Глина и жизнь

Аватара пользователя
Кирилл Рудь
Сообщения: 230
Зарегистрирован: 2013 фев 08 23:38

Глина и жизнь

Сообщение Кирилл Рудь » 2013 мар 19 16:51

Земная кремневая жизнь.

Воронков М.Г., Кузнецов И.Г.

Журнал «Химия и жизнь», 1983, № 12, стр. 95-99.


Не подлежит сомнению, что никакой живой
организм не может существовать без кремния.
В.И. Вернадский.

Научная история роли кремния в жизненных процессах началась в 1789 году, когда датчанин П. Абильгард выделил кремнезем из тела морских губок. Шло время, включались в работу все новые и новые исследователи, и кремний был найден почти во всех растениях и животных. Его содержание в живых существах отнюдь не одинаково. Например, В.И. Вернадский по этому признаку разделил живые существа на три категории: так называемые кремнеорганизмы, в которых более 10% кремния; богатые кремнием существа, в которых его не менее 1-2%, и обычные организмы, содержащие лишь 0,1-0,001% кремния.
Были времена, когда на Земле господствовали организмы с кремниевым, а не кальциевым скелетом. Объясняют это просто: кальция в древнейшем мировом океане было очень и очень мало. Однако биогеохимическая эволюция Земли неустанно снабжала кальцием гидросферу, и теперь его в океанской воде предостаточно.
Неумолимый ход эволюции шаг за шагом вытеснял кремний из живой материи – он замещался более легко усваиваемым и удаляемым из организма кальцием, который, пожалуй, следует именовать его биохимическим антиподом. В телах высших животных и растений, стоящих на последних эволюционных ступенях, кальций явно преобладает над кремнием. Например, в организме человека 2% кальция и лишь 0,001% кремния, то есть кремния в две тысячи раз меньше.
Не только кальций, но и углерод вытеснял кремний с арены жизни. А ведь кремния вокруг полным-полно. В земной коре весовое соотношение кремний: углерод равно 276:1, зато в гумусовой почве оно 15:1, а в планктоне даже 1:1. В папоротниках уже явно преобладает углерод (соотношение 1:100), в телах млекопитающих и человека углерод совсем подавил кремний (соотношение 1:5000).
Древнейшие кремнеорганизмы не пошли далеко в своем развитии: по эволюционной лестнице они не поднялись дальше типа кишечнополостных. На генеалогическом древе живой материи это лишь одна нижняя ветвь, остановившаяся в росте.
Но умозаключение о том, что нынешние кремнеорганизмы – лишь ничтожные следы былой пышной кремниевой жизни, было бы ошибкой. Хотя и трудно представить, но и в наши дни кремниевые существа – весьма весомая доля земной живой материи. Большинство их принадлежит к древнейшим классам простейших, обитающих главным образом в морской воде. Это простейшие растения – диатомовые водоросли и силикофлагелляты – и низшие животные – фораминиферы, радиолярии, кремневые губки и солнечники.
Все они, в также многие другие простейшие организмы, на которые приходится львиная доля фито- и зоопланктона, извлекают кремний из морской воды и складируют его в основном в своих твердых тканях (кремнеземистые панцири, скелеты...). Концентрация кремния в природных водах всегда намного меньше, чем в планктоне. Однако кремнеорганизмам это не помеха – они могут поглощать кремний из весьма разбавленных растворов его соединений и даже разлагать силикаты и алюмосиликаты (глинистые минералы), высвобождая при этом необходимый им кремнезем.
В начале нашего века шотландские океанографы Д. Меррей и Р . Ирвин, размышляя во время своего длительного морского путешествия об источнике питания диатомей, предположили, что те поглощают кремний из мельчайших частиц глинистой мути, взвешенной в соленой океанской воде. Возвратившись из плавания, они экспериментально доказали, что диатомеи действительно разлагают глину, извлекая из нее кремнезем. Потом эта способность диатомовых водорослей была подтверждена В.И. Вернадским и другими.

Зачем диатомеям панцирь?
Диатомовые водоросли – распространеннейшие на земном шаре организмы. Их около 20 тысяч видов. Все они микроскопические, обычно бурые одноклеточные существа размером 0,75-1500 микрон. Будучи основой фитопланктона, они дают около половины всей органической массы океана. Более того, диатомеи – это почти четверть глобальной продукции живого вещества; они ежегодно поглощают из Мирового океана примерно 10 млрд. т углерода и 3 млрд. т кремния.
Панцирь диатомей состоит из двух самостоятельных половинок (створок), находящих одна на другую, как крышка на коробку. За это они и подучили свое название от греческого diatomos – разделенный пополам. Стенки панциря пронизаны порами, через которые идет обмен веществ с внешней средой. Размножаются диатомеи делением, причем дочерняя клетка получает половину материнского панциря, вторая же створка вырастает заново. Скорость их размножения столь стремительна, что, если бы не было помех, они покрыли бы всю поверхность Земли менее чем за 17 суток. В одном кубометре холодных вод Арктики и Антарктики, где преимущественно держатся диатомовые водоросли, обитает около миллиарда их клеток-особей. Из поглощенного кремния (преимущественно в виде ортокремниевой кислоты) диатомеи и строят красивейшую оболочку-панцирь. Но кремний нужен не только для панциря – он используется и в жизнедеятельности этих крошечных существ.
Во время массового развития диатомовых водорослей концентрация двуокиси кремния в природных водах падает. Поэтому-то и существуют сезонные колебания кремния в водоемах.
По химическому составу диатомеи совсем не похожи на другие водоросли. В диатомеях около 90% воды, а сухой остаток при сжигании дает золу, почти целиком состоящую из кремнезема. Иначе говоря, кремния в диатомеях куда больше, чем углерода. Именно они истинные представители земной кремниевой жизни.
Зачем же диатомовым водорослям понадобился кремниевый панцирь? Ведь другие растения, к тому же стоящие на более высокой эволюционной ступени, обходятся без него. Наверное, поначалу панцирь служил диатомовым водорослям защитой от чрезмерно высокой температуры воды древнего океана. Теперь же он спасает их от холода арктических и антарктических вод. Правда, и сейчас процветают «жаропрочные» диатомеи. Например, некоторые их виды обитают при 83-85 С в гейзерах Исландии. Кроме того, панцирь – неплохая защита от механических повреждений, но, увы, он не спасает диатомей от поедания морскими животными – кремневыми губками и радиоляриями.
Зато кремниевый панцирь сам как бы подкармливает водоросли – он может регулировать поглощение диатомеями солей из морской воды, то есть заведует солевым питанием. А оно для диатомей отнюдь не второстепенно. Кремний им необходим не только для панциря, но и для размножения, синтеза ДНК. Если нет кремния, синтез ДНК замедляется в десять-двадцать раз. При добавлении в воду силиката натрия немедленно начинается бурный синтез ДНК и процессы клеточного деления. При экспериментальном выращивании некоторых диатомовым водорослей в бескремниевой среде выяснилось, что они могут построить панцирь из пектиноподобного органического вещества. Значит, у диатомей есть некий тонкий адаптационный механизм, по-видимому, древнего происхождения, который в необходимых случаях весьма просто решает проблему» кремний или углерод». Появление такого механизма в далекие от нас эпохи могло быть одним из узловых пунктов эволюции.
Полимеразы и другие связываемые ДНК протеины образуются в тельце диатомей лишь в присутствии кремния. Зато большинство белков, если не все остальные, могут появиться только во время кремниевого голодания. Так или иначе, но ортокремниевая кислота в обмене веществ диатомовых водорослей играет роль первой скрипки: она усиливает синтез аминокислот и белков, локализованных в хромосомах и хлоропластах, регулирует дыхании синтез хлорофилла...
Использование кремния диатомеями, по-видимому, неразрывно связано с циркуляцией калия. Во всяком случае, если в воде нет калия, а на улице ночь, поглощение Si(ОН)4 почти совсем прекращается, а при солнечном свете замедляется более чем на треть.
Любопытно, что многие кремнийконцентрирующие организмы (диатомеи, злаки...) очень и очень чувствительны к ортогерманиевой кислоте и ее производным. Она для них столь ядовита, что полностью подавляет усвоение кремния и активность ферментов, тормозит синтез хлорофилла, белков. Скорее всего это объясняется ее сходством с кремниевой по строению, физическим и химическом свойствам.
Изучение обмена кремния в диатомеях весьма перспективно. Ведь диатомеи могут послужить хорошей моделью для изучения интимной роли кремния в организмах высших животных. Например, после того как выяснилось, что в диатомеях кремний концентрируется в митохондриях, хлоропластах, пузырьках и микросомах, удалось его найти в ядрах, митохондриях, пузырьках и микросомах клеток печени, селезенки и почек крыс. Ну, а от лабораторной крысы, до лабораторных экспериментов до практики – один шаг.

Золотистые водоросли, радиолярии, губки...
Кремневый скелет золотистых водорослей – силикофлагеллят внутренний, а не наружный, как у диатомей. Причем кремневый каркас золотистых водорослей, обитающих в холодных морях, более развит, чем у обитателей теплых вод.
Если продолжить перечень земной кремниевой жизни, то видное место в этом списке должны занять одноклеточные морские животные – фораминиферы. У них кремнистая или песчаная раковина. Обычно кремнезем, из которого состоит раковина, является не чем иным, как опалом. Песчанистая же раковина построена из кусочков кварца, слюды, обломков раковин погибших фораминифер... Но более подробно о фораминиферах мы говорить не будем – высокое содержание кремнезема в раковинах, по всей вероятности, никак не связано с биохимическими процессами в их организмах.
А вот другие примитивные морские животные – радиолярии (лучевики) достойны более обстоятельного описания: их ископаемые останки найдены еще в докембрийских отложениях.
Нынешние радиолярии – это обширная когорта из семи тысяч видов морских планктонных организмов размером от 40 микрон до 1 мм. И если есть мелкие включения гранул кремнезема в протоплазме лишь некоторых радиолярий, то у многих очень красивый, изящный и невероятно сложный наружный каркас из кремнезема. Их оболочка зачастую слагается из геометрически правильных игл, образующих шары, многогранники, кольца... Легкие и прочные иглы несут защитную функцию и сильно увеличивают удельную поверхность радиолярий. Сейчас на дне океана покоятся мощные залежи радиоляриевого или – остатки этой красоты.
Ну а теперь несколько слов кремниевых и кремнероговых губках, в частности о тех, которые обитают в Байкале. Так вот, содержание кремнезема в их золе порой более 90%. Секрет здесь в том, что лишь кремнеземистые скелеты могут противостоять растворяющей силе морской воды под большим давлением. Из игл погибших морских кремниевых губок образуется осадочная порода – опока. В. Самойлов еще в 1917 г. предположил, что губки усваивают кремний двумя способами: из окружающей среды, где он пребывает в виде золя или геля кремнезема, и из пищи, которой губкам служат диатомные водоросли и радиолярии.
Без кремния не могут обойтись и амебы, и солнечники, и инфузории, и простейшие морские организмы, слагающие основную массу зоопланктона. Они старательно извлекают из морской воды необходимый для их жизнедеятельности самый распространенный элемент.

Кремний в грибах, лишайниках и бактериях.
Еще в прошлом столетии предположили, что кремний нужен грибам. Во всяком случае, в их золе было найдено до 10% кремнезема. Шли годы, и прямые эксперименты подтвердили, что грибы усваивают кремний из нерастворимых природных силикатных минералов, разлагая их при этом. Некоторые грибы могут питаться стеклом и кремнийорганическими полимерами. Недаром силикагель применяют в качестве среды для культивирования грибов в лабораториях. Самое интересное здесь то, что мицелий некоторых грибов отлично развивается в кремнийсодержащей среде при полном отсутствии фосфора, но при обилии кислорода. Не свидетельствует ли это о том, что возможна бесфосфорная жизнь?
Лишайники тоже хорошо себя чувствуют, произрастая на голых камнях и скалах, в жарких тропиках, в холодной тундре и высоких горах, где нет другой растительности. Они внедряются в горные породы и минералы механически и химически. Их гифы, проникнув по трещинам в скалы, отщепляют от них мелкие кусочки, которые потом химически разрушаются выделяемыми лишайником органическими кислотами. Из горной породы лишайники извлекают минеральные вещества, в том числе и кремний. Количество усвоенного кремния зависит как от вида лишайника, так и от состава горной породы, которой он питается.
Еще более скудное меню у автотрофных бактерий, источником питания которых служат лишь одни неорганические вещества. Так называемые силикатные бактерии усваивают азот из атмосферы и фосфор из фосфоросодержащих минералов, а кремний – из кремнезема, силикатов и алюмосиликатов. По-видимому, кремний они используют в качестве источника энергии!
На рубеже ХIХ и ХХ столетий наши соотечественники М. Егунов и Г. Надсон наблюдали образование кремнезема, выделяемого бактериями: на стенках пробирок из озерного или вырастала тонкая пленка кремнезема. Чуть позже, в 1912 г. немецкий исследователь К. Бассалик в кишечнике дождевых червей обнаружил бактерии, разрушающие алюмосиликаты с образованием кремнезема. Такие же бактерии потом были найдены и в желудочно-кишечном тракте некоторых насекомых, обитающих в песке.
Широкие же исследования микроорганизмов, разрушающих силикаты, были начаты в конце 40-х годов одесским профессором В. Александровым. Эти бактерии, живущие в почве, на граните и других силикатных породах, а также в водоемах, с помощью ферментов деятельно разрушая силикаты и алюмосиликаты, включают входящий в их состав кремний в свой жизненный цикл. Освобождающаяся при этом энергия используется для усвоения углерода из атмосферы или карбонатов почвы, а также для фиксации азота воздуха.
Выносливость силикатных бактерий превыше всяких похвал. Они, например, не теряют жизнеспособность при морозе в -40 С и после нагревания до 150-160 С , им нипочем длительное солнечное облучение. Такая жизнестойкость, очевидно, была палочкой-выручалочкой в те времена, когда на земной суше почти не было органических источников питания, а в атмосфере витали лишь крохи кислорода и озона, защищающего все живое от губительного ультрафиолета и космических лучей.
Кто знает, может, именно силикатные бактерии миллиарды лет тому назад стали первыми обживать сушу нашей планеты. Переработав силикатный покров Земли, они-то и создали почву для жизни высокоорганизованных потомков.
Из-за силикатных бактерий, размножающихся в толщах горных пород, частенько образуются так называемые истинные плывуны. Лабораторные опыты геолога В. Радиной поведали, что даже чистый песок под влиянием силикатных бактерий постепенно превращается в плывун. И другой многозначительный факт. Голландец В. Хайнен выявил бактерию Proteus mirabilis, синтезирующую в себе кремнийорганические соединения, содержащие кремнекислородные, кремнеазотные и даже кремнеуглеродные связи. Единственным источником энергии для этих бактерий могут быть соединения кремния, расщепляемые особыми ферментами – силиказами.
Кремний служит и вирусам – еще более простым представителям живой материи, чем бактерии. Вирусы содержат 0,2-0,6% кремнезема в протеиновой матрице. Однако роль кремния в их жизнедеятельности еще совершенно не изучена.
Так или иначе, но исследование кремнеорганизмов внесет еще много нового в наши представления о формах существования живой материи и протекающих в ней биохимических процессах.

Справка:

Воронков Михаил Григорьевич (1921 г. р .), доктор химических наук, профессор, академик РАН. В 1942 г. окончил химический факультет Свердловского государственного университета. Руководитель лаборатории элементоорганических соединений Иркутского Института химии им. А.Е. Фаворского СО РАН.
Кузнецов И.Г., кандидат биологических наук.

Воронков М.Г., Кузнецов И.Г., Кремний в живой природе / Академик Седов К. Р . (отв. ред.) - Новосибирск: Наука. Сиб. отд-ние, 1984. -157 с . - Серия "Человек и окружающая среда" - АН СССР. Сиб. отд-ние.
Внимание! Создателям ПДА - http://forum.snsvet.ru/viewtopic.php?f=17&t=37&p=506#p506

Аватара пользователя
Кирилл Рудь
Сообщения: 230
Зарегистрирован: 2013 фев 08 23:38

Re: Глина и жизнь

Сообщение Кирилл Рудь » 2013 мар 19 21:03

Продолжу публикации о глине .
Кремнезём это кварц, двуокись кремния. Кварц сильно расширяется при нагревании в диапазоне 570С-580С. Это происходит с читым кварцем, если нет некоторых примесей . Когда есть примеси, кварц ведёт себя по другому. В этом диапазоне он расширяется не заметно. Самый низкий КТР из всех твёрдых веществ у электролавленного кварца. У кварца с примесями подобное поведение в диапазоне до 1000С, но меньший предел жаропрочности.
Пример - жаропрочное стекло для каминов - кварц сплавленный с бурой - боросиликат. Бура плавится при 741С и растворяет в себе кварц, так получается это стекло. Можно растворять кварц в расплаве поташа и получится калиевое стекло, можно растворять в соде и получится натриевое стекло. Но у этих стёкол температура начала размягчения в пределах от 400С до 650С и стёкла сваренные на щелочах не имеют термостойкости из-за высокого КТР. КТР высок от того, что щелочи присутствуют в этом сплаве в большом количестве и по составу такое стекло гораздо дальше от кварца, а с малым количеством щелочей стекло это не сваришь.
Ещё есть формы кварца которые образовались в результате жизнедеятельности некоторых организмов. Диатомит например, это останки диатомовых водорослей диатомей. Водоросли усваивали кварц из среды и оставили нам вот такой чудесный материал, который не расширяется при 575С как кварц в чистом виде.
Ещё есть микроорганизмы, бактерии, лишайники, которые тоже успешно этот кремнезём переваривают. Иногда эти бактерии селятся во рту и кушают зубную эмаль. Об этом статья в первом сообщении.
Вот эти самые бактерии и помогают прогноить глину. В идеале глина гноится лет сто.
Китайцы так и поступали, когда готовили массу для фарфора. По результатам гноения, не особо пластичный каолин становился весьма пластичным за счёт того, что бактерии усваивая каолин, увеличивали его дисперсность и меняли его свойства в результате их жизнедеятельности. Ещё гноение давало в массе глины присутствие илистой перегнившей органики, за счёт которой взаимное скольжение частиц усиливалось, что тоже положительно сказывалось на пластичности материала и вместе с тем на его водопотреблении. При меньшем количестве воды, в сравнении с исходным материалом, пластичность получалась как надо, то есть, сырец при сушке давал меньшую усадку и брака было меньше на выходе.
Вдобавок ко всему, в результате гноения глины, количество переродившегося кремнезёма было достаточно для того, чтобы можно было спокойно обжигать крупные изделия без специальной выдержки на 575С без риска растрескивания изделий
Внимание! Создателям ПДА - http://forum.snsvet.ru/viewtopic.php?f=17&t=37&p=506#p506

Ramunas
Сообщения: 43
Зарегистрирован: 2013 фев 09 14:12

Re: Глина и жизнь

Сообщение Ramunas » 2013 апр 04 23:36

гдетось в инете ходит инфа про человека смогшего разработать технологию измельчения глины и кремнезема и в результате получившего довольно внушительные характеристики предметов из такой глины.


Вернуться в «Технологии, оборудование, КИПиА»

Кто сейчас на конференции

Сейчас этот форум просматривают: нет зарегистрированных пользователей и 1 гость