Главная » Педагогика » Как происходит образование органических веществ. Образование в почве органического вещества, его состав и свойства. Оборудование, реактивы, материалы

Как происходит образование органических веществ. Образование в почве органического вещества, его состав и свойства. Оборудование, реактивы, материалы

Первичная продукция на Земле создаётся в клетках зелёных растений под воздействием солнечной энергии, а также некоторыми бактериями вследствие химических реакций.

Фотосинтез – это процесс образования органических веществ из углекислого газа и воды на свету при участии фотосинтетических пигментов (хлорофилл у растений, бактериохлорофилл и бактериородопсин у бактерий).

Усваиваемая энергия фотон преобразуется в энергию связей химических веществ, синтезируемых при этих процессах.

Основная реакция фотосинтеза может быть записана следующим образом:

где Н 2 Х – «донор» электронов; Н – водород; X – кислород, сера или другие восстановители (например, сульфобактерии используют в качестве восстановителя Н 2 S, другие же виды бактерий – органическую субстанцию, а большинство зеленых растений, осуществляющих хлорофилльную ассимиляцию, – кислород).

Типы фотосинтеза:

1. Бесхлорофильный фотосинтез.

2. Хлорофильный фотосинтез

а). Аноксигенный фотосинтез. Процесс образования органических веществ на свету, при котором не происходит синтеза молекулярного кислорода. Осуществляется пурпурными и зелёными бактериями, а также геликобактериями.

б). Оксигенный фотосинтез с выделением свободного кислорода. Оксигенный фотосинтез распространён гораздо шире. Осуществляется растениями, цианобактериями и прохлорофитами.

Основная реакция фотосинтеза, осуществляемая растениями, может быть записана следующим образом:

Этапы (фазы) фотосинтеза:

· фотофизический;

· фотохимический;

· химический (или биохимический).

На первом этапе происходит поглощение квантов света пигментами, их переход в возбуждённое состояние и передача энергии к другим молекулам фотосистемы.

На втором этапе происходит разделение зарядов в реакционном центре, перенос электронов по фотосинтетической электронотранспортной цепи. Происходит переход энергии возбуждённого состояния в энергию химических связей. Синтезируются АТФ и НАДФН.

На третьем этапе протекают биохимические реакции синтеза органических веществ с использованием энергии, накопленной на светозависимой стадии с образование сахаров и крахмала. Реакции биохимической фазы происходят с участием ферментов и стимулируются температурой, поэтому эту фазу назвали термохимической.

Первые два этапа вместе называют светозависимой стадией фотосинтеза – световой. Третий этап происходит уже без обязательного участия света – темновой.

Энергия Солнца используется в процессе фотосинтеза и накапливается в виде химических связей в продуктах фотосинтеза, а затем передается как еда всем другим живым организмам. Фотосинтезирующая деятельность зеленых растений обеспечивает планету органическим веществом и аккумулированной в нем солнечной энергией – источником возникновения и фактором развития жизни на Земле.



Среди всех лучей солнечного света обычно выделяют лучи, которые оказывают влияние на на процесс фотосинтеза, ускоряя или замедляя его протекание. Эти лучи принято называть физиологическиактивнойрадиацией (сокращенно ФАР). Наиболее активными среди ФАР являются оранжево-красные (0,65…0,68 мкм), сине-фиолетовые (0,40…0,50 мкм) и близкие ультрафиолетовые (0,38…0,40 мкм). Меньше поглощаются желто-зеленые (0,50…0,58 мкм) лучи и практически не поглощаются инфракрасные. Лишь далекие инфракрасные принимают участие в теплообмене растений, оказывая некоторое положительное воздействие, особенно в местах с низкими температурами.

Синтез органического вещества может осуществляться бактериями как с использованием солнечного света, так и без него. Считается, что именно фотосинтез бактерий был первым этапом развития автотрофности.

Бактерии, использующие для образования органического вещества процессы, связанные с окислением соединений серы и других элементов, относятся к хемосинтетикам .

Растительные и животные остатки, накопляющиеся на поверхности выветривающейся горной породы и в более или менее верхних ее горизонтах, могут нами наблюдаться в самых разнообразных стадиях разложения или 1) в виде мало разложившихся остатков, накопляющихся с течением времени в форме различных «войлоков» (в лесах - «лесной войлок», в степях - «степной»), характеризующихся настолько малой разложенностью входящих в их состав компонентов, что мы без труда можем различать отдельные части растений или животных; или 2) в виде более или менее уже потерявших свою первоначальную форму и вид частей растений (и животных); они представляются нам тогда в виде отдельных обрывков, в различной степени деформированных, побуревших, имеющих нежную, рассыпчатую консистенцию и структуру. Ho и в этой стадии разложения мы можем отделить их от минеральных частиц породы путем различных механических приемов - отмучиванием их, как более удельно легких, в воде, иногда отбором их пинцетом и т. д.; наконец, 3) в дальнейшей стадии своего разложения описываемые остатки совершенно теряют свои первоначальные свойствами входят в столь тесное химическое соединение с минеральной субстанцией породы, что являются уже неотделимыми от последней какими-либо механическими приемами.
Эта стадия разложения характеризуется как бы полным усвоением образовавшихся продуктов минеральной основой породы; отторгнуть эти продукты от минеральной части мы можем лишь применением энергичных химических приёмов или же разрушением этих продуктов (сжиганием).
Результатом такого тесного химического соединения продуктов разложения растительных и животных остатков с минеральной частью выветривающейся породы является комплекс особых, так называемых «органо-минеральных» соединений, накопляющихся в почве в том или ином количестве, отличающихся сравнительной стойкостью и прочностью своего состава и придающих почве более или менее темную окраску. Эта-то группа продуктов, являющаяся как бы неотъемлемой частью почвы, ею «усвоенной» и химически связанной, носит название почвенного гумуса (перегноя).
Из сказанного выше с очевидностью вытекает, что не всякое органическое соединение, могущее встречаться в почве, должно относиться к категории гумусовых, или перегнойных, соединений почвы. Так, «свободные» углеводы, жиры и пр., могущие образоваться в почве в результате разложения растительных и животных остатков, не представляют еще собою того органоминерального новообразования, которое мы называем гумусом. Благодаря обильной микрофлоре, имеющейся в почвах, и благодаря многообразным присутствующим в почвах ферментам упомянутые органические соединения обычно подвергаются столь быстрым и легким превращениям, что могут быть названы, в буквальном смысле слова, соединениями мимолетными и преходящими. Действительно, непосредственный анализ обычно показывает чрезвычайно непостоянное и изменчивое количество их в одной и той же почве - на протяжении часто даже очень короткого промежутка времени. Соединения эти в результате сложных реакций взаимодействия с минеральной субстанцией почвы в последующей своей судьбе могут, конечно, сделаться неотъемлемой составной частью почвенного перегноя, но могут, не найдя для этого соответствующих физико-химических условий, и не войти в состав новообразующегося органо-минерального комплекса и остаться «свободными», не являясь компонентами гумуса.
Что касается тех минеральных соединений, которые всегда входят в состав растительных и животных остатков, то при разложении последних эти соединения постигает также двоякая судьба: часть из них освобождается от той прочной и сложной связи, в которой они находились при жизни того или другого организма с органическими соединениями последнего, и выпадает в поверхностных горизонтах почвы в виде тех или иных «чистых» минеральных образований (происходит, как говорят, «полная минерализация органических остатков»); другая же часть также принимает непосредственное участие в синтезе и построении того органо-минерального комплекса, о котором у нас сейчас идет речь.
Таким образом, не все минеральные составные части почвы и не все органические ее соединения являются составными частями гумусового ее комплекса.
Из категории гумусовых веществ почвы мы должны исключить также и те, хотя бы и сильно деформированные, остатки разлагающихся растений и животных, которые мы можем отделить от почвенной массы механическими приемами (остатки корневой системы, обрывки листочков, остатки хитиновых покровов насекомых и т. п.).
Таким образом, мы разграничиваем понятие «органической составной части» почвы от ее «гумусовой части». Второе понятие есть часть первого. Соображение это надо иметь в виду при всем последующем нашем изложении.
Химическая конституция- тоге сложного, комплекса, который носит название почвенного перегноя, или гумуса, до сих пор еще очень слабо выяснена, несмотря на то, что изучение этого объекта нач: [ось еще очень давно. Главной причиной такой неизученности является то обстоятельство, что до сих пор еще не разработаны надежные методы так или иначе индивидуализировать этот сложный объект, не имеется еще способов получения его в кристаллическом виде и т. д.
Последние годы ознаменовались, однако, целым рядом исследований, значительно подвинувших вперед дело изучения этого комплекса.
Между природой органических соединений, входящих в состав, всех вышеупомянутых категорий объектов в естественной обстановке, мы наблюдаем, конечно, целый ряд постепенных переходов, и как между первичными минералами материнской породы и конечными продуктами их распада, так и между незатронутыми процессами разложения растительными (и животными) остатками и конечными фазами их разрушения мы можем наблюдать в каждой почве целый ряд самых разнообразных промежуточных образований.
Если при начальных стадиях выветривания горных пород и минералов главенствующую роль играют элементы «неживой» природы, т. е. элементы атмосферы и гидросферы, то в последующих стадиях развития этих процессов, когда эти породы приобретают способность обеспечивать жизнь поселяющейся на них растительности и в связи с этим начинают обогащаться продуктами разложения последней, таковая роль переходит к элементам биосферы. Тот факт, что в процессах разложения отмирающих органических остатков играют первенствующую роль в частности микроорганизмы, доказан был еще в 1862 г. гениальными исследованиями Pasteur.
Многочисленные опыты с целью выяснения влияния на разложение органических веществ высоких температур и различных антисептических средств впоследствии окончательно установили это положение. Необходимо, впрочем, отметить, что некоторые из этих опытов показали, что при вышеупомянутых условиях процессы разложения не совсем прекращались, а лишь значительно угнетались, что и заставляет допустить, что процессы эти, хотя и в очень ничтожной степени, все же могут иногда итти в силу чисто химического взаимодействия частей разлагающегося материала. Во всяком случае последней категории явлений должна быть отведена в процессах разложения органических веществ более чем скромная роль.
Если процессы распада органических веществ в почве - процессы главным образом биохимические, то ясно, какие разнообразные формы и направления могут принимать эти процессы в почве при естественных условиях в зависимости от того или другого притока воздуха, влажности почвы, температурных условий, химических и физических свойств среды и пр.
Для того чтобы уяснить себе, как далеко в каждом отдельном случае может итти распад органических остатков и на каких промежуточных этапах этот распад в каждом отдельном случае может задерживаться, рассмотрим в дальнейшем значение в этих процессах каждого из упомянутых выше факторов в отдельности, причем, не приводя всей имеющейся по этому вопросу многочисленной литературы, ограничимся сообщением лишь конечных выводов, полученных в этой области.
Исходным пунктом для излагаемых здесь исследований служит известное положение, что выделение углекислого газа из разлагающегося органического вещества можно признать мерою быстроты и энергии этого разложения (Ноppе-Sеуlеr). Принимая, однако, во внимание, что в почве, параллельно с процессами распада органических веществ, часто идут под влиянием жизнедеятельности микроорганизмов процессы обратные - синтетические - и, следовательно, количество выделяющейся углекислоты не всегда может служить мерилом именно распада органического вещества, можно прибегнуть к иному методу исследования, а именно - непосредственно к анализу количества отщепляющихся от разлагающегося вещества включенных в его состав минеральных соединений.
Из главнейших условий, определяющих скорость и характер разложения органических веществ, мы остановимся на изучении влияния на эти процессы температуры, степени увлажнения, степени притока воздуха, химических свойств среды, а также характера поступления к разлагающемуся материалу влаги.
Влияние температуры и увлажнения. Наиболее обстоятельные исследования по этому вопросу были проведены Wollny.
Разлагающийся материал помещался в U-образные трубки и через них пропускался воздух, лишенный углекислого газа. Трубки эти помещались в водяные бани, где температура регулировалась по желанию.
Если влажность взятого объекта оставалась постоянной, то количество углекислого газа (CO2) с повышением температуры увеличивалось. Так, прошедший через трубки воздух содержал углекислого газа (в компостной почве):


Если, в свою очередь, температура оставалась постоянной, а степень увлажнения увеличивалась, то количество CO2 также соответственно увеличивалось:

Таким образом, и температура и влажность разлагающегося субстрата влияют на интересующий нас процесс в одном направлении.
Изменяя в своих опытах условия температуры и влажности в противоположных направлениях, Wollny пришел к заключению, что образование CO2 совершается наиболее интенсивно при средних условиях температуры и увлажнения. Так, например, при

Аналогичные результаты были получены и Fodor, исследования которого представляют собой еще и тот интерес, что он работал между прочим с очень высокими температурами (до 137°). Все его опыты вполне подтвердили выводы Wollny; между прочим он констатировал, что при очень высоких температурах выделение углекислого газа из разлагающейся массы хотя и продолжалось, но крайне слабо. Дальнейшие исследования Petersen с разложением органических веществ в черноземе и с разложением древесины лиственных деревьев, а также Беллена и покойного П. Костычева - с опавшими березовыми листьями, свежей еловой хвоей и сеном, показали в общем, что и температура и влажность действительно действуют в одном направлении, но до известного предела (в сторону повышения или, наоборот, в сторону понижения), когда уже нарушалась в силу этого жизнедеятельность микроорганизмов и когда процесс в связи с этим подвигался вперед очень слабо и вяло.
Конечный вывод из всех этих наблюдений может быть формулирован следующим образом: энергия распада органических веществ достигает оптимума при некоторой средней величине влажности и температуры. Недостаток влажности понижает эту энергию, равно как и избыток ее, ибо в последнем случае в разлагающейся массе затрудняется свободная циркуляция воздуха. Низкая и высокая температуры также угнетают описываемый процесс.
Результаты всех этих опытов и наблюдений, перенесенные в природную обстановку, как нельзя лучше помогают нам уяснить себе причины накопления в том или другом районе того или другого количества перегноя - того или иного состава. В каждом отдельном случае мы всегда можем связать эти явления, с одной стороны, с климатическими условиями данного района и с теми факторами, от которых зависит микроклиматическая обстановка (рельеф местности, характер растительности и др.), с другой - с комплексом внутренних физико-химических свойств самой почвы (в данном случае ее водных и тепловых свойств), через каковые преломляются все элементы окружающей данную почву природы.
Влияние химических свойств среды. Мы ограничимся лишь самыми общими положениями, существующими в этой области
Кислотность среды, по опытам Wollny и многих других исследователей, действует угнетающим образом на процессы разложения, что, конечно, вполне понятно, если вспомнить, что для бактериального населения - этого главнейшего возбудителя описываемых нами процессов кислая среда является ядом (грибная микрофлора, однако, к этому фактору до известного предела, как нам известно, нечувствительна).
Что же касается значения щелочной среды, то на рассмотрении этого вопроса мы остановимся несколько ближе, причем будем иметь в виду влияние на интересующие нас процессы лишь присутствия углекислого кальция, ибо с этим именно соединением нам наиболее часто приходится иметь дело при обсуждении, например, вопроса о влиянии на энергию разложения органических веществ таких распространенных материнских пород, как лёссы, лёссовидные суглинки и т. п. образования, богатые карбонатами кальция.
He так давно существовало убеждение, что CaCO3 (углекислый кальций) значительно ускоряет интенсивность разложения органических веществ. В практике сельского хозяйства еще до недавнего времени распространено было положение, что «известь, обогащая отцов, разоряет детей», т. е. что вещество это способствует крайне быстрому распаду в почве перегноя, «выпавшие» питательные вещества из которого (минеральные, заключенные в нем соединения) временно сильно поднимают плодородие почвы, но вместе с тем лишают почву того запаса этих соединений, из которого могли бы черпать себе пищу последующие культуры. Это ошибочное убеждение было основано между прочим на исследованиях Petersen.
Petersen поставил свои опыты с почвой, имевшей 58% перегноя (т.е. с почвой явно кислой), и по количеству CO2 констатировал почти тройное количество этого газа при прибавлении к этой почве углекислого кальция, откуда упомянутый автор и вывел заключение, что известь значительно ускоряет разложение органических веществ. В другом опыте Petersen оперировал с известковой почвой - неизмененной, а также с той же почвой, но обработанной предварительно для удаления извести соляной кислотой. Результаты были получены те же. Первые опыты упомянутого ученого были позднее подвергнуты справедливой «критике со стороны покойного П. Костычева, обратившего внимание прежде всего на то, что почва, с которой манипулировал Petersen, была, несомненно, кислая, содержащая много свободных перегнойных кислот. Ясно, что прибавление к такой почве углекислого кальция, усредняя среду, создавало благоприятные условия для процессов разложения. Что касается другой группы опытов Petersen, то последним было упущено влияние предварительной обработки почвы соляной кислотой, которая должна была губительно действовать на почвенную бактерийную флору.
Дальнейшие опыты П. Костычева с древесной листвой и с черноземными почвами показали, что прибавление углекислого кальция, напротив, всегда понижало энергию разложения. Подобные же результаты были получены Wollny, Reitmair, Коссовичем и др. Только в исключительных случаях, когда почвенная среда содержит много свободных кислот гумуса, прибавление извести может способствовать процессам разложения
Как известно, обогащенность гумусом черноземных почв отчасти находит себе объяснение в той охранительной роли, которую играют, соединения кальция, входящие в состав наиболее распространенных в степной зоне, материнских пород (лёсса, лёссовидных суглинков и т. п.).
Принимая во внимание, что кальций является энергичным коагулятором коллоидальных веществ (как органических, так и минеральных), мы должны приписать данному элементу также и роль энергичного закрепителя перегнойных соединений в почвенной толще. Потеря почвою, в силу тех или других причин, соединений кальция влечет за собою, как известно, процессы полного ее вырождения («деградации») - с потерей части перегнойных веществ путем вымывания и т. д.
Влияние на разложение органических веществ притока воздуха. Для выяснения роли воздуха как одного из факторов разложения органических веществ Wollny был поставлен следующий опыт: смесь кварцевого песка и торфяного порошка, увлажненная до известного предела, помещалась в U-образные трубки, через которые пропускался воздух с различным содержанием кислорода, а также чистый азот и чистый кислород. Количество углекислого газа определялось через каждые 24 часа. Результаты опытов показали, что разложение органического вещества возрастает с увеличением процентного содержания кислорода в воздухе. Наоборот, с уменьшением последнего, а тем более с заменой этого газа каким-нибудь индифферентным газом (например, азотом) окисление углерода органического вещества сильно угнеталось. Недостаток притекающего кислорода к разлагающемуся материалу сказывается не только в понижении энергии этого разложения, но отражается и на самом характере процесса. С этой точки зрения принято различать процесс тления (т. е. процесс разложения при доступе воздуха) и процесс гниения (т. е. разложение в анаэробных условиях).
Если органические остатки разлагаются при полном доступе воздуха (аэробный процесс - «процесс тления»), то процессы эти имеют чисто окислительный характер, и распад органического вещества может итти безостановочно (при отсутствии, конечно, каких-нибудь тормозящих эти явления факторов) вплоть до таких продуктов, как вода, углекислый газ, соли азотной, серной, фосфорной и прочих кислот. При этом минеральные вещества, входившие в состав зольных элементов разлагающихся остатков, таким образом как бы освобождаются. Происходит «минерализация» органических остатков.
Тление совершается обычно со значительным выделением тепла.
При процессах анаэробных («процесс гниения») мы констатируем целый ряд недоокисленных соединений, как метан (в результате анаэробного метанового брожения клетчатки, крахмала, пентозанов и др.), сероводород (характерный продукт гниения белков), водород (продукт водородного брожения клетчатки), фосфористый водород, аммиак, азот и т. п. Далее, среди продуктов анаэробного разложения мы видим такие промежуточные формы распада белков, как индол, скатол и др. Наконец, в разлагающейся массе образуются, при описываемых условиях, многочисленные органические кислоты - жирные кислоты (начиная с муравьиной и кончая масляной с ее высшими гомологами), далее молочная кислота, бензойная, янтарная и др. Постепенно накопляющиеся в большом количестве органические кислоты, не находя в виду недостатка воздуха благоприятных условий для своего дальнейшего распада, приостанавливают развитие микроорганизмов, и дальнейшее разложение органического вещества может совершенно прекратиться.
Тление и гниение являются, конечно, лишь наиболее крайними формами разложения органического вещества, между которыми возможны различные промежуточные стадии.
Влияние характера поступления влаги к разлагающемуся веществу. Помимо перечисленных выше факторов, на энергию и характер разложения органических веществ влияет весьма резко характер поступления влаги к разлагающемуся веществу (С. Кравков). При непосредственном исследовании количества минеральных соединений, отщепляющихся от различных разлагающихся растительных остатков в том случае, когда эти остатки систематически испытывают сквозное промывание водой (т. е. когда продукты разложения все время удаляются из сферы взаимодействия друг с другом), и в том случае, когда продукты эти все время остаются при разлагающемся материале во взаимодействии, было констатировано, что в первом случае в разлагающейся массе накопляются в изобилии продукты кислого характера, угнетающие дальнейший ход процессов разложения, во втором - процессы эти, наоборот, все время протекают весьма энергично. Ближайшее изучение этого явления показало, что при сквозном промывании разлагающегося материала мы имеем дело с весьма быстрой потерей этим веществом своих щелочно-земельных оснований, что и способствует накоплению в разлагающейся массе ненасыщенных кислых продуктов, угнетающих данный процесс.
Te же явления были констатированы С. Кравковым и по отношению к почвам. Выводы эти, констатированные еще в 1911 г., как нельзя лучше объясняются ныне с точки зрения учения К. Гедройца о «почвенном поглощающем комплексе.
Описанные факты необходимо иметь в виду при изучении условий накопления и распада органических веществ в почвах с различной водопропускающей способностью, лежащих в различных условиях рельефа и пр.
Помимо рассмотренных выше факторов, на энергию процессов разложения оказывает немаловажное влияние и целый ряд других условий: степень размельченности разлагающегося материала (чем сна выше, тем, благодаря большей поверхности соприкосновения с атмосферными агентами: температурой, влагой, кислородом воздуха и пр., процессы разложения идут энергичней), химический состав разлагающегося материала (наиболее быстрому разложению подвергаются белковые вещества, сахара, некоторые органические кислоты; более трудно - клетчатка, лигнин, пробковые вещества; наконец - смолы, воскообразные вещества, дубильные соединения и т. д.). С этой точки зрения знание химического состава тех растительных ассоциаций, которые принимают участие в каждом отдельном случае в создании органического вещества той или иной почвы, представляется совершенно необходимым.
Перенося все эти выводы в природу, мы можем уже предвидеть, что характер и энергия разложения органических веществ должны представлять собой еще более чувствительную реакцию на изменение того или иного внешнего фактора в ту или иную сторону, чем рассмотренные выше процессы выветривания минералов и горных пород. Действительность вполне подтверждает такое предположение: количество накопляющегося в той или иной почве гумуса, его качественный состав, химические свойства и пр. всегда можно тесно увязать с характером окружающих климатических условий, с условиями рельефа, с характером растительного (и животного) мира и, наконец, с особенностями материнской породы и со всем комплексом внутренних физико-химических и биологических свойств самой почвы.
Рассмотрев те условия, от которых зависят энергия и характер разложения отмирающих органических остатков, мы перейдем теперь к изучению химического состава и свойств продуктов этого разложения.
Подобно тому как в минеральной части почвы мы различаем, с одной стороны, реликты (остатки) первичных минералов и горных пород, переходящих в почву без существенного изменения их внутренней химической природы, и с другой - целый ряд разнообразных промежуточных продуктов их выветривания вплоть до сравнительно трудно подвергающихся дальнейшему изменению их представителей (на различных этапах развития почвы - различных по составу и свойствам), так точно и в органической части почв мы можем встретить постепенную гамму переходов от «первичных» органических соединений, которые входят в состав нетронутых еще процессами разложения отмерших остатков растений и животных, до таких органических соединений, которые по отношению к упомянутой категории веществ можно было бы также назвать «новообразованиями» и которые также можно было бы признать, на каждом данном этапе развития почвы, сравнительно слабо поддающимися дальнейшему распаду.
К. продуктам распада органических веществ, характеризующимся сравнительно большой стойкостью, мы должны отнести те гумусовые вещества, о которых упоминали выше. Этой их стойкостью объясняются сравнительно слабые в течение определенного отрезка времени колебания количественного состава гумуса в том или ином почвенном типе, в той или иной его разности. Ho, конечно, в процессе эволюции, которую претерпевает каждая почва, вещества эти неизбежно также принимают деятельное участие - вплоть до полного даже их разрушения и последующей минерализации, т. е. до выпадения из них минеральных соединений - в свободном виде, и до превращения «органогенов» в такие конечные продукты, как СО2, H2O и др.
Оставляя в стороне рассмотрение состава и свойств тех преходящих и «мимолетных», а следовательно, непостоянных и нехарактерных продуктов разложения, о которых сказано было нами выше, мы обратимся в дальнейшем к изучению того специфического почвенного образования, который именуется гумусом.
Гумусовые соединения почвы, играющие такую первостепенную роль в почвообразовании и в жизни растений, уже издавна приковывали к себе внимание многочисленного ряда исследователей. Несмотря на это, разобраться полностью во всем сложном комплексе явлений, связанных с генезисом гумуса, его составом и свойствами, все еще не представляется возможным.
В целях познания состава и свойств почвенного гумуса уже издавна был использован путь аналитический: уже издавна делались разнообразные попытки так или иначе выделить этот сложный комплекс из общей почвенной массы - с последующим анализом его состава и свойств.
Метод выделения из почвы гумусовых веществ, предложенный еще Sprengel и не потерявший в модификации Grandeau своего значения и до настоящего времени, заключается в обработке почвы какой-либо углекислою щелочью (углекислым натрием, углекислым калием или углекислым аммиаком). Длительным и многократным промыванием почвы упомянутыми реактивами можно часто достигнуть почти полного обесцвечивания этой почвы и получить в фильтрате черную или бурую жидкость, представляющую собой, таким образом, щелочный раствор перегнойных веществ исследуемой почвы («черное вещество»). В виду того что в раствор «черного вещества» могут попадать в известной своей части и те минеральные вещества почвы, которые не принадлежат непосредственно к перегнойным соединениям (в виде тончайших суспензий), упомянутая выше фильтрация в настоящее время производится обычно помощью специальных фильтров, могущих нацело задержать эти суспензии (применяя, например, глиняные свечи Шамберлана и т. п.).
Как показали исследования, выделить этим путем все перегнойные соединения все же не удается: как бы длительно и многократно мы ни обрабатывали углекислыми щелочами почву, в последней почти всегда остается известное количество органических веществ, не поддающихся растворению и выделению. Имеются указания в литературе, что в некоторых почвах остается таких не могущих быть подвергнутыми ближайшему исследованию органических соединений от 15 до 30 и даже 40% от общей массы имеющихся в этих почвах органических веществ, что, конечно, указывает на крайнюю важность и неотложную необходимость ближайшего обследования и этой неизвлекаемой части почвенного перегноя. Прежние исследователи называли эти не разлагаемые щелочами соединения «индифферентными» веществами почвенного гумуса (гумин - более темной окраски, ульмин, геин и пр. - буроватой).
Процесс перехода части гумусовых веществ почв в щелочную вытяжку, о чем мы говорили выше, обычно рассматривался как образование при этом растворимых щелочных солей различных гумусовых кислот.
В этой кислотной части почвенного перегноя прежние исследователи различали: 1) ульминовую кислоту, 2) гуминовую кислоту, 3) хреновую кислоту (ключевую) и 4) апокреновую кислоту (осадочно-ключевую), причем считалось, что ульминовая и гуминовая кислоты представляют собой наименее окисленную часть почвенного перегноя, т. е. являются в его составе наиболее молодой и наиболее начальной формой распада тех или других органических соединений, принимавших участие в его синтезе; креновая кислота представляет собой продукт уже более окисленный, чем упомянутые выше; наконец, апокреновая кислота является веществом еще более окисленным, характеризующим еще более глубокий распад тех органических соединений, которые принимают участие в построении почвенного гумуса Каждый из упомянутых выше предполагаемых компонентов гумуса считался за определенный химический индивидуум и облекался различными авторами в различные определенные химические формулы.
Перечисленные выше компоненты почвенного гумуса обладают, по данным ряда исследователей, следующими свойствами:
Гуминовая кислота (и близкая к ней ульминовая) - черного цвета; чрезвычайно мало растворима в воде. Нерастворимы также ее соли («гуматы») - полуторных окислов, а также соли кальция, магния и закиси железа. Растворимыми являются лишь щелочные ее соли (калия, натрия, аммония).
Креповая кислота («ключевая» кислота) - легко растворима в воде; водный раствор ее - бесцветный. Соли ее («кренаты») - щелочные, щелочно-земельные и соли закиси железа - легко растворимы. То же самое надо сказать и про кислые соли глинозема; соли же полуторных окислов - средние, а также марганцевые и медные - в воде трудно растворимы.
Апокреновая кислота («осадочно-ключевая» кислота) - несколько менее растворима в воде, чем креновая. Ее соли («апокренаты») щелочей и закиси железа - легко растворимы в воде; соли щелочно-земельных оснований - несколько труднее; соли полуторных окислов, марганцевые и медные соли - трудно растворимы.
На описанных свойствах компонентов почвенного гумуса основаны и существующие методы их раздельного получения.
Представление о гумусе как комплексе различных, определенного состава кислот и их солей поддерживается и рядом современных исследователей. Так, Sven-Oden различает в составе почвенного гумуса следующие соединения:
Гумусовые угли (соответствуют ульмину и гумину прежних авторов). Представляют собою ангидриды «гумусовой» и гиматомелановой кислот. В воде не растворимы и не дают коллоидных растворов. Облагают черным или темнобурым цветом.
Гумусовая кислота; соответствует гуминовой кислоте прежних авторов, со всеми ее свойствами (весьма мало растворима в воде и в алкоголе; все ее соли, кроме щелочных, также не растворимы; может давать с водой коллоидные растворы; кислота - черно-бурого цвета).
Гиматомелановая кислота; соответствует ульминовой кислоте прежних авторов. Бурого цвета. Близка по свойствам к гумусовой кислоте, но растворима в алкоголе. С водой дает коллоидные растворы.
Фульвокислоты, соответствуют креповой и апокреновой кислотам прежних авторов. Легко растворимы в воде, как и большинство их солей. Окрашены в желтый цвет.
Таким образом, Sven-Oden на основании своих исследований признает, что гумусовые вещества почвы действительно представляют собой определенные химические соединения (кислоты и их производные), но частично, находясь в коллоидном состоянии, могут давать и так называемые «поглотительные соединения».
Параллельно с попытками выяснить самое природу компонентов, составляющих гумусовое вещество почвы, уже с давних пор шла деятельная исследовательская работа по выяснению внутренней структуры этого сложного комплекса. Особенное внимание привлекал к себе вопрос о характере и прочности связи с «ядром» гумуса зольных веществ и азотистых его соединений.
На основании одних работ можно думать, что органо-минеральные соединения, входящие в состав почвенного перегноя, представляют собою простые и двойные соли гумусовых кислот, где зольные вещества связаны с органическими подобно связи оснований с кислотами, подчиняясь, таким образом, законам простых химических реакций (Schiibler, Mulder, Pitch). С другой стороны, имеются данные, свидетельствующие о том, что зольные вещества заключены в гумусе гораздо более прочно и не могут быть извлечены полностью из последнего путем обработки его обычными методами, а лишь после полного его разрушения (например, сжиганием) На это мы имеем указания еще у прежних авторов. Так, например, Pодзянко, после многократно-повторного осаждения гумуса и обработки его 30% соляной кислотой, все же нашла в нем около 1,5% золы. Все эти исследования дают основание думать, что минеральные вещества присутствуют в самой молекуле перегнойного комплекса.
По мнению ряда ученых (Густавсон), гумусовое вещество содержит, кроме кислотных водных остатков, и спиртовые, водород которых может быть замещен металлами со слабым кислотным характером (железом, алюминием). В золе гумусового вещества находятся в значительном количестве именно эти многоатомные металлы, и они могут являться связующими звеньями между остальной минеральной частью минерального соединения (Р2О5, SiO2, частью насыщенные другими основаниями) и органическими веществами. Подобное соединение не должно разлагаться щелочами, ибо водород спиртовых водных остатков не может, как известно, замещаться радикалами с щелочным характером.
Далее, работы Hoppe-Seyler, показавшие, что перегнойные вещества с едкой щелочью и водой при нагревании до 200° С дают протокатехиновую кислоту (одна из диоксибензойных кислот), наводят на мысль, что в перегнойном комплексе имеются фенольные водные остатки (подтверждается последними исследованиями - F. Fisсhеr).
Reinitzer, констатировав способность гуминовой кислоты восстановлять фелингову жидкость, склоняется к мысли, что в ней присутствует и альдегидная группа, или гидроксильная, как в феноле, или та и другая. Есть определенные указания на наличие в составе гуминовой кислоты карбоксильных групп. Леваковский, П. Слезкин, С. Кравков считают, что связь в гумусе между органической и минеральной частями такая же прочная, какая существует и в свежем растительном веществе, и что часть своих зольных частей тумус получает как бы «в наследство» от гумусообразователя. С этой точки зрения зольные вещества гумуса входят в самое молекулу органического вещества, и гумусовый комплекс поступает в почву из отмирающих растительных (и животных) остатков до некоторой степени в «готовом» уже виде, т. е. не в виде чисто органического, а минерально-органического вещества, как бы заканчивающего позднее, при поступлении своем в почву, свое окончательное формирование путем присоединения ряда других зольных элементов уже из почвы. Некоторое подтверждение этого взгляда мы находим в позднейших работах Б. Одинцова и Gartner, получавших из разлагающихся растительных остатков экстракты, весьма сходные по составу своему и свойствам с почвенным перегноем.
Большое количество исследований посвящено было и более частному вопросу - в какой форме находится в почвенном перегное азот. Есть данные, не оставляющие сомнений в том, что частично этот элемент представлен в гумусе в виде аммиачных соединений, что доказывается возможностью удаления этих соединений путем кипячения перегнойных веществ с едкими щелочами и повторного осаждения кислотами. Tенар, из сильно перепревшего навоза извлек кислоту, которая после 10-кратного растворения в KHO и осаждения кис нотой не понизила содержания азота; отсюда автор сделал заключение, что этот азот не аммиачный, а принадлежит частице самой кислоты и может быть вытеснен оттуда лишь при полном разрушении вещества, например, при сплавлении с едкой щелочью и т. п. Исследования целого ряда других ученых также констатировали присутствие в почвенном гумусе каких-то - ближе не исследованных - весьма прочных азотистых соединений. Работы Berthelot, Andrе показали, что азот в почвенном перегное находится в известной своей части в виде амидов и аминокислот. Вместе с тем опыты последнего из названных нами авторов показали, что, кроме амидного и аминокислотного (и аммиачного) азота, почвенный перегной содержит в себе некоторое (от 20 до 66% к общему количеству азота) количество этого элементами еще в какой-то форме (в какой именно, осталось невыясненным), не разлагаемой ни щелочами ни азотистой кислотой. Некоторые исследователи считают эту прочную азотистую часть гумуса за остатки веществ животного происхождения (кератин, хинин и др.). Покойный П. Костычев считал эти азотистые вещества входящими в состав живых бактерий и грибков, живущих на почвенном перегное. Существует предположение (Демьянов), что в гумусе имеются белковые вещества, но не в свободном виде (в каковом они обладают непрочностью и легкой разлагаемостью - и от химических реактивов и под влиянием ферментов), а в более прочном соединении с другими веществами кислотного характера, например, с дубильной и фосфорной кислотами и, наконец, с безазотистыми гумусовыми кислотами или с дегидратированной васкулезой. Есть большие основания заподозрить присутствие в почвенном гумусе азота, принадлежащего, нуклеинам, нуклеопротеидам, лецитину и т. п. Наличность белка в почвенном перегное подтверждается работами А. Шмука.
Te успехи, которых достигла, особенно за последние годы, коллоидная химия, не могли не найти себе отражения в некоторых положениях почвоведения и в частности не могли не сыграть существенной роли и в выяснении истинной природы гумусовых веществ. Работы van Bemmelen, Fischer, Ehrenber g, выдающиеся исследования русского ученого K. Гедройца дают нам в настоящее время возможность рассматривать гумусовые вещества почвы как соединения, в известной своей части находящиеся в коллоидном состоянии. К этому нас приводит изучение целого ряда тех своеобразных свойств, коими обладают эти вещества. Так, способность их свертываться из растворов под влиянием кислот и солей, мороза и электрического тока, сильнейшее поглощение ими воды и - как следствие этого - сильнейшая способность набухания, а после высыхания сильнейшее уменьшение в объеме, очень слабая электролитическая проводимость, подчинение претерпеваемых гумусовыми веществами превращений - законам поверхностного натяжения, а не стехиометрическим законам, способность перегнойных веществ осаждать золи противоположно заряженных коллоидов, способность образования комплексных смесей и сложных продуктов присоединения и пр. - все это подтверждает, что в лице перегнойных веществ мы видим сложный комплекс соединений, находящихся в известной своей части в коллоидном состоянии.
С этой точки зрения некоторые из рассмотренных выше свойств гумусовых веществ должны рисоваться нам несколько в ином виде. Так, зольная, например, часть перегнойных веществ должна рассматриваться не как какое-нибудь определенное химическое соединение, а как «поглотительное соединение»; растворы гумусовых веществ в щелочах должны представлять собою не истинные растворы, а псевдорастворьц осаждающее действие на гумусовые вещества двузначных и трехзначных катионов (Ca++, Mg++, Al+++, Fe+++) - как процесс коагуляции, свертывания, образования гелей и пр. Согласно данным В. Геммерлинга, дисперсность перегнойных веществ возрастает параллельно степени окисления их и параллельно их активности. С этой точки зрения наименее дисперсными телами В. Геммерлинг считает гумин и ульмин, а наиболее дисперсными - креповую и апокреновую кислоты.
В работах Baumann и Gully вышеизложенные взгляды van Bemmelenn др. нашли себе, однако, крайнее выражение; упомянутые авторы старались доказать, что гумусовые кислоты вообще никогда не образуют настоящих солей, что все соединения, которые были описываемы как соли, в действительности не обладают ни постоянством состава ни способностью к ионным реакциям, являясь исключительно «поглотительными (адсорбционными) соединениями». Взгляды эти мы должны в настоящее время считать утрированными, ибо в,коллоидном состоянии может находиться в почве, как мы указали выше, лишь часть гумусовых веществ; кроме того, необходимо отметить, что коллоидальное состояние материи отнюдь не исключает способности вещества вступать в химические реакции.
На основании целого ряда позднейших исследований, приходится считать, что ни одна из упомянутых выше «кислот» не представляет собой определенного химического индивидуума, а является, взятая каждая в отдельности, сложным комплексом различных соединений. С этой точки зрения и существующие методы разделения почвенного гумуса на упомянутые выше компоненты приходится считать условными, понимая под словом «гуминовая», «креповая» и «апокреновая» кислоты лишь совокупность однородных по своим физическим и химическим свойствам комплексов.
На это мы имеем указания еще прежних авторов (Post, Muller, Reinitze г, Berthelot и др.), констатировавших в составе органической части почв существование целого ряда самых разнообразных органических соединений (смолы и жиры, глицерин, нуклеины, альдегиды и мн. др.); HO данное положение получило особо веское обоснование после работ американских ученых (Schreiner и Shorey и др.). Последние в целях изучения состава и свойств перегнойных соединений применили к различным американским почвам целый ряд самых разнообразных реактивов - в целях извлечения из почв возможно более разнообразных групп органических соединений, могущих находиться в гумусе этих почв. В качестве растворителей ими с этой целью применялись едкая щелочь, минеральные кислоты, спирт, петролейный и этиловый эфир и др. Чтобы показать, сколь разнообразные группы органических соединений удалось американским исследователям констатировать в составе органической части почв, мы приведем их перечень (ограничимся лишь главнейшими представителями).
Из кислот найдены были: монооксистеариновая, диоксистеариновая, парафиновая, лигноцериновая, агроцериновая, щавелевая, янтарная, кротоновая и другие кислоты.
Из углеводов найдены были: пентозаны, гексоза и др.
Из углеводородов: энтриаконтан.
Из алкоголей: фитостероль (из группы холестериновых веществ), агростероль, маннит и др.
Из эфиров: эфиры смоляных кислот, глицериды каприновой и олеиновой кислот и др.
Из азотистых веществ: триметиламин, холин.
Диаминокислоты: лизин, аргинин, гистидин и др.
Цитозин, ксантин, гипоксантин, креатин.
Пиколинкарбоновая и нуклеиновая кислоты.
Кроме упомянутых соединений, во многих почвах были выделены бензойная кислота, ванилин и мн. др.
Из всех перечисленных веществ в гуминовой кислоте (т. е. в осадке, образовавшемся при обработке щелочного экстракта соляной кислотой) преобладали; эфиры смоляных кислот, смоляные кислоты, глицериды жирных кислот, агростерин, фитостерин, агроцериновая, лигноцериновая, парафиновая кислоты и др.; в составе же креновой и апокреновой кислот (т. е. в кислом фильтрате от упомянутого выше осадка) констатированы были: пентозаны, ксантин, гипоксантин, цитозин, гистидин, аргинин, диоксистеариновая и пиколинкарбоновая кислоты и др.
Интересно отметить, что при многократной обработке почв едкой щелочью (2%) в последних все же оставалось значительное количество каких-то органических соединений, не переходящих в раствор («гумин» и «ульмин» прежних авторов).
Конечно, сомневаться в том, что так называемая гуминовая, креповая и апокреновая кислоты не представляют собою каких-либо определенных химических индивидуумов, а являются каждая в отдельности смесью разнообразных органических соединений, ныне не приходится. Однако упомянутые выше работы американских исследователей ни в какой мере проблемы, связанной с выяснением состава гумуса, не разрешают, ибо остается неясным, определяли ли они все перечисленные выше вещества в органической части исследованных почв вообще или же именно в перегнойной части их состава (вспомним то разграничение этих двух понятий, которое мы сделали выше). Скорее приходится предположить, что все выделенные выше из почв органические соединения представляют собою компоненты вообще органической части почв; но какие из них входят в состав именно почвенного перегноя, остается невыясненным. Самый же факт наличия в почвах всех тех органических соединений, которые входят в состав растительных и животных остатков, a также присутствие в них разнообразных промежуточных форм распада этих соединений, конечно, не могут подлежать никакому сомнению. Поэтому исследования, произведенные американскими учеными, едва ли подвигают нас вперед в разрешении вопроса о составе и свойствах того органо-минерального почвенного новообразования, которое мы называем гумусом. В лучшем случае они дают нам в руки лишний аргумент - подозревать химическую сложность и разнообразие тех комплексов, которые условно нами объединяются словами «гуминовая», «креповая» и пр. кислоты.
В виду того что до сих пор не найдены еще методы, помощью которых мы могли бы выделять из почвы гумусовые вещества в чистом виде и тем самым их индивидуализировать, высказанные нами сейчас соображения могут быть применены в большей или меньшей степени и ко всем другим исследованиям и работам, которые стремятся так или иначе расшифровать состав и свойства почвенного гумуса путем попыток выделения последнего из почвы, ибо у нас никогда не может быть уверенности в том, имеем ли мы дело действительно с гумусовыми веществами почвы или перед нами лишь разнообразные реликты тех органических соединений, которые входили в состав отмерших растительных и животных остатков и которые мы должны признать преходящими соединениями вообще органической части этой почвы.
He лишено основания и предположение - не являются ли все определяемые этим методом органические соединения своего рода новообразованиями, получающимися в самом процессе обработки исследуемых почв теми или иными применяемыми реактивами (щелочью, спиртом и пр.). Наконец, нельзя не указать и на то, что состав гумуса различных почв, конечно, весьма различен (в зависимости от состава отмирающей растительности, от климатических условий, от физико-механического и химического состава минеральной части почв и т. д.). Поэтому стремление выяснить состав и свойства почвенного гумуса упомянутым выше путем встречает, несомненно, чрезвычайно много затруднений, давая нам в каждом отдельном случае условные частные представления о получаемых данных.
Все высказанные сейчас соображения могут быть вполне приложимы как и указано нами выше, и к тем новейшим попыткам, которые сделаны за последнее время рядом исследователей в области изыскания методов выделения из почвенной массы гумусовых веществ. Особенное внимание привлекает в настоящее время метод изолирования гумусовых веществ почвы приемом обработки последней ацетилбромидом (CH3COOBr) - метод, предложенный Karrer и, Boding-Wieger и широко использованный Springer. Ацетилбромид, как показали соответствующие исследования, переводит в раствор все органические вещества почвы еще не гумифицировавшихся растительных остатков и почти не затрагивает гумусовых веществ почвы, что, казалось бы, открывает широкие возможности для последующего непосредственного исследования и анализа этих последних. Однако метод этот слишком мало еще изучен и мало проверен, почему приходится пока воздерживаться от каких-либо определенных суждений. Тем более приложимо сказанное по отношению к другим предложенным за последнее время попыткам выделения из почвы гумусовых веществ - к методам, например, обработки почвы перекисью водорода, пиридином и др. Все эти методы мы должны признать столь же условными и спорными, как и вышерассмотренный метод, применявшийся Schreiner и Shorey, вследствие чего и все соображения и положения, выдвигаемые упомянутыми выше исследователями о составе и свойствах гумусовых веществ почвы, возбуждают целый ряд неразрешимых сомнений.
В виду этого мы не считаем возможным излагать в настоящем курсе все те высказываемые упомянутыми выше авторами взгляды по вопросам о составе, структуре и свойствах гумусовых веществ, как базирующиеся на ненадежных и условных основаниях.
Уже с давних пор делались попытки применить к суждению о составе и свойствах гумусовых веществ иной метод, а именно метод синтетический, или, правильнее говоря, метод генетический, т. е. метод искусственного получения перегнойных веществ (со всеми характерными для них свойствами) из определенных химических индивидуумов при подробном изучении всех тех промежуточных этапов, которые проходят данные индивидуумы на этом пути. Путь генетического изучения гумуса мы должны признать, несомненно, более плодотворным и могущим скорее дать нам в руки ключ к разрешению вопросов, связанных с происхождением, составом и свойствами этого сложного комплекса.
На этом пути можно использовать два метода: или стараться искусственно получать сходные с гумусовыми веществами соединения путем о б-работки теми или другими реактивами различных наиболее распространенных в растительном теле органических соединений. Этот путь был широко использован в работах прежних исследователей (особенно много было произведено таких экспериментов с углеводами помощью обработки их крепкими минеральными кислотами). Или же, в целях избежать применения таких «насильственных» приемов гумификации изучаемых объектов, можно итти иным методом, а именно: ставя те или иные химические индивидуумы (белки, углеводы и пр.) и их комбинации в различные условия их разложения (при различной температуре, при различных условиях аэрации и увлажнения, с участием биологических факторов и без них и т. д.), стараться исследовать, какие из изучаемых объектов и при каких условиях могут превращаться в сходные с гумусом вещества и какие - нет, а изучая промежуточные этапы, проходимые этими объектами на пути окончательного формирования гумуса, стараться проникнуть и в самую сущность совершающихся при этом химических превращений. Этот путь мы должны признать и более естественным и более продуктивным.
Первым вопросом общего порядка, вытекающим из такой постановки интересующей нас проблемы, являемся следующий: какие именно составные части отмирающих растительных и животных остатков принимают непосредственное участие в построении гумуса? Другими словами: какие из этих, составных частей мы должны считать «первоисточниками» вещественного состава гумуса? Одни исследователи, исходя из теоретических предпосылок, что в построении перегноя должны принимать участие лишь те из составных частей растений (и животных), которые обладают сравнительной стойкостью и прочностью при процессах их разложения, делают предположение, что главным источником гумусообразования являются клетчатка, инкрустирующие вещества, лигнин, гумми, дубильные вещества и т. п. Другие же составные части растительных остатков (белки и т. п.) при процессах своего распада настолько легко и быстро разлагаются в почве до конечных продуктов (CO2, H2O и пр.), что, по мнению этих исследователей, не могут фиксироваться в почвенной массе и тем самым не могут принимать участия в синтезе того прочного и устойчивого комплекса, каковым является гумус. Другие исследователи выдвигают иную точку зрения, являющуюся до некоторой степени противоположной только что изложенной, а именно что в формировании почвенного гумуса ближайшее и непосредственное участие принимают, наоборот, наиболее подвижные и в частности лишь растворимые в воде продукты разложения отмирающих органических остатков (Леваковский, Hoppe-Seyler, Слезкин, Кравков).
На основании работ этих исследователей можно видеть, что атмосферная вода даже и из свежих, т. е. не подвергавшихся еще никаким процессам разложения, растительных остатков в состоянии вымывать целый ряд как органических, так и зольных соединений, каковые впоследствии, под влиянием различных физико-химических и биохимических агентов, способны бывают превращаться в темные, гумусоподобные вещества. Еще в более, конечно, резком масштабе совершается этот процесс в том случае, когда воде приходится воздействовать на отмершие растительные остатки, уже претерпевшие те или иные стадии распада (случай, с которым главным образом и приходится иметь дело в природных условиях).
Изложенные выше разноречивые суждения о первоисточниках вещественного состава почвенного гумуса мы должны считать в настоящее время потерявшими свою остроту. Ныне не приходится больше сомневаться в том, что, прежде чем превратиться в гумус, всеорганические соединения, несомненно, должны предварительно пройти жидкую фазу. А так как абсолютно стойких и абсолютно неизменяемых органических соединений не существует и все они под влиянием чисто химических или биохимических агентов могут претерпевать различные превращения, в том числе и в сторону увеличения своей подвижности и растворимости (даже лигнин, смолы и дубильные вещества), то приходится признать, что в построении гумусового ядра почвенной массы могут принимать участие вообще все входящие в состав растительных и животных остатков органические соединения. Вопрос сводится лишь к выяснению доли участия каждого из органических соединений в процессе построения этого ядра, а главное, к выяснению тех сложных химических, физико-химических и биохимических взаимодействий, которые совершаются между органическими соединениями и минеральной субстанцией почвы, другими словами - к изучению тех сложных явлений, которые сопровождают самый процесс оформления органо-минерального комплекса, почвенного тела.

Обширные исследования в указанных областях были произведены в нашей лаборатории А. Трусовым. Ставя различные органические соединения - часто на весьма продолжительное время - в различные условия разложения, упомянутый автор сделал, на основании своих экспериментов, следующие основные выводы:
1. Углеводы (клетчатка, гемицеллюлоза, крахмал, сахароза, глюкоза и левулеза) в образовании гумусовых веществ участия, повидимому, не принимают.
2. Масла принимают в этом синтезе лишь самое ограниченное участие.
3. Органические кислоты, гумми, пробку также не приходится причислять к категории гумусообразователей.
4. Главными же «поставщиками» гумусовых веществ почвы являются белки, дубильные вещества, инкрустирующие вещества (лигнин) и различные полифенольные соединения (гидрохинон, орцин, пирогаллол и др.).
5. Белковые вещества на пути своей гумификации претерпевают прежде всего гидролитический распад; в дальнейшем происходят окисление и конденсация продуктов этого гидролиза. Из таких продуктов гидролитического распада белков на образование гумусовых веществ идут пиррольные и бензольные coeдинeния, а из последних - главным образом содержащие фенольную группу, например: индол, скатол, пролин, триптофан, фенилаланин, тирозин и др. Получаются конденсированные, окрашенные в черный и бурый цвет продукты с характером оксихинонов.
6. Гумификация лигнина (инкрустирующих веществ) идет за счет содержащихся в нем фенольных и хинонной групп. Получаются различные уплотненные продукты - опять-таки с характером оксихинонов.
7. Гумификация дубильных веществ - через галловую кислоту, получающуюся в результате гидролиза этих веществ, идет опять-таки до образования уплотненных продуктов с характером оксихинонов; кроме того, получаются танномеланиновая кислота, пирогаллол, пурпурогаллин и др.
8. Приблизительно те же продукты получаются и при гумификации полифенольных соединений, входящих в состав растительных остатков.
Гумификация всех перечисленных выше органических соединений происходит в почве под влиянием самых разнообразных как биологических, так и химических факторов.
Подводя все процессы гумификации под одну общую схему, можно, таким образом, сказать, что первым этапом этих процессов является гидролитический распад разнообразных углеродистых соединений, т. е. распад сложной углеродистой цепи на более простые части.
Второй этап в формировании гумусовых веществ выражается в энергичной потере воды и в явлениях внутреннего уплотнения.
А. Трусовым, как мы видим, была нарисована лишь общая схема интересующих нас процессов. В самое последнее время синтетический (генетический) путь изучения гумусовых веществ почвы был широко использован американским исследователем Waksman.
Исходя из соображения, что различные органические соединения, входящие в состав отмерших растительных и животных остатков, обладают различной степенью устойчивости против разрушающего действия микробов и различной степенью своей химической подвижности и реактивности, а следовательно, и различной степенью возможного участия, в синтезе того сравнительно стойкого комплекса, каковым является почвенный гумус, Waksman, разработав соответствующую методику, делит все встречающиеся в растительных веществах органические соединения на ряд фракций, объединяемых некоторыми общими свойствами.
1. Если то или другое растительное вещество (торф и т. п.) подвергнуть прежде всего экстрагированию эфиром, то в раствор переходят; эфирные и жирные масла, часть воскообразных и смолистых веществ и др. Эта группа соединений должна быть охарактеризована как обладающая большой сопротивляемостью разлагающему действию микроорганизмов и как таковая может, таким образом, принять в мало измененном виде участие в образовании того сравнительно прочного комплекса, каковым является почвенный гумус.
2. Воздействуя на остаток, после обработки его эфиром, водой (сначала холодной, потом горячей), мы способствуем переходу в раствор различных сахаров (глюкоза, манноза, пентоза и др.), аминокислот, некоторых растворимых протеинов, некоторых органических кислот (виннокаменной, уксусной, арабановой, малоновой и др.), спиртов (маннит и др.), некоторого количества крахмала, дубильных веществ и т. п. Эта группа веществ, за исключением дубильных соединений, наоборот, может быть охарактеризована как весьма легко поддающаяся разложению под влиянием микроорганизмов (бактерий и грибков), почему, быстро подвергаясь в почве разрушению, не служит непосредственным источником построения гумусового комплекса.
3. Воздействуя, далее, на остаток анализируемого вещества кипящим "95° спиртом, мы переводим в раствор некоторые смолы и воски, алкалоиды, хлорофилл и другие пигменты, таннин, холин, высшие спирты (инозит) и др. Вся этa фракция должна быть охарактеризована как обладающая большой стойкостью и сопротивляемостью разлагающему действию микроорганизмов и, следовательно, может как таковая в своем мало измененном виде находиться в составе почвенного гумуса.
4. Воздействуя на остаток от предыдущей обработки разведенными кипящими кислотами (например, 2% HCl), мы способствуем переведению в раствор гемицеллюлозы («ненастоящая» клетчатка), которая при указанной операции подвергается гидролизу, т. е. переходит в простые углеводы Гемицеллюлозы являются, как известно, ангидридами как гексоз, так и пентоз (в растительном теле весьма распространены производные от последних - так называемые пентозаны).
Обрабатывая остаток от предыдущей операции концентрированными кислотами (80% H2SO4 и 42% HCl), мы переводим в раствор целлюлозу («настоящую» клетчатку) - сложный ангидрид глюкозы.
Как целлюлоза, так и гемицеллюлозы являются одной из главнейших составных частей сухого вещества растительных остатков.
Хотя со стороны химической обе упомянутые группы органических соединений должны быть, таким образом, охарактеризованы как весьма прочные и устойчивые соединения, тем не менее под влиянием деятельности особых микроорганизмов, выделяющих гидролизующие ферменты, они подвергаются в почве довольно быстрому и полному разложению, что делает весьма сомнительным их присутствие в составе почвенного гумуса.
5. Остаток от предыдущих всех операций дает нам возможность определить так называемый лигнин (инкрустирующие вещества, являющиеся необходимой составной частью клеточных стенок растений). Химическая природа лигнина является невыясненной. Понятие это сборное, включающее в себя комплекс различных соединений, не поддающихся гидролизу даже под влиянием таких концентрированных кислот, как упомянутые выше 80% H2SO4 и 42% HCl. Большая его устойчивость против разрушающего действия микробов дает право считать его одним из обычных компонентов почвенного гумуса.
6. Группа азотсодержащих соединений играет исключительно важную роль в жизни растений и животных, входя в качестве неотъемлемой части в состав плазмы клеток. Эта группа многочисленна и разнообразна по своим свойствам. Часть этих соединений растворима в воде (см. выше: растворимые протеины, аминокислоты и др.); другая часть легко гидролизуется при воздействии кипящих разведенных кислот (собственно протеины) и тогда дает воднорастворимые соединения; третья часть гидролизуется лишь при воздействии концентрированных кислот и т. д.
С этой точки зрения группу азотистых органических соединений надо признать весьма различной - по степени устойчивости и разлагаемости отдельных ее представителей, а следовательно, и по степени участия в образовании гумусового комплекса.
Кроме упомянутых выше различных органических соединений, мы всегда наблюдаем в составе тела отмирающих растений и животных различное количество самых разнообразных и минеральных (зольных) веществ. Все эти многообразные соединения, попадая в процессе почвообразовани в различные горизонты выветривающейся горной породы, претерпевают различную судьбу: одни из них, делаясь достоянием микробов, быстро разрушаются и разлагаются, другие претерпевают ряд сложных явлений взаимодействия с минеральными составными частями почвы, одним из результатов которых является тот сравнительно стойкий и прочный органоминеральный комплекс, который носит название гумуса. Эти явления взаимодействия сложны и многообразны: здесь имеют место и чисто химические реакции между составными частями выветривающейся породы и теми растворимыми продуктами разложения органических остатков, которые подвергаются систематическому выщелачиванию из последних атмосферными осадками, и явления микробиологического порядка, заключающиеся в многообразных процессах распада органических соединений и упрощения их состава, а с другой стороны, и обратного синтеза образующихся продуктов в теле микроорганизмов в процессе их питания с образованием новых сложных органических веществ, и, наконец, явления физикохимические, связанные с коллоидальным состоянием взаимодействующих веществ и приводящие к образованию в почве особых «адсорбционных соединений».
Основываясь на том, что из всех органических соединений, входящих в состав растительных остатков, наибольшей устойчивостью против разлагающего действия микробов обладает лигнин; с другой стороны, констатировав тот факт, что в процессе разложения этих остатков происходит накопление протеиновых (и других азотистых) комплексов и, далее, что во всех анализированных автором почвах упомянутые сейчас вещества составляли до 80% всего органического вещества этих почв и т. д., - Waksman делает предположение, что почвенный гумус состоит из основного и сложного комплекса - ядра, включающего в себя фракции главным образом лигнина и протеина, находящихся между собой в тесном химическом соединении.
Это основное ядро сопровождается рядом других веществ, которые или остались от разложения растительных и животных остатков, или были синтезированы благодаря жизнедеятельности микроорганизмов.
Среди этих второстепенных составных частей почвенного гумуса имеются некоторые жиры и воска, гемицеллюлозы, высшие спирты, органические кислоты и др. В упомянутых выше почвах, анализированных Waksmаn, органическое вещество содержит действительно только около 16% нерастворимых в воде углеводов (целлюлоза, гемицеллюлоза и др.) и всего лишь 2,5-3% веществ, растворимых в эфире и спирте, между тем как на сумму протеина и лигнина приходилось до 80% всего органического вещества этих почв.
Принимая во внимание, что фракция протеина, попадающая в почву с растительными и животными остатками, а также образующаяся в ней в процессе синтезирующей жизнедеятельности микробов, может вариировать по своему химическому составу и что группа лигнина также может представлять собою комплекс значительно разнящихся между собой соединений, ясно, что внутренняя конституция лигнино-протеинового ядра в различных почвах, образующихся и развивающихся в различных условиях, может значительно между собою вариировать.
Waksman удалось в лабораторной обстановке искусственно синтезировать этот лигнино-протеиновый комплекс. Последний оказался, по общей сумме своих свойств, резко отличным от свойств отдельных входящих в его состав компонентов - лигнина и протеина - и вместе с тем приобрел все те химические, физико-химические и биологические свойства, которые мы вообще считаем характерными для гумуса (или, правильнее говоря, для той его части, которая носит название гуминовой кислоты): растворимость в щелочах и последующую осаждаемость кислотами, темный цвет, устойчивость против разлагающего действия микробов (протеиновые вещества, обычно легко поддающиеся разлагающему действию микроорганизмов, в результате своего взаимодействия с лигнином приобретают, как оказалось, большую устойчивость).
Waksman удалось далее получать искусственные соединения «лигнино-протеинового» комплекса с различными основаниями (Ca, Mg, Fe, Al), притом методами, сходными с теми, которые обычно применяются для получения различных солей гуминовой кислоты; эти исследования при дальнейшей их разработке могут внести некоторую ясность в познание той связи, которая существует между органическим ядром и зольными элементами почвенного гумуса. Между прочим было установлено, что лигнино-протеиновый комплекс облад

I. Развитие представлений о возникновении жизни на Земле.

1. Основные идеи, объясняющие происхождение жизни на нашей планете:

  • Жизнь на земле создана богом.
  • Живое на планете неоднократно самозарождалось из неживого.
  • Жизнь существовала всегда.

*Биогенез – эмпирическое обобщение (в сер.XIXв.), утверждающее, что все

живое происходит только из живого.

  • Жизнь на землю занесена извне (например, с других планет).

*Гипотеза панспермии (предложена Г.Рихтером в 1865 г. и сформулирована С.Аррениусом в 1895г.)

  • Жизнь возникла в определенный период развития Земли как следствие биохимической эволюции. Теория абиогенеза (коацерватная теория А.И.Опарина).

2. Сущность и значение работ Франческо Реди (1626-1698), Луи Пастера(1822-1895).

II. Основные свойства живых систем (критерии живого):

  • сложность и высокая степень организации
  • единство химического состава
  • дискретность
  • обмен веществ (метаболизм)
  • саморегуляция (авторегуляция → гомеостаз)
  • раздражимость
  • изменчивость
  • наследственность
  • самовоспроизведение (репродукция)
  • развитие (онтогенез и филогенез)
  • открытость
  • энергозависимость
  • ритмичность
  • способность к адаптации
  • единый принцип структурной организации – клетка*

III. Современные представления о происхождении жизни на Земле, основанные

на теории абиогенеза.

Выводы:

1 – биологической эволюции предшествовала длительная химическая эволюция (абиогенная );

2 - возникновение жизни - это этап эволюции материи во вселенной;

3 – закономерность основных этапов возникновения жизни может быть проверена экспериментально в лаборатории и выражена в виде следующей схемы:

атомы → простые молекулы → макромолекулы →

ультрамолекулярные системы (пробионты) → одноклеточные организмы;

4 – первичная атмосфера Земли имела восстановительный характер (СН 4 , NH 3 ,Н 2 О, Н 2) , в силу этого первые организмы были гетеротрофами ;

5 – дарвинские принципы естественного отбора и выживания наиболее приспособленных

можно перенести на предбиологические системы;

6 – в настоящее время живое происходит только от живого (биогенно). Возможность

повторного возникновения жизни на Земле исключена.

I. Неорганическая эволюция и условия возникновения жизни на Земле.

1. Возникновение атомов химических элементов – начальный этап неорганической эволюции.

В глубинах Солнца и звезд, в плазме происходит образование сложных ядер из простейших. Материя находится в непрерывном движении и развитии.

Планета Земля сформировалась 4,5 – 7 млрд. лет назад (газово–пылевое облако).

Появление твердой коры (геологический возраст ) 4 – 4,5 млрд. лет назад

Образование простейших неорганических соединений.

С, Н, О, N, F (биогенные элементы) широко распространены в космосе и имели большую возможность реагировать между собой, чему способствовали электромагнитные излучения и тепло.

Первичная атмосфера Земли имела восстановительный характер: СН 4 , NH 3 ,Н 2 О, Н 2.

Состав первичной литосферы: Al, Ca, Fe, Mg, Na, K и др.

Первичная гидросфера: менее 0,1 объема воды сегодняшних океанов, pH =8-9.

Образование простейших органических соединений.

Этот этап связан со специфической валентностью углерода – главного носителя органической жизни, его способностью к соединению почти со всеми элементами, к образованию цепей и циклов, с его каталитической активностью и другими свойствами.

Органическим молекулам свойственна зеркальная изомерия , т.е. они могут существовать в двух структурных формах, схожих и вместе с тем отличных друг от друга. Эта особенность молекул существовать в двух зеркальных формах называется хиральность . К числу органических веществ, обладающих ею, принадлежат и молекулярные «кирпичики» живого – аминокислоты и сахара. Им присуща абсолютная хиральная чистота: белки содержат только «левые» аминокислоты, а нуклеиновые кислоты – только «правые» сахара. Это важнейшая черта, отличающая живое от неживого. Неживой природе присуща тенденция к установлению зеркальной симметрии (рацемизации) – равновесию между левыми и правыми. Нарушение зеркальной симметрии – предпосылка возникновения жизни.

4. Абиогенный синтез биополимеров – белков и нуклеиновых кислот.

Комплекс условий : достаточно высокая температура поверхности планеты, активная вулканическая деятельность, газовые электрические разряды, ультрафиолетовое излучение.

Адсорбируясь на илистом дне пересыхающих морских лагун, различные мономеры подвергались полимеризации, конденсации, дегидратации под действием энергии Солнца. Происходило обогащение океана полимерами, образование «первичного бульона», формирование коацерват.

Коацерваты – сгустки высокомолекулярных соединений, способные адсорбировать различные вещества. В них осмотически могут поступать из окружающей среды химические соединения и идти синтез новых соединений. Коацерваты действуют как открытые системы , способные к обмену веществ и росту . Возможно механическое дробление .

II. Переход от химической эволюции к биологической.

А.И.Опарин (1894-1980) предположил, что переход от химической эволюции к биологической связан с возникновением простейших фазовообособленных органических систем – пробионтов , способных использовать из окружающей среды вещества (обмен веществ ) и энергию и на этой основе осуществлять важнейшие жизненные функции – расти и подвергаться естественному отбору.

Подлинное начало биологической эволюции ознаменовано возникновением пробионтов с кодовыми отношениями между белками и нуклеиновыми кислотами . Взаимодействие белков и нуклеиновых кислот обусловило возникновение таких свойств живого как самовоспроизведение, сохранение наследственной информации и ее передача последующим поколениям . Вероятно, на более ранних этапах преджизни существовали независимые друг от друга молекулярные системы полипептидов и полинуклеотидов. В результате их объединения способность к самовоспроизводству нуклеиновых кислот дополнилось каталитической активностью белков.

Не будем загонять себя в строгие рамки с самого начала и опишем термин максимально просто: процессом окисления органических веществ (органики; это, например, белки, жиры и углеводы) называется реакция, в результате которой увеличивается объём кислорода (O2) и уменьшается объём водорода (H2).

Органические вещества – это различные химические соединения, у которых в состав входит (С). Исключение составляют угольная кислота (H2CO3), карбиды (например, карборунд SiC, цементит Fe3C), карбонаты (к примеру, кальцит CaCO3, магнезит MgCO3), оксиды углерода, цианиды (такие как KCN, AgCN). Органические вещества вступают во взаимодействие с наиболее известным окислителем, кислородом O2, при этом образуя воду H2O и углекислый газ CO2.

Процесс окисления органических веществ

Если рассуждать логически, то раз процесс полного окисления – это горение, то процесс неполного – это окисление органики, потому что при таком воздействии происходит не воспламенение вещества, а лишь его нагревание (сопровождающееся выделением определённого количества энергии в виде АТФ – аденозинтрифосфата – и теплоты Q).

Реакция органического окисления не слишком замысловата, поэтому её начинают разбирать ещё в начале курса химии, и ученики быстро усваивают информацию, если, конечно, прикладывают хоть какие-нибудь усилия. Мы уже узнали, что это за процесс, и теперь предстоит вникнуть в саму суть дела. Итак, каким образом протекает реакция и что из себя представляет?

Окисление органического вещества – это своего рода переход, превращение одного класса соединений в другой. Например, весь процесс начинается с окисления насыщенного углеводорода и его превращения в ненасыщенный, затем полученное вещество окисляется до образования спирта; спирт, в свою очередь, образует альдегид, из альдегида «вытекает» карбоновая кислота. В результате всей процедуры мы получаем углекислый газ (при записи уравнения не забываем поставить соответствующую стрелочку ) и воду.

Это окислительно-восстановительная реакция, причём в большинстве случаев органическое вещество проявляет восстановительные свойства, а само окисляется. Для каждого задействованного элемента определена своя классификация – он либо восстановитель, либо окислитель, и мы даём название, исходя из результата ОВР.

Способность органических веществ к окислению

Теперь мы знаем, что в процессе ОВР (окислительно-восстановительной реакции) принимают участие окислитель, забирающий электроны и имеющий отрицательный заряд, и восстановитель, отдающий электроны и имеющий положительный заряд. Однако не каждое вещество может вступать в процесс, который мы с вами рассматриваем. Чтобы было проще понять, рассмотрим по пунктам.

Соединения не окисляются:

  • Алканы – по-другому называются парафины или насыщенные углеводороды (например, метан, имеющий формулу CH4);
  • Арены – это ароматические органические соединения. Среди них не окисляется бензол (по идее эту реакцию можно провести, но путём нескольких долгих шагов; самостоятельно окисление бензола не произвести);
  • Третичные спирты – это спирт, у которого гидроксогруппа OH связывается с третичным атомом углерода;
  • Фенол – по-другому называется карболовая кислота и в химии записывается в виде формулы C6H5OH.

Примеры органических веществ, способных к окислению:

  • Алкены;
  • Алкины (в результате мы проследим образование альдегида, карбоновой кислоты или кетона);
  • Алкадиены (образуются либо многоатомные спирты, либо кислоты);
  • Циклоалканы (при наличии катализатора образуется дикарбоновая кислота);
  • Арены (до бензойной кислоты могут окисляться любые вещества, которые имеют схожее с бензолом строение, то есть его гомологи);
  • Первичные, вторичные спирты;
  • Альдегиды (имеют способность окисляться то карбонов);
  • Амины (при окислении происходит образование одного или нескольких соединений с нитрогруппойNO2).

Окисление органических веществ в клетке организмов растений, животных и человека

Это наиболее важный вопрос не только для тех людей, которые интересуются химией. Подобного рода знания должен иметь каждый, чтобы сформировать верное представление о разных процессах в природе, о ценности каких-либо веществ в мире и даже о самом себе – человеке.

Из курсов школьной биологии вы, наверное, уже в курсе, что окисление органики играет не последнюю биологическую роль в организме человека. В результате окислительно-восстановительных реакций происходит расщепление БЖУ (белков, жиров, углеводов): в клетках выделяется теплота, АТФ и другие носители энергии, и наше тело всегда обеспечено достаточным запасом для выполнения действий и нормального функционирования систем органов.

Протекание данного процесса способствует поддержанию постоянной температуры тела в организме не только человека, но и любого другого теплокровного животного, а также помогает регулировать постоянство внутренней среды (это называется гомеостаз), обмен веществ, обеспечивает качественную работу органоидов клетки, органов, а также выполняет ещё множество необходимых функций.

При фотосинтезе растениями поглощается вредный углекислый газ и образуется кислород, необходимый для дыхания.

Биологическое окисление органических веществ может протекать исключительно с использованием различных переносчиков электронов и ферментов (без них данный процесс длился бы невероятно долго).

Роль окисления органики в промышленности

Если говорить о роли окисления органики в промышленности, то это явление применяется в синтезе, в работе уксуснокислых бактерий (при неполном органическом окислении они образовывают ряд новых веществ), а в некоторых случаях с органикой возможно также производство взрывоопасных веществ.

Принципы составления уравнений в органической химии

В химии не обходится без составления уравнения – это своего рода язык данной науки, на котором могут говорить все учёные планеты независимо от национальности и понимать друг друга.

Однако наибольшие трудности вызывает составление уравнений, когда предстоит изучение органической химии.

Для разборки этой темы требуется очень большой промежуток времени, поэтому здесь подобран лишь краткий алгоритм действий для решения цепочки уравнений с некоторыми пояснениями:

  1. Во-первых, мы сразу смотрим, сколько реакций протекает в данном процессе, нумеруем их. Также определяем классы, названия веществ исходных и веществ, которые в итоге образуются;
  2. Во-вторых, необходимо поочерёдно выписать все уравнения и узнать тип их реакций (соединение, разложение, обмен, замещение) и условия.
  3. После этого можно составить электронный балансы, а также не забываем расставлять коэффициенты.

Реакции окисления органических веществ и их конечные продукты образования

Окисление бензола

Даже в самых агрессивных условиях бензол не подвержен окислению. Однако гомологи бензола способны окисляться под воздействием раствора перманганата калия в нейтральной среде до образования бензоата калия.

Если сменить нейтральную среду на кислотную, то гомологи бензола способны окисляться перманганатом или дихроматом калия с итоговым образованием бензойной кислоты.

Формула образование бензойной кислоты

Окисление алкенов

При окислении алкенов неорганическим окислителями конечными продуктами являются так называемые двухатомные спирты — гликогены. Восстановителями в данных реакциях являются атомы углерода.

Наглядный тому пример является химическая реакция раствора перманганата калия в связи с слабой щелочной средой.

Агрессивные условия окисления приводят тому, что углеродная цепь разрушается по двойной связи с итоговыми продуктами образования в виде двух кислот. Причем если среда с повышенным содержанием щелочи образуется две соли. Также продуктами вследствие распада цепи углерода может образовываться кислота и диоксид углерода, а вот в условиях сильной щелочной среды — продуктами окислительной реакции выступают соли карбоната.

Алкены способны окисляться при погружении в кислотную среду дихромата калия по аналогичной схеме приведенной в первых двух примерах.

Окисление алкинов

В отличие от алкенов, алкины окисляются в более агрессивной среде. Разрушение углеродной цепи происходит по тройной связи. Общим свойством с алкенами являются их восстановители в лице атомов углерода.

Продуктами реакции на выходе являются диоксид углерода и кислоты. Помещенный перманганат калия в кислотную среду будет являться окислителем.

Продуктами окисления ацетилена, в случае его погружения в нейтральную среду с перманганатом калия, является оксалат калия.

При смене нейтральной среды на кислотную реакция окисления протекает до образования углекислого газа или щавелевой кислоты.

Окисления альдегидов

Альдегиды легко подвержены окислению благодаря их свойствам быть сильными восстановителями. В качестве окислителей для альдегидов можно выделить как и в предыдущих вариантах перманганат калия с дихроматом калия, а также преимущественно свойственных для альдегидов раствор гидроксиддиамина серебра — OH и гидроксид меди — Cu(OH)2. Важным условием для протекания реакции окисления альдегидов является влияние температуры.

На видео можно видеть как определяют присутствие альдегидов в реакции с гидроксидом меди.

Альдегиды способны окисляться до карбоновых кислот под влиянием гидроксиддиамина серебра в виде раствора с выделением солей аммония. Такая реакция получила название «серебряного зеркала».

Далее на видео продемонстрирована интересную реакцию, которая носит название «серебряное зеркало». Этот опыт протекает во взаимодействии глюкозы, которая является также альдегидом, с раствором аммиаката серебра.

Окисление спиртов

Продукт окисления спиртов зависит от типа атома углерода с которым связана группа OH спирта. Если группа связана первичным атомом углерода, то продуктом окисления будут альдегиды. В случае если OH группа у спирта связана со вторичным атомом углерода, то продуктом окисления являются кетоны.

Альдегиды, в свою очередь образовавшиеся при окислении спиртов, далее могут окисляться до образования кислот. Это достигается путем окисления первичных спиртов дихроматом калия в кислотной среде при кипении альдегида, которые в свою очередь при испарении не успевают окисляться.

При условии избыточного присутствия таких окислителей, как перманганат калия (KMnO4) и дихромат калия (K2Cr2O7) практически в любых условиях первичные спирты способны окисляться с выделением карбоновых кислот, в вторичные спирты в свою очередь — кетонов, примеры реакций которых с продуктами образования рассмотрим ниже.

Этиленгликоль или так называемый двухатомный спирт в зависимости от среды может окисляться с образованием таких продуктов как щавелевая кислота или оксалата калия. Если этиленгликоль находится в растворе перманганата калия с добавлением кислоты, образуется щавелевая кислота, в случае если двухатомный спирт в этом же растворе перманганата калия либо дихромата калия, но при этом в нейтральной среде, то образуется оксалат калия. Рассмотрим эти реакции.

Мы выяснили всё, что необходимо понимать на первых порах и даже начали разбирать такую нелёгкую тему как решение и составление уравнений. В заключение можно только сказать, что сбалансированная практика и частые занятия помогут быстрее закрепить пройденный материал и научиться решать задачи.

В условиях современной Земли естественного образования органических соединений из неорганических практически не происходит. Тем более невозможно возникновение живой органики. Что касается ранней Земли, то условия на ней были совершенно другими. Восстановительная атмосфера с высокой концентрацией водорода, метана и аммиака, интенсивное ультрафиолетовое излучение Солнца, не поглощаемое такой атмосферой, и мощные электрические разряды в атмосфере создавали необходимые и, видимо, достаточные условия для образования органических соединений. Действительно, лабораторные эксперименты, проведенные в условиях, моделирующих предполагаемую атмосферу ранней Земли, позволили получить ряд органических соединений, в том числе аминокислоты, входящие в состав живых белков.

Отсутствие кислорода в атмосфере явилось необходимым условием для самопроизвольного синтеза органики. Однако с точки зрения последующих превращений этот фактор оказался деструктивным. В самом деле, лишенная кислорода атмосфера практически свободно пропускает мощное ультрафиолетовое излучение (атмосфера современной Земли обладает возникшим вместе с кислородной составляющей озоновым слоем, который поглощает это излучение). Излучение, обеспечивая энергией химические реакции синтеза органических соединений, в то же время стремится сразу же их уничтожить. Поэтому образовавшиеся в атмосфере биополимеры, липиды и углеводороды, едва возникнув, были обречены. Для того чтобы не погибнуть, им необходимо было укрыться от губительного воздействия солнечного ультрафиолета. Считается, что часть этих органических соединений избежала гибели, попав в водную среду первичных водоемов.

Здесь, в водной среде, органические соединения вступали в разнообразные химические реакции, среди которых преимущество приобретали реакции, приводившие к саморазвитию наиболее активных катализаторов. Природа весьма жестко вела естественный отбор реакций циклического типа, способных к самоподдержанию, в том числе за счет энергии, выделяемой в ходе реакции. Проблема энергетического обеспечения эволюционных реакций, в частности реакций полимеризации (объединение однотипных молекул – мономеров в макромолекулы) выглядит наиболее важной на этом этапе эволюции, поскольку водная среда мало способствует активизации химических реакций. Именно поэтому «выжить» могли только высокоэнергетические реакции с участием особо эффективных, саморазвивающихся катализаторов.

Здесь наступил один из узловых моментов развития. Допустим, что необходимые для перехода к биоэволюции химические реакции возникли и приобрели свойство самоподдержания. Для их сохранения (и, конечно же, дальнейшего развития) соответствующие объемы должны быть как-то изолированы от неорганизованной окружающей среды, не потеряв при этом возможности обмениваться с ней веществом и энергией. Одновременное выполнение двух этих, на первый взгляд, несовместимых условий было обязательным для выхода химической эволюции на качественно новый уровень.

Такая возможность нашлась благодаря образованию из липидов особых структур – мембранных оболочек . Результаты современных лабораторных экспериментов дают основания полагать, что при определенной концентрации липидов в воде и внешних условиях, моделирующих состояние атмосферы и гидросферы тогдашней Земли, происходит характерный процесс самоорганизации, приводящий ксамосборке липидных оболочек со свойствами мембран .

Далее нетрудно допустить, что процессы отбора циклических каталитических реакций и самосборки липидных оболочек совпали во времени и в пространстве. Так вполне могли появиться природные образования, изолированные от деструктивного воздействия окружающей среды, но связанные с нею обменом веществ. Самоподдерживающиеся реакции стали протекать в своеобразном реакторе, способствующем сохранению существенной неравновесности заключенной в нем системы биополимеров. Теперь положение химических реагентов приобрело упорядоченность, процессы адсорбции на оболочке способствовали повышению их концентрации и, тем самым, активизации каталитического эффекта. По сути, состоялся переход от химических смесей к организованным системам, приспособленным к дальнейшему восходящему развитию .

Рассматривается также и ряд других моделей, приводящих к подобному важному, но всё же промежуточному событию на пути перехода к биологической эволюции. Одна из них рассматривает процессы, связанные с образованием в атмосфере исходных органических соединений, в предположении, что ранняя Земля с ее разреженной восстановительной атмосферой была холодным телом, имевшим температуру порядка – 50°С. Существенным пунктом этой модели является предположение о том, что атмосфера в этих условиях была ионизована, т. е. находилась в состоянии холодной плазмы. Эта плазма считается основным источником энергии для реакций химической эволюции. Предположение же о низкой температуре привлечено для объяснения сохранения образовавшихся в атмосфере биополимеров: замерзая, они выпадали на ледяной покров Земли и в этом природном холодильнике хранились «до лучших времен». В таком виде ультрафиолетовое излучение и мощные разряды электричества были для них уже не столь опасны.

Далее предполагается, что «лучшие времена» наступили с активизацией тектонической деятельности, началом массового извержения вулканов. Выделение продуктов вулканической деятельности в атмосферу привело к ее уплотнению и смещению границы ионизации в более высокие слои. С изменением температурных условий ледяной покров, естественно, растаял, образовались первичные водоемы, в которых после размораживания начали активную химическую деятельность накопленные за длительное время биополимеры, липиды и углеводороды. Можно поэтому говорить об их высокой концентрации в «первичном бульоне» (так нередко называют образовавшуюся субстанцию), что явилось еще одним положительным фактором с точки зрения активизации химической эволюции.

Неоднократными экспериментами подтверждено, что в процессе размораживания липиды действительно демонстрируют самосборку, образуя микросферы с диаметром в десятки микрометров. Не суть важно, как оказываются внутри них биополимеры – проникают ли сквозь мембранный слой или липидная оболочка обволакивает их постепенно. Важно то, что в объеме, окруженном мембранной оболочкой, мог начаться новый этап эволюции – переход от химических реакций к биохимическим.

Что же касается решающего момента – перехода к простейшей клетке, то он может рассматриваться как результат характерного для самоорганизации вещества скачка. Для подготовки этого скачка в процессе химической эволюции должны были появиться еще некоторые структуры, способные выполнять необходимые для протоклетки функции. Такими структурными фрагментами считаются группировки , обеспечивающие перенос заряженных частиц, что необходимо для транспорта вещества. Другие группировки должны обеспечить снабжение энергией – в основном это молекулы фосфоросодержащих соединений (система АДФ–АТФ). Наконец, необходимо образование полимерных структур типа ДНК и РНК, главная функция которых – служитькаталитической матрицей для самовоспроизводства.

Не следует упускать из виду еще один узловой момент, связанный с нарушением изомерной симметрии. Каким образом произошел выбор в пользу левовращающего органического вещества, можно только догадываться, однако то, что эта флуктуация непосредственно предшествовала зарождению жизни, представляется совершенно естественным. Можно предполагать, что биологическая эволюция была «запущена» возникновением левовращающей протоклетки.

Напечатать

Похожие записи:

Маринеско Александр Иванович: биография, семья и подвиг героя-подводника Фильм атака века александр маринескоМаринеско Александр Иванович: биография, семья и подвиг героя-подводника Фильм атака века александр маринеско Исходные данные для выполнения ВКР (при наличии)Исходные данные для выполнения ВКР (при наличии) Натуральные целлюлозные волокна: узнаем их подробнее Основные типы пищевых волоконНатуральные целлюлозные волокна: узнаем их подробнее Основные типы пищевых волокон Диффузионное перераспределение - углерод Основные виды термообработки сталиДиффузионное перераспределение - углерод Основные виды термообработки стали Дидактические игры по работе над звукопроизношением и развитием фонематического слуха Подвижные речевые игры для закрепления звукопроизношенияДидактические игры по работе над звукопроизношением и развитием фонематического слуха Подвижные речевые игры для закрепления звукопроизношения
Новые или популярные