Kdaj je prišlo do biosfere? Vrednost in funkcija biosfere

Zemljina biosfera je kompleksen globalni agregat, ki združuje vse žive organizme in ta del nežive narave ki izmenjuje energijo z živo snovjo, vpliva nanj in sama vpliva na to. Izraz "biosfera" se je pojavil v znanosti zahvaljujoč J. Lamarcku in E. Suessu v XIX. Stoletju. Vendar je bila teorija biosfere ustvarjena šele na začetku 20. stoletja in velik prispevek k njenemu razvoju pripada izjemnemu sovjetskemu znanstveniku V. I. Vernadskemu. Delovanje vsega življenja in njegovo interakcijo z planetom je najprej obravnaval kot kompleksen dinamični proces.

Vernadski je prav tako posvečal pozornost obdobju, ko je nastala biosfera, to je, najstarejše faze zgodovine Zemlje.

Meje širjenja življenja na Zemlji

Meje biosfere so določene glede na primernost fizikalno-kemijskih pogojev za obstoj živih organizmov. Spodnja meja širjenja življenja se šteje za izotermo 100 ° C v litosferi, ki se nahaja na globini približno 6 km, ali morsko dno (približno 11 km). Vendar pa se te ocene lahko podcenjujejo, saj obstajajo globokomorski ekstremofilni organizmi, ki tolerirajo temperature nad 200 ° C (pod visokim tlakom tam voda ne vre). Tako se lahko v litosferi teoretično naseljujejo veliko globlje, toda na splošno je manj kot 3-4 km komaj mogoče aktivno preživetje.

Zgornje meje biosfere določajo višine ozonski plašč in se ne dvigajo nad 15-20 km. Dejstvo je, da so živi organizmi lahko aktivni na višinah do 8-9 km. Na splošno je življenje zelo raznoliko in se lahko prilagodi različnim pogojem. Toda kdaj in kako se je zgodilo vse to bogastvo?

Laboratorij na mladem planetu

Primarna organska sinteza bi lahko šla v plinsko-prašni protoplanetni oblak v zgodnjih fazah nastajanja sončnega sistema. Torej, novorojenčka Zemlja je verjetno že imela v svoji sestavi zadostno količino preproste organske snovi.

Obstajajo tudi geološki dokazi, da je temperatura Zemlje od samega začetka (starost našega planeta 4,5-4,6 milijarde let) omogočala obstoj vode v tekoči fazi. Razlitje podzemlja bi moralo biti precej aktivno, ker planet še ni imel močne skorje. Vulkani so ustvarili primarno atmosfero in hidrosfero, ki so dobavljali kemično aktivne snovi. Meteoriti in kometi so padli na površje. V geokemični cirkulaciji je bilo veliko snovi, ki so nenehno reagirale, se spremenile v nove spojine, tiste pa so reagirale druga z drugo.

Autokataliza - motor napredka

Toda kako bi lahko taka mešanica sestavin naredila vsaj najbolj primitivni živi sistem? Dolgo časa so mnogi znanstveniki menili, da je iskanje odgovora na to vprašanje neperspektivno. Težava je nastala šele v zgodnjih osemdesetih letih, ko je bila s svojo rešitvijo povezana teorija samoorganizacijskih sistemov.

Na enem substratu naj se pojavi več reakcij. Potem bodo počasnejši tisti, ki bodo izginili in se ustavili, to pomeni, da bodo izrinjeni s hitrimi. Torej, že v zelo zgodnjih fazah prebiološke evolucije, naravna selekcija začne delovati. Prednost pridobivanja verižnih (avtokatalitičnih) reakcij, pospešenih z lastnimi izdelki. Na naslednjih stopnjah organizacije - avtokatalitični cikli in hipercikli - so izbrani tudi postopki za učinkovitost in kompleksnost, saj po doseganju določene ravni kompleksnost sistema postane samozadostna in se lahko poveča.

Treba je opozoriti, da je klasična termodinamika nemočna za pomoč pri vprašanju, kako in kdaj je nastala biosfera, in vse te zaključke so naredili znanstveniki v okviru neravnotežnega, prigozhinskaya termodinamike. V tem kontekstu je življenje definirano kot proces kemijske samoorganizacije, ki temelji na avtokatalizi visokomolekularnih ogljikovih spojin v neravnotežnih pogojih, živo primitivno okolje pa lahko obravnavamo kot lužo, v kateri pride do omenjenih reakcij. Je dobesedno živa snov - brez bitja. Takšna primarna biosfera je praktično enaka starosti kot Zemlja. V vsakem primeru, če je mlajši od našega planeta, ni veliko.

Svet RNA in prva živa bitja

Glede na zelo perspektivno in uspešno razvito teorijo pred kratkim so se prvi organizmi, izolirani iz zunanjega okolja, pojavili na osnovi RNA ciklov. Niti DNK niti beljakovine nista imeli.

DNA v sodobnih organizmih hrani dedne informacije, beljakovine izvajajo aktivno delo v celici, RNA v splošnem primeru služi kot nekakšen posrednik - bere informacije in zagotavlja sintezo beljakovin. Tako DNA kot beljakovina sta brez pomoči brez RNA in brez njega, vendar lahko vse - resnično, slabše od »ozkih strokovnjakov«, vendar sprva ne more biti kritična pomanjkljivost. V nasprotnem primeru bo treba priznati, da je kemična evolucija na neki stopnji takoj ustvarila DNK, RNA, beljakovine, ki so jih zaprli v prve celice in strogo porazdeljene funkcije - verjetnost tega je resnično majhna.

Prve primitivne RNA so bile v vsakem primeru veliko bolj učinkovito sintetizirane iz organskih snovi z nizko molekulsko maso kot kompleksna »dvojna vijačnica«. Vzporedno se je pojavil proces nastajanja koacervatov - vodno-lipidnih kapljic, predhodnikov celične membrane. In takoj, ko se je "živa rešitev" RNA spremenila v membrano, se je pojavil prvi avtonomni organizem. Membranski film je ohranil kemični gradient med notranjo votlino in medijem, ni dovolil, da bi se živa snov razpršila - to je bila velika prednost.

Med nadaljnjim razvojem biosfere, da bi shranili dedne informacije, je bila prestrežena DNK, ki je zagotovila večjo natančnost, proteini nestempirovanne iste RNA so prevzeli katalitično aktivnost, vendar slednja ni ostala neizkoriščena. Konec koncev, brez njene celice je mrtva.

Sledi starodavnega življenja v kamnu in genih

Znanstveniki so prisiljeni iskati odgovore na vprašanja o tem, kako in kdaj je nastala biosfera, kakšna je njena zgodnja zgodovina, v teoretičnih modelih in laboratorijskih poskusih, saj je primarna površina Zemlje že dolgo uničena z nadaljnjimi geološkimi procesi.

Najstarejše življenjske poti do sedaj so bile najdene v Grenlandiji, Kanadi in Avstraliji. Najbolj zanesljivi med njimi segajo do 3,7 milijarde let nazaj in kažejo, da so že takrat obstajale kompleksne skupnosti mikroorganizmov, med katerimi so bile nekatere fotosinteze (cianobakterije ali njihovi predhodniki).

Druga raziskava je na področju molekularne biologije. Ker so vse obstoječe vrste sorodniki, je mogoče z izgradnjo filogenetskega drevesa vrste, približno določiti čas, ko je obstajal »zadnji univerzalni skupni prednik« (LUCA). To ni prvi organizem na Zemlji, vendar je živel zelo dolgo - po podatkih znanstvenikov, pred približno 4 milijardami let. Za ta organizem je bil določen sklop natančno genov, ki jih je imel, vendar ni znano, ali je bil »Luka« ločena vrsta mikroorganizmov ali skupnost vrst, ki izmenjujejo dedni material.

Življenje spreminja planet

Biosfera je tudi v zgodnjih fazah svojega obstoja aktivno sodelovala pri razvoju Zemlje. Najpomembnejši dosežek starih predkambrijskih enojnih celic je seveda ustvarjanje stabilne oksidativne atmosfere. Toda življenje je imelo velik vpliv na naravo sedimentacije in tvorbo rude. Na primer, najpomembnejše nahajališča železove rude, kot je Kurska magnetna anomalija, so nastala zaradi delovanja fotosintetičnih bakterij v oceanih paleoproterozojske vode 2,5-2 milijarde let nazaj.

Na kopnem je življenje začelo delati na pokrajinah. Dejansko je zemlja kot taka ustvarila biosfero. Konec koncev, dokler se niso pojavile zemlje in višje rastline, ni bilo jasne meje med kopnim in vodo, pretok vode v oceane je bil območje, ni bilo stabilnih rečnih korit.

Vsi vedo o nafti in premogu. Toda tukaj so gorovja Himalaje, Alpe, Kavkaz - sestavljeni so iz apnenca, večina teh kamnin pa je biogenega izvora. Te gore so bile nekoč morske živali. Njihove lupine, od najmanjših do največjih, so tvorile eno izmed najpogostejših sedimentnih kamnin.

Funkcije biosfere

Pogledali smo več primerov, kako življenje spreminja obraz planeta. Povzetek tega, kar je znano o funkcijah biosfere.

Prvič, sodeluje pri spreminjanju in ohranjanju sestave ozračja in naravnih voda. Drugič, prenaša, kopiči ali razpršuje, to je prerazporedi različne snovi. Tretjič, opravlja funkcijo oblikovanja okolja. Vse to lahko povzamemo kot proces racionalizacije in stabilizacije geokemičnih ciklov Zemlje. Izvaja se na račun absorpcije, transformacije, akumulacije in sproščanja sončne energije s strukturnimi komponentami, ki jih Vernadski v svoji teoriji biosfere razlikuje: kombinacija živih organizmov, biogena, biosaharid in inertna snov.

Neodvisno od zemlje

Od trenutka, ko se je pojavila biosfera (čeprav najverjetneje ni bilo pravega trenutka), so vse njene komponente tesno medsebojno povezane in s preostalimi geološkimi plasti planeta - ozračjem, hidrosfero, litosfero. Sistem Zemlja-biosfera je pokrit s številnimi pozitivnimi in negativnimi povratnimi informacijami na različnih ravneh, od posameznih biogeocenoz do globalnih procesov na geološki časovni ravni.