цианобактерии любят “поздно вставать”. В таком случае продолжительность светового дня непосредственно влияет на количество вырабатываемого бактериями кислорода.

Процесс образования озонового слоя

Озон формируется на границе тропосферы и стратосферы, причем его попадание в нижний слой атмосферы представляет опасность. На границе двух атмосферных зон коротковолновые ультрафиолетовые лучи вступают во взаимодействие с кислородом. Если длина волны менее 242 нм, то под действием излучения двухатомная молекула кислорода O₂ расщепляется на два отдельных атома (O, O). Каждый из них затем вступает в новую реакцию – с нерасщепленным двухатомным кислородом O₂. В результате второй реакции образуется трехатомная молекула кислорода O₃ – озон. Подобная реакция была обнаружена и описана британским геофизиком С. Чепменом, в честь которого и получила свое название – механизм Чепмена.

История открытия

Только в XIII веке ученые смогли предположить, а затем в начале XX века доказать наличие озона в слоях земной атмосферы. Все началось в 1785 году, когда нидерландский физик Мартин Ван Марум обнаружил озон во время одного из своих опытов. Он построил машину, через которую пропускал электрические искры. Характерный запах вместе с доказанным наличием окислительных свойств, образующихся при пропуске электрического заряда, позволили в дальнейшем открыть трехатомную модификацию кислорода – озон.

Открытие вещества с описанием его свойств совершил Кристиан Фридрих Шенбейн в 1839 году. Немецкий химик получил его лабораторным путем, а также написал книгу, выпущенную в 1844 году, – «Получение озона химическими способами». Название озону дано по греческому слову, обозначающему «пахну» – это связано с резким запахом.

Существование озонового слоя в атмосфере Земли было открыто в 1912 году французскими физиками Шарлем Фабри и Анри Буиссоном. Ученые производили измерения солнечного излучения, заметив, что до земной поверхности не доходят ультрафиолетовые лучи конца светового спектра длиной менее 315 нанометров.

Существенный вклад в точные измерения озонового слоя, располагающегося на разной высоте относительно земной поверхности, внес британский метеоролог Гордон Миллер Борн Добсон. Ученый изобрел озоновый спектрометр (Добсонометр), необходимый для измерения количество озона прямо с поверхности земли. Для этого в течение 1928-1958 годов по всему миру была создана сеть станций, функционирующая по сей день. А содержание озона в атмосфере выражается с помощью Единицы Добсона, учитывающая содержание озоновых молекул на квадратный сантиметр.

Мнения ученых относительно срока формирования озонового слоя расходятся: от 400 миллионов до почти 2 миллиардов лет назад. Именно в этот период произошло насыщение поверхности Земли кислородом, позволившее развиваться растениям, а также подняться животным из воды на сушу.

Fabaceae-rhizobiaceae диалог

Формирование корневых клубеньков включает сложный молекулярный диалог между растением-хозяином и ризобиальными .

Растение выделяет такие сигналы, как флавоноиды , бетаины . Восприятие этих сигналов бактерией вызывает экспрессию множества бактериальных генов, из которых известно около сотни. Наиболее изучены гены nod (или nol и noe). Гены Nod D экспрессируют регуляторные белки в ответ на индукторы растений. После активации белки Nod D связываются с последовательностями узлового бокса, промоторами структурных генов узлов и активируют их транскрипцию. Эти гены продуцируют важные факторы Nod в установлении симбиоза .

Эти факторы NOD активация сигнального пути с участием ряда генов растений — хозяина, и в конечном счете вызывают морфологические изменения и цитологический корень, что приводит к образованию узелков .

Сигнальный путь NOD

Многие гены были идентифицированы у гороха ( Pisum sativum ) , трилистника ( Lotus japonica ) и трилистника люцерны ( Medicago truncatula ) . Все они представляют собой рецепторы SYMRK (рецептор симбиоза, подобный киназе), обладающий киназным доменом на внутриклеточной стороне (RLK, Receptor like kinase) и мотивами, богатыми LysmM (взаимодействие с факторами NOD) на внеклеточной стороне. Эти гены называются Nfr (рецептор фактора Nod) или Sym (гены симбиоза). Рецепторов может быть двух типов: один контролирует заражение корня бактериями, а другой обеспечивает искривление корневых волосков .

Через несколько десятков секунд после применения факторов Nod, быстрый приток кальция наблюдается , который индуцирует деполяризацию в плазматической мембране , ведущей к кривизне и деформации абсорбирующих волосков .

Через десять минут периодические и переходные колебания цитозольного кальция концентрации происходят вблизи перинуклеарной области. Эти кальциевые колебания ( скачки кальция) происходят из-за двух мембранных белков DMI1 и DMI2. Последний представляет собой рецептор типа RKL (рецептор-подобную киназу), представляющий три домена, богатых лейцином (LRR).

Ответ на эти колебания обусловлен геном DMI3, кодирующим кальмодулин и кальций-зависимую протеинкиназу . Этот белок чувств изменения кальция концентрации и путем связывания с кальций- связанных calmodulins и свободный кальций . DMI3 активируется аутофосфорилированием его киназного домена. Кроме того, DMI3 оказывает отрицательную обратную связь на DMI1 и DMI2 и, следовательно, на колебания кальция.

DMI3 активирует экспрессию генов ENOD (ранние гены нодулина), белки , продуцируемых растения в течение первых этапов симбиоза, (такие , как легоглобин) , участвующий в инфекции и органогенезе из узелков активирующих разделения корковых клеток . Однако промежуточные субстраты DMI3 еще не определены.

Растения с «эндофитными» микроорганизмами.

С 2000 по 2015 год было обнаружено несколько видов растений, демонстрирующих азотфиксирующие эндофиты, в том числе:

Azoarcus sp (травянистые);
Сахарный тростник ;
дикий рис ;
кукуруза ,
Сорго халепенсное ;
Мискантус ;
Кактус Mammillaria fraileana ;
Сладкий картофель ;
бореальные лесные мхи ;
дюнные травы ( Ammophila arenaria и Elymus mollis ;
кофейные растения Coffea arabica L .;
хвойные растения ( Pinus flexilis и Picea engelmannii ), инокулированные Paenibacillus polymyxa .

Способность к связыванию азота была напрямую определена количественно у некоторых трав (сахарного тростника, пшеницы и риса).

Состав современной атмосферы Земли

Без кислорода жизнь на Земле невозможна, однако в чистом виде он стал поступать на позднем этапе развития планеты. Некоторые ученые считают, что кислород начал возникать за счет обмена веществ древних растений и стал побочным эффектом процесса фотосинтеза. Со временем он накопился в атмосфере и послужил причиной ряда изменений в характере атмосферы Земли и развитии всего живого.

Атмосфера Земли состоит в основном из двух газов — азота (78%) и кислорода (21%). Credit: present5.com.

В современный состав воздуха входят 4 основных и несколько второстепенных газов, а также примеси, зависящие от характера поверхности Земли и ее области, от вида обитателей. Человек занимает в ее формировании одну из первостепенных ролей. Атмосферными примесями являются:

перекись водорода;
водяной пар;
аммиак;
озон;
окись углерода;
сероводород;
пыль;
соли;
сернистый газ.

Баланс кислорода

С точки зрения биологии, кислород преобладает на планете Земля. Его содержание практически неизменно и составляет 21%. Кислород поглощается во время дыхания, а вырабатывается вследствие процесса фотосинтеза. Все это тесно взаимосвязано и является основой природного баланса кислорода в атмосфере.

Распространение кислорода на Земле. Credit: infourok.ru.

Азот

Содержание данного газа в нижних слоях атмосферы составляет 78,084%. Азот инертен и в химических соединениях (нитратах) занимает важную ступень в процессе обмена веществ растительного и животного мира. Живые существа не способны усваивать азот напрямую из воздуха, однако он входит в пищу, которая необходима для ежедневного восполнения энергии. Молекулы газа захватываются микроорганизмами, обитающими в корнях бобовых культур. Сформировавшиеся нитраты становятся доступны для животных, поедающих эти растения.

Благородные газы

В атмосфере содержатся газы, не участвующие в биологических процессах, но играющие первостепенную роль при переносе энергии в высших слоях, это:

аргон — 0,934% ;
гелий — 0,00000524%;
неон — 0,000018%;
ксенон — 0,000000087%;
водород — 0,0000005%.

Со времен становления промышленности (более 120 лет назад) человечество увеличило выброс углекислого и прочих газов в слои атмосферы, и в период с 1869 по 1940 гг. общая температура воздуха выросла на 1°C.

Происхождение и эволюция атмосферы (по В.А. Вронскому и Г.В. Войткувичу)

Еще при первоначальном радиоактивном разогреве молодой Земли происходило выделение летучих веществ на поверхность, образовавших первичный океан и первичную атмосферу. Можно допустить, что первичная атмосфера нашей планеты по составу была близка к составу метеоритных и вулканических газов. В какой-то мере первичная атмосфера (содержание СО₂ составляло 98%, аргона – 0,19%, азота – 1,5%) была аналогична атмосфере Венеры – планеты, которая по размерам наиболее близка к нашей планете.

Первичная атмосфера Земли имела восстановительный характер и была практически лишена свободного кислорода. Только незначительная его часть возникала в верхних слоях атмосферы в результате диссоциации молекул углекислого газа и воды. В настоящее время утвердилось общее мнение о том, что на определенном этапе развития Земли ее углекислая атмосфера перешла в азотно-кислородную. Однако остается неясным вопрос относительно времени и характера этого перехода – в какую эпоху истории биосферы произошел перелом, был ли он быстрым или постепенным.

В настоящее время получены данные о наличии свободного кислорода в докембрии. Присутствие высокоокисленных соединений железа в красных полосах железных руд докембрия свидетельствуют о наличии свободного кислорода. Увеличение его содержания в течение всей истории биосферы определялось путем построения соответствующих моделей различной степени достоверности (А.П. Виноградов, Г. Холленд, Дж. Уолкер, М. Шидловский и др.). По мнению А.П. Виноградова, состав атмосферы изменялся непрерывно и регулировался как процессами дегазации мантии, так и физико-химическими факторами, которые имели место на поверхности Земли, включая остывание и соответственно снижение температуры окружающей среды. Химическая эволюция атмосферы и гидросферы в прошлом была тесно связана в балансе их веществ.

В качестве основы для расчетов прошлого состава атмосферы принимается распространенность захороненного органического углерода, как прошедшего фотосинтетический этап в круговороте, связанный с высвобождением кислорода. При убывании дегазации мантии в течение геологической истории, общая масса осадочных горных пород постепенно приближалась к современной. При этом 4/5 углерода захоронялось в карбонатных породах, а 1/5 приходилась на органический углерод осадочных толщ. Исходя из этих предпосылок немецкий геохимик М. Шидловский рассчитал рост содержания свободного кислорода в течение геологической истории Земли. При этом было установлено, что примерно 39% всего кислорода, выделившегося при фотосинтезе, оказалось связанным в Fe₂O₃, 56% сосредоточилось в сульфатах SO₄2- и 5% непрерывно остается в свободном состоянии в атмосфере Земли.

В раннем докембрии практически весь освобожденный кислород быстро поглощался земной корой при окислении, а также вулканическими сернистыми газами первичной атмосферы. Вероятно, что процессы образования полосчатых железистых кварцитов (джеспелитов) в раннем и среднем докембрии привели к поглощению значительной части свободного кислорода от фотосинтеза древней биосферы. Закисное железо в докембрийских морях явилось главным поглотителем кислорода, когда фотосинтезирующие морские организмы поставляли свободный молекулярный кислород непосредственно в водную среду. После того, как докембрийские океаны очистились от растворенного железа, свободный кислород стал накапливаться в гидросфере и затем в атмосфере.

Новый этап в истории биосферы характеризовался тем, что в атмосфере 2000-1800 млн. лет назад отмечалось увеличение количества свободного кислорода. Поэтому окисление железа переместилось на поверхность древних континентов в область коры выветривания, что и привело к формированию мощных древних красноцветных толщ. Поступление двухвалентного железа в океан уменьшилось и соответственно снизилось поглощение свободного кислорода морской средой. Все большее количество свободного кислорода стало поступать в атмосферу, где устанавливалось его постоянное содержание. В общем балансе атмосферного кислорода возросла роль биохимических процессов живого вещества биосферы. Современный этап в истории кислорода атмосферы Земли наступил с появлением растительного покрова на континентах. Это привело к значительному увеличению его содержания по сравнению с древней атмосферой нашей планеты.

Литература

Вронский В.А. Основы палеогеографии / В.А. Вронский, Г.В. Войткевич. — Ростов н/Д: изд-во «Феникс», 1997. — 576 с.
Зубащенко Е.М. Региональная физическая география. Климаты Земли: учебно-методическое пособие. Часть 1. / Е.М. Зубащенко, В.И. Шмыков, А.Я. Немыкин, Н.В. Полякова. – Воронеж: ВГПУ, 2007. – 183 с.

Случай с бобовыми

Различные виды бактерий rhizobium , которые способны инфицировать корни бобовых ( семейство Fabaceae ), специфичны для определенных растений-хозяев. Таким образом, Rhizobium phaseoli поражает бобы ( Phaseolus sp).

Бактерии вызывают образование узелков на корнях, проникая через корневые волоски, и превращаются в более крупные « бактероиды ». Клубеньки являются центром симбиотической активности, при которой растение поставляет сахара и энергию, полученные в результате фотосинтеза , и, в свою очередь, извлекает выгоду из производимых там аминокислот .

Эта деятельность может производить ежегодно до 300 кг азота на гектар, который частично содержится в экспортируемых культурах (белок из семян и кормов) и частично закапывается в почву, которая может использоваться следующими культурами ( сидераты ).

В глобальном масштабе зафиксированная таким образом масса азота оценивается в 100 миллионов тонн в год, что по порядку величины соответствует производству азота в химической промышленности.

§ 53. Круговорот веществ в биосфере

*Круговорот азота

Запасы азота в атмосфере практически неисчерпаемы (около 78 % по объему). Однако большинство живых организмов не могут использовать его непосредственно. Поэтому важным звеном в круговороте азота является его фиксация и перевод в доступную для организмов форму. Различают три пути фиксации азота.

Биологическая (почвенная) фиксация осуществляется микроорганизмами. Азотфиксирующие бактерии могут превращать биологически недоступный молекулярный азот атмосферы в соединения, доступные для зеленых растений.

! Это интересно

Азотфиксирующие микроорганизмы делятся на две группы: живущие самостоятельно и симбионты высших растений. Свободноживущие азотфиксаторы — цианобактерии. Самые известные азотфиксаторы-симбионты, связывающие азот, находятся в клубеньках бобовых растений. Клубеньковые бактерии являются основными поставщиками фиксированного азота на суше. На использовании клубеньковых бактерий основан традиционный метод повышения плодородия почвы. На поле сначала выращивают горох или другие бобовые культуры, потом их запахивают в землю, и накопленный в их клубеньках связанный азот переходит в почву. Затем поле засевают другими культурами, которые могут использовать азот для построения аминокислот, белков и своего роста.

Азот в составе растений попадает в организм травоядных животных, а затем — хищных. После отмирания живых организмов (растений, животных) детрит разлагается редуцентами с выделением аммиака NH₃. Нитрифицирующие бактерии окисляют аммиак до нитритов и нитратов, которые усваиваются растениями, а денитрифицирующие бактерии при разложении детрита возвращают молекулярный азот обратно в атмосферу.

Часть фиксированного азота почвы выносится в реки, а из них в моря и океаны, вызывая их загрязнение.

! Это интересно

Если нитратов и нитритов в почвенных растворах много, их много и в растительных продуктах питания. Нередко их концентрация в десятки раз превышает предел, установленный Всемирной организацией здравоохранения (45 мг/л).Зарегистрированы случаи заболевания людей и животных, связанные с высоким содержанием нитратов в растительных пищевых продуктах, кормах и воде. Существуют рекомендации, позволяющие снизить содержание нитратов в пищевых продуктах.

Атмосферная фиксация. В атмосфере связанный азот образуется при разрядах молний, вызывающих взаимодействие азота с кислородом с образованием оксида азота, а затем диоксида азота. Диоксид азота растворяется в водяных парах, образуя азотную кислоту (HNO₃), которая вместе с осадками попадает в почву. На долю атмосферной фиксации азота приходится около 3 % ежегодной азотфиксации в биосфере.

Промышленная фиксация. Цивилизация существенно усилила поступление связанного азота в биосферу. При высокотемпературных процессах сгорания топлива на электростанциях и в транспортных двигателях азот воздуха окисляется и в виде оксидов попадает в атмосферу. Большое количество азота ежегодно связывается промышленным путем при производстве минеральных азотных удобрений. Азот из таких удобрений усваивается растениями в аммонийной и нитратной формах.

В результате антропогенные потоки связанного азота стали примерно равны природным. Уже сейчас это приводит к серьезным локальным и региональным последствиям.

Повторим главное. Главными условиями устойчивого существования биосферы являются постоянно протекающий круговорот веществ и поток энергии. С использованием солнечной энергии на планете протекают два взаимосвязанных круговорота веществ: большой — геологический и малый — биологический. В круговоротах кислорода, углерода и азота основная роль принадлежит живым организмам. Основу же глобального круговорота воды в биосфере обеспечивают физические процессы.

Как образовалась земная атмосфера

Большая часть углекислого газа растворялась в воде и вымывалась проливными дождями. Затем начали происходить биологические процессы, в которых углекислый газ сыграл первостепенную роль.

Эксперимент в ИДГ РАН

Российские ученые, исследовавшие падение метеорита в Челябинске, пришли к заключению, что небесные тела угрожают человечеству более чем когда-либо. ИДГ РАН снарядили экспедицию к месту падения метеорита и опросили большое количество свидетелей из 50 окрестных населенных пунктов. Очевидцы предоставили институту множество видеозаписей, оказав помощь отечественной науке.

В заключении исследователей сказано: «Каждый объект, упавший на Южном Урале в середине февраля того года, оказался частью небольшого астероида. При вхождении в атмосферу он имел скорость 19 км/с. Параметры небесного тела составляли: масса — 11000 т; диаметр — 20 м. Энергия взрыва оценивалась в половину мегатонны, а более 99% твердого вещества превратилось в пыль и газ». Крупнейшим фрагментом метеорита (650 кг), стал кусок, упавший в озеро Чебаркуль.

Челябинский метеорит, Краеведческий музей. Credit: proftur74.ru.
Ежедневно воздух пополняется микрочастицами космического происхождения. Это сказывается на климатических условиях Земли. Каждый год в атмосферу входит до 10-30 объектов диаметром в 1 м. Самым крупным был метеорит, упавший около Тунгуски, ведь его энергия составила диапазон в 3-15 Мт.

Появление жизни и кислорода

1 млрд лет назад первые формы жизни активно развивались без кислорода. Согласно данным, полученным вследствие проведенного в 1953 г. эксперимента, под действием электрического разряда смесь аммиака, метана, водорода и воды разложилась на глицин и прочие аминокислоты. Данный лабораторный опыт длился в течение недели под руководством ученого из Чикагского университета Стенли Миллера. Он доказал научному миру, что при благоприятных условиях в природе происходит активное образование молекул жизни, вопреки соображениям сухой статистики.

Возникновение жизни, или абиогенез, — процесс превращения неживой природы в живую. Credit: alev.biz.

Земная кора содержит в себе около 47,2% кислорода. Его химическая активность под действием высоких температур и связи с другими элементами объясняет, почему на заре времен не было кислорода. Большая часть элементов в природе образуется в виде их твердых окислов. Многие из них с трудом разлагаются на компоненты, что ставит под сомнение существование свободного кислорода раньше.

Вода, двуокись углерода, аммиак, метан и некоторые благородные газы — ее основные составляющие. То есть большая часть кислорода — биологического происхождения, и это полностью отвечает теории о том, что ранние формы жизни были способны выделять его, а поздние — активно потреблять.

Сегодня распространена гипотеза абиогенного зарождения живых организмов, их самопроизвольного появления из первичных и более простых веществ, находящихся в атмосфере и океанах. Опарин Александр Иванович развил данную теорию и привел множество доказательств, исходя из которых следует, что первичная атмосфера планеты Земля содержала азот, углекислый газ, воду, сероводород, аммиак и метан в больших количествах.