Образуване на органични вещества. Образуване на най-простите органични съединения

Останки от растения и животни, натрупващи се на повърхността на изветряла скала и в нейните повече или по-малко горни хоризонти, могат да бъдат наблюдавани от нас в голямо разнообразие от етапи на разлагане или 1) под формата на леко разложени останки, натрупващи се с течение на времето под формата на различни „филцове“ (в горите - „горски филц“, в степите - „степ“), характеризиращи се с толкова ниско разлагане на съставните им компоненти, че лесно можем да различим отделни части от растения или животни; или 2) под формата на части от растения (и животни), които повече или по-малко вече са загубили първоначалната си форма и вид; тогава те ни се явяват под формата на отделни фрагменти, деформирани в различна степен, покафенели, с нежна, ронлива текстура и структура. Но на този етап на разграждане можем да ги отделим от минералните частици на скалата чрез различни механични методи – чрез елутриране, тъй като са по-леки във вода, понякога чрез избиране с пинсети и др.; накрая, 3) в по-нататъшния етап на тяхното разлагане описаните останки напълно губят първоначалните си свойства и влизат в толкова тясна химическа комбинация с минералното вещество на скалата, че вече са неотделими от последното с никакви механични методи.
Този етап на разлагане се характеризира, така да се каже, с пълното усвояване на получените продукти от минералната основа на скалата; ние можем да отделим тези продукти от минералната част само чрез прилагане на енергийни химични методи или чрез унищожаване на тези продукти (чрез изгаряне).
Резултатът от такова тясно химично съчетание на продуктите от разлагането на растителни и животински остатъци с минералната част на изветрената скала е комплекс от специални, така наречените "органо-минерални" съединения, които се натрупват в почвата в едно или друго количество. , се отличават със сравнителна стабилност и сила на техния състав и придават на почвата повече или по-малко тъмен цвят. Тази група продукти, която е като че ли неразделна част от почвата, „усвоена“ и химически свързана с нея, се нарича почвен хумус (хумус).
От казаното по-горе ясно следва, че не всяко органично съединение, което може да се намери в почвата, трябва да принадлежи към категорията на хумусните или хумусни почвени съединения. Така "свободните" въглехидрати, мазнини и т.н., които могат да се образуват в почвата в резултат на разлагането на растителни и животински остатъци, все още не представляват онази органоминерална неоплазма, която наричаме хумус. Благодарение на изобилието от микрофлора, присъстваща в почвите, и поради разнообразните ензими, присъстващи в почвите, споменатите органични съединения обикновено претърпяват толкова бързи и лесни трансформации, че могат да бъдат наречени, в буквалния смисъл на думата, мимолетни и преходни съединения. Всъщност директният анализ обикновено показва изключително променливо и променливо количество от тях в една и съща почва - често дори за много кратък период от време. Тези съединения, в резултат на сложни реакции на взаимодействие с минералното вещество на почвата, в тяхната последваща съдба, разбира се, могат да станат неразделна част от почвения хумус, но те могат, без да намерят подходящите физични и химични условия за това, а не да бъдат включени в новообразувания органо-минерален комплекс и да останат „свободни“, като не са компоненти на хумуса.
Що се отнася до тези минерални съединения, които винаги са част от растителни и животински останки, когато последните се разлагат, тези съединения също страдат от двойна съдба: някои от тях се освобождават от тази силна и сложна връзка, в която са били по време на живота на един или друг организъм с органични съединения на последния и се утаява в повърхностните хоризонти на почвата под формата на определени "чисти" минерални образувания (има, както се казва, "пълна минерализация на органичните остатъци"); другата част също взема пряко участие в синтеза и изграждането на онзи органо-минерален комплекс, за който сега говорим.
Следователно не всички минерални съставки на почвата и не всички нейни органични съединения са съставни части на нейния хумусен комплекс.
От категорията на почвените хумусни вещества трябва да изключим и онези останки от разлагащи се растения и животни, дори и силно деформирани, които можем да отделим от почвената маса с механични средства (останки от кореновата система, останки от листовки, останки от хитин на насекоми корици и др.).
Така разграничаваме понятието „органичен компонент“ на почвата от нейната „хумусна част“. Второто понятие е част от първото. Това съображение трябва да се има предвид при цялото ни следващо изложение.
Химическата структура на този сложен комплекс, който се нарича почвен хумус или хумус, все още е много слабо изяснен, въпреки факта, че изследването на този обект е започнало много отдавна. Основната причина за тази липса на проучване е фактът, че все още не са разработени надеждни методи за индивидуализиране на този сложен обект по някакъв начин, все още няма начини да се получи в кристална форма и т.н.
Последните години обаче бяха белязани от цяла поредица от изследвания, които значително напреднаха в изучаването на този комплекс.
Между природата на органичните съединения, които изграждат всички горепосочени категории обекти в естествена среда, ние наблюдаваме, разбира се, редица постепенни преходи, както между първичните минерали на основната скала, така и крайните продукти на тяхното разпадане, и между незасегнатите процеси на разлагане на растителни (и животински) остатъци и крайните фази на тяхното унищожаване можем да наблюдаваме във всяка почва редица най-разнообразни междинни образувания.
Ако в началните етапи на изветряне на скали и минерали доминираща роля играят елементи от "неживата" природа, т.е. елементи на атмосферата и хидросферата, то в следващите етапи от развитието на тези процеси, когато тези скали придобиват способността за да осигурят живот на растителността, която се установява върху тях и във връзка с това започват да се обогатяват с продуктите на разлагането на последните, такава роля преминава към елементите на биосферата. Фактът, че именно микроорганизмите играят водеща роля в процесите на разграждане на умиращите органични остатъци, е доказан още през 1862 г. от блестящите изследвания на Пастьор.
Многобройни експерименти с цел да се изясни влиянието на високите температури и различни антисептични средства върху разлагането на органични вещества впоследствие окончателно установиха тази позиция. Трябва да се отбележи обаче, че някои от тези експерименти показват, че при горните условия процесите на разлагане не спират напълно, а само значително се инхибират, което позволява да се предположи, че тези процеси, макар и в много незначителна степен, могат все още понякога се извършват в силата на чисто химично взаимодействие на части от разлагащ се материал. Във всеки случай на последната категория явления трябва да се отреди повече от скромна роля в процесите на разлагане на органични вещества.
Ако процесите на разграждане на органичните вещества в почвата са предимно биохимични процеси, тогава е ясно какви различни форми и направления могат да приемат тези процеси в почвата при естествени условия, в зависимост от един или друг приток на въздух, почвена влага, температурни условия , химични и физични свойства на околната среда и др.
За да разберем докъде може да стигне разграждането на органичните остатъци във всеки отделен случай и на какви междинни етапи може да се забави това разлагане във всеки отделен случай, ще разгледаме допълнително значението в тези процеси на всеки от факторите, споменати по-горе, поотделно, освен това, без да цитираме цялата налична многобройна литература по този въпрос, ние се ограничаваме до докладване само на окончателните заключения, получени в тази област.
Отправната точка за изследванията, представени тук, е добре известната позиция, че освобождаването на въглероден диоксид от разлагащата се органична материя може да бъде признато като мярка за скоростта и енергията на това разлагане (Hoppe-Seuler). Като се има предвид обаче, че в почвата, успоредно с процесите на разграждане на органичните вещества, под въздействието на жизнената дейност на микроорганизмите, често протичат обратни процеси - синтетични - и следователно количеството отделен въглероден диоксид не може винаги служи като мярка за разлагането на органичната материя, може да се прибегне до друг изследователски метод, а именно директно към анализа на количеството минерални съединения, които се отделят от разлагащото се вещество, включено в неговия състав.
От най-важните условия, които определят скоростта и характера на разлагането на органичните вещества, ще се съсредоточим върху изучаването на влиянието на температурата, степента на влага, степента на приток на въздух, химичните свойства на средата и естеството на влагата, влизаща в разлагащ се материал при тези процеси.
Влияние на температурата и влажността. Най-подробното изследване на този въпрос е направено от Wollny.
Разлагащият се материал се поставя в U-образни тръби и през тях се пропуска въздух без въглероден диоксид. Тези тръби се поставят във водни бани, където температурата се регулира по желание.
Ако влажността на взетия обект остава постоянна, тогава количеството въглероден диоксид (CO2) се увеличава с повишаване на температурата. И така, въздухът, преминаващ през тръбите, съдържа въглероден диоксид (в компостната почва):

Ако на свой ред температурата остане постоянна и степента на овлажняване се увеличи, тогава количеството CO2 също се увеличи съответно:

Така както температурата, така и влажността на разлагащия се субстрат влияят на интересуващия ни процес в една посока.
Променяйки условията на температура и влажност в противоположни посоки в своите експерименти, Wollny стигна до извода, че образуването на CO2 се извършва най-интензивно при средни условия на температура и влажност. Така например, когато

Подобни резултати са получени от Фодор, чиито изследвания също представляват интерес, защото той е работил, наред с други неща, с много високи температури (до 137 °). Всички негови експерименти напълно потвърдиха заключенията на Волни; наред с други неща той заяви, че при много високи температури отделянето на въглероден диоксид от разлагащата се маса, въпреки че продължава, е изключително слабо. По-нататъшните изследвания на Петерсен с разлагането на органичната материя в черната земя и с разлагането на дървесината на широколистните дървета, както и на Белен и покойния П. Костичев - с паднали листа от бреза, свежи смърчови иглички и сено, показват в като цяло, както температурата, така и влажността наистина действат в една и съща посока. , но до определена граница (в посока на повишаване или, обратно, в посока на намаляване), когато жизнената дейност на микроорганизмите вече е била нарушена поради това, и когато процесът във връзка с това вървеше напред много слабо и мудно.
Крайният извод от всички тези наблюдения може да се формулира по следния начин: енергията на разпад на органичните вещества достига своя оптимум при определена средна стойност на влажност и температура. Липсата на влага понижава тази енергия, както и нейният излишък, тъй като в последния случай се затруднява свободната циркулация на въздуха в разлагащата се маса. Ниските и високите температури също възпрепятстват описания процес.
Резултатите от всички тези опити и наблюдения, пренесени в естествената среда, ни помагат по най-добрия възможен начин да разберем причините за натрупването в тази или онази област на това или онова количество хумус - от този или онзи състав. Във всеки отделен случай винаги можем да свържем тези явления, от една страна, с климатичните условия на дадения регион и с онези фактори, от които зависи микроклиматичната обстановка (ландшафт, растителност и др.), а от друга страна, с комплекс от вътрешни физико-химични свойства на самата почва (в случая нейните водни и топлинни свойства), през които се пречупват всички елементи на природата, заобикаляща тази почва.
Влияние на химичните свойства на средата. Ще се ограничим само до най-общите разпоредби, които съществуват в тази област.
Киселинността на околната среда, според експериментите на Волни и много други изследователи, има потискащ ефект върху процесите на разлагане, което, разбира се, е съвсем разбираемо, ако си спомним, че за бактериалната популация - този основен причинител на процесите ние описваме, киселата среда е отрова (гъбичната микрофлора, обаче, към този фактор до определена граница, както знаем, е нечувствителна).
Що се отнася до значението на алкалната среда, ще се спрем на този въпрос малко по-подробно и ще имаме предвид ефекта върху интересуващите ни процеси само от наличието на калциев карбонат, тъй като именно с това съединение ние най-често трябва да се занимават, когато обсъждат, например, въпроса за влиянието върху енергията на разлагане на органичната материя на такива общи родителски скали като льос, льосовидни глинести и др. образувания, богати на калциеви карбонати.
Не толкова отдавна имаше убеждение, че CaCO3 (калциев карбонат) значително ускорява скоростта на разлагане на органичната материя. В практиката на селското стопанство доскоро беше широко разпространена позицията, че „варът, обогатявайки бащите, съсипва децата“, тоест, че това вещество допринася за изключително бързото гниене на хумуса в почвата, „изпуснатите“ хранителни вещества от които (минерални, затворени в съединения) временно значително повишават плодородието на почвата, но в същото време лишават почвата от този запас от тези съединения, от които следващите култури биха могли да черпят храна за себе си. Това погрешно вярване се основава, наред с други неща, на изследванията на Petersen.
Петерсен постави експериментите си с почва, която имаше 58% хумус (т.е. с ясно кисела почва) и според количеството CO2 той заяви почти тройно количество от този газ, когато калциевият карбонат беше добавен към тази почва, от което споменатият автор заключава, че варът значително ускорява разлагането на органичната материя. В друг експеримент Петерсен оперира с варовита почва - непроменена, както и със същата почва, но предварително обработена за отстраняване на варовик със солна киселина. Резултатите бяха същите. Първите експерименти на споменатия учен по-късно са подложени на справедлива „критика от покойния П. Костичев, който обръща внимание преди всичко на факта, че почвата, с която Петерсен манипулира, е несъмнено кисела, съдържаща много свободни хумусни киселини. Ясно е, че добавянето на калциев карбонат към такава почва, осреднявайки средата, създава благоприятни условия за процеси на разлагане. Що се отнася до друга група опити на Петерсен, последният пропусна ефекта от предварителната обработка на почвата със солна киселина, която трябваше да има пагубен ефект върху почвената бактериална флора.
По-нататъшните експерименти на П. Костичев с дървесна зеленина и с черноземни почви показват, че добавянето на калциев карбонат, напротив, винаги намалява енергията на разлагане. Подобни резултати са получени от Wollny, Reitmair, Kossovich и др.. Само в изключителни случаи, когато почвената среда съдържа много свободни хумусни киселини, добавянето на вар може да насърчи процесите на разлагане.
Както е известно, обогатяването с хумус на черноземните почви отчасти се обяснява със защитната роля на калциевите съединения, които са част от основните скали, най-често срещани в степната зона (льос, льосовидни глини и др.).
Като се има предвид, че калцият е енергиен коагулатор на колоидни вещества (както органични, така и минерални), трябва да припишем на този елемент и ролята на енергиен фиксатор на хумусни съединения в почвения стълб. Загубата на почвата, по една или друга причина, от калциеви съединения води, както знаете, процесите на нейното пълно израждане ("деградация") - със загуба на част от хумусните вещества чрез измиване и др.
Влияние на притока на въздух върху разграждането на органичните вещества. За да изясни ролята на въздуха като един от факторите при разграждането на органичната материя, Волни поставя следния експеримент: смес от кварцов пясък и торфен прах, навлажнена до определена граница, се поставя в U-образни тръби, през които пропуска се въздух с различно съдържание на кислород, както и чист азот и чист кислород. Количеството въглероден диоксид се определя на всеки 24 часа. Резултатите от експериментите показаха, че разлагането на органичната материя се увеличава с увеличаване на процента на кислород във въздуха. Напротив, с намаляването на последното и още повече със замяната на този газ с някакъв индиферентен газ (например азот), окислението на въглерода в органичната материя беше силно инхибирано. Липсата на кислород, който тече към разлагащия се материал, влияе не само върху намаляването на енергията на това разлагане, но също така се отразява в самото естество на процеса. От тази гледна точка е обичайно да се прави разлика между процеса на тлеене (т.е. процес на разлагане с достъп на въздух) и процес на гниене (т.е. разлагане при анаеробни условия).
Ако органичните остатъци се разлагат с пълен достъп до въздух (аеробният процес е „процес на тлеене“), тогава тези процеси са чисто окислителни по природа и разлагането на органичната материя може да продължи непрекъснато (при липса, разбира се, на каквото и да било фактори, инхибиращи тези явления) до такива продукти като вода, въглероден диоксид, соли на азотна, сярна, фосфорна и други киселини. В същото време минералните вещества, които са били част от пепелните елементи на разлагащите се остатъци, по този начин се освобождават. Има "минерализация" на органични остатъци.
Обикновено тлеенето става със значително отделяне на топлина.
По време на анаеробни процеси („процес на гниене“) посочваме редица непълно окислени съединения, като метан (в резултат на анаеробна метанова ферментация на целулоза, нишесте, пентозани и др.), сероводород (характерен продукт на разпадане на протеини ), водород (продукт от водородна ферментация на целулоза), фосфид, амоняк, азот и др. Освен това сред продуктите на анаеробно разлагане виждаме такива междинни форми на разлагане на протеини като индол, скатол и др. Накрая, в разлагаща се маса, при описаните условия се образуват многобройни органични киселини - мастни киселини (като се започне от мравчена и завърши с масло с неговите по-високи хомолози), след това млечна киселина, бензоена, янтарна и др. Органичните киселини постепенно се натрупват в големи количества, не намирайки благоприятни условия за тяхното по-нататъшно разпадане поради липса на въздух, спират развитието на микроорганизми и по-нататъшното разлагане на органичната материя може напълно да спре.
Тлеенето и гниенето са, разбира се, само най-крайните форми на разлагане на органичната материя, между които са възможни различни междинни етапи.
Влияние на естеството на притока на влага към разлагащо се вещество. В допълнение към изброените по-горе фактори, енергията и характерът на разлагането на органичните вещества се влияят много рязко от характера на влагата на разлагащото се вещество (С. Кравков). При пряко изследване на количеството минерални съединения, които се отделят от различни разлагащи се растителни остатъци в случай, че тези остатъци систематично се измиват с вода (т.е. когато продуктите на разлагането се отстраняват постоянно от сферата на взаимодействие един с друг) , и в случай, когато тези продукти винаги остават във взаимодействие с разлагащия се материал, беше посочено, че в първия случай, в разлагащата се маса, киселинните продукти се натрупват в изобилие, инхибирайки по-нататъшния ход на процесите на разлагане, във втория, тези процесите, напротив, през цялото време протичат много енергично. По-внимателно изследване на това явление показа, че по време на измиването на разлагащ се материал имаме работа с много бърза загуба на неговите алкалоземни основи от това вещество, което допринася за натрупването на ненаситени киселинни продукти в разлагащата се маса, които инхибират този процес.
Същите явления са констатирани от С. Кравков по отношение на почвите. Тези изводи, направени през 1911 г., днес се обясняват най-добре от гледна точка на учението на К. Гедройц за „почвения поглъщащ комплекс.
Описаните факти трябва да се имат предвид при изучаване на условията на натрупване и гниене на органични вещества в почви с различна водопропускливост, разположени в различни релефни условия и др.
В допълнение към факторите, обсъдени по-горе, енергията на процесите на разлагане се влияе и от редица други условия: степента на финост на разлагащия се материал (колкото по-висок е съня, толкова по-голяма е повърхността на контакт с атмосферните агенти: температура, влага , кислород във въздуха и др., процесите на разлагане протичат по-енергично), химичният състав на разлагащия се материал (най-бързо се разлагат протеинови вещества, захари, някои органични киселини; по-трудно - целулоза, лигнин, коркови вещества; накрая - смоли, восък вещества, танини и др.). От тази гледна точка познаването на химичния състав на онези растителни асоциации, които участват във всеки отделен случай в създаването на органичната материя на тази или онази почва, изглежда абсолютно необходимо.
Прехвърляйки всички тези изводи към природата, вече можем да предвидим, че природата и енергията на разлагане на органичните вещества трябва да бъдат още по-чувствителна реакция към промяна на този или онзи външен фактор в една или друга посока, отколкото процесите на изветряне на минералите и скали, разгледани по-горе. Реалността напълно потвърждава това предположение: количеството хумус, натрупано в дадена почва, нейният качествен състав, химични свойства и т.н. винаги могат да бъдат тясно свързани с естеството на околните климатични условия, с релефните условия, с естеството на растението (и животински) свят, и накрая, с характеристиките на основната скала и с целия комплекс от вътрешни физико-химични и биологични свойства на самата почва.
След като разгледахме условията, от които зависи енергията и естеството на разлагането на умиращите органични остатъци, сега се обръщаме към изследването на химичния състав и свойствата на продуктите от това разлагане.
Точно както в минералната част на почвата, ние различаваме, от една страна, реликти (останки) от първични минерали и скали, които преминават в почвата без съществена промяна на тяхната вътрешна химична природа, а от друга страна, редица на различни междинни продукти от тяхното изветряне до относително трудни техни представители, които претърпяват по-нататъшна промяна (на различни етапи от развитието на почвата - различни по състав и свойства), така че в органичната част на почвите също можем да намерим постепенен набор от преходи от "първични" " органични съединения, които са част от мъртвото растение, остава недокоснато от процесите на разлагане и животните, до такива органични съединения, които във връзка със споменатата категория вещества биха могли също да се нарекат "нови образувания" и които също биха могли да бъдат разпознати във всеки даден момент етап на развитие на почвата, са относително слабо податливи на по-нататъшно разпадане.
Сред продуктите на разпадане на органични вещества, които се характеризират с относително висока стабилност, трябва да включим онези хуминови вещества, които бяха споменати по-горе. Тази устойчивост обяснява относително слаби колебания в количествения състав на хумуса за определен период от време в един или друг тип почва, в една или друга негова разлика. Но, разбира се, в процеса на еволюция, който претърпява всяка почва, тези вещества неизбежно също вземат активно участие - дори до пълното им унищожаване и последваща минерализация, тоест докато минералните съединения не изпаднат от тях - в свободна форма , и до превръщането на "органогените" в крайни продукти като CO2, H2O и др.
Оставяйки настрана разглеждането на състава и свойствата на тези преходни и „мимолетни“, и следователно непоследователни и нехарактерни продукти на разлагане, за които говорихме по-горе, ще се обърнем към изучаването на това специфично почвено образувание, което се нарича хумус.
Съединенията на почвения хумус, които играят толкова първостепенна роля в образуването на почвата и в живота на растенията, отдавна привличат вниманието на много изследователи. Въпреки това все още не е възможно да се разбере напълно целият комплекс от явления, свързани с генезиса на хумуса, неговия състав и свойства.
За да се разбере съставът и свойствата на почвения хумус, отдавна се използва аналитичният път: отдавна са правени различни опити да се изолира този сложен комплекс от общата почвена маса по един или друг начин, последван от анализ на неговия състав и Имоти.
Методът за извличане на хуминови вещества от почвата, предложен от Sprengel и който не е загубил своето значение в модификацията на Grandeau и до днес, се състои в третиране на почвата с някакъв вид алкален карбонат (натриев карбонат, калиев карбонат или амонячен карбонат). Чрез продължително и многократно измиване на почвата със споменатите реагенти често е възможно да се постигне почти пълно обезцветяване на тази почва и да се получи черна или кафява течност във филтрата, която по този начин е алкален разтвор на хумусни вещества на изследваната почва. („черно вещество“). С оглед на факта, че в определена част минералните вещества на почвата, които не принадлежат директно към хумусните съединения (под формата на най-фини суспензии), могат да попаднат в разтвора на „черното вещество“, горният споменатото филтриране в момента обикновено се извършва с помощта на специални филтри, които могат напълно да забавят тези суспензии (използвайки например глинени свещи Chamberlain и др.).
Както показват проучванията, все още не е възможно да се изолират всички хумусни съединения по този начин: без значение колко дълго и многократно обработваме почвата с въглеродни алкали, последната почти винаги съдържа определено количество органични вещества, които не могат да бъдат разтворени и екскретирани . В литературата има указания, че в някои почви има от 15 до 30 и дори 40% от общата маса на органичните вещества, присъстващи в тези почви, което, разбира се, показва изключителната важност и спешна необходимост от най-близко изследване. и тази неизвличаща се част от почвения хумус. Предишни изследователи наричаха тези съединения, които не се разграждат от основи, "индиферентни" вещества на почвения хумус (хумин - по-тъмен на цвят, улмин, хейн и др. - кафеникав).
Процесът на превръщане на част от хумусните вещества на почвата в алкален екстракт, както беше обсъдено по-горе, обикновено се разглежда като образуване на разтворими алкални соли на различни хуминови киселини.
В тази кисела част от почвения хумус бивши изследователи разграничиха: 1) улминова киселина, 2) хуминова киселина, 3) хрянова киселина (ключова) и 4) апокренова киселина (седиментна-ключова) и се смяташе, че улминова и хуминова киселина са най-малко окислената част от почвения хумус, т.е. те са в състава си най-младата и най-първоначална форма на разлагане на определени органични съединения, участвали в неговия синтез; креновата киселина е вече по-окислен продукт от споменатите по-горе; накрая, апокреновата киселина е още по-окислено вещество, характеризиращо се с още по-дълбоко разлагане на онези органични съединения, които участват в изграждането на почвения хумус.Всеки от предложените компоненти на хумуса, споменат по-горе, се счита за специфичен химичен индивид и е облечен от различни автори в различни специфични химични формули.
Изброените по-горе компоненти на почвения хумус имат, според редица изследователи, следните свойства:
Хуминова киселина (и близка до нея улминова) - черна; изключително слабо разтворим във вода. Неразтворими са и неговите соли ("хумати") - сесквиоксиди, както и солите на калция, магнезия и железния оксид. Разтворими са само неговите алкални соли (калиеви, натриеви, амониеви).
Креп киселина ("ключова" киселина) - лесно разтворима във вода; водният му разтвор е безцветен. Неговите соли ("кренати") - алкални, алкалоземни соли и соли на железен оксид - са лесно разтворими. Същото трябва да се каже и за киселинните соли на алуминиевия оксид; соли на сесквиоксиди - средни, както и манган и мед - са трудно разтворими във вода.
Апокреновата киселина ("седиментна ключова" киселина) е малко по-малко разтворима във вода от креновата киселина. Неговите соли ("апокренати") на алкали и железен оксид са лесно разтворими във вода; соли на алкалоземни основи - малко по-трудно; соли на сесквиоксиди, манганови и медни соли са трудно разтворими.
Описаните свойства на компонентите на почвения хумус са в основата и на съществуващите методи за разделното им производство.
Идеята за хумуса като комплекс от различни, определени по състав киселини и техните соли се поддържа и от редица съвременни изследователи. И така, Свен-Оден разграничава следните съединения в състава на почвения хумус:
Хумусни въглища (съответстващи на улмин и хумин на предишни автори). Те са анхидриди на "хуминови" и химатомеланови киселини. Те са неразтворими във вода и не дават колоидни разтвори. Покрити в черно или тъмно кафяво.
Хуминова киселина; съответства на хуминовата киселина на предишните автори с всичките й свойства (разтворима е много слабо във вода и алкохол; всички нейни соли, с изключение на алкалните, също са неразтворими; може да образува колоидни разтвори с вода; киселината е черна- кафяв на цвят).
Химатомеланова киселина; съответства на улмовата киселина на предишните автори. Кафяв цвят. Подобен по свойства на хуминовата киселина, но разтворим в алкохол. С вода дава колоидни разтвори.
Фулвиновите киселини съответстват на креповата и апокреновата киселина на предишните автори. Лесно разтворими във вода, както повечето от техните соли. Боядисани в жълто.
Така Свен-Оден, въз основа на своите изследвания, признава, че хумусните вещества на почвата наистина са определени химични съединения (киселини и техните производни), но частично, намирайки се в колоидно състояние, те могат да дадат и т.нар. "абсорбиращи съединения".
Паралелно с опитите за изясняване на самата природа на компонентите, изграждащи хумусното вещество на почвата, от дълго време се провежда активна изследователска работа за изясняване на вътрешната структура на този сложен комплекс. Особено внимание беше обърнато на въпроса за природата и силата на връзката с "ядрото" на хумуса от пепелни вещества и неговите азотни съединения.
Въз основа на някои трудове може да се мисли, че органо-минералните съединения, които изграждат почвения хумус, са прости и двойни соли на хуминови киселини, където пепелните вещества са свързани с органични вещества като връзките на основите с киселини, като по този начин се подчиняват на законите на прости химични реакции (Шиблер, Мълдер, Питч). От друга страна, има доказателства, че пепелните вещества са много по-здраво вградени в хумуса и не могат да бъдат напълно извлечени от последния чрез обработката му с конвенционални методи, а само след пълното му унищожаване (например чрез изгаряне).Имаме индикации на това дори от предишни автори. Така например Родзянко, след многократно повторно утаяване на хумус и обработка с 30% солна киселина, все пак откри около 1,5% пепел в него. Всички тези изследвания дават основание да се мисли, че минералите присъстват в молекулата на самия хумусен комплекс.
Според редица учени (Густавсон) хумусното вещество съдържа освен киселинни водни остатъци и алкохолни остатъци, чийто водород може да бъде заменен от метали със слабокиселинен характер (желязо, алуминий). Именно тези многоатомни метали се намират в значително количество в пепелта на хумусно вещество и могат да бъдат връзки между останалата част от минералната част на минералното съединение (P2O5, SiO2, частично наситени с други основи) и органични вещества . Такова съединение не трябва да се разлага с основи, тъй като, както е известно, водородът на алкохолните водни остатъци не може да бъде заменен с радикали с алкален характер.
Освен това, работата на Hoppe-Seyler, която показа, че хумусните вещества с каустик алкали и вода, когато се нагряват до 200 ° C, дават протокатехинова киселина (една от диоксибензоените киселини), предполагат, че има фенолни водни остатъци в хумусния комплекс ( потвърдено от последните проучвания – Ф. Фишер).
Reinitzer, след като заяви способността на хуминовата киселина да възстановява течността на Fehling, е склонен да мисли, че тя също съдържа алдехидна група или хидроксилна група, както във фенола, или и двете. Има определени индикации за наличието на карбоксилни групи в състава на хуминовата киселина. Леваковски, П. Слезкин, С. Кравков смятат, че връзката в хумуса между органичните и минералните части е толкова силна, колкото съществува в прясната растителна материя, и че тумусът получава част от своите пепелни части, така да се каже, „наследени“ от хумообразуващият. От тази гледна точка пепелните вещества на хумуса навлизат в самата молекула на органичната материя, а хумусният комплекс навлиза в почвата от умиращи растителни (и животински) остатъци до известна степен в „готов” вид, т.е. не под формата на чисто органична, но минерално-органична материя, като че ли завършва по-късно, когато влезе в почвата, окончателното си образуване чрез добавяне на редица други пепелни елементи, които вече са от почвата. Ние намираме известно потвърждение на това мнение в по-късните работи на Б. Одинцов и Гартнер, които са получили екстракти от гниещи растителни остатъци, които са много сходни по състав и свойства с почвения хумус.
Голям брой изследвания бяха посветени на по-конкретен въпрос - в каква форма е азотът в почвения хумус. Има доказателства, които не оставят съмнение, че този елемент присъства частично в хумуса под формата на амонячни съединения, което се доказва от възможността за отстраняване на тези съединения чрез кипене на хумусни вещества с каустични основи и повторно утаяване с киселини. Tenar, от силно изгнил оборски тор, извлича киселина, която след 10-кратно разтваряне в KHO и утаяване с киселина не намалява съдържанието на азот; следователно авторът заключава, че този азот не е амонячен, а принадлежи към частица от самата киселина и може да бъде изместен от там само когато веществото е напълно унищожено, например, когато се слее с разяждаща основа и т.н. други учени също заявиха наличието в почвения хумус на някои - неизучени по-отблизо - много силни азотни съединения. Работите на Berthelot, Andre показаха, че азотът в почвения хумус е в известната си част под формата на амиди и аминокиселини. В същото време експериментите на последния от авторите, които посочихме, показаха, че освен амиден и аминокиселинен (и амонячен) азот, почвеният хумус съдържа известно (от 20 до 66% от общото количество азот) количество този елемент в някаква форма (в коя, остава неясно), който не се разлага нито от основи, нито от азотиста киселина. Някои изследователи смятат тази стабилна азотна част на хумуса за остатъци от вещества от животински произход (кератин, хинин и др.). Покойният П. Костичев смята, че тези азотни вещества са част от живи бактерии и гъби, живеещи върху почвения хумус. Има предположение (Демянов), че белтъчните вещества присъстват в хумуса, но не в свободна форма (в която са крехки и лесно разграждащи се - както от химически реактиви, така и под въздействието на ензими), а в по-силна комбинация с др. киселинни вещества, например с танинова и фосфорна киселини и накрая с безазотни хуминови киселини или с дехидратирана васкулоза. Има основателни причини да се подозира наличието на азот в почвения хумус, който принадлежи към нуклеини, нуклеопротеини, лецитин и др. Наличието на протеин в почвения хумус се потвърждава от трудовете на А. Шмук.
Успехите, които колоидната химия постигна, особено през последните години, не можеха да не бъдат отразени в някои разпоредби на почвознанието и по-специално не можеха да играят важна роля в изясняването на истинската природа на хумусните вещества. Трудовете на van Bemmelen, Fischer, Ehrenber g и изключителните изследвания на руския учен K. Gedroits сега ни позволяват да разглеждаме хумусните вещества на почвата като съединения, до известна степен, в колоидно състояние. Ние сме доведени до това от изследването на цяла поредица от специфични свойства, притежавани от тези вещества. И така, способността им да се коагулират от разтвори под въздействието на киселини и соли, замръзване и електрически ток, най-силната абсорбция на вода от тях и - в резултат на това - най-силната способност за набъбване, а след изсушаване най-силното намаляване на обем, много слаба електролитна проводимост, подчинение на трансформациите, претърпени от хуминови вещества - законите на повърхностното напрежение, а не стехиометричните закони, способността на хумусните вещества да утаяват золи на противоположно заредени колоиди, способността да образуват сложни смеси и сложни присъединителни продукти и т.н. - всичко това потвърждава, че в лицето на хумусните вещества виждаме сложен комплекс от съединения, които са в известни части в колоидно състояние.
От тази гледна точка някои от свойствата на хуминовите вещества, разгледани по-горе, трябва да ни бъдат представени в малко по-различна форма. Така че пепелта, например, част от хумусните вещества, трябва да се разглежда не като някакво специфично химично съединение, а като „абсорбиращо съединение“; разтворите на хуминови вещества в алкали не трябва да бъдат истински разтвори, а псевдоразтворители, които са утаяващия ефект върху хумусните вещества на двуценни и триценни катиони (Ca ++, Mg ++, Al +++, Fe + ++) - като процес на коагулация, коагулация, гелообразуване и др. Според В. Гемерлинг дисперсността на хумусните вещества нараства успоредно със степента им на окисление и успоредно с тяхната активност. От тази гледна точка W. Gemmerling счита за най-малко диспергирани тела хумин и улмин, а най-диспергирани са креповата и апокреновата киселина.
В трудовете на Бауман и Гъли обаче горните възгледи на ван Бемелен са намерили крайно изражение; споменатите автори се опитаха да докажат, че хуминовите киселини никога не образуват истински соли, че всички съединения, които са описани като соли, всъщност нямат нито постоянството на състава, нито способността за йонни реакции, като са изключително „абсорбционни (адсорбционни) съединения“ . Понастоящем трябва да считаме тези възгледи за преувеличени, тъй като, както посочихме по-горе, само част от хумусните вещества могат да бъдат в колоидно състояние в почвата; освен това трябва да се отбележи, че колоидното състояние на материята не изключва способността на веществото да влиза в химични реакции.
Въз основа на редица по-късни изследвания трябва да се има предвид, че нито една от гореспоменатите "киселини" не представлява специфичен химичен индивид, а взети поотделно, е сложен комплекс от различни съединения. От тази гледна точка съществуващите методи за разделяне на почвения хумус на компонентите, споменати по-горе, трябва да се считат за условни, като под думата "хуминова", "крепова" и "апокренова" киселини се разбира само набор от комплекси, които са хомогенни по отношение на техните физически и химични свойства.
Имаме индикации за това от предишни автори (Post, Muller, Reinitze, Berthelot и други), които заявяват, че органичната част на почвите съдържа редица много разнообразни органични съединения (смоли и мазнини, глицерол, нуклеини, алдехиди и много други). други). ); Тази разпоредба обаче получи особено силна обосновка след работата на американски учени (Шрайнер и Шори и др.). Последният, за да изучи състава и свойствата на хумусните съединения, приложи към различни американски почви редица най-разнообразни реагенти - за да извлече от почвите най-разнообразни групи органични съединения, които могат да бъдат намерени в хумуса на тези почви. За тази цел те използват каустик алкали, минерални киселини, алкохол, петролен и етилов етер и др. като разтворители. ).
От откритите киселини са: монооксистеаринова, диоксистеаринова, парафинова, лигноцеринова, агроцеринова, оксалова, янтарна, кротонова и други киселини.
От въглехидратите са открити: пентозани, хексози и др.
От въглеводороди: ентриаконтан.
От алкохолите: фитостерин (от групата на холестеролните вещества), агростерин, манитол и др.
От естери: естери на смолистите киселини, глицериди на каприновата и олеиновата киселини и др.
От азотни вещества: триметиламин, холин.
Диаминокиселини: лизин, аргинин, хистидин и др.
Цитозин, ксантин, хипоксантин, креатин.
Пиколинкарбоксилни и нуклеинови киселини.
В допълнение към споменатите съединения в много почви са изолирани бензоена киселина, ванилин и много други. други
От всички изброени вещества в хуминовата киселина (т.е. в утайката, образувана при обработката на алкален екстракт със солна киселина), преобладават следните; естери на смолни киселини, смолни киселини, глицериди на мастни киселини, агростерол, фитостерол, агроцеринова, лигноцеринова, парафинови киселини и др.; в състава на креновите и апокреновите киселини (т.е. в киселинния филтрат от утайката, споменат по-горе), са открити: пентозани, ксантин, хипоксантин, цитозин, хистидин, аргинин, диоксистеаринова и пиколинкарбоксилна киселина и др.
Интересно е да се отбележи, че при многократно третиране на почви с каустик алкали (2%), последните все още съдържат значително количество някои органични съединения, които не преминават в разтвор („хумин“ и „улмин“ от предишни автори).
Разбира се, вече няма съмнение, че така наречените хуминови, крепови и апокренови киселини не представляват някакви специфични химични индивиди, а всяка поотделно е смес от различни органични съединения. Споменатите по-горе трудове на американски изследователи обаче по никакъв начин не решават проблема, свързан с изясняването на състава на хумуса, тъй като остава неясно дали те са определили всички изброени по-горе вещества в органичната част на изследваните почви изобщо или точно в хумусната част от техния състав (припомнете си разликата между тези две понятия, която направихме по-горе). По-скоро трябва да приемем, че всички органични съединения, изолирани по-горе от почвите, са компоненти на органичната част на почвите като цяло; но кои от тях са част от почвения хумус остава неясно. Самият факт на наличието в почвата на всички онези органични съединения, които са част от растителни и животински останки, както и наличието в тях на различни междинни форми на разлагане на тези съединения, разбира се, не подлежат на никакво съмнение. Следователно изследванията, извършени от американски учени, едва ли ни придвижват напред в разрешаването на въпроса за състава и свойствата на онова органо-минерално почвено новообразувание, което наричаме хумус. В най-добрия случай те ни дават допълнителен аргумент в ръцете ни - да подозираме химическата сложност и многообразието на онези комплекси, които условно обединяваме с думите "хуминова", "крепова" и др. киселини.
С оглед на факта, че все още не са открити методи, чрез които бихме могли да изолираме чисти хуминови вещества от почвата и по този начин да ги индивидуализираме, съображенията, които сега изразихме, могат да бъдат приложени в по-голяма или по-малка степен към всички други изследвания и работи. които се стремят да дешифрират състава и свойствата на почвения хумус по един или друг начин, като се опитват да изолират последния от почвата, защото никога не можем да сме сигурни дали наистина имаме работа с почвени хумусни вещества или имаме пред себе си само различни реликти на онези органични съединения, които са били част от мъртвите растителни и животински останки и които трябва да признаем като преходни съединения като цяло на органичната част на тази почва.
Не е неоснователно да се предположи и дали всички органични съединения, определени по този метод, са някакви новообразувания, получени в самия процес на обработка на изследваните почви с един или друг използван реагент (алкал, алкохол и др.). И накрая, не може да не се отбележи, че съставът на хумуса в различните почви, разбира се, е много различен (в зависимост от състава на умиращата растителност, от климатичните условия, от физико-механичния и химичния състав на минералната част на почвата). почва и др.). Следователно желанието да се изяснят съставът и свойствата на почвения хумус по горепосочения начин несъмнено среща изключително много трудности, давайки ни във всеки отделен случай условни конкретни идеи за получените данни.
Всички изложени сега съображения могат да бъдат напълно приложими, както посочихме по-горе, към последните опити, направени напоследък от редица изследователи в областта на намирането на методи за изолиране на хумусни вещества от почвената маса. Особено внимание понастоящем се насочва към метода за изолиране на почвени хуминови вещества чрез третиране на последните с ацетил бромид (CH3COOBr) - метод, предложен от Karrer и Boding-Wieger и широко използван от Springer. Ацетилбромидът, както показват съответните проучвания, разтваря всички органични вещества на почвата, които все още не са хумифицирали растителните остатъци и почти не засяга хумусните вещества на почвата, което изглежда отваря широки възможности за последващо директно проучване и анализ на последните. Въпреки това, този метод все още е твърде малко проучен и малко тестван, поради което засега е необходимо да се въздържаме от всякакви категорични оценки. Още по-приложимо е казаното във връзка с други скорошни опити за изолиране на хуминови вещества от почвата - за методи, например обработка на почвата с водороден прекис, пиридин и др. Трябва да признаем всички тези методи като условни и противоречиви, както и по-горе метод, използван от Schreiner и Shorey, в резултат на което всички съображения и положения, изложени от гореспоменатите изследователи относно състава и свойствата на почвените хумусни вещества, предизвикват редица неразрешими съмнения.
С оглед на това не считаме за възможно да представим в този курс всички мнения, изразени от авторите, посочени по-горе, относно състава, структурата и свойствата на хумусните вещества, тъй като се основават на ненадеждни и условни основания.
От дълго време се правят опити да се приложи различен метод за преценка на състава и свойствата на хумусните вещества, а именно синтетичният метод, или по-точно генетичният метод, т.е. методът за изкуствено получаване на хумусни вещества (с всички техни характерни свойства) от определени химически индивиди при подробно изследване на всички онези междинни етапи, през които тези индивиди преминават по пътя си. Трябва да признаем пътя на генетичното изследване на хумуса като несъмнено по-плодотворен и по-вероятно да ни даде ключа към разрешаването на въпроси, свързани с произхода, състава и свойствата на този сложен комплекс.
По този път могат да се използват два метода: или човек може да се опита да получи изкуствено съединения, подобни на хуминови вещества, като третира различни органични съединения, които са най-често срещани в растителното тяло, с един или друг реагент. Този път беше широко използван в работата на бивши изследователи (особено много такива експерименти бяха проведени с въглехидрати чрез третирането им със силни минерални киселини). Или, за да се избегне използването на такива "насилствени" методи за хумификация на изследваните обекти, може да се използва различен метод, а именно: чрез поставяне на определени химически индивиди (протеини, въглехидрати и др.) и техните комбинации в различни условия на тяхното разлагане (при различни температури, при различни условия на аерация и влага, със и без участието на биологични фактори и др.), опитайте се да изследвате кои от изследваните обекти и при какви условия могат да се превърнат в вещества, подобни на хумус и кои не може и чрез изучаване на междинните етапи, преминати от тези обекти по пътя към окончателното образуване на хумус, да се опита да проникне в самата същност на химическите трансформации, протичащи в този случай. Трябва да признаем този път като по-естествен и по-продуктивен.
Първият въпрос от общ ред, произтичащ от такава постановка на интересуващия ни проблем, е следният: какви са съставните части на умиращите растителни и животински остатъци, които участват пряко в изграждането на хумуса? С други думи: кои от тези съставни части трябва да считаме за "първоизточници" на материалния състав на хумуса? Някои изследователи, изхождайки от теоретичните предпоставки, че само онези съставни части на растенията (и животните), които имат сравнителна стабилност и здравина по време на процесите на разлагане, трябва да участват в изграждането на хумуса, правят предположението, че основният източник на образуване на хумус е влакна, инкрустиращи вещества, лигнин, смола, танини и др. Други съставки на растителните остатъци (протеини и др.) се разлагат толкова лесно и бързо в почвата до крайни продукти (CO2, H2O и др.) по време на процесите им на гниене, че според според тези изследователи те не могат да бъдат фиксирани в почвената маса и по този начин не могат да участват в синтеза на този силен и стабилен комплекс, какъвто е хумусът. Други изследователи излагат различна гледна точка, която е до известна степен противоположна на току-що изложеното, а именно, че при образуването на почвата хумусът, напротив, е най-мобилен и по-специално само водоразтворим продуктите на разлагане на умиращи органични остатъци вземат непосредствено и пряко участие (Леваковски, Хопе-Сейлер, Слезкин, Кравков).
Въз основа на работата на тези изследователи може да се види, че атмосферната вода, дори от пресни, т.е. все още неподложени на никакви процеси на разлагане, растителни остатъци, е в състояние да отмие редица както органични, така и пепелни съединения, които впоследствие, под въздействието на различни физикохимични и биохимични агенти са способни да се превърнат в тъмни хумусни вещества. Този процес, разбира се, протича в още по-драматичен мащаб, когато водата трябва да действа върху мъртви растителни остатъци, които вече са претърпели определени етапи на гниене (случай, който трябва да се разглежда главно в естествени условия).
Противоречивите съждения, очертани по-горе за първичните източници на материалния състав на почвения хумус, сега трябва да считаме, че са загубили своята острота. Сега вече няма съмнение, че преди да се превърнат в хумус, изцяло органичните съединения несъмнено първо трябва да преминат през течната фаза. И тъй като абсолютно стабилни и абсолютно непроменливи органични съединения не съществуват и всички те под въздействието на чисто химични или биохимични агенти могат да претърпят различни трансформации, включително в посока на увеличаване на тяхната подвижност и разтворимост (дори лигнин, смоли и танини). ), трябва да се признае, че в изграждането на хумусното ядро на почвената маса като цяло могат да участват всички органични съединения, които изграждат растителните и животинските остатъци. Въпросът се свежда само до изясняване дела на участието на всяко от органичните съединения в процеса на изграждане на това ядро и най-важното до изясняване на онези сложни химични, физикохимични и биохимични взаимодействия, които се осъществяват между органичните съединения и минералното вещество на почвата, с други думи, към изучаването на онези сложни явления, които съпътстват самия процес на образуване на органо-минералния комплекс, почвеното тяло.

Задълбочени изследвания в тези области са проведени в нашата лаборатория от А. Трусов. Поставяйки различни органични съединения - често за доста дълго време - в различни условия на разлагане, споменатият автор на базата на своите експерименти направи следните основни заключения:
1. Въглехидратите (фибри, хемицелулоза, нишесте, захароза, глюкоза и левулоза) очевидно не участват в образуването на хуминови вещества.
2. Маслата заемат само най-ограничената част в този синтез.
3. Органичните киселини, гумите, коркът също не трябва да се класифицират като образуващи хумус.
4. Основните "доставчици" на почвени хумусни вещества са протеини, танини, инкрустиращи вещества (лигнин) и различни полифенолни съединения (хидрохинон, орцин, пирогалол и др.).
5. Белтъчните вещества по пътя на хумификацията си претърпяват предимно хидролитично разлагане; настъпва по-нататъшно окисление и кондензация на продуктите от тази хидролиза. От такива продукти на хидролитичното разлагане на протеини пиролните и бензенови съединения отиват за образуване на хуминови вещества, а от последните - главно съдържащи фенолна група, например: индол, скатол, пролин, триптофан, фенилаланин, тирозин и др. кондензирани, оцветени в черен и кафяв цвят продукти с характер на оксихинони.
6. Хумификацията на лигнина (инкрустиращите вещества) се дължи на съдържащите се в него фенолни и хинонови групи. Получават се различни компактирани продукти – отново с характер на оксихинони.
7. Хумификация на танините - чрез галовата киселина, получена при хидролизата на тези вещества, отново се стига до образуване на компактни продукти с характер на оксихинони; освен това се получават таномеланова киселина, пирогалол, пурпурогалин и др.
8. Приблизително същите продукти се получават по време на хумификацията на полифенолни съединения, които са част от растителните остатъци.
Хумификацията на всички горепосочени органични съединения се извършва в почвата под въздействието на голямо разнообразие от биологични и химични фактори.
Обобщавайки всички процеси на хумификация в една обща схема, можем да кажем, че първият етап от тези процеси е хидролитичното разлагане на различни въглеродни съединения, т.е. разлагането на сложна въглеродна верига на по-прости части.
Вторият етап от образуването на хумусни вещества се изразява в силна загуба на вода и явления на вътрешно уплътняване.
А. Трусов, както виждаме, начерта само обща схема на интересуващите ни процеси. Напоследък синтетичният (генетичен) начин за изследване на почвените хумусни вещества е широко използван от американския изследовател Ваксман.
Въз основа на съображението, че различните органични съединения, които са част от мъртвите растителни и животински остатъци, имат различна степен на устойчивост на разрушителното действие на микробите и различна степен на тяхната химическа подвижност и реактивност и, следователно, различна степен на възможно участие в синтеза на този относително стабилен комплекс Какво е почвен хумус, Ваксман, след като е разработил подходяща техника, разделя всички органични съединения, открити в растителната материя, на редица фракции, които са обединени от някои общи свойства.
1. Ако едно или друго растително вещество (торф и др.) се подложи предимно на екстракция с етер, тогава те преминават в разтвора; етерични и мастни масла, част от восъчни и смолисти вещества и др. Тази група съединения трябва да се характеризират като притежаващи голяма устойчивост на разлагащото действие на микроорганизмите и като такива могат да участват в образуването на онзи относително силен комплекс, който е почвен хумус.
2. Въздействайки върху остатъка, след третирането му с етер, вода (първо студено, след това горещо), ние допринасяме за прехода в разтвор на различни захари (глюкоза, маноза, пентоза и др.), Аминокиселини, някои разтворими протеини, някои органични киселини (винена, оцетна, арабанова, малонова и др.), алкохоли (манитол и др.), известно количество нишесте, танини и др. Тази група вещества, с изключение на танините, напротив , може да се характеризира като много лесно разградим под въздействието на микроорганизми (бактерии и гъбички), поради което, като бързо се разрушава в почвата, не служи като пряк източник за изграждането на хумусния комплекс.
3. Допълнително действайки върху остатъка от аналита с кипящ "95 ° алкохол, прехвърляме в разтвор някои смоли и восъци, алкалоиди, хлорофил и други пигменти, танин, холин, висши алкохоли (инозитол) и др. Цялата тази фракция трябва да бъде се характеризира като притежаващ голяма стабилност и устойчивост на разлагащото действие на микроорганизмите и следователно може като такъв, в своята леко модифицирана форма, да бъде в състава на почвения хумус.
4. Въздействайки върху остатъка от предишната обработка с разредени кипящи киселини (например 2% HCl), ние допринасяме за прехвърлянето на хемицелулоза в разтвора („фалшиви“ влакна), които претърпяват хидролиза по време на тази операция, т.е. в прости въглехидрати Хемицелулозите са, както е известно, както хексозите, така и пентозите са анхидриди (производните на последните, така наречените пентозани, са много разпространени в растителното тяло).
Чрез третиране на остатъка от предишната операция с концентрирани киселини (80% H2SO4 и 42% HCl), ние разтваряме целулозата („истинско“ влакно), сложен глюкозен анхидрид, в разтвор.
И целулозата, и хемицелулозата са едни от основните компоненти на сухото вещество на растителните остатъци.
Въпреки че от химическа гледна точка и двете споменати групи органични съединения трябва да се характеризират като много силни и стабилни съединения, въпреки това, под въздействието на активността на специални микроорганизми, които секретират хидролизиращи ензими, те претърпяват доста бързо и пълно разлагане в почвата, което прави много съмнително присъствието им в почвения хумус.
5. Остатъкът от всички предишни операции ни дава възможност да определим така наречения лигнин (инкрустиращи вещества, които са необходима част от стените на растителните клетки). Химическата природа на лигнина е неясна. Това е колективна концепция, която включва комплекс от различни съединения, които не се поддават на хидролиза дори под въздействието на такива концентрирани киселини като гореспоменатите 80% H2SO4 и 42% HCl. Голямата му устойчивост срещу разрушителното действие на микробите дава право да се счита за един от обичайните компоненти на почвения хумус.
6. Група азотсъдържащи съединения играят изключително важна роля в живота на растенията и животните, като са неразделна част от клетъчната плазма. Тази група е многобройна и разнообразна по своите свойства. Някои от тези съединения са разтворими във вода (вижте по-горе: разтворими протеини, аминокиселини и др.); другата част лесно се хидролизира, когато е изложена на кипящи разредени киселини (всъщност протеини) и след това дава водоразтворими съединения; третата част се хидролизира само когато е изложена на концентрирани киселини и т.н.
От тази гледна точка групата на азотосъдържащите органични съединения трябва да се признае за много различна - по отношение на степента на устойчивост и разпадимост на отделните й представители, а следователно и по отношение на степента на участие в образуването на хумуса. комплекс.
В допълнение към различните органични съединения, споменати по-горе, ние винаги наблюдаваме в състава на тялото на умиращите растения и животни различно количество от най-разнообразни и минерални (пепелни) вещества. Всички тези разнообразни съединения, попадащи в процеса на почвообразуване в различни хоризонти на изветрена скала, претърпяват различна съдба: някои от тях, ставайки собственост на микробите, бързо се срутват и разлагат, други претърпяват редица сложни явления на взаимодействие с минералните съставки на почвата, един от резултатите от които е този относително стабилен и издръжлив органоминерален комплекс, който се нарича хумус. Тези явления на взаимодействие са сложни и разнообразни: съществуват и чисто химични реакции между съставните части на изветрената скала и тези разтворими продукти на разлагане на органични остатъци, които систематично се измиват от последните от атмосферните валежи, и микробиологични явления, състоящи се в различни процеси на разграждането на органичните съединения и опростяването на техния състав, а от друга страна, обратният синтез на продуктите, образувани в тялото на микроорганизмите в процеса на тяхното хранене с образуването на нови сложни органични вещества, и накрая, физикохимичните явления, свързани с колоидно състояние на взаимодействащи вещества и водещо до образуването на специални „адсорбционни съединения“ в почвата“.
Въз основа на факта, че от всички органични съединения, които изграждат растителните остатъци, лигнинът има най-голяма устойчивост на разлагащото действие на микробите; от друга страна, посочвайки факта, че в процеса на разлагане на тези остатъци се получава натрупване на протеинови (и други азотни) комплекси и освен това, че във всички почви, анализирани от автора, споменатите сега вещества се отчитат до до 80% от общото органично вещество на тези почви и т.н., - Ваксман прави предположението, че почвеният хумус се състои от основен и сложен комплекс - сърцевината, която включва фракции от главно лигнин и протеини, които са в тясна химична комбинация с взаимно.
Това основно ядро е придружено от редица други вещества, които или остават от разлагането на растителни и животински останки, или са синтезирани поради жизнената активност на микроорганизмите.
Сред тези вторични съставки на почвения хумус са някои мазнини и восъци, хемицелулози, висши алкохоли, органични киселини и др. В почвите, споменати по-горе, анализирани от Waksman, органичната материя всъщност съдържа само около 16% неразтворими във вода въглехидрати (целулоза, хемицелулоза и др.) и само 2,5-3% от веществата, разтворими в етер и алкохол, докато количеството протеин и лигнин представляват до 80% от общото органично вещество на тези почви.
Като се има предвид, че протеиновата фракция, постъпваща в почвата с растителни и животински останки, както и образувана в нея по време на синтезиращия живот на микробите, може да варира по своя химичен състав и че лигниновата група също може да бъде комплекс от съединения, които се различават значително една от друга, е ясно, че вътрешната конституция на лигнин-протеиновото ядро в различни почви, образувани и развити при различни условия, може да варира значително помежду си.
Waksman успя изкуствено да синтезира този комплекс лигнин-протеин в лабораторни условия. Последният се оказа, по отношение на общата сума на свойствата си, рязко различен от свойствата на отделните му компоненти - лигнин и протеин - и в същото време придоби всички онези химични, физико-химични и биологични свойства, които ние обикновено помислете за характеристиките на хумуса (или, по-правилно, за тази част от него, която се нарича хуминова киселина): разтворимост в основи и последващо утаяване от киселини, тъмен цвят, устойчивост на разлагащото действие на микроби (протеинови вещества, обикновено лесно податливи на разлагащото действие на микроорганизмите придобиват, в резултат на взаимодействието им с лигнин, както се оказа, по-голяма стабилност).
Освен това Waksman успява да получи изкуствени съединения на "лигно-протеиновия" комплекс с различни основи (Ca, Mg, Fe, Al), освен това, чрез методи, подобни на тези, които обикновено се използват за получаване на различни соли на хуминова киселина; тези изследвания, с тяхното по-нататъшно развитие, могат да внесат известна яснота в знанието за връзката, която съществува между органичното ядро и пепелните елементи на почвения хумус. Освен всичко друго, беше установено, че комплексът лигнин-протеин има

Образуването на органична материя както на сушата, така и в океана започва с действието на слънчевата светлина върху хлорофила на зелените растения. От всеки милион фотони, които достигат до географската обвивка, не повече от 100 отиват за производството на храна. От тях 60 се консумират от сухоземни растения и 40 от океански фитопланктон. Тази част от светлината осигурява на планетата органична материя.

Фотосинтезата протича при температура от 3 до 35°C. В съвременния климат растителността заема 133,4 милиона km 2 на сушата. Останалата част от района пада върху ледници, резервоари, сгради и скалисти повърхности.

На съвременния етап от развитието на Земята се различават континенталната и океанската част на биосферата. В океана почти няма висши растения. Площта на крайбрежието, върху която растат растения, прикрепени към дъното, е само 2% от общата площ на океанското дъно. Основата на живота в океана са микроскопични фитопланктонни водорасли и микроскопични зоопланктонни тревопасни животни. И двете са изключително разпръснати във водата, концентрацията на живот е стотици хиляди пъти по-малка, отколкото на сушата. Предишни надценки на океанската биомаса бяха ревизирани. Според нови оценки тя е 525 пъти по-малка като обща маса, отколкото на сушата. Според В. Г. Богоров (1969) и А. М. Рябчиков (1972) годишната продуктивност на биомасата на Земята е 177 милиарда тона сухо вещество, от които 122 милиарда тона идват от земната растителност и 55 милиарда тона от морския фитопланктон. Въпреки че обемът на биомасата в морето е много по-малък, отколкото на сушата, нейната продуктивност е 328 пъти по-висока (А. М. Рябчиков), отколкото на континента, това се дължи на бързата смяна на поколенията водорасли.

Земната биомаса се състои от фитомаса, зоомаса, включително както насекоми, така и биомаса от бактерии и гъби. Общата маса на почвените организми достига около 1-10 9 тона, а в състава на зоомасата основният дял (до 99%) се пада на безгръбначните организми.
Като цяло веществото на растенията, предимно дървесни, абсолютно преобладава в наземната биомаса: фотомасата е 97-98%, а зоомасата 1-3% от теглото (Ковда, 1971).
Въпреки че масата на живата материя не е голяма в сравнение с обема на лито-, хидро- и дори атмосферата, нейната роля в природата е несравнимо по-голяма от нейното специфично тегло. Например, на 1 хектар, зает от растения, площта на техните листа може да достигне 80 хектара, можете да правите бизнес директно, а площта на хлорофилните зърна, тоест активно работеща повърхност, е стотици пъти по-голям. Площта на хлорофилните зърна на всички зелени растения на Земята е приблизително равна на площта на Юпитер.

Още веднъж подчертаваме, че фотосинтезата е много съвършена форма на натрупване на енергия, чието количество се изразява с числото 12,6-10 21 J (3-1021 кал). Тази енергия произвежда годишно около 5,8-10 11 тона органична материя на Земята, включително 3,1 ∙ 10 10 тона на сушата. От този брой горите представляват 2,04-10 10, степите, блатата и ливадите 0,38-10 10, пустините 0,1 ∙ 10 10 и култивираната растителност 0,58-10 10 t (Kovla, 1971).

1 g почва в памуково поле съдържа 50-100 хиляди микроорганизми, което е няколко тона на хектар (Ковда, 1969). Някои почви на хектар съдържат до 10 милиарда кръгли червеи, до 3 милиона земни червеи и 20 милиона насекоми.

В условията на съвременната Земя естественото образуване на органични съединения от неорганични практически не се случва. Освен това появата на жива органична материя е невъзможна. Що се отнася до ранната Земя, условията на нея са били напълно различни. Редуцираща атмосфера с висока концентрация на водород, метан и амоняк, интензивно ултравиолетово лъчение от Слънцето, което не се абсорбира от такава атмосфера, и мощни електрически разряди в атмосферата създадоха необходимите и, очевидно, достатъчни условия за образуване на органични съединения. Наистина, лабораторни експерименти, проведени при условия, симулиращи предполагаемата атмосфера на ранната Земя, са направили възможно получаването на редица органични съединения, включително аминокиселините, които изграждат живите протеини.

Липсата на кислород в атмосферата беше необходимо условие за спонтанния синтез на органична материя. Но от гледна точка на последващите трансформации този фактор се оказа разрушителен. Всъщност атмосфера, лишена от кислород, почти свободно пропуска мощна ултравиолетова радиация (атмосферата на съвременната Земя има озонов слой, който се е появил заедно с кислородния компонент, който абсорбира тази радиация). Радиацията, осигуряваща енергия за химичните реакции на синтеза на органични съединения, в същото време се стреми да ги унищожи незабавно. Следователно биополимерите, липидите и въглеводородите, образувани в атмосферата, едва възникнали, бяха обречени. За да не умрат, те трябваше да се скрият от вредното въздействие на слънчевата ултравиолетова радиация. Смята се, че някои от тези органични съединения са избегнали смъртта, като са навлезли във водната среда на първичните резервоари.

Тук, във водна среда, органичните съединения влизат в различни химични реакции, сред които реакциите, довели до саморазвитие на най-активните катализатори, имат превес. Природата много твърдо ръководи естествения подбор на реакции от цикличен тип, способни да се самоподдържат, включително поради енергията, освободена по време на реакцията. Проблемът с енергийното снабдяване за еволюционните реакции, по-специално реакциите на полимеризация (комбиниране на молекули от един и същи тип - мономери в макромолекули) изглежда най-важен на този етап от еволюцията, тъй като водната среда прави малко за активиране на химичните реакции. Ето защо могат да „оцелеят“ само високоенергийни реакции с участието на особено ефективни, саморазвиващи се катализатори.

Тук дойде един от ключовите моменти на развитие. Да приемем, че химическите реакции, необходими за прехода към биоеволюцията, са възникнали и са придобили свойството да се самоподдържат. За тяхното запазване (и, разбира се, по-нататъшно развитие) съответните обеми трябва да бъдат по някакъв начин изолирани от неорганизираната среда, без да се губи способността за обмен на материя и енергия с нея. Едновременното изпълнение на тези две, на пръв поглед несъвместими условия, беше от съществено значение, за да достигне химическата еволюция на качествено ново ниво.

Тази възможност беше открита поради образуването на специални структури от липиди - мембранни черупки . Резултатите от съвременните лабораторни експерименти дават основание да се смята, че при определена концентрация на липиди във водата и външни условия, които моделират състоянието на атмосферата и хидросферата на тогавашната Земя, възниква характерен процес на самоорганизация, водещ до самосглобяване на липидни обвивки с мембранни свойства.

Освен това е лесно да се предположи, че процесите на селекция на циклични каталитични реакции и самосглобяване на липидни черупки съвпадат във времето и пространството. По този начин естествените образувания биха могли да се появят, изолирани от разрушителното въздействие на околната среда, но свързани с нея чрез метаболизъм. Самоподдържащите се реакции започнаха да протичат в своеобразен реактор, което допринася за запазването на значително неравновесие на съдържащата се в него система от биополимери. Сега позицията на химическите реагенти е придобила подреденост, процесите на адсорбция върху черупката допринесоха за увеличаване на тяхната концентрация и по този начин за активиране на каталитичния ефект. Всъщност се проведе преход от химически смеси към организирани системи, адаптирани към по-нататъшно възходящо развитие.

Разглеждат се и редица други модели, водещи до подобно важно, но все пак междинно събитие по пътя на прехода към биологичната еволюция. Една от тях разглежда процесите, свързани с образуването на първоначални органични съединения в атмосферата, при предположението, че ранната Земя с нейната разредена редуцираща атмосфера е била студено тяло с температура около -50°C. Основната точка на този модел е предположението, че атмосферата при тези условия е била йонизирана, т.е. е била в състояние на студена плазма. Тази плазма се счита за основен източник на енергия за реакциите на химическата еволюция. Предположението за ниска температура се използва, за да се обясни запазването на образуваните в атмосферата биополимери: замръзвайки, те падаха върху ледената покривка на Земята и се съхраняваха в този естествен хладилник „до по-добри времена“. В тази форма ултравиолетовото лъчение и мощните електрически разряди вече не бяха толкова опасни за тях.

По-нататък се предполага, че "по-добрите времена" са настъпили със засилването на тектоничната активност, началото на масовите вулканични изригвания. Изхвърлянето на продукти от вулканичната дейност в атмосферата доведе до нейното уплътняване и изместване на йонизационната граница към по-високите слоеве. С промяната на температурните условия ледената покривка естествено се разтопи и се образуваха първични резервоари, в които след размразяване натрупаните дълго време биополимери, липиди и въглеводороди започнаха активна химическа дейност. Следователно може да се говори за тяхната висока концентрация в "първичен бульон"(както често се нарича полученото вещество), което е друг положителен фактор по отношение на активирането на химическата еволюция.

Повтарящите се експерименти потвърдиха, че по време на размразяване липидите всъщност демонстрират самосглобяване, образувайки микросфери с диаметър десетки микрометри. Няма значение как биополимерите попадат в тях – дали проникват през мембранния слой или липидната обвивка ги обгръща постепенно. Важно е, че в обема, заобиколен от мембраната, може да започне нов етап от еволюцията - преходът от химични реакции към биохимични.

Що се отнася до решаващия момент - преходът към най-простата клетка, той може да се разглежда като резултат от скок, характерен за самоорганизацията на материята. За да се подготвим за този скок, в процеса на химическата еволюция трябва да се появят още няколко структури, които да изпълняват функциите, необходими на протоклетката. Разглеждат се такива структурни фрагменти групировки , осигуряващи преноса на заредени частици, който е необходим за транспортирането на материята. Други групи трябва да осигурят енергийно снабдяване - главно молекули на фосфорсъдържащи съединения (АДФ-АТФ система). И накрая, необходимо е да се образуват полимерни структури като ДНК и РНК, чиято основна функция е да служат каталитична матрица за самовъзпроизвеждане.

Не трябва да изпускаме от поглед още един ключов момент, свързан с нарушаването на изомерната симетрия. Как се е стигнало до избора в полза на лявата органична материя, може само да се гадае, но фактът, че това колебание непосредствено предшества раждането на живота, изглежда съвсем естествено. Може да се предположи, че биологичната еволюция е била "стартирана" от появата на лява протоклетка.

Едно от основните предположения на хетеротрофната хипотеза е, че появата на живот е предшествана от натрупването на органични молекули. Днес ние наричаме органични молекули всички онези молекули, които съдържат въглерод и водород. Наричаме молекулите органични и защото първоначално се смяташе, че съединения от този вид могат да се синтезират само от живи организми.

Въпреки това през 1828 г. химиците са се научили да синтезират урея от неорганични вещества. Уреята е органично съединение, което се екскретира в урината на много животни. Живите организми се смятаха за единствен източник на урея, докато тя не можеше да бъде синтезирана в лабораторията. Лабораторните условия, при които органичните съединения са получени от химиците, очевидно имитират до известна степен условията на околната среда на земята в ранния период на нейното съществуване. Тези условия, според авторите на хетеротрофната хипотеза, биха могли да доведат до образуването на органични съединения от кислородни, водородни, азотни и въглеродни атоми.

Носителят на Нобелова награда Харолд Юри, работещ в Чикагския университет, се заинтересува от еволюцията на химичните съединения на Земята в ранния период на нейното съществуване. Той обсъжда този проблем с един от своите студенти, Стенли Милър. През май 1953 г. Милър публикува статия, озаглавена „Образуването на аминокиселини при условия, подобни на тези, съществували на Земята в ранния период“, в която той посочи, че A.I. Опарин беше първият, който изрази идеята, че основата на живота - органичните съединения са се образували във време, когато атмосферата на Земята съдържа метан, амоняк, вода и водород, а не въглероден диоксид, азот, кислород и вода. Наскоро тази идея получи потвърждение в роботите на Юри и Бернал.

За да се провери тази хипотеза, смес от газове CH4, NH3, H2O и H2 беше прекарана през система от тръби в специално проектирано устройство и в определен момент от време беше създаден електрически разряд. В получената смес се определя съдържанието на аминокиселини.

В херметичното устройство, проектирано от Милър, пълно с метан, водород и амоняк, е преминал електрически разряд. Водната пара идва от специално устройство, свързано с основната част на устройството. Парата, преминавайки през устройството, се охлажда и кондензира под формата на дъжд. По този начин условията, които са съществували в атмосферата на първобитната Земя, са били доста точно възпроизведени в лабораторията. Те включват топлина, дъжд и кратки светкавици. Седмица по-късно Милър анализира газа, който беше в експериментални условия. Той установи, че образуваната преди това безцветна течност става червена.

Химическият анализ показа, че в течността се появяват някои съединения, които не присъстват в началото на експеримента. Атомите на някои газови молекули се рекомбинират, образувайки нови и по-сложни молекули - органични молекули. Чрез анализиране на съединенията, открити в течността, Милър открива, че там се образуват органични молекули, известни като аминокиселини. Аминокиселините са изградени от въглеродни, водородни, кислородни и азотни атоми.

Всеки въглероден атом е в състояние да образува четири химични връзки с други атоми. Експериментите на Милър показват, че подобни процеси биха могли да протичат в атмосферата на Земята в ранния период от нейното съществуване. Тези експерименти бяха важно потвърждение на хетеротрофната хипотеза.

резюме на други презентации

"Култура на клетки и тъкани на растения" - Функции на хормоните в калусогенезата. Фактори, влияещи върху синтеза. диференцирани клетки. Видове клетъчни и тъканни култури. генетична хетерогенност. Растителни клетъчни култури. Дедиференциация. Характеризиране на калусните клетки. Исторически аспекти. Образуване на коронни жлъчки. Култура от единични клетки. Причини за асинхронност. Синтез на вторични метаболити. диференциация на калусните тъкани. физически фактори.

"Листа на растенията" - Дръжкови листа. Какъв е ръбът на листното острие? Листът също е орган на дишане, изпарение и гутация (отделяне на водни капки) на растението. Какъв тип вентилация? Сложни листа. Опишете листа. Листата са разположени от двете страни на дръжката на известно разстояние един от друг. сесилни листа. Ръбът на листното острие. Троичен. Отсреща. Мутовчато. Вени. Прости листа. Лист - в ботаниката, външният орган на растението, чиято основна функция е фотосинтезата.

"Класификация на плодовете" - Tykvin. померан. Класификация на плодовете. Органи на цъфтящи растения. Сравнете. Бери. Ябълка. Сочни плодове. Намерете екстрата. Поликостянка. Затвърдяване на изучения материал. костилка. Перикарп. репродуктивни органи. Плодове, тяхната класификация.

„Плодове и семена” – Под. Не позволявайте на душата ви да бъде мързелива. Лабораторна работа. Тиквин. зърно. знание. костилка. Трансфер. Дърво на знанието. Въпроси за консолидация. Намазване по нанасяне. Разпръсква се с вода. Знаци за семена. Безплодие. Невзрачно цвете. Трансфер върху външните корици. Образование на плода. Кутия. Групова работа. Поликостянка. Плодът. Разпространява се от вятъра. Защо семената се разпространяват?

"Ескейп структура" - Грудка. Видове бъбреци. Образува се от пъпки в основата на стъблото. Външната структура на бягството. органична материя. Вътрешна структура. Развитие на бягство от бъбрека. Междувъзлията са ясно изразени. Бягството. Корен грудка. Растеж на стъблото. Стъбло. Бягство от модификации. Ескейп разнообразие. Корм. Транспорт на вещества по стеблото. Коренище. Крушка. Разклоняване. Луковица и грудка. Везни. пъпка

"Задания по структурата на растенията" - Разположението на проводимите снопове. Разгледайте снимката и отговорете на въпросите. хоризонтален транспорт. Подземни модификации на издънки. Структурата на бъбреците. Разположение на леторастите в пространството. растителни тъкани. Разклонени издънки. Структурата на растежния конус. Външна структура на корена. братене. Коренни модификации. Разгледайте чертежа. Дидактика за интерактивна дъска по биология. Подреждане на листа.