Kada je došlo do biosfere? Vrijednost i funkcija biosfere

Zemljina biosfera je složeni globalni agregat koji ujedinjuje sve žive organizme i taj dio nežive prirode koja razmjenjuje energiju s živom tvari, utječe na nju i sama na nju utječe. Pojam "biosfera" pojavio se u znanosti zahvaljujući J. Lamarcku i E. Suessu u XIX stoljeću. Međutim, teorija biosfere nastala je tek početkom 20. stoljeća, a veliki doprinos njezinu razvoju ima istaknuti sovjetski znanstvenik V. I. Vernadski. Najprije je smatrao funkcioniranje cjelokupnog života i njegovu interakciju s planetom složenim dinamičkim procesom.

Vernadski je također obraćao pozornost na doba kada je nastala biosfera, to jest, najranije faze povijesti Zemlje.

Granice širenja života na Zemlji

Granice biosfere određene su prikladnošću fizičko-kemijskih uvjeta za postojanje živih organizama. Donja granica širenja života smatra se izotermom 100 ° C u litosferi, koja se nalazi na dubini od oko 6 km, ili na dnu oceana (oko 11 km). Međutim, ove procjene mogu biti podcijenjene, budući da postoje dubokomorski ekstremofilni organizmi koji podnose temperature iznad 200 ° C (pod visokim tlakom, tamo voda ne kuha). Dakle, litosfera teoretski može biti naseljena mnogo dublje, ali općenito, manje od 3-4 km je jedva moguće aktivno življenje.

Gornje granice biosfere određene su visinom ozonski sloj i ne dižu se iznad 15-20 km. Zapravo, živi organizmi mogu biti aktivni na visinama do 8-9 km. Općenito, život je vrlo raznolik i može se prilagoditi različitim uvjetima. Ali kada i kako se sve to bogatstvo dogodilo?

Laboratorij na mladom planetu

Primarna organska sinteza mogla bi dobro proći u protoplanetnom oblaku plina i prašine u ranim fazama stvaranja Sunčevog sustava. Dakle, novorođenče Zemlja, vjerojatno, već ima u svom sastavu dovoljnu količinu jednostavne organske tvari.

Postoje i geološki dokazi da je temperatura Zemlje od samog početka (starost našeg planeta 4,5-4,6 milijardi godina) omogućila postojanje vode u tekućoj fazi. Otplinjavanje podzemlja trebalo je biti vrlo aktivno, jer planet još nije imao moćnu koru. Vulkani su stvorili primarnu atmosferu i hidrosferu, isporučene kemijski aktivne tvari. Meteoriti i kometi su pali na površinu. Geokemijska cirkulacija uključivala je mnogo tvari koje su neprestano reagirale, pretvarale se u nove spojeve, a one su reagirale jedna s drugom.

Autokataliza - motor napretka

Ali kako bi takva mješavina sastojaka učinila barem najprimitivniji živi sustav? Dugo vremena, mnogi znanstvenici su smatrali da je potraga za odgovorom na ovo pitanje nepromišljena. Problem je sišao s temelja tek početkom 1980-ih, kada je u njegovo rješenje uključena teorija samoorganizirajućih sustava.

Neka se na jednoj podlozi dogodi nekoliko reakcija. Tada će sporiji oni nestati i zaustaviti se, to jest, bit će istisnuti brzo tekućim. Dakle, već u vrlo ranim fazama prebiološke evolucije, prirodna selekcija počinje djelovati. Prednost dobivanja lančanih (autokatalitičkih) reakcija, ubrzana vlastitim proizvodima. Na sljedećim razinama organizacije - autokatalitički ciklusi i hiperciklusi - procesi se odabiru i za učinkovitost i složenost, budući da nakon postizanja određene razine složenost sustava postaje samoodrživa i može se povećati.

Valja napomenuti da je klasična termodinamika nemoćna da pomogne u pitanju kako i kada je nastala biosfera, a svi su ti zaključci napravljeni od strane znanstvenika u okviru neravnoteže, prigozhinskaya termodinamike. U tom kontekstu, život se definira kao proces kemijske samoorganizacije utemeljen na autokatalizi visoko-molekularnih ugljikovih spojeva u neravnotežnim uvjetima, a živi, ​​primitivni okoliš može se smatrati lokvicom u kojoj se te reakcije događaju. To je doslovno živa supstanca - bez stvorenja. Takva primarna biosfera praktički je iste dobi kao i Zemlja. U svakom slučaju, ako je mlađi od našeg planeta, to nije mnogo.

Svijet RNA i prva živa bića

Prema nedavno vrlo obećavajućoj i uspješno razvijenoj teoriji, prvi organizmi, izolirani iz vanjskog okruženja, pojavili su se na temelju RNA ciklusa. Niti DNK niti proteini nisu imali.

DNA u suvremenim organizmima pohranjuje nasljedne informacije, proteini obavljaju aktivan rad u stanici, RNA u općem slučaju služi kao neka vrsta posrednika - čita informacije i osigurava sintezu proteina. I DNA i protein su bespomoćni bez međusobno i bez RNA, ali može učiniti sve - istinito, gore od "uskih stručnjaka", ali isprva to ne može biti kritični nedostatak. Inače, bit će potrebno prepoznati da je u nekom trenutku kemijska evolucija odmah stvorila DNK, RNA, proteine, zatvorila ih u prve stanice i strogo raspodijeljene funkcije - vjerojatnost toga je stvarno nestala.

Prve primitivne RNK, u svakom slučaju, bile su mnogo učinkovitije sintetizirane iz organskih tvari niske molekularne težine nego kompleksne "dvostruke spirale". Usporedno s tim, došlo je do procesa stvaranja koacervata - kapljica vode i lipida, prekursora stanične membrane. Čim se “živo rješenje” RNA pretvorilo u koacervatnu membranu, pojavio se prvi autonomni organizam. Film membrana zadržao je kemijski gradijent između unutarnje šupljine i medija, nije dopustio da se živa tvar rasprši - to je bila velika prednost.

Tijekom daljnjeg razvoja biosfere, kako bi se pohranile nasljedne informacije, DNA je presrela, osiguravajući veću točnost, proteini nestempirovani iste RNA preuzeli katalitičku aktivnost, ali potonji nije ostao neiskorišten. Uostalom, bez nje je stanica mrtva.

Tragovi drevnog života u kamenu i genima

Znanstvenici su prisiljeni tražiti odgovore na pitanja o tome kako i kada je nastala biosfera, koja je njezina rana povijest, u teorijskim modelima i laboratorijskim eksperimentima, budući da je primarna površina Zemlje već dugo uništena geološkim procesima.

Najstariji tragovi života do danas pronađeni su u Grenlandu, Kanadi i Australiji. Najpouzdaniji od njih datiraju prije 3,7 milijardi godina i ukazuju da su čak i tada postojale složene zajednice mikroorganizama, od kojih su neke bile fotosinteze (cijanobakterije ili njihovi prethodnici).

Druga linija istraživanja je u području molekularne biologije. Budući da su sve postojeće vrste rođaci, moguće je, izgradnjom filogenetskog stabla vrsta, otprilike utvrditi vrijeme kada je postojao „posljednji univerzalni zajednički predak“ (LUCA). To nije prvi organizam na Zemlji, ali je živio jako dugo - prema znanstvenicima, prije oko 4 milijarde godina. Za ovaj organizam određen je skup točno onih gena koje je imao, ali nije poznato je li Luka bio zasebna vrsta mikroorganizama ili zajednica vrsta koje razmjenjuju nasljedni materijal.

Život pretvara planet

Biosfera je, čak iu ranim fazama svoga postojanja, aktivno sudjelovala u evoluciji Zemlje. Najvažnije postignuće drevnih pretkambrijskih pojedinačnih stanica je, naravno, stvaranje stabilne oksidativne atmosfere. Ali život je također imao ogroman utjecaj na prirodu sedimentacije i stvaranja rude. Na primjer, najvažnija nalazišta željezne rude, kao što je Kurska magnetska anomalija, nastala su zbog djelovanja fotosintetskih bakterija u oceanima paleoproterozoika prije 2,5-2 milijarde godina.

Na kopnu, život je počeo raditi na krajoliku. Zapravo, zemlja kao takva je stvorila biosferu. Uostalom, sve dok se zemlja nije pojavila, a viša biljka se širila, nije bilo jasne granice između kopna i vode, protok vode u oceane bio je područje, nije bilo stabilnih korita rijeka.

Svi znaju za naftu i ugljen. No, ovdje su planinski lanci Himalaja, Alpa, Kavkaza - oni su sastavljeni od vapnenca, a većina ove stijene je biogenog podrijetla. Te su planine nekada bile morske životinje. Njihove ljuske, od najmanjih do najvećih, činile su jednu od najčešćih sedimentnih stijena.

Funkcije biosfere

Pogledali smo nekoliko primjera kako život mijenja lice planeta. Sumiranje onoga što je poznato o funkcijama biosfere.

Prvo, sudjeluje u promjeni i održavanju sastava atmosfere i prirodnih voda. Drugo, prenosi, kao i akumulira ili raspršuje, to jest preraspodjeljuje različite tvari. Treće, on obavlja funkciju oblikovanja okoliša. Sve se to može sažeti kao proces racionalizacije i stabilizacije geokemijskih ciklusa Zemlje. Provodi se na račun apsorpcije, transformacije, akumulacije i oslobađanja sunčeve energije pomoću strukturnih komponenti koje Vernadski razlikuje u svojoj teoriji biosfere: kombinacija živih organizama, biogenog, biosaharida i inertne tvari.

Neveziva od zemlje

Od trenutka kada se pojavila biosfera (premda, najvjerojatnije nije bilo točnog trenutka), sve njezine komponente usko su međusobno povezane i sa ostalim geološkim omotačima planeta - atmosferom, hidrosferom, litosferom. Sustav Zemlja-biosfera pokriven je mnogim pozitivnim i negativnim povratnim informacijama na različitim razinama, od pojedinačnih biogeocenoza do globalnih procesa na geološkoj vremenskoj skali.