Kiedy powstała biosfera? Wartość i funkcja biosfery

Biosfera na Ziemi to złożony globalny agregat, który łączy wszystkie żywe organizmy i tę część przyroda nieożywiona która wymienia energię z żywą materią, wpływa na nią i sama na nią wpływa. Termin "biosfera" pojawił się w nauce dzięki J. Lamarck i E. Suess w XIX wieku. Jednak teoria biosfery powstała dopiero na początku XX wieku, a wielki wkład w jej rozwój należy do wybitnego radzieckiego naukowca V. I. Vernadskiego. Najpierw rozważał funkcjonowanie całego życia i jego interakcji z planetą jako złożony dynamiczny proces.

Vernadsky zwrócił także uwagę na epokę, kiedy powstała biosfera, czyli najwcześniejsze etapy historii Ziemi.

Granice rozprzestrzeniania się życia na Ziemi

Granice biosfery są zdeterminowane przez przydatność warunków fizykochemicznych do istnienia organizmów żywych. Dolną granicę rozpiętości życia uważa się za izotermę 100 ° C w litosferze, położoną na głębokości około 6 km lub na dnie oceanu (około 11 km). Jednak szacunki te mogą być niedoszacowane, ponieważ istnieją organizmy ekstremofilne głębokowodne, które przenoszą temperatury powyżej 200 ° C (pod wysokim ciśnieniem woda się tam nie gotuje). Tak więc teoretycznie litosfera może być zamieszkana znacznie głębiej, ale ogólnie mniej niż 3-4 km to prawie niemożliwe aktywne źródło utrzymania.

Górne granice biosfery są określone przez wysokość warstwa ozonowa i nie wzrośnie powyżej 15-20 km. W rzeczywistości żywe organizmy mogą być aktywne na wysokościach do 8-9 km. Ogólnie rzecz biorąc, życie jest bardzo zróżnicowane i może przystosować się do różnych warunków. Ale kiedy i jak powstało całe bogactwo?

Laboratorium na młodej planecie

Pierwotna synteza organiczna mogłaby przebiegać w protoplanetarnej chmurze gazowej na wczesnych etapach powstawania układu słonecznego. Tak więc nowonarodzona Ziemia prawdopodobnie miała już w swoim składzie wystarczającą ilość prostej materii organicznej.

Istnieją również dowody geologiczne, że temperatura Ziemi od samego początku (wiek naszej planety wynosi 4,5-4,6 miliarda lat) pozwoliła na istnienie wody w fazie ciekłej. Odgazowanie podłoża powinno być dość aktywne, ponieważ planeta nie ma jeszcze potężnej skorupy. Wulkany stworzyły pierwotną atmosferę i hydrosferę, dostarczając chemicznie aktywne substancje. Meteoryty i komety spadły na powierzchnię. Krążenie geochemiczne obejmowało wiele substancji, które nieustannie reagowały, zmieniały się w nowe związki, a te z kolei reagowały ze sobą.

Autokataliza - silnik postępu

Ale jak taka mieszanina składników mogłaby stworzyć przynajmniej najbardziej prymitywny system życia? Przez długi czas szukanie odpowiedzi na to pytanie było uważane przez wielu naukowców za mało obiecujące. Problem pojawił się dopiero na początku lat osiemdziesiątych, kiedy teoria systemów samoorganizujących się została połączona z jej rozwiązaniem.

Niech kilka reakcji zachodzi na jednym podłożu. Wtedy te wolniejsze zanikają i przestają, to znaczy, zostaną wyparte przez szybko płynące. Tak więc już na bardzo wczesnych etapach ewolucji prebiologicznej dobór naturalny zaczyna działać. Zaletą uzyskania reakcji łańcuchowej (autokatalitycznej) przyspieszonej przez ich własne produkty. Na kolejnych poziomach organizacji - cyklach autokatalitycznych i hiperocyklach - wybrane są również procesy pod względem wydajności i złożoności, ponieważ po osiągnięciu pewnego poziomu złożoność systemu staje się samowystarczalna i może się zwiększyć.

Należy zauważyć, że klasyczna termodynamika jest bezsilna, aby pomóc w kwestii, jak i kiedy powstała biosfera, a wszystkie te wnioski zostały dokonane przez naukowców w ramach nierównowagi, termodynamiki prigozhinskaya. W tym kontekście życie definiuje się jako proces samoorganizacji chemicznej w oparciu o autokatalizę wysokocząsteczkowych związków węglowych w warunkach nierównowagi, a żywe, prymitywne środowisko można uznać za kałużę, w której zachodzą te reakcje. Jest to dosłownie żywa substancja - bez stworzeń. Taka pierwotna biosfera jest praktycznie w tym samym wieku co Ziemia. W każdym razie, jeśli jest młodsza od naszej planety, to niewiele.

Świat RNA i pierwsze żywe stworzenia

Zgodnie z bardzo obiecującą i pomyślnie opracowaną teorią, pierwsze organizmy wyizolowane ze środowiska zewnętrznego pojawiły się na podstawie cykli RNA. Ani DNA, ani białko, nie miały.

DNA w nowoczesnych organizmach przechowuje informacje dziedziczne, białka wykonują aktywną pracę w komórce, RNA w ogólnym przypadku służy jako rodzaj pośrednika - odczytuje informacje i zapewnia syntezę białek. Zarówno DNA jak i białko są bezradne bez siebie i bez RNA, ale może zrobić wszystko - prawdę, gorzej niż "wąscy specjaliści", ale na początku nie może być krytycznym brakiem. W przeciwnym razie konieczne będzie rozpoznanie, że na pewnym etapie ewolucji chemicznej natychmiast stworzono DNA, RNA, białka, zamknięto je w pierwszych komórkach i ściśle rozproszone funkcje - prawdopodobieństwo tego jest naprawdę zanikająco małe.

Pierwsze prymitywne RNA, w każdym przypadku, były znacznie wydajniej syntetyzowane z organicznych związków o niskiej masie cząsteczkowej niż złożona "podwójna helisa". Równolegle istniał proces tworzenia się koacerwatów - kropel wody i lipidów, prekursorów błony komórkowej. A gdy tylko "żyjący roztwór" RNA zamienił się w błonę koacerwatu, pojawił się pierwszy autonomiczny organizm. Folia membranowa zachowała gradient chemiczny pomiędzy jamą wewnętrzną a podłożem, nie pozwalał na rozproszenie żywej materii - była to ogromna zaleta.

W trakcie dalszego rozwoju biosfery, w celu przechowywania informacji dziedzicznej, DNA zostało przechwycone, zapewniając większą dokładność, białka gniazdowe, przy czym ten sam RNA przejął aktywność katalityczną, ale ta ostatnia nie pozostała niewykorzystana. W końcu bez jej komórki nie żyje.

Ślady starożytnego życia w kamieniu i genach

Naukowcy są zmuszeni szukać odpowiedzi na pytania o to, jak i kiedy powstała biosfera, jaka jest jej wczesna historia, w modelach teoretycznych i eksperymentach laboratoryjnych, ponieważ pierwotna powierzchnia Ziemi od dawna była niszczona przez kolejne procesy geologiczne.

Najstarsze dotychczasowe ślady życia można znaleźć w Grenlandii, Kanadzie i Australii. Najbardziej wiarygodne z nich sięgają 3,7 miliarda lat temu i wskazują, że nawet wtedy istniały złożone społeczności mikroorganizmów, z których niektóre były fotosyntetyzujące (cyjanobakterie lub ich poprzedniczki).

Kolejna linia badań dotyczy biologii molekularnej. Ponieważ wszystkie istniejące gatunki są krewnymi, możliwe jest, poprzez skonstruowanie drzewa filogenetycznego gatunków, w przybliżeniu ustanowienie czasu, w którym istnieje "ostatni powszechny wspólny przodek" (LUCA). Nie jest to pierwszy organizm na Ziemi, ale żył bardzo długo - według naukowców około 4 miliardy lat temu. Dla tego organizmu ustalono zbiór dokładnie tych genów, ale nie wiadomo, czy "Luka" była odrębnym rodzajem mikroorganizmu, czy też wspólnoty gatunków wymieniających materiał dziedziczny.

Życie przekształca planetę

Biosfera, nawet we wczesnych stadiach jej istnienia, aktywnie uczestniczyła w ewolucji Ziemi. Najważniejszym osiągnięciem starożytnych pojedynczych komórek prekambryjskich jest oczywiście stworzenie stabilnej atmosfery oksydacyjnej. Ale życie miało również ogromny wpływ na naturę sedymentacji i powstawania rud. Na przykład, najważniejsze złoża rud żelaza, takie jak anomalia magnetyczna Kurska, powstały z powodu aktywności bakterii fotosyntetycznych w oceanach Paleoproterozoiku 2,5-2 miliarda lat temu.

Na lądzie zaczęło się życie nad krajobrazami. W rzeczywistości ziemia jako taka stworzyła biosferę. Wszakże dopóki nie pojawiła się gleba i nie rozprzestrzeniły się wyższe rośliny, nie było wyraźnej granicy między lądem a wodą, przepływ wody do oceanów był obszarem, nie było stabilnych koryt rzek.

Wszyscy wiedzą o ropie i węglu. Ale tutaj są pasma górskie w Himalajach, Alpach, na Kaukazie - składają się one z wapienia, a większość tej skały ma pochodzenie biogenne. Te góry były kiedyś zwierzętami morskimi. Ich skorupy, od najmniejszej do największej, tworzyły jedną z najczęstszych skał osadowych.

Funkcje biosfery

Przyjrzeliśmy się kilku przykładom, jak życie zmienia oblicze naszej planety. Podsumowanie tego, co wiadomo o funkcjach biosfery.

Po pierwsze uczestniczy w zmianie i utrzymaniu składu atmosfery i wód naturalnych. Po drugie, przenosi się, a także akumuluje lub rozprasza, czyli redystrybuuje różne substancje. Po trzecie, pełni funkcję otoczenia. Wszystko to można podsumować jako proces usprawniania i stabilizacji cykli geochemicznych Ziemi. Przeprowadza się to kosztem absorpcji, transformacji, akumulacji i uwalniania energii słonecznej przez elementy strukturalne wyróżnione przez Vernadsky'ego w jego teorii biosfery: połączenie organizmów żywych, biogenicznych, biosacharydowych i obojętnych.

Nieodłączne od ziemi

Od momentu pojawienia się biosfery (chociaż najprawdopodobniej nie było dokładnego momentu), wszystkie jej elementy ściśle oddziałują na siebie nawzajem oraz z resztą geologicznych obwiedni planety - atmosfery, hydrosfery, litosfery. System Ziemia-biosfera jest objęty wieloma pozytywnymi i negatywnymi reakcjami na różnych poziomach, od poszczególnych biogeocenoz po globalne procesy w geologicznej skali czasowej.