Коли виникла біосфера? Значення і функції біосфери

Коли виникла біосфера? Значення і функції біосфери

Біосфера Землі - це складна глобальна сукупність, що об 'єднує всі живі організми і ту частину неживої природи, яка обмінюється енергією з живою речовиною, впливає на неї і сама піддається її впливу. Термін "біосфера" з 'явився в науці завдяки Ж. Ламарку і Е. Зюссу ще в XIX столітті. Однак вчення про біосфер було створено тільки на початку XX століття, і величезний внесок у його розробку належить видатному радянському вченому В. І. Вернадському. Він вперше розглянув функціонування всього живого і взаємодію його з планетою як комплексний динамічний процес.

Вернадський також приділив увагу епосі, коли виникла біосфера, тобто найбільш раннім етапам історії Землі.

Межі поширення життя на Землі

Межі біосфери визначаються придатністю фізико-хімічних умов для існування живих організмів. Нижньою межею поширення життя прийнято вважати ізотерму 100 ° C в літосфері, розташовану на глибині близько 6 км, або дно океану (близько 11 км). Однак ці оцінки можуть виявитися заниженими, оскільки існують глибоководні організми-екстремофіли, що переносять температури понад 200 ° C (при високому тиску вода там не кипить). Так що літосфера теоретично може бути населена значно глибше, але в цілому нижче 3-4 км навряд чи можлива активна життєдіяльність.

Верхні межі біосфери визначаються висотою озонового шару і не піднімаються вище 15-20 км. Фактично ж живі організми можуть бути активні на висотах до 8-9 км. Загалом, життя досить різноманітне і вміє пристосовуватися до самих різних умов. Але коли і як виникло все це багатство?

Лабораторія на молодій планеті

Первинний органічний синтез цілком міг йти в газопильовій протопланетній хмарі на ранніх етапах формування Сонячної системи. Тож новонароджена Земля, ймовірно, вже мала у своєму складі достатню кількість простої органіки.

Є також геологічні свідчення того, що температурний режим Землі від самого початку (вік нашої планети становить 4,5-4,6 млрд років) дозволяв існування води в рідкій фазі. Дегазація надр повинна була проходити досить активно, оскільки потужної кори планета ще не мала. Вулкани створювали первинну атмосферу і гідросферу, постачали хімічно активні речовини. На поверхню випадали метеорити і комети. У геохімічний кругообіг було залучено безліч речовин, які безперервно вступали в реакції, перетворювалися на нові сполуки, а ті, в свою чергу, реагували один з одним.

Автокаталіз - двигун прогресу

Але як все-таки з подібної суміші інгредієнтів могла вийти хоча б найбільш примітивна жива система? Довгий час пошуки відповіді на це питання багато вчених взагалі вважали безперспективними. Проблема зрушила з мертвої точки тільки на початку 1980-х років, коли до вирішення її підключили теорію самоорганізованих систем.

Нехай на одному субстраті йде кілька реакцій. Тоді більш повільні з них стануть загасати і припиняться, тобто будуть витіснені швидкоплинними. Так, вже на самих ранніх стадіях передбіологічної еволюції починає діяти природний відбір. Перевагу отримують ланцюгові (автокаталітичні) реакції, прискорювані власними продуктами. На наступних рівнях організації - автокаталітичних циклах і гіперциклах - процеси також відбираються на ефективність і складність, оскільки після досягнення певного рівня складність системи стає самопідтримуваною і може зростати.

Слід зауважити, що класична термодинаміка безсила допомогти в питанні про те, як і коли виникла біосфера, і всі ці висновки зроблені вченими в рамках нерівноважної, пригожинської термодинаміки. У цьому контексті життя визначається як процес хімічної самоорганізації на основі автокаталізу високомолекулярних сполук вуглецю в нерівноважних умовах, і можна вважати живим первісне середовище - калюжу, в якій протікають згадані реакції. Це в буквальному сенсі жива речовина - без істот. Така первинна біосфера - практично ровесниця Землі. У всякому разі, якщо вона молодша нашої планети, то не набагато.

Світ РНК і перші живі істоти

Згідно з дуже перспективною теорією, що успішно розвивається останнім часом, перші організми, відокремлені від зовнішнього середовища, з 'явилися на основі РНК-циклів. Ні ДНК, ні білків вони ще не мали.

ДНК в сучасних організмах зберігає спадкову інформацію, білки виконують в клітці активну роботу, РНК в загальному випадку служить якимось посередником - зчитує інформацію і забезпечує синтез білка. І ДНК, і білок безпорадні один без одного і без РНК, а ось вона вміє робити все - правда, гірше, ніж "вузькі фахівці", але спочатку це могло і не бути критичним недоліком. В іншому випадку доведеться визнати, що на якомусь етапі хімічна еволюція створила відразу ДНК, РНК, білки, уклала їх у перші клітини і суворо розподілила функції - ймовірність цього дійсно зникаюче мала.

Перші примітивні РНК, у всякому разі, набагато ефективніше синтезувалися з низькомолекулярної органіки, ніж складна "подвійна спіраль". Паралельно йшов процес утворення коацерватів - водно-ліпідних крапель, попередників клітинної мембрани. І як тільки "живий розчин" РНК обернувся коацерватною оболонкою, виник перший автономний організм. Плівка мембрани зберігала хімічний градієнт між внутрішньою порожниною і середовищем, не давала живій речовині розсіятися - це стало величезною перевагою.

Під час подальшого розвитку біосфери естафету в справі зберігання спадкової інформації перехопила ДНК, що забезпечує велику точність, каталітичну активність взяли на себе білки, наштамповані тією ж РНК, але остання без діла не залишилася. Адже без неї клітина мертва.

Сліди стародавнього життя в камені і генах

Відповіді на питання про те, як і коли виникла біосфера, яка її рання історія, вчені змушені шукати в теоретичних моделях і лабораторних експериментах, оскільки первинна поверхня Землі давно знищена подальшими геологічними процесами.

Найдавніші на сьогоднішній день сліди життя виявлені в Гренландії, Канаді, Австралії. Найбільш достовірні з них датуються часом 3,7 млрд років тому і свідчать про те, що вже тоді існували складні спільноти мікроорганізмів, деякі з них були фотосинтезуючими (ціанобактерії або їхні попередники).

Інший напрямок досліджень лежить в області молекулярної біології. Оскільки всі нині існуючі види - родичі, можна, побудувавши філогенетичне дерево видів, приблизно встановити час, коли існував "останній універсальний загальний предок" (англ. Last Universal Common Ancestor, LUCA). Це не перший організм на Землі, але жив він дуже давно - за оцінками вчених, близько 4 млрд років тому. Для цього організму визначено набір генів, які точно мали, але не відомо, чи був "Лука" окремим видом мікроорганізмів або ж спільнотою видів, що обмінюються спадковим матеріалом.

Життя перетворює планету

Біосфера і на ранніх етапах свого існування найактивнішим чином брала участь в еволюції Землі. Найголовнішою заслугою давніх докембрійських одноклітинних є, звичайно, створення стійко-окислювальної атмосфери. Але життя справило величезний вплив також на характер осадконакоплення і рудоутворення. Наприклад, найважливіші залізорудні родовища, такі як Курська магнітна аномалія, утворилися завдяки діяльності фотосинтезуючих бактерій в океанах палеопротерозойської ери 2,5-2 млрд років тому.

Вийшовши на сушу, життя взялося за роботу над ландшафтами. Власне, сушу як таку створила саме біосфера. Адже поки не виникли ґрунти і не поширилися вищі рослини, не існувало чіткої межі "суша-водойма", стік води в океани був майданчиком, не було стійких русел річок.

Про нафту і вугілля знають всі. Але ось гірські ланцюги Гімалаїв, Альп, Кавказу - вони складені вапняками, а велика частина цієї породи має біогенне походження. Ці гори колись були морськими тваринами. Їхні мушлі, від найменших до великих, утворили одну з найпоширеніших осадових порід.

Функції біосфери

Ми розглянули декілька прикладів того, як життя змінює обличчя планети. Узагальнимо те, що відомо про функції біосфери.

По-перше, вона бере участь у зміні та підтримці складу атмосфери і природних вод. По-друге, переносить, а також накопичує або розсіює, тобто перерозподіляє різні речовини. По-третє, виконує середньоутворюючу функцію. Все це можна підсумувати як процес упорядкування і стабілізації геохімічних циклів Землі. Здійснюється він за рахунок поглинання, перетворення, акумуляції та вивільнення сонячної енергії структурними складовими, виділеними ще Вернадським у його навчанні про біосфер: сукупністю живих організмів, біогенною, біокосною і косною речовиною.

Невіддільна від Землі

З моменту, коли виникла біосфера (хоча точного моменту, швидше за все, не було), всі компоненти її тісно взаємодіють між собою і з іншими геологічними оболонками планети - атмосферою, гідросферою, літосферою. Система "Земля - біосфера" охоплена безліччю позитивних і негативних зворотних зв 'язків на різних рівнях - від окремих біогеоценозів до глобальних процесів у масштабах геологічного часу.