close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Метан

код для вставки
МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ
ГОЛОВНЕ УПРАВЛІННЯ ОСВІТИ І НАУКИ
ЛЬВІВСЬКОЇ ОБЛАСНОЇ ДЕРЖАВНОЇ АДМІНІСТРАЦІЇ
УПРАВЛІННЯ ПРОФЕСІЙНОЇ-ТЕХНІЧНОЇ ОСВІТИ,
КООРДИНАЦІЇ ДІЯЛЬНОСТІ
ВИЩИХ НАВЧАЛЬНИХ ЗАКЛАДІВ ТА НАУКИ
ВИЩЕ ПРОФЕСІЙНЕ УЧИЛИЩЕ № 34 м. СТРИЯ
Методичні рекомендації для викладачів
професійно-технічних навчальних закладів
за темою:
Автор : викладач хімії, спеціаліст вищої категорії, старший викладач
ВПУ-34 м. Стрия Сікора Г.М.
Методичні рекомендації для викладачів професійно-технічних
навчальних закладів за темою: / Г.М.Сікора.-Стрий: ВПУ-34, 2011
Тема: Метан –найпростіша органічна сполука. Його склад,
електронна і структурна формули, тетраедрична будова
молекули. Фізичні властивості, поширення у природі.
Мета (навчальна): ознайомити учнів із
складом, будовою
молекули метану, а також із його властивостями та поширенням у
природі.
(розвивальна): розвивати вміння учнів взаємопов’язувати
склад, будову та властивості; розвивати практичні вміння учнів, а
саме знаходити застосування та значення метану в практичній
діяльності людини.
(виховна): виховувати в учнів бережливе ставлення до
природи, здійснювати екологічне виховання.
Тип уроку: комбінований.
Метод проведення: інтегрований
Міжпредметні зв’язки: історія, географія, економіка, зарубіжна
література
Обладнання: комп’ютер, інтерактивна дошка, мультимедійний
проектор.
Засоби навчання: підручник, роздатковий матеріал, таблиці, карти,
схема
Епіграф уроку: Вогонь я смертним дав і
ось за що покараний,
Викрав я божественну іскру,
Приховав в стовбурі сухого очерету
І людям став вогонь люб’язним братом
Помічником, вчителем всьому.
Есхіл «Прикутий Прометей»
Хід уроку
І. Організаційний момент
1. Розмова викладача з черговим учнем.
2. Перевірка готовності групи до уроку.
ІІ. Актуалізація опорних знань учнів.
1. Фронтальне опитування.
- Що таке органічна хімія?
- Які елементи входять до класу органічних речовин?
- Чому органічну хімію інколи називають «хімією карбону»?
- На які групи поділяють органічні речовини?
2. Перевірка виконання домашнього завдання та рівень засвоєння
попереднього матеріалу (використовується інтерактивна дошка)
Домашня вправа 1:
Дано речовини: бавовна, льон, миючі засоби, крохмаль, мило,
лікарські препарати, пластмаси, вугілля, деревини, цукор,
синтетичний каучук, нафта, капрон, жири, папір. Користуючись
підручником, виписати окремо органічні речовини:
Органічні
речовини
Природні
Синтетичні
бавовна
льон
крохмаль
вугілля
деревини
нафта
жири,
миючі засоби
мило
лікарські препарати
пластмаси
цукор
синтетичний каучук
капрон
папір
Для перевірки виконання даної вправи вірну відповідь проектують
на дошку
Домашня вправа 2:
Розв’язати задачу:
Знайти молекулярну формулу речовини до складу якої входить 75%
Карбону і Гідроген. Відносна густина якого за воднем дорівнює 8.
ІІІ. Оголошення теми та мети уроку.
ІV. Мотивація навчальної діяльності учнів.
На минулому уроці ми розпочали з вами вивчати органічні
речовини. З’ясували, що до всіх органічних речовин входить
Карбон, і у всіх органічних речовинах Карбон є чотирьохвалентний.
Сьогодні ми розглянемо найпростішу органічну речовину, яка
входить до класу «Вуглеводні», молекулярну формулу, якої ви
вивели при розв’язуванні домашньої задачі – це метан.
V. Вивчення нового матеріалу
Метан – найпростіший з насичених вуглеводнів (алкан)
Дослідження вчених показали, що близько 2,3 млрд. років назад
незвичайні мікроби вдихнули в молоду планету Земля життя,
наповнюючи її киснем. Окрім цього доведено, що до появи цих
мікробів в безкисневій атмосфері планети Земля
існували
мікроби метаногени (ті, що виділяють метан), які вважаються
одними з перших форм життя на нашій планеті. Сонце в ті дні не
було таким яскравим і спекотним, як сьогодні. А тому в період
свого розквіту метаногени могли виробляти достатню кількість
метану для того, щоб попередити глобальне замерзання Землі.
Але ці бактерії жили не вічно, з їх відмирання понизилася
температура, а може і в наступні епохи розпочався льодовиковий
період на планеті.
Також доведено присутність метану в атмосферах Марсу і
Титану.
1. Склад молекули
Молекулярна (емпірична) формула – СН4, показує, що молекула
складається з одного атома Карбону і чотирьох атомів Гідрогену.
2. Будова молекули
Учні самостійно пишуть електронну формулу атомів Карбону і
Гідрогену.
2S
+6С
1S 2S 1P
2
2
2
2P
нормальний стан атома
збуджений стан атома
Атом Карбону на останньому енергетичному рівні має чотири
неспарені електрони, які дає на утворення зв’язку.
Атом Гідрогену має один електрон
1S
+1Н
1S
H
1
. .
H:C:H
. .
H
електронна формула молекули метану показує, що
метан утворений ковалентним полярним зв’язком
Н
Н С
Н
структурна формула молекули яка показує
валентність кожного атома в молекулі
(карбон-чотирьохвалентний;Гідроген – дновалентний)
Н
Атом Карбону на останьому енергетичному рівні має:
Одну S – орбіталь
і три Р – орбіталі
∞
Всі чотири орбіталі сполучаються між собою і гібридизуються в
результаті утворення чотири однакові гібриди орбіталі.
SР3 – гібридизація
Гібридні орбіталі перекривають у просторі одна відносно одної
під однаковими кутами (109028) і напрямлені до вершин
правильного тетраедра.
Під час утворення молекули метану СН4 гібридизовані орбіталі
атома карбону перекриваються
з S- орбіталями атома Гідрогену.
-
Між атомами Карбону і Гідрогену утворюються
бзв’язки
(б – це зв’язок
напрямлений вздовж лінії, що
сполучає
центри атомів)
3. Знаходження в природі:
Метан широко поширений в
природі:
- нафта являє собою суміш
метану і інших вуглеводів;
- метан міститься в газах
кам’яновугільних шахтах
(рудниковий газ);
метан є основною складовою частиною природного газу
(95%-98%)
Склад і застосування природного і супутного
нафтового газу
Склад, %
Галузь
застосування
Природний газ
Супутний
нафтовий газ
Метан – 80-98
Гомологи метану та інші гази – 220
Метан – 30-40
Гомологи метану
та інші гази – 6070
Паливо для мартенівських,
доменних, скловарних печей,
побутових потреб; вихідна
сировина ля добування ацетилену,
водню, сажі, галогенопохідних
Газовий бензин
(пентан, гексан) –
добавка до
бензинів
Пропан-бутанова
суміш – паливо
Сухий газ (метан)
– паливо,
сировина для
органічних
синтезів
-
входить до складу болотного газу (в болотистих місцевостях,
це частина рослин покрита водою, а рослини складаються з
целюлози
(-С6Н10О5)п, піддається анаеробному бродінню
під дією мікроорганізмів без доступу повітря. В результаті
утворюється болотний газ, який складається з метану і
піднімається на поверхню.
(-С6Н10О5)п + пН2 О → ЗпСО2 + ЗпСН4
4. Газова промисловість України (вчитель географії).
Газова
промисловість
України
зародилася
на
Прикарпатті в 20-ті роки 20 ст. Перше родовище було відкрите в
1910 р. в районі м. Калуш (їв.-Франківська обл.). У 1913р.
відкрито
Дашавське
родовище
(Львівська
обл.), перша промислова
розробка якого почалася
у 1924 р. і з якого були
покладені
два
газопроводи на Львів (у
1929
р.,
перший
в
Україні, і у 1940-1941 р
р.).
У повоєнні роки Прикарпаття стало важливою
паливною базою України з такими відомими центрами газо
видобувної промисловості як Дашава, Більче-Волиця, Рудки,
Угерське, Косів.
У Прикарпатті зосереджувалося 87 % видобутку газу в
тодішньому СРСР.
З
цього
району були прокладені
магістральні газопроводи до
Києва,
Мінська,
Риги,
Ленінграда,
Москви та інші.
Поступово частка
західноукраїнського району в газовидобутку скорочувалася за
рахунок швидкого освоєння газоносних районів на сході. У
1978 р. в Україні експлуатувалося 62 газові родовища.
В 60-ті роки найважливішим районом газовидобутку
став
Донецько-Придніпровській
западині
на
базі
Шебелинківського, Єфремівського та інших родовищ.
В
Шебелинківському родовищі з початку експлуатації видобуто
рекордну кількість газу - 554 млрд. м 3 .
Не так давно відкритий третій нафтогазоносний район
-Приморський.
Його
найбільшими
газовими родовищами
є
Джанкойське,
Глібівське, Оленінське
(Крим).
У
1991 р.
в
Україні було видобуто
24,3 млрд. м 3 газу.
За останні роки
видобуток
газу,
особливо
в
Передкарпатті,
у
зв"язку з вичерпанням ресурсів скоротився (за 1980-1989
р.р. з 56,7 до 30,8 млрд. м 3 ).
5. Економічна газова проблема на Україні (вчитель
економіки)
Чи має Україна проблеми із забезпеченням природним
газом населення та промисловості? Так, має і не малі. Із
засобів масової інформації перші два місяця цього року
взнаємо про борги за спожитий газ: на 1.01.08 -5,2 млрд грн., з
них 4,1 млрд грн. за листопад-грудень 2007р, а 1,08 –завислі
борги колишніх урядів.
Біда не в боргах – біда в ціні, яка збільшилась несподівано
з 95 дол/тис кубометрів -130 дол/тис кубометрів. Підвищення
цін на газ – це природно, в усьому світі зросли ціни вдвічі, а
то й втричі.
Україна-не виняток!
В чому ж наша біда:
- відсутня база обліку в усіх типах газопроводів;
- не створено умов залучення приватного капіталу в
систему газорозподілу;
- непрозорість газових відносин;
Україна ніколи не мала власної стратегії розвитку
газового сектору, а діяла виключно ситуативно в
режимі «окрику» - газовий сектор занепадає (газові
родовища в Україні).
Система відключень від російської труби-газу в світі:
20 серпня 1992р- Литва; 20 лютого 1993р-Україна; 24 червня
1993р-Естонія; 7 листопада 1994- Молдова; 25 лютого 2000р –
Молдова; 4 листопада 2001р – Азербайджан; 18 лютого 2004р –
Білорусь. І ось нинішній день 2008р- Україна! Основні причиниборги, відсутність чіткого обліку.
Сьогодні
кожен
В ИКОР ИС Т АННЯ ПР ИР ОДНОГ О Г АЗ У В УКР АЇНІ В 2005-2007Р Р
школяр уже практично
спец в газовій тематиці,
але ,на жаль, далеко не
всі розуміються на діях
газового ринку – навіть
професіонали.
Ми
купуємо газ по різній
ціні: від 130 – 179,5
дол/тис кубометрів, в
різних державах (Росія,
Казахстан, Узбекистан, Туркменія тощо).
Наші потреби (ресурси) можна побачити на схемі балансу(1
діаграма «Прогнозний баланс надходження та розподілу
природного газу по Україні на 2008 рік(млн.кубометрів) - 86 760
млн куб і 55 млн – це імпорт і тільки 20 325 млн. добуваємо вдома.
А споживають населення та непромислові підприємства – 32 680
млн газу.
Чи повинна нас лякати ціна на газ? Ні – це природно, тому що
ми будуємо ринкові відносини. Але ми повинні внести свою частку
в розв’язання газової проблеми (хоча вона на сьогодні розв’язана).
Як? Пам’ятаючи, що газ є невід’ємною частиною нашого життя (це і
хліб, і цегла, і сталь, і хімічне волокно, і тепло нашої оселі). Ми
-
48,00%
42,70%
2005р В с ього с пожито 76,41 млрд кубометрів
2006р В с ього с пожито 73,96 млрд кубометрів
31,30%
2007р В с ього с пожито 69,651 млрд. кубометрів
25,60%
24,50%
22,60%
19,40%
18,80%
16,40%
13,20%
11,40%
11,10%
10,30%
2,90%
0,10%
Промис ловіс ть
через НА К
"Нафтогаз України
Промис ловіс ть
через інш их
пос тачальників
В иробничотехнологічні
потреби галузі
Нас елення
Підприємс тва
комунальної
теплоенергетики
маємо
економити газ,
так як роблять
французи,
поляки,
італійці
і
,зрештою, всі,
хто
користується
газом. А саме:
по
господарськи:
справний газовий кран, вимкнена газова піч, облік тощо.
Отже, необхідно жити економно, добре і красиво!
6. Методи добування.
а) гідрування вугілля:
С+2Н2 → СН4
б) з ацетату натрію:
СН3СООNа + NаОН → Nа2СО3 + СН4
в) з карбіду алюмінію (в лабораторії)
А4С3 + 12Н2О → 3 СН4 + Аl(ОН)3
г) З галогенпохідних
СН3I + НІ → СН4 + І2
7. Фізичні властивості( самостійна робота учнів за поданим
планом)
План
1. Агрегатний стан;
2. Забарвлення;
3. Розчинність у Н2О і органічних розчинниках
4. Запах.
5. Легший чи важчий за повітря.
(обчислюємо відносну молекулярну масу метану і порівнюємо з
відносною молекулярною масою повітря:
Мr(СН4) = 12+1х4 =16
Мr(повітря) = 29
Висновок: метан майже вдвічі легший за повітря.
В 2005році сталося сенсаційне відкриття німецьких вчених, які
довели, що зелені рослини виділяють метан. Окрім цього доведено,
що тропічні ліси виділяють не тільки кисень, але й десятки
мільйонів тон метану в рік. В цьому ж 2005 році було виявлено
аномально високий вміст метану в тропічних районах над
вічнозеленими лісами. Це свідчить про існування неврахованого
джерела метану (за період спостережень з серпня по листопад
2005року) в атмосферу додатково поступило 20-40 млн тон
горючого газу.
VІ. Закріплення вивченого матеріалу та підведення
підсумків.
Завдання для закріплення вивченого матеріалу:
1. Виберіть емпіричну формулу метану:
а) С2Н4
б) СН4
в) С4Н8 г) С2Н2
2. Вкажіть кількість б - зв’язків у молекулі метану:
а) 4;
в) 3;
б) 1;
г) 2
3. Вкажіть тип гібридизації атома Карбону у молекулі метану:
а) SР
б) SР2
в) SР3
г) SР2 та SР3
4. Вкажіть основний компонент природного газу:
а) пропан;
б) бутан;
в) метан;
г) ацетилен.
5. Вкажіть сполуку, з якої можна добути метан у лабораторії:
а) С
в) С2Н5ОН
б) СаС2
г) Аl4С3
6. Встановіть сполуки, яка утворюється при стопленні натрій
ацетану з натрій гідроксидом:
а) метан;
б) вуглекислий газ;
в) етилен;
г) етан.
7. Розрахуйте масову частину Карбону в
молекулі метану:
а) 80%
б) 25%
в) 75%
г) 63%
VІІ. Домашнє завдання.
§ 28, ст 111-112
Задачі:
1. Знайти відносну густину метану за
Гелієм.
2. Виберіть твердження, щодо маси
метану об’ємом 4,48л.
а) дорівнює 32 г.
б) дорівнює 8 г.
в) кількість молекул 12 1022
г) кількість речовин 0,2 моль.
VІІІ. Оцінювання знань та відповідей учнів.
ІХ. Висновок Давньогрецький філософ Геракліт вважав, що все
зародилося з вогню. Світ народжувався і вмирав у вогні.
За давньогрецькою міфологією Прометей дав людям вогонь, про що
і розповів Есхіл (давньогрецький драматург) в трагедії «Прикутий
Прометей».
Тема Хімічні властивості метану. Одержання метану. Застосування метану і його галогенопохідних.
Мета Ознайомити учнів з хімічними властивостями метану,
навчити складати відповідні рівняння реакцій, порівняти хімічні
реакції за участі неорганічних і органічних речовин; сформувати
уявлення про віль но-радикальний механізм реакцій; розглянути за
стосування метану і його галогенопохідних.
Обладнання й матеріали Моделі молекули метану,
кристалічні натрію ацетат, натрію гідроксид, пробірки, штатив,
нагрівальне обладнання, газовідвідна трубка
Тип уроку: комбінований
ХІД УРОКУ
І. Організаційний момент
ІІ. Перевірка домашнього завдання
ІІІ. Актуалізація опорних знань учнів
Бесіда.
- Назвіть формулу метану. Що вона показує?
- Назвіть види зв'язку в молекулі метану. Відповідь поясніть.
- Намалюйте структурну формулу метану; електронну формулу
метану.
- Яка просторова будова молекули метану. Яку форму вона має?
- На яких підрівнях розташовані електрони атома Карбону, що
беруть участь в утворенні ковалентних зв'язків з Гідрогеном?
- Що відбувається з хмарами електронів атома Карбону при утворенні молекули метану? Як називається цей процес? Як називаються одержані орбіталі?
- Де в природі зустрічається метан?
- Які фізичні властивості має метан?
ІV. Мотивація навчальних знань учнів.
Виходячи з будови молекули метану й знаходження в природі,
підвести учнів до його хімічних властивостей
V. Вивчення нового матеріалу
1. Хімічні властивості метану
Розповідь учителя.
Горіння. При достатній кількості кисню метан горить з утворен
ням вуглекислого газу і води, при недостатній кількості кисню —
з утворенням чадного газу і води або вуглецю і води:
СН4 + 2О2 → СО2 + 2Н2О
2СН4+3О2 → 2СО + 4Н20
Учитель вказує на вибухонебезпечність суміші метану і повітря
(пожежі при витоку газу з побутових газових приладів, на
виробництві, вибухи в шахтах. Одна з назв метану — рудничний
газ).
Термічний розклад.
При нагріванні метану без доступу повітря відбувається його
термічний розклад на вуглець і водень:
СН4→ С + 2Н2
Запитання.
- Де можуть використовуватися продукти, одержувані при
термічному розкладанні метану?
Розповідь учителя.
Реакція метану з галогенами.
Взаємодія метану з галогенами (ланцюгова реакція, яка
проходить на світлі)
CH4 + Cl2 → CH3 Cl + HCl
метан
хлорометан
CH3 Сl2 + Cl2 → CH2 Cl2 + HCl
дихлорометан
CH2 Сl2 + Cl2 → CH Cl3 + HCl
трихлорометан
CH Сl3 + Cl2 → CCl4 + HCl
тетрахлорометал
Одержання метану.
1. З натрій ацетату:
СН3СООNа + NаОН → Nа2СО3 + СН4
2. Синтезом вуглецю і водню (400—500 °С і підвищений
тиск)
С + 2Н2 → СН4
3. З алюміній карбіду:
А14С3 + 12Н2O→4АІ(ОН)з + ЗСН4
Демонстрація.
Одержання метану з натрій ацетату.
У пробірці змішати кристалічні натрія ацетат і натрія
гідроксі у співвідношенні 1:1. Закрити пробірку корком з
газовідводною трубкою і прогріти вміст пробірки. Метан, що
виходить через газовідводну трубку, підпалити.
2. Вільно-радикальний механізм ланцюгових хімічних
реакцій
Розповідь вчителя.
ЗАСТОСУВАННЯ
У молекулах Хлору під дією світла відбувається
гемолітичний розрив зв'язків і утворюються вільні радикали
Хлору:
Сl —Сl → Сl + Сl
Вільні радикали — вкрай агресивні частки, вони атакують
молекулу метану. В результаті утворюється хлороводень і вільний
радикал метил СН3 : Сl + СН4 → СН3 + НСl. Варто звернути увагу
назву радикала — суфікс -ан- змінюється на суфікс -ил-.
Наступна реакція:
СН 3+Сl2 →СН3Сl + Сl
Таким чином, вільні радикали є ініціаторами цієї реакції, вони
dикликають ланцюжок хімічних перетворень. Механізм цієї
ланцюгової реакції вільно-радикальний.
3. Застосування метану
Робота з підручником.
Із застосуванням метану та продуктів його перетворень учні
знайомляться самостійно за підручником [1, § 28, с. 106],
заповнюючи таблицю
МЕТАН
ВУГЛЕЦЬ
ВОДЕНЬ
ХЛОРОМЕТАН
ДИХЛОРОМЕТАН
ТРИХЛОРОМЕТАН
ТЕТРАХЛОРОМЕТАН
VІ. Закріплення і узагальнення вивченого
Завдання 1.
Згорів метан об’ємом 16 л. Який об’єм кисню витратився при цьому?
Завдання 2.
Напишіть усі стадії бромування метану. Назвіть продукти реакції.
Виконайте завдання 157 [1, с. 107].
VІІ. Домашнє завдання
1. Вивчити § 28(1)
2. Виконати завдання 150-154(1, с.106)
Додаткова інформація до уроку
КОЛИ ПОГОДУ РОБИВ МЕТАН
Три мільярди років назад
Землю
закутував
органічний
серпанок.
Близько 2,3 млрд. років
назад
незвичайні мікроби
вдихнули в молоду планету
Земля нове життя, наповнивши
її киснем. Якби ці плодовиті
організми
не
з'явилися,
еволюція життя пішла б
абсолютно іншим шляхом.
Багато учених вважають, що
задовго до появи ціанобактерій
Земля стала жилою завдяки життєдіяльності іншої групи
одноклітинних анаеробних метаногенов, років, що панували
впродовж перших двох мільярдів.
Парниковий ефект метану, що виробляється ними, зробив глибокий
вплив на клімат нашої планети.
Припущення про вирішальну роль метану вперше було зроблене
більше чверті століття назад, але наукові підтвердження гіпотези
учені почали отримувати зовсім недавно. Було встановлено, що
метан, що зберігається в нашій атмосфері всього 10 років, в
безкисневій атмосфері стародавньої Землі існував цілих 10 тис.
років. Дослідники не мають в своєму розпорядженні викопних
останків яких-небудь живих організмів того далекого часу, проте, на
думку більшості мікробіологів, метаногены були одними з перших
форм життя на нашій планеті. Сонце в ті дні не було таким яскравим
і жарким, як сьогодні, а тому в період свого розквіту метаногены
могли виробляти достатню кількість метану для того, щоб запобігти
глобальному замерзанню Землі. Але ці бактерії домінували не вічно:
із закінченням їх панування було зв'язано падіння температур, а
може бути, і подальші епохи глобального заледеніння планети
МЕТАН НА МАРСІ І ТИТАНІ
Присутність метану в атмосферах Марса і Титану, одна з
дивовижних загадок нашої Сонячної системи, може свідчити як
про можливість життя, так і про наявність незвичайної
геологічної активності на планетах
Зі всіх планет, що входять в Сонячну систему, тільки на Землі
і Марсі існували і існують умови, відповідні для життя. Червона
планета схожа на нашу у багатьох відношеннях. Історія формування
і кліматичні умови на ранньому етапі розвитку, водні резервуари,
вулканічні та інші геологічні процеси і тут і там протікали
однаково. Могли бути також і
мікроорганізми. Коли говорять
про позаземну біологію, то
окрім Марса зазвичай згадують
найбільший супутник Сатурну
Титан, де у далекому минулому
умови
сприяли
формуванню
молекулярних
попередників
життя.
Деякі
дослідники
вважають, що життя там було і,
можливо, збереглося.
Коли в атмосфері Марса був виявлений метан, у учених з'явилася
надія знайти на планеті сліди життя. Поверхня Червоної планети
майже не міняється, на мірний перебіг часу указують лише хмари
(білі), що закутують її рідкісною напівпрозорою пеленою. Наявність
метану указує на активну підповерхневу біологічну і геохімічну
активність
Підозри посилилися, коли в атмосферах Марса і Титану виявився
метан (CH4) газ, зазвичай пов'язаний з живими організмами. На
Червоній планеті його небагато, а ось Титан буквально «залитий»
ним. І вже якщо не для Титану, то для Марса біологічні джерела
метану такі ж вірогідні, як і геологічні. Тому або ми не самотні в
Всесвіту, або Марс і Титан володіють великими підповерхневими
запасами води і несподівано високою геохімічною активністю.
Встановивши джерело CH4 на цих тілах, ми багато що зможемо
зрозуміти в еволюції і зародженні життя на планетах земного типу
в Сонячній системі і за її межами.
Метану багато на планетах-гігантах Юпітері, Сатурні,
Урані і нептунові, де він виник як продукт хімічної переробки
речовини протосолнечной туманності. Але на Землі він рідкісний:
його вміст в атмосфері нашої планети — всього 1750 частин на
мільярд за об'ємом (ppbv). На 90–95% він має біологічне
походження. Травоїдні копитні тварини, такі як корови і кози,
випускають п'яту частину річного викиду метану: його виробляють
бактерії в їх шлунках. Іншими важливими джерелами служать
терміти, рис-сирець, болота, фільтрація природного газу (це продукт
минулого життя) і фотосинтез рослин. Вулкани вносять до
загального балансу метану на Землі менше 0,2%, але джерелом і
цього газу можуть бути організми минулих епох. Промислові викиди
метану незначні. Таким чином, виявлення метану на планеті типу
Землі указує на наявність там життя.
ОГЛЯД: МЕТАН
· У 2003 р., після того, як метан був виявлений в атмосфері Марса,
астрономи серйозно задумалися про існування життя на Червоній
планеті.
· Щоб руйнування метану сонячним світлом відшкодовувалося, він
повинен безперервно народжуватися в результаті якогось процесу.
Учені мають в своєму розпорядженні дві гіпотези. Перша марсіани:
особливі, такі, що випускають метан бактерії, на зразок тих, що
живуть в шлунку корів. Друга реакція між гірськими породами і
водою, звана серпентинизацией; на Землі вона виникає в чорних
курцях на морському дні. Запуск нового марсохода, намічений
на 2009 р., може вирішити проблему.
· У 2005 р. зонд «Гюйгенс» показав, що на Титані метан грає ту ж
роль, що вода на Землі. Даний газ може бути продуктом геохімічних
реакцій в величезному підземному океані.
У атмосфері
У 2003 і 2004 рр. три незалежні групи дослідників оголосили про
виявлення метану в атмосфері Марса. Використовуючи спектрограф
високого дозволу на Гавайському інфрачервоному телескопі і на
телескопі «Джемини-юг» в Чилі, група Майкла Мумма (Michael
Mumma) з Годдардського космічного центру NASA виявила CH4 в
концентрації більше 250 ppbv. Але ця величина не постійна ні по
поверхні, ні в часі. Вітторіо Формізано (Vittorio Formisano) з
колегами з Римського Інституту фізики і міжпланетних досліджень
(я також був у складі групи) проаналізували тисячі інфрачервоних
спектрів, отриманих орбітальним апаратом «Марс Експрес». Ми
виявили значно менше метану, в межах від 0 до 35 ppbv, в
середньому по планеті близько 10 ppvb. Нарешті, Володимир
Краснопольський з колегами з Католицького університету
Америки, використовуючи гавайський для Канадо-франко телескоп,
підтвердили, що середній зміст метану близько 10 ppbv, але із-за
слабкості сигналу і низького дозволу вони не змогли прослідкувати
зміни уздовж поверхні планети.
Група Мумма зараз перевіряє ще раз свої дані, намагаючись
зрозуміти, чому виходить така велика концентрація. Поки я вважаю
значення 10 ppbv найбільш вірогідним: воно відповідає змісту
метану (у молекулах на одиницю об'єму) в 25 тис. разів нижче, ніж
в земній атмосфері.
Не дивлячись на те що астрономи виявили на Титані метан ще
в 1944 р., інтерес до цього далекого і холодного супутника виник
тільки 36 років опісля, коли в його атмосфері знайшли азот,
важливий компонент біологічних молекул, таких як амінокислоти і
нуклеїнові кислоти. Планета з метано-азотной атмосферою і тиском
у поверхні в 1,5 атм. цілком годиться для формування попередників
живих молекул, а можливо, і самому життю.
Метан грає головну роль в підтримці щільної азотної атмосфери
Титану і служить джерелом вуглеводневого туману, що поглинає
інфрачервоне випромінювання Сонця і що нагріває стратосферу
приблизно до 100° C. Він також є джерелом водню, зіткнення
молекул якого приводять до нагріву тропосфери на 20° С. Еслі
метан
коли-небудь
вичерпається,
температура
знизиться,
газоподібний азот сконденсується, і атмосфера осяде. Унікальна
природа Титану зникне назавжди: туман і хмари розсіються,
припиняться метанові дощі, ймовірно, що поливають зараз його
поверхню, висохнуть озера і калюжі. Завіса з поверхні Титану
спаде, і вона стане доступною земним телескопам. Титан втратить
свою загадковість і перетвориться на звичайний супутник з
розрідженою атмосферою.
Чи може метан на Марсі і Титані мати таке ж біологічне
походження, як на Землі, або ж його джерелом служать вулкани або
падіння комет і метеоритів? Наші знання про геофізичні, хімічні і
біологічні процеси дозволяють звузити діапазон можливих джерел
метану на Марсі, причому багато хто з цих аргументів застосовний
і до Титану.
ФОТОГРАФІЇ з ТИТАНУ і МАРСА
Ще в 1940-х рр. астрономи відмітили метан в атмосфері Титану,
але його поверхня прихована щільним туманом. Експедиція
«Кассині-гюйгенс» показала вплив метану на рельєф місцевості
На радарних зображеннях північної півкулі Титану, отриманих
«Кассині», видно величезні простори, ймовірно, покриті рідким
метаном. Рідина виглядає темною (тут синя) з тієї ж причини, що і
мокра дорога здається нам вночі темною: гладка поверхня
відображає світло фар, і він не сліпить нам ока. Навпаки, сухий
перетнутий рельєф виглядає світлим (жовто-коричневий). Дозвіл
цих зображень — 500 м
Русла річок міг утворити рідкий метан, що стікав з гірських
хребтів (заввишки близько 200 м) вниз до озера (нині сухому).
Гіллясті притоки указують, що метан випадав на схили у вигляді
дощу. «Гюйгенс» отримав ці знімки з висоти 6,5 км. при спуску в
атмосфері
Туман в верхньому шарі атмосфери Титану складається з
вуглеводнів, що утворюються з метану під дією сонячного світла,
і нагадує міський зміг. Дозвіл цього зображення 700 м.
Поверхню Титану ніхто не бачив, поки зонд
«Гюйгенс» не сів на неї в січні 2005 р. Вона
виглядає як нудне кам'янисте поле, але це не
«камені», а шматки льоду розміром з кулак.
При уважному погляді на них видно сліди
перебігу рідини можливо, метану. Коли зонд
нагрівав грунт, метан почав розтікатися
У атмосфері Марса метану лише декілька об'ємних частин на
мільярд (ppbv), тому побачити його, як на Титані, неможливо.
Метан утворюється і руйнується в результаті різних
спостережуваних процесів
МАРС
Пилові смерчі, що нагадує цей,
який був відмічений зондом Mars
Global Surveyor 21 травня 2002 р.,
труть частинки пилу один об
одного, створюючи статичну
електрику, здатну розривати
молекули води, приводячи до
народження перекисів, що
руйнують метан
Підповерхневі потоки води у
минулому на Марсі можуть
пояснити цей білястий край
(стрілка), відмічений недавно
зондом Mars Reconnaissance
Orbiter. Перебіг води крізь
гірські породи облягає мінерали,
як наліт в водопровідних
трубах. Коли навколишні скелі
розмиваються, мінерали
залишаються, створюючи
гребінь. Підповерхнева вода
може сприяти утворенню метану
Дані по метану
Земля
Марс
Земля
Марс
Титан
Титан
Концентрація в
атмосфері
1750 ppbv
10 ppbv
5%
Час життя
молекул в
атмосфері
(роки)
10
600
10 млн.
125
25 млн.
Бактерії?
Реакція води з
породою в
водоносних
шарах грунту?
Реакція води з
породою в
підповерхневому
океані
Темп
відтворення для
підтримки
515 млн.
постійної
кількості (тонн
в рік)
Основні
джерела
Велика
рогата
худоба,
терміти, риссирець,
природний
газ
Руйнування сонячним світлом
Наше перше завдання визначити швидкість освіти або
надходження метану, що зв'язане із швидкістю відходу газу з
атмосфери. На висоті 60 км. і більш над поверхнею Марса сонячний
ультрафиолет руйнує молекули метану. Нижче в атмосфері атоми
кисню і радикали гидроксила (OH), води, що утворюються при
розщеплюванні молекул, ультрафіолетовим випромінюванням,
окисляють метан. Без поповнення він поступово зник би з
атмосфери. «Час життя» CH4 — тобто час, необхідний для
зменшення концентрації газу в e разів (приблизно втричі) складає
300–600 років і залежить від кількості водяної пари, яка зазнає
сезонні зміни і
міняється залежно від
інтенсивності
випромінювання по ходу циклу активності Сонця. На Землі дані
процеси визначають час життя метану приблизно в 10 років. На
Титані, де ультрафіолетове випромінювання Сонця набагато
слабкіше і кислородосодержащих молекул значно менше, цей газ
може «жити» 10–100 млн. років (не так довго в геологічному
відношенні).
На Марсі час життя CH4 достатньо великий, а значить, вітри і
дифузія встигають рівномірно перемішати газ в атмосфері. Тому
спостережувані зміни його кількості над планетою спантеличують.
Вони можуть означати, що газ поступає з локального джерела або
зникає в локальних стоках, одним з яких може бути хімічно
активний грунт, прискорюючий відхід метану. Якщо такі стоки
існують, то для підтримки спостережуваної кількості буде потрібно
ще могутніші джерела.
Друге завдання розробка можливого сценарію утворення
метану. І краще почати з Червоної планети із-за низького змісту
метану на ній. Якщо механізм не зможе пояснити навіть таку малу
кількість, то він і поготів не годиться для пояснення появи метану
на Титані. При часі життя 600 років потрібно щорічно проводити
небагато чим більше 100 т CH4, щоб підтримувати його середню
концентрацію в атмосфері на рівні 10 ppbv. Це зразково одна
чотирьохмільйонна частка швидкості виробництва метану на Землі.
Як і на нашій планеті, вулкани на Марсі, мабуть, не вносять
великого внеску до утворення метану: вони потухнули сотні
мільйонів років назад. Якби вони були там його джерелом, то вони
повинні були б викидати величезну кількість двоокису сірі, а в
атмосфері Марса сірі немає. Внесок космічних джерел швидше за
все мінімальний. Маса мікрометеоритів, падаючих протягом року на
Марс, оцінюється в 2 тис. т. Менше 1% цієї маси складає вуглець,
але навіть якщо він сильно окислений, то не може стати істотним
джерелом метану. У речовині комет метану близько 1%, але на
Марс комети падають в середньому раз в 60 млн. років. Тому вони
доставляють біля однієї тонни метану в рік, що менше 1% від
необхідної кількості.
Мабуть, комета врізалася до Марса в недалекому минулому? Вона
могла б доставити на Марс багато метану, кількість якого з часом
знизилася до спостережуваного значення. Зіткнення з кометою
діаметром 200 м 100 років тому або з кометою 500-метрового
діаметру 2 тис. років назад могли забезпечити Марс достатньою
кількістю метану для того, щоб його сучасний зміст був 10 ppbv.
Але ця гіпотеза стикається з труднощами: метан розподілений по
планеті нерівномірно. Час, необхідний для повного перемішування
метану в атмосфері, складає декілька місяців. Отже, якби комети
були джерелом метану, то він був би розподілений рівномірно, а
спостереження показують, що це не так.
МЕТАН НА МАРСІ
По всіх правилах, метану на Марсі бути не повинно. Він швидко
руйнується під дією сонячного світла і деяких атмосферних
процесів, а відомі геологічні і космічні джерела не можуть
заповнювати його досить швидко. Тому присутність даного газу
наводить на думку про невидимі джерела, таких як чорні курці
або мікроби, що живуть в підземному океані
Куріння під водою
У нас залишилися два вірогідні джерела метану
гидрогеохимический
имикробиологический.
Гидротермальниє
гейзери (чорні курці) вперше були виявлені на Землі в розломі
Галапагос в 1977 р. Пізніше океанографи знаходили їх на багатьох
срединноокеанических хребтах. Лабораторні досліди показали, що в
умовах цих гейзерів ультрамафические силікати (багаті залізом або
магнієм породи, такі як оливин і піроксен) можуть вступати в
реакції з виділенням водню (серпентинизация). У свою чергу,
реакція H2 з частинками вуглецю, двоокисом вуглецю, окислом
вуглецю або вуглецевими мінералами може стати джерелом метану.
У процесі беруть участь водень, вуглець, метали (як
каталізатор), тепло і тиск, що існують і на Марсі. Серпентінізация
може відбуватися як при високій температурі (350–400° З), так і
при середній (30–90° З). Така температура, по розрахунках,
повинна бути в передбачуваних водоносних шарах на Червоній
планеті.
Не дивлячись на те що низькотемпературна серпентинизация
може бути джерелом метану на Марсі, не можна забувати і про
біологічні джерела. На Землі микроорганизмы-метанопродуценты
виділяють CH4 як побічний продукт, поглинаючи водень, двоокис
вуглецю або окисел вуглецю. Якщо такі організми мешкали на
Марсі, вони повинні були знайти готові поклади живильних
речовин: водень (що виник в процесі серпентинизации або
просочився в грунт з атмосфери) плюс двоокис вуглецю і окисел
вуглецю (у грунті або з атмосфери).
Що виник при серпентинизации або народженому мікробами
метані може зберігатися в стійкому клатрате хімічній структурі,
утримуючої молекули метану як звірів в клітці перед їх
випаровуванням в атмосферу, яке може відбуватися поступово,
через тріщини і розломи або шляхом рідкісних вулканічних
вивержень. Ніхто не знає, наскільки ефективно формується клатрат
і чи легко він руйнується.
Зонд «Марс Експрес» виявив підвищену концентрацію
метану над областями, що містять підповерхневий водяний лід.
Пояснити цей зв'язок можуть як геологічний, так і біологічний
сценарії. Водоносні пласти під льодом можуть бути місцем
існування
живих
істот
або
місцем
збору
метану
гидрогеохимического походження. Для вибору між геологічним і
біологічним сценаріями потрібні додаткові дані.
МЕТАН НА ТИТАНІ
Метан для Титану те ж, що вода для Землі: він утворює струмочки
на поверхні, збирається в калюжки, випаровується в повітря і
повертається назад на поверхню у вигляді дощу. Як і на Марсі,
хімічні реакції руйнують метан на Титані, тому геологічні або
біологічні процеси повинні заповнювати його
Океан Титану
На перший погляд здається, що походження метану на Титані
зрозуміти легко: супутник формувався в туманності, що оточувала
Сатурн, атмосфера якого багата цим газом. Але поки дані свідчать
про синтез метану на самому Титані, а не про захоплення його
супутником з боку. Зонд «Гюйгенс» сумісної експедиції «Кассинігюйгенс» (NASA і Європейське космічне агентство) не знайшов в
атмосфері Титану ні Ксенону, ні криптону. Якщо що утворили Титан
планетезимали містили метан, то вони повинні були містити і дані
важкі благородні гази. Їх відсутність указує, що метан швидше за все
утворився на Титані.
Але його присутність тут так же загадково, як і на Марсі, а в
деякому розумінні ще незрозуміліше через його кількість (5%
об'єму). Найбільш вірогідним джерелом, як і на Червоній планеті, є
серпентинизация при низькій температурі. Крістоф Сотін (Christophe
Sotin) з університету в Франції і його колеги Нантського вважають,
що під поверхнею Титану може бути океан рідкої води. Розчинений
аміак, що діє як антифриз, утримує її від замерзання. У їх моделі
океан починається з глибини 100 км. під поверхнею і тягнеться
углиб на 300–400 км. У минулому розпад радіоактивних елементів і
залишкове тепло від формування Титану могли розтопити майже
весь лід, тому океан міг тягнутися від поверхні до кам'яного ядра.
У цих умовах при реакції води з гірською породою може виділятися
водень, який, вступаючи в реакцію з двоокисом, окислом або
частинками вуглецю, а також з іншими вуглецевими речовинами,
утворює метан. По моїх оцінках, такий процес міг би забезпечити
спостережувану його кількість на Титані. Утворившись, метан міг
залишатися в стійкому клатрате і поступово проникати в
атмосферу через вулканічні виверження або при вибухах,
викликаних падінням метеоритів.
Опускаючись в атмосфері Титану, «Гюйгенс» виявив аргон40
ізотоп, що народжується при радіоактивному розпаді калия40, що
залягає глибоко в кам'яному ядрі Титану. Оскільки період
напіврозпаду калия40 рівний 1,3 млрд. років, наявність аргона40 в
атмосфері свідчить про повільне просочування газу з надр. Крім
того, оптичні і радарні зображення поверхні демонструють ознаки
криовулканизма гейзерних викидів водно-аміачного льоду, що
підтверджує винесення речовини з глибин. Поверхня виглядає щодо
молодої і вільної від кратерів, що свідчить про те, що вона
покривається речовиною з внутрішніх шарів. Оцінки швидкості
перекриття поверхні новою речовиною свідчать, що при цьому
метану повинно виноситися достатньо для компенсації фотохімічних
втрат. На Тітане CH4 грає ту ж роль, що вода на Землі: він
заповнює рідиною западини, створює хмари і дощі, підтримуючи
повний метановий цикл. Отже, безліч фактів указують на те, що цей
газ з надр Титану досить легко може поступати на поверхню, а
потім випаровуватися в атмосферу.
Яка ж роль біологічних джерел CH4 на Титані? Крістофер
Маккей (Christopher McKay) з Еймсовського дослідницького центру
NASA і Хезер Сміт (Heather Smith) з Міжнародного космічного
університету в Страсбурзі (Франція), а також Дірк Шульце-макух
(Dirk Schulze-Makuch) з Вашингтонського державного університету
і Девід Грінспун (David Grinspoon) з музею Денвера природи і
науки вважають, що ацетилен і водень можуть служити їжею для
метанопродуцентов навіть на екстремально холодній поверхні
Титану (-179 °C). Якщо даний біогенний процес і відрізняється від
процесів, що відбуваються в метанопродуцентах і подібних до них
організмах на Землі або на Марсі, то лише тим, що йому не
потрібна вода, яку на поверхні Титану замінюють рідкі вуглеводні.
Поки ці гіпотези повністю не підтверджуються. Дані
«Гюйгенса» виключають глибинні джерела ацетилену; таке
з'єднання повинне утворюватися тільки з атмосферного CH4. Таким
чином, круг замикається: для виробництва метану (мікробами)
потрібний метан. Більш того, його зміст на Титані такий великий,
що метановий цикл працює з прискоренням, сильно виснажуючи
наявні живильні речовини. Тому гіпотеза про біологічне
походження даного газу на Титані менш приваблива, чим історія
його виникнення на Марсі.
Проте деякі учені вважають, що цей супутник у минулому або
навіть зараз може бути жилий. Він отримує достатньо сонячного
світла для перетворення азоту і метану в молекули-попередники
життя. У підповерхневому водно-аміачному розсолі з деякою
домішкою метану або інших вуглеводнів може існувати вельми
дружнє середовище для складних молекул і навіть живих
організмів. У далекому минулому, коли Титан був молодий і
остигав, рідка вода могла текти по його поверхні.
Майбутній марсоход NASA
Наступним кроком до вирішення проблеми метану на Марсі
буде Mars Science Laboratory, запуск якого запланований на 2009 р.
Його прилади повинні зміряти ізотопний склад метану (ключ до
його походження) і проаналізувати грунт в пошуку органічних
сполук (їх будова покаже, які хімічні або біологічні процеси
проводять або руйнують метан)
Органічна речовина
Для виявлення джерел метану на Марсі і Титані принципово
важливо
зміряти
відношення
ізотопів
вуглецю. На
Землі
життя
розвивалося,
віддаючи
перевагу
углерод12,
якому
потрібно менше енергії
для
молекулярних
зв'язків,
чим
углероду13.
При
з'єднанні амінокислот
виходять білки з явним
дефіцитом
важкого
ізотопу. Живі організми
на Землі містять в 92–
97 разів більше углерода12, чим углерода13. А в неорганічних
з'єднаннях таке відношення складає 89,4.
Проте на Титані зонд «Гюйгенс» визначив співвідношення
ізотопів по метану рівним 82,3 менше, ніж звичайне значення для
земних неорганічних з'єднань, що свідчить про відсутність життя в
знайомій нам формі. Деякі учені припускають, що життя на Титані
може відрізнятися від земної, або ж відношення ізотопів
неорганічних з'єднань може бути іншим.
Ще ніхто не визначав відношення ізотопів вуглецю на Марсі:
такі вимірювання дуже складні при такій низькій концентрації газу
(у мільярд разів нижче, ніж на Титані). Марсоход NASA
«Марсіанська наукова лабораторія», який прибуде на планету
в 2010 р., зможе точно зміряти відношення ізотопів вуглецю в
метані і, можливо, в інших органічних речовинах. Будуть також
досліджені тверді і газоподібні зразки для пошуку ознак життя,
таких як підвищене відношення змісту метану до важких
вуглеводнів (Етан, пропан, Бутан) і хиральность (надлишок
правовращающих або лівообертальних органічних молекул).
Чому ж органічні речовини зникли з поверхні Марса? Адже
метеорити, комети і частинки міжпланетного пилу винні були
протягом останніх 4,5 млрд. років занести на планету органіку.
Мабуть, винні марсіанські пилові смерчі, шторми і звичайна
сальтація (перенесення вітром частинок пилу). Дані процеси
створюють статичну електрику, яка може запустити хімічний синтез
перекису водню. Як будь-який антисептик, перекис водню
стерилізує поверхня і знищує органіку. До того ж, окислювач міг би
підсилити руйнування метану в атмосфері, тому для пояснення
спостережуваної кількості знадобилося б могутніше джерело.
Отже, саме метан підтримує унікальні умови на Титані. А
його присутність на Марсі дає нам привід роздумувати про життя
на цій планеті. Майбутні дослідження обох небесних тіл повинні
показати, чи жилі вони. Тому планетологіям необхідно вивчити всі
джерела, запаси і ізотопний склад цього газу, а також інших
органічних молекул і маркерів в газоподібних і твердих
середовищах. Навіть якщо опиниться, що метан не має відношення
до життя, його вивчення допоможе багато що дізнатися про
формування, кліматичні умови, геологію і еволюцію Марса і
Титану.
Рослини виділяють метан.
Біохіміки і кліматологи в жаху
Зелені рослини виділяють метан. Це сенсаційне відкриття
німецьких учених може перевернути уявлення, що склалися, про
біохімію
рослин,
глобальний
круговорот вуглецю і механізми
кліматичних змін на нашій
планеті.
Метан набагато «сильніший»
парниковий газ, ніж двоокис
вуглецю.
В
порівнянні
з
доиндустриальной епохою вміст
метану в атмосфері збільшився
майже втричі. Недивно, що в останні
десятиліття ведуться поглиблені
дослідження і облік всіх джерел
атмосферного
метану:
як
техногенних (спалювання органіки,
здобич викопного палива), так і
біологічних. Вважалося, що є тільки один біологічний процес, в ході
якого виділяється метан, і лише одна група організмів, здатних цей
процес здійснювати. Це метаногенные архебактерии дуже
стародавні і багато в чому загадкові мікроорганізми, одержуючі
енергію за рахунок відновлення вуглекислого газу або ацетату
молекулярним воднем в безкисневих умовах з виділенням метану як
кінцевий продукт.
Метаногени живуть в різноманітних, деколи вельми екзотичних
середовищах: в глибині боліт (болотяний газ), в кишечнику тварин
(теж зрозуміло), в товщі осаду на дні океанів, озер, ставків і
затоплених рисових плантацій, в міських звалищах і навіть в надрах
землі, в тріщинах і порожнинах гірських порід, до глибини 8-10 км.
Як «їжа» їх цілком влаштовує суміш вуглекислого газу з воднем;
вуглекислота є всюди, а джерелами водню служать або бактериибродильщики, що зброджують органіку в безкисневих умовах, або
рзультаты реакції води з перегрітими гірськими породами поблизу
магматичних вогнищ.
По розрахунках виходило, що в сумі всі ці джерела поставляють
в атмосферу близько 600 млн тонн метану в рік. Проте у минулому,
2005-м, року було виявлено аномально високий вміст метану в
тропічних районах над вічнозеленими лісами. Масштаб аномалії
свідчив про існування неврахованого джерела метану, завдяки якому
за період спостережень (з серпня по листопад 2005 року) в
атмосферу додатково поступило
30-40 млн тонн горючого газу.
Франк Кепплер з Института
Макса Планка (Гейдельберг,
Німеччина) і його колеги
підійшли до проблеми просто.
Якщо метан утворюється над
тропічними лісами, подумали
вони, чом би не перевірити, чи
не виділяється цей газ самими
рослинами? І не важливо, що
таке припущення противоречит
Молекула метану
всьому, що відоме про біохімію
і фізіологію зелених рослин...
Нарвали листя і перевірили.
Виділяється. І не так вже мало: від 0,2 до 3 нанограмів на грам сухої
ваги зеленої маси в годину (при температурі 30°C). Процес
відбувається в звичайних умовах аеробів, які для метаногенных
архебактерий смертельні. Про всяк випадок учені простерилизовали
листя гамма-променями і переконалися, що на виділення метану це
ніяк не вплинуло. Таким чином, газ виділяється самим листям, а не
якими-небудь мікробами, що причаїлися. «Це однозначно свідчить
про існування до цих пір невідомого шляху синтезу метану в
зеленому листі»,
скромно пишуть дослідники в статті,
опублікованій 12 січня в журналі Nature.
«До цих пір невідомого» це м'яко сказано. Немислимого.
Фантастичного. Так буде точніше.
Розібравшись із зірваним листям, почали перевіряти цілі живі
рослини. Виявилось, що вони виділяють на 1-2 порядки більше
метану, чим мертва листова маса. Процес різко активізується на
світлу, аж до 870 нанограмів на грам сухої ваги в
годиніДодавши в грунт помічений ізотопом 13C ацетат, учені
довели, що рослини синтезують метан не з ацетату, як це
роблять багато архебактерии-метаногены. Різке посилення емісії
газу при підвищенні температури (аж до 70°C) свідчить про те,
що процес цей, швидше за все, неферментативный (т. е. не
каталізує якимсь спеціальним ферментом, як у метаногенных
архебактерий).
Завершуючий етап метаногенеза у метаногенных архебактерий.
Фермент, що каталізує дану реакцію, є тільки у цих
мікроорганізмів
Рослини лісів і саван із-за особливостей фотосинтезу помітно
відрізняються один від одного по співвідношенню ізотопів 13C/12C.
Такі ж відмінності виявилися і в тому, що виділяється цими
рослинами метані.
Всі ці факти однозначно показують, що живі рослини синтезують
метан самі, без участі мікробів, а сам процес рослинного
метаногенеза радикально відрізняється від архебактериального.
Учені допускають, що джерелами рослинного метану можуть
служити метоксильные групи (–OCH3) пектина і лигнина звичайних
рослинних вуглеводів.
Змірявши інтенсивність метаногенеза у багатьох видів рослин з
різних кліматичних зон, учені спробували обчислити сумарну
кількість метану, що виділяється всіма зеленими рослинами планети.
Зрозуміло, мова йде лише про найпершу приблизну оцінку. Вийшло,
що живі рослини виділяють від 60 до 240 млн тонн метану в рік
(причому основний внесок вносять тропічні ліси і савани), і ще
від 0,5 до 7 млн тонн проводить опале листя. Все це разом складає
10-30% загального щорічного надходження метану в атмосферу,
включаючи техногенні джерела.
Якщо отримані дані не виявляться результатом якоїсь
грандіозної помилки, ученим доведеться переглянути (або,
принаймні, істотно доповнити) наявні уявлення про біохімію рослин,
вуглецевий цикл і механізми кліматичних змін.
Ну, а першу реакцію наукового співтовариства на сенсаційну
статтю можна охарактеризувати єдиною фразою: «Як ми
вмудрилися це продивитися?!»
КОЛИ ПОГОДУ РОБИВ МЕТАН
Три мільярди років назад
Землю
закутував
органічний
серпанок.
Близько 2,3 млрд. років
назад
незвичайні мікроби
вдихнули в молоду планету
Земля нове життя, наповнивши
її киснем. Якби ці плодовиті
організми
не
з'явилися,
еволюція життя пішла б
абсолютно іншим шляхом.
Багато учених вважають, що
задовго до появи ціанобактерій
Земля стала жилою завдяки життєдіяльності іншої групи
одноклітинних анаеробних метаногенов, років, що панували
впродовж перших двох мільярдів.
Парниковий ефект метану, що виробляється ними, зробив глибокий
вплив на клімат нашої планети.
Припущення про вирішальну роль метану вперше було зроблене
більше чверті століття назад, але наукові підтвердження гіпотези
учені почали отримувати зовсім недавно. Було встановлено, що
метан, що зберігається в нашій атмосфері всього 10 років, в
безкисневій атмосфері стародавньої Землі існував цілих 10 тис.
років. Дослідники не мають в своєму розпорядженні викопних
останків яких-небудь живих організмів того далекого часу, проте, на
думку більшості мікробіологів, метаногены були одними з перших
форм життя на нашій планеті. Сонце в ті дні не було таким яскравим
і жарким, як сьогодні, а тому в період свого розквіту метаногены
могли виробляти достатню кількість метану для того, щоб запобігти
глобальному замерзанню Землі. Але ці бактерії домінували не вічно:
із закінченням їх панування було зв'язано падіння температур, а
може бути, і подальші епохи глобального заледеніння планети
Для нотаток
______________________________________________________
___________________________________________________________
___________________________________________________________
___________________________________________________________
___________________________________________________________
___________________________________________________________
___________________________________________________________
___________________________________________________________
___________________________________________________________
___________________________________________________________
___________________________________________________________
___________________________________________________________
___________________________________________________________
___________________________________________________________
___________________________________________________________
___________________________________________________________
___________________________________________________________
___________________________________________________________
___________________________________________________________
___________________________________________________________
___________________________________________________________
___________________________________________________________
___________________________________________________________
___________________________________________________________
___________________________________________________________
___________________________________________________________
___________________________________________________________
___________________________________________________________
___________________________________________________________
___________________________________________________________
___________________________________________________________
___________________________________________________________
___________________________________________________________
___________________________________________________________
___________________________________________________________
Автор
galinkagos
Документ
Категория
Образование
Просмотров
221
Размер файла
1 962 Кб
Теги
Методичний посідник для викладачів хімії ПТНЗ "Метан", метан
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа