Кога възникна биосферата? Стойността и функцията на биосферата

Земната биосфера е сложен глобален агрегат, който обединява всички живи организми и тази част неживата природа която обменя енергия с жива материя, влияе върху нея и се влияе от нея. Терминът "биосфера" се появява в науката благодарение на J. Lamarck и E. Suess през XIX век. Въпреки това, теорията за биосферата е създадена едва в началото на 20-ти век, и голям принос за неговото развитие принадлежи на изключителния съветски учен В. И. Вернадски. Първо, той разглеждаше функционирането на целия живот и неговото взаимодействие с планетата като сложен динамичен процес.

Вернадски също обръща внимание на епохата, когато биосферата е възникнала, т.е. най-ранните етапи от историята на Земята.

Границите на разпространението на живота на Земята

Границите на биосферата се определят от пригодността на физико-химичните условия за съществуването на живите организми. Долната граница на разпространението на живота се счита за изотерма от 100 ° C в литосферата, разположена на дълбочина около 6 км, или океанското дъно (около 11 км). Въпреки това, тези оценки могат да бъдат подценени, тъй като има дълбоководни екстремофилни организми, които пренасят температура над 200 ° C (под високо налягане водата не кипи там). Така литосферата теоретично може да бъде населена много по-дълбоко, но като цяло по-малко от 3-4 км едва ли е възможно активно препитание.

Горните граници на биосферата се определят от височината озоновия слой и не се издигат над 15-20 км. Всъщност, живите организми могат да бъдат активни на височини до 8-9 км. Като цяло животът е много разнообразен и може да се адаптира към различни условия. Но кога и как стана всичко това богатство?

Лаборатория на млада планета

Първичният органичен синтез би могъл да отиде в протопланетния облак газ-прах в ранните етапи на формирането на Слънчевата система. Така че новороденото Земя вероятно вече е имало в състава си достатъчно количество проста органична материя.

Има и геоложки доказателства, че температурата на Земята от самото начало (възрастта на нашата планета е 4.5-4.6 милиарда години) позволява съществуването на вода в течната фаза. Дегазацията на недрата трябваше да бъде доста активна, защото планетата все още не е имала мощна кора. Вулканите създадоха основната атмосфера и хидросферата, доставящи химически активни вещества. Метеорити и комети паднаха на повърхността. В геохимичната циркулация участваха много вещества, които непрекъснато реагираха, превръщаха се в нови съединения, а те от своя страна реагираха един с друг.

Автокатализа - двигател на напредъка

Но как може такава смес от съставки да направи поне най-примитивната жива система? Дълго време търсенето на отговор на този въпрос беше счетено от много учени за неочаквано. Проблемът стана основата едва в началото на 80-те години, когато теорията на самоорганизиращите се системи беше свързана с нейното решение.

Оставете няколко реакции на един субстрат. Тогава по-бавните ще изчезнат и ще спрат, т.е. те ще бъдат изтласкани от бързо течащи. Така че, още в най-ранните етапи на пребиологичната еволюция, естественият отбор започва да действа. Предимството на получаване на верижни (автокаталитични) реакции, ускорено от собствените им продукти. На следващите нива на организация - автокаталитични цикли и хиперцикли - процесите се избират и за ефективност и сложност, тъй като при достигане на определено ниво сложността на системата става самоподдържаща се и може да се увеличи.

Трябва да се отбележи, че класическата термодинамика е безсилна да помогне в въпроса как и кога е възникнала биосферата и всички тези изводи са направени от учени в рамките на неравновесното, пригожинска термодинамика. В този контекст животът се определя като процес на химична самоорганизация, основана на автокатализа на високомолекулни въглеродни съединения при неравновесни условия, а живата, примитивна среда може да се счита за локва, в която се случват споменатите реакции. Това е буквално живо вещество - без същества. Такава първична биосфера е на практика същата възраст като Земята. Във всеки случай, ако е по-млада от нашата планета, не е много.

Светът на РНК и първите живи същества

Според една многообещаваща и успешно развита теория наскоро, първите организми, изолирани от външната среда, се появяват на базата на РНК цикли. Нито ДНК, нито протеин, те не са имали.

ДНК в съвременните организми съхранява наследствена информация, протеините извършват активна работа в клетката, РНК в общия случай служи като вид посредник - чете информация и осигурява синтез на протеин. И ДНК, и протеин са безпомощни един без друг и без РНК, но може да направи всичко - вярно, по-лошо от "тесните специалисти", но в началото не може да бъде критичен недостатък. В противен случай ще е необходимо да се признае, че на някакъв етап химическата еволюция незабавно е създала ДНК, РНК, протеини, затворени ги в първите клетки и строго разпределени функции - вероятността от това наистина е нищожна.

Първите примитивни РНК, във всеки случай, са били много по-ефективно синтезирани от нискомолекулни органични вещества, отколкото комплексната „двойна спирала”. Успоредно с това се наблюдава процес на образуване на коацервати - водни липидни капки, прекурсори на клетъчната мембрана. И щом „живият разтвор“ на РНК се превърне в коацерватна мембрана, се появи първият автономен организъм. Мембранният филм запазва химическия градиент между вътрешната кухина и средата, не позволява на живата материя да се разсейва - това е огромно предимство.

В хода на по-нататъшното развитие на биосферата, за да се съхранява наследствената информация, ДНК се прехваща, осигурявайки по-голяма точност, протеините нестемпирани същата РНК поемат каталитичната активност, но последната не остава неизползвана. В края на краищата, без нейната клетка е мъртва.

Следи от древен живот в камъни и гени

Учените са принудени да търсят отговори на въпроси за това как и кога е възникнала биосферата, каква е нейната ранна история, в теоретичните модели и лабораторните експерименти, тъй като основната повърхност на Земята отдавна е унищожена от последващи геоложки процеси.

Най-старите следи от живота досега са открити в Гренландия, Канада и Австралия. Най-надеждните от тях датират от преди 3.7 милиарда години и показват, че дори тогава има сложни съобщества от микроорганизми, някои от които са фотосинтезиращи (цианобактерии или техните предшественици).

Друга линия на изследване е в областта на молекулярната биология. Тъй като всички съществуващи видове са роднини, е възможно, чрез изграждане на филогенетично дърво на видовете, приблизително да се установи времето, когато съществува „последният универсален общ прародител“ (LUCA). Това не е първият организъм на Земята, но той е живял много дълго време - според учените, преди около 4 милиарда години. За този организъм е определен набор от точно гените, които той е имал, но не е известно дали „Лука“ е отделен вид микроорганизъм или общност от видове, които обменят наследствен материал.

Животът преобразява планетата

Биосферата дори в ранните етапи на своето съществуване участва активно в еволюцията на Земята. Най-важното постижение на древните докембрийски единични клетки е, разбира се, създаването на стабилна окислителна атмосфера. Но животът също оказва огромно влияние върху естеството на утаяването и образуването на руда. Например, най-важните находища на желязна руда, като Курската магнитна аномалия, се формират поради активността на фотосинтетичните бактерии в океаните на палеопротерозоя преди 2.5-2 милиарда години.

Извън земята животът започва да работи върху пейзажи. Всъщност земята като такава е създала биосферата. В края на краищата, до появата на почвата и разпространението на по-висшите растения, нямаше ясна граница между земята и водата, притокът на вода към океаните беше район, нямаше стабилни речни корита.

Всеки знае за нефт и въглища. Но тук са планинските вериги на Хималаите, Алпите, Кавказ - те са съставени от варовик, а по-голямата част от тази скала е с биогенен произход. Тези планини някога са били морски животни. Техните черупки, от най-малките до най-големите, образуват една от най-често срещаните седиментни скали.

Функции на биосферата

Разгледахме няколко примера за това как животът променя лицето на планетата. Обобщава се това, което е известно за функциите на биосферата.

Първо, тя участва в промяната и поддържането на състава на атмосферата и природните води. Второ, тя прехвърля, както и натрупва или разпръсква, т.е. преразпределя различни вещества. Трето, той изпълнява функцията за формиране на околната среда. Всичко това може да се обобщи като процес на рационализиране и стабилизиране на геохимичните цикли на Земята. Извършва се за сметка на абсорбцията, трансформацията, натрупването и освобождаването на слънчевата енергия от структурните компоненти, отличаващи се от Вернадски в неговата теория за биосферата: комбинация от живи организми, биогенни, биосахариди и инертни вещества.

Неразделна от земята

От момента, в който биосферата се появи (макар че най-вероятно не е имало точен момент), всички нейни компоненти са тясно свързани помежду си и с останалите геоложки обвивки на планетата - атмосферата, хидросферата, литосферата. Системата Земя-Биосфера е обхваната от много положителни и отрицателни обратни връзки на различни нива, от отделни биогеоценози до глобални процеси в геоложки времеви мащаб.