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地球科学原理之31 光合生物出现前的氧化-还原平衡

已有 3571 次阅读 2009-4-28 21:10 |个人分类:地球科学|系统分类:科研笔记| 地球科学, 光合作用, 地球演化, 地球科学原理, 氧化-还原平衡

广东海洋大学

廖永岩

(电子信箱:rock6783@126.com

前几回我们介绍了第二节 地球演化过程中的pH平衡,现在,我们来讨论本章第三节 地球演化过程中的氧化-还原平衡

地球是太阳系仅有的含有大量氧气的星球(McElroy, 2000; Nunn,1998)。还原性环境,对绝大多数生物,特别是动物,具有很大的毒性,动物不能离开氧气而生存。植物通过光合作用,为生物提供了氧气。氧气氧化是生物氧化有机物获取能量的主要方式(王镜岩, 2002)。但是,为什么植物合成有机物的同时,还必须放出氧气呢?地球今后的氧气是增多还是减少?氧气的浓度会怎样变化?这些有关地球生物生存的重要问题,仍是没有研究清楚或没有完全研究清楚的问题。地球演化过程中,有很多平衡,如pH平衡、能量平衡、物质平衡等,其中,还必须遵循一个平衡原理,那就是氧化-还原平衡。那就是说,若没有物质转移的话,每一个系统的电子得失,即物质的氧化-还原性必须保持平衡和稳定。要解决以上这些有关地球生物生存的重要问题,就必须研究清楚地球的氧化-还原平衡。在这里,我们对地球演化过程中的氧化-还原性平衡进行分析,并应用这个原理来分析地球演化过程中的一些相关问题。

1  光合生物出现前的氧化-还原平衡

光合作用生物出现前的地球,根据大气成分的不同,可以分为宇宙大气阶段和原始大气阶段两大部分。宇宙大气,是指地球表面的大气,主要由太阳系形成时的宇宙大气成分,如氢、氦等组成的大气。原始大气,指的是宇宙大气中的氢等轻气体由于太阳风的作用散失后,留下的较重气体和地球去气作用产生的气体共同构成的地球演化早期的大气。

1.1  宇宙大气的形成及其氧化-还原特性

根据目前大家公认的太阳系形成理论,地球由原始尘埃物质和气体经吸积而成(Wood, 1968; Anders, 1968; Ringwood, 1960; Hanks and Anderson, 1969; Taylor, 1993)。因为太阳占太阳系总质量的99.866%,太阳主要70%的氢和27%的氦组成(吴泰然和何国琦, 2003),这说明,地球由吸积刚形成时,主要的气体是以氢、氦为主的宇宙大气。由碰撞吸积形成地球时,构成地球的各小星体之间的空隙中,自然会藏有大量的以氢、氦为主的宇宙大气。由于大量的碰撞能转变成热能,造成地球表面熔融后(Wood, 1968; Ringwood, 1960) ,由于当时以氢为主的宇宙大气的大气压相当大(Rezanov I. A., 1995),在巨大大气压的作用下,大量的宇宙大气也会溶于液体岩浆中(Ballentine et. al., 2005)。后来,碰撞作用逐渐减弱,由于大量的热量从地球表面辐射到宇宙空间中,地球表面的温度逐渐下降。当温度下降至类花岗岩类低熔点岩石的凝固点时,这些岩浆冷却为固体岩石,地球最早的岩石圈形成。由于地球岩石圈形成,进入原始地球内部的宇宙大气,就被圈闭在地球内部了。随着太阳温度的逐渐升高,太阳风逐渐增强(Canuto et. al., 1983)。在地球刚形成时,没有冰川形成,地球磁场还未形成;至少地球刚形成时,地球的磁场相当弱,不足以抵挡太阳风直接到达地球表面(Sagan 1965)。总之,在强大太阳风的作用下,地球表面的氢、氦等轻气体大量散失(Hunten and Donahue, 1976),地球的宇宙大气阶段宣告结束。

由于宇宙大气,主要由氢组成,氢是一种强还原性物质,且地球刚形成时,氢的浓度相当高,所以,宇宙大气阶段,地表处于强还原环境中。宇宙大气,是一种强还原性大气。地球吸积形成过程中,宇宙大气越来越多,地球的还原性越来越强,直至地球上的氢浓度达最大值时为止。所以,在地球吸积形成和演化的早期,以氢为主的宇宙大气光浓度最高时,是地球还原性最强时。后来,随着太阳风的作用不断加强,地球的氢不断散失,以氢为主的宇宙大气浓度逐渐降低,地球的还原性逐渐减弱。最后,地球表面的以氢为主的宇宙大气逐渐散失殆尽,地球的还原性降低减缓,地球开始处于一种氧化-还原性相对稳定的时期。

1.2  原始大气的形成及其氧化-还原特性

随着太阳风的逐渐加强,宇宙大气中的氢、氦等轻气体,大部散失。尚留下的少量氢、氦等轻气体和水蒸气、二氧化碳、氮、二氧化硫、硫化氢、氯化氢、氟化氢等分子量18以上的重气体共同构成地球演化早期的原始大气。原始大气中,水蒸气、二氧化碳、氮气、二氧化硫、氯化氢、氟化氢等气体,都是氧化-还原中性的气体。只有硫化氢是还原性气体,氢气是强还原性气体。因为光合作用生物出现前,地球的表面环境的确表现为强还原性(Nunn, 1998),所以,可以肯定,原始大气中除含有一定量的硫化氢等还原性气体外,尚含有一定量的氢等强还原性气体。也就是说,由于地球演化早期的太阳风比较弱,再加上地球的引力相对水星和金星大,地球演化早期,尚保存有一定量的氢等强还原性宇宙大气。

地球演化早期,光合生物尚未形成前,冰川尚未形成,地球尚没有强烈的火山作用。随着太阳风的不断加强,氢等轻宇宙气体的散失作用会加强,降低地球原始大气的还原性。但少量地外星体撞击地球,也会造成一定量的撞击火山的喷发,造成圈闭在原始地壳内部的强还原性宇宙大气喷出地表而补充地表的原始大气的还原性,使地球原始大气的还原性升高。当这两种作用相等时,地球原始大气的氧化-还原性保持一种相对的稳定。但由于太阳风的不断增加,地球总会有一定量的氢散失,所以,地球总体(包括地表和地内)来说,还原性还是逐渐减弱的。若地表氧化-还原性相对不变的话,这种还原性降低,主要表现在地球内部的还原性逐渐降低。

其实,氧化-还原平衡,与能量代谢相关。在讨论光合生物的氧化平衡时,我们先得弄清氧化-还原平衡与能量代谢相关。有机物通过什么样的能量代谢方式,能获得最大的能量?什么方式的能量代谢对能量的利用率最高?且听下回分解。

未完,待续。

下回预告地球科学原理之32  有机物的能量及氧化-还原平衡

参考文献:

王镜岩. 生物化学(下册). 北京: 高等教育出版社. 2002.

吴泰然,何国琦. 普通地质学. 北京: 北京大学出版社. 2003. 9-63

Anders E. Chemical processes in the early solar system, as inferred from meteorites. Accounts of Chemical Research, 1968, 1: 289-298

Ballentine C. J., Marty B., Lollar B. S.,  Cassidy M. Neon isotopes constrain convection and volatile origin in the Earth's mantle. Nature, 2005, 433: 33-38

Canuto V. M., Levine J. S., Augustsson T. R., Imhoff C. L., Giampapa M. S. The young Sun and the atmosphere and photochemistry of the early Earth. Nature, 1983, 305: 281-286

Hanks T. C., Anderson D. L. The early thermal history of the Earth. Physics of the Earth and Planetary Interiors, 1969, 2: 19-29

Hunten D. M., Donahue T. M., Hydrogen loss from the terrestrial planets. Annual Review of Earth and Planetary Sciences, 1976, 4: 265-292

McElroy M. Comparison of planetary atmospheres; Mars, Venus, and Earth. In: Margulis, Lynn; Matthews, Clifford; Haselton, Aaron ed. Environmental evolution; effects of the origin and evolution of life on planet Earth(ed.2). 2000: 29-44

Nunn J. F. Evolution of the atmosphere. Proceedings of the Geologists' Association, 1998, 109: 1-13

Rezanov I. A. Earth's origin and early evolution based on geologic data. Pacific Geology(in Russian), 1995, 14: 139-144

Ringwood A. E. Some aspects of the thermal evolution of the earth. Geochimica et Cosmochimica Acta, 1960, 20: 241-259

Sagan C. Is the early evolution of life related to the development of the earth's core?. Nature, 1965, 206: 448

Taylor S. R. Early accretional history of the Earth and the Moon-forming event.In: Campbell I. H., Maruyama S., McCulloch M. T. ed. “The evolving Earth”. Lithos, 1993, 30: 207-221

Wood J. A. Meteorites and the origin of planets. New York: McGraw-Hill Book Co. 1968. 1-117

 

(注:本“地球科学原理”系列,是根据廖永岩著,海洋出版社(20075月)出版的《地球科学原理》一书改编而来,转载者请署明出处,请不要用于商业用途

 



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