Kdy vznikla biosféra? Hodnota a funkce biosféry

Zemská biosféra je komplexní globální agregát, který spojuje všechny živé organismy a tuto část neživé povahy která vyměňuje energii živou hmotou, ovlivňuje ji a je sama ovlivněna. Termín "biosféra" se objevil ve vědě díky J. Lamarckovi a E. Suessovi v 19. století. Nicméně teorie biosféry vznikla teprve počátkem 20. století a významným příspěvkem k jejímu rozvoji patří významný sovětský vědec V. I. Vernadský. Nejprve považoval fungování celého života a jeho interakci s planetou za komplexní dynamický proces.

Vernadský také věnoval pozornost éře, kdy vznikla biosféra, tedy nejranější etapy historie Země.

Hranice šíření života na Zemi

Hranice biosféry jsou určeny vhodností fyzikálně-chemických podmínek pro existenci živých organismů. Spodní hranice rozšíření života je považována za izotermii 100 ° C v litosféře, která se nachází v hloubce asi 6 km, nebo v mořské dně (asi 11 km). Tyto odhady však mohou být podceňovány, protože existují extrémně hluboké vodní organismy, které přenášejí teploty nad 200 ° C (pod vysokým tlakem, voda se neváří tam). Takže litosféra může být teoreticky obývaná mnohem hlouběji, ale obecně méně než 3-4 km je sotva možné aktivní živobytí.

Horní hranice biosféry jsou určeny výškou ozonové vrstvy a nezvyšovat nad 15-20 km. Ve skutečnosti mohou být živé organismy aktivní v nadmořských výškách až 8-9 km. Život je obecně velmi různorodý a může se přizpůsobit různým podmínkám. Ale kdy a jak se všechno toto bohatství stalo?

Laboratoř na mladé planetě

Primární organická syntéza by se mohla dostat do protoplanetárního mraku plynovodního prachu v raných fázích vzniku sluneční soustavy. Takže novorozená země pravděpodobně měla ve svém složení dostatečné množství jednoduché organické hmoty.

Existují také geologické důkazy, že teplota Země od samého počátku (věk naší planety je 4,5-4,6 miliardy let) umožnila existenci vody v kapalné fázi. Odplynění podloží by mělo být docela aktivní, protože planeta ještě neměla silnou kůru. Sopky vytvořily primární atmosféru a hydrosféru, dodávaly chemicky aktivní látky. Meteority a komety klesly na povrch. Geochemický oběh zahrnoval množství látek, které nepřetržitě reagovaly, přeměněny na nové sloučeniny a ty, které zase reagovaly navzájem.

Autokatalýza - motor pokroku

Ale jak by taková směs složek mohla přinejmenším nejvíce primitivní živý systém? Po dlouhou dobu bylo hledáním odpovědi na tuto otázku mnoho vědců považováno za neproporcionální. Problém se dostal až do počátku 80. let, kdy byla teorie samoorganizačních systémů spojena s jeho řešením.

Nechte několik reakcí na jednom substrátu. Pak pomalejší z nich zmizí a zastaví, to znamená, že budou vytlačeni rychlými proudy. Takže již ve velmi raných stádiích prebiologického vývoje začíná působit přirozený výběr. Výhoda získání řetězových (autokatalytických) reakcí, urychlených vlastními produkty. Na dalších úrovních organizace - autokatalytických cyklech a hypercyklech - jsou procesy vybrány také pro efektivitu a složitost, neboť po dosažení určité úrovně se složitost systému stává sama sebe a může se zvýšit.

Je třeba poznamenat, že klasická termodynamika je bezmocná, aby pomohla v otázce, jak a kdy vznikla biosféra, a všechny tyto závěry byly učiněny vědci v rámci nerovnováhy, prigozhinskaya thermodynamics. V tomto kontextu je život definován jako proces chemické sebeorganizace založené na autokatalýze vysokomolekulárních sloučenin uhlíku v nerovnovážných podmínkách a živé primitivní prostředí může být považováno za lom, ve kterém dochází k těmto reakcím. Je to doslova živá látka - bez stvoření. Taková primární biosféra je prakticky ve stejném věku jako Země. V každém případě, pokud je mladší než naše planeta, není to moc.

Svět RNA a první živé bytosti

Podle velmi slibné a úspěšně vyvinuté teorie v poslední době se objevily první organismy izolované z vnějšího prostředí na základě cyklů RNA. Ani DNA ani protein, neměli.

DNA v moderních organizmech uchovává dědičnou informaci, proteiny provádějí aktivní práci v buňce, RNA obecně slouží jako druh zprostředkovatele - čte informace a poskytuje syntézu bílkovin. Jak DNA, tak protein jsou bez sebe a bez RNA bezmocné, ale mohou dělat všechno - pravdivé, horší než "úzké specialisty", ale nejdřív to nemůže být kritický nedostatek. Jinak bude nutné poznat, že v určitém okamžiku chemická evoluce okamžitě vytvořila DNA, RNA, proteiny, uzavřela je v prvních buňkách a přísně distribuovala funkce - pravděpodobnost, že to bude opravdu zanedbatelné.

První primitivní RNA byly v každém případě mnohem účinněji syntetizovány z organických látek s nízkou molekulovou hmotností než komplexní "dvojitá šroubovice". Souběžně docházelo k procesu tvorby koacervátů - vodních lipidových kapiček, prekurzorů buněčné membrány. A jakmile se "živé řešení" RNA změnilo na koacervátovou membránu, objevil se první autonomní organismus. Membránový film zachoval chemický gradient mezi vnitřní dutinou a médiem, nedovolil, aby se živá látka rozptýlila - to byla obrovská výhoda.

V průběhu dalšího vývoje biosféry, aby byla uložena dědičná informace, byla DNA zachycena, čímž byla zajištěna větší přesnost, bílkoviny nestempirovannye stejnou RNA převzala katalytickou aktivitu, ale tato zůstala nevyužitá. Koneckonců, aniž by její buňka byla mrtvá.

Stopy starobylého života v kameni a genech

Vědci jsou nuceni hledat odpovědi na otázky o tom, jak a kdy vznikla biosféra, jaká je její raná historie, v teoretických modelech a laboratorních experimentech, neboť primární povrch Země je již dávno zničen následnými geologickými procesy.

Nejstarší stopy dosavadního života byly nalezeny v Grónsku, Kanadě a Austrálii. Nejspolehlivější z nich pocházejí již před 3,7 miliardami let a naznačují, že dokonce i tehdy existovaly složité komunity mikroorganismů, z nichž některé byly fotosyntézou (cyanobakterie nebo jejich předchůdci).

Další oblastí výzkumu je v oblasti molekulární biologie. Vzhledem k tomu, že všechny existující druhy jsou příbuzné, je možné konstrukcí phylogenetického stromu druhů přibližně stanovit dobu, kdy existoval "poslední univerzální společný předchůdce" (LUCA). Toto není první organismus na Zemi, ale podle vědců žil velmi dlouho - asi před 4 miliardami let. Pro tento organismus byl určen soubor přesně těch genů, které měl, ale není známo, zda "Luka" je samostatný typ mikroorganismu nebo společenství druhů, které si vyměňují dědičný materiál.

Život přeměňuje planetu

Biosféra, dokonce i v raných stádiích její existence, se aktivně podílela na vývoji Země. Nejdůležitějším úspěchem starých jednokanálů Precambrian je samozřejmě vytvoření stabilní oxidativní atmosféry. Ale život měl také obrovský dopad na povahu sedimentace a tvorby rudy. Například nejdůležitější ložiska železné rudy, jako je například Kurskova magnetická anomálie, byly vytvořeny kvůli aktivitě fotosyntetických bakterií v oceánech paleoproterozoických 2,5-2 miliardy let.

Na venkově začal pracovat na krajině. Ve skutečnosti půda jako taková vytvořila biosféru. Koneckonců až do chvíle, kdy se půda objevila a rostly vyšší rostliny, nebyla žádná jasná hranice mezi půdou a vodou, proud vody do oceánů byl oblast, nebyly tam žádné stabilní říční lůžka.

Každý ví o ropě a uhlí. Ale zde jsou pohoří Himalájí, Alpy, Kavkaz - jsou složeny z vápence a většina z této skály pochází z biogenního původu. Tyto hory byly kdysi mořské živočichy. Jejich skořápky, od nejmenších po největší, tvořily jeden z nejvíce obyčejných sedimentárních hornin.

Funkce biosféry

Podívali jsme se na několik příkladů, jak život mění tvář planety. Shrnutí toho, co je znáno o funkcích biosféry.

Zaprvé se podílí na změně a udržování složení atmosféry a přírodních vod. Za druhé, přenáší, stejně jako akumuluje nebo rozptýlí, tj. Přerozděluje různé látky. Za třetí, provádí funkci vytváření prostředí. To vše lze shrnout jako proces zefektivnění a stabilizace geochemických cyklů Země. Provádí se na úkor absorpce, transformace, akumulace a uvolňování sluneční energie strukturními složkami, které Vernadský rozlišuje ve své teorii biosféry: kombinace živých organismů, biogenních, biosacharidů a inertních látek.

Neoddělitelný od země

Od okamžiku, kdy se objevila biosféra (ačkoli s největší pravděpodobností neexistovala žádná přesná chvíle), všechny její složky úzce spolupracují navzájem i se zbytkem geologických obalů planety - atmosférou, hydrosférou, litosférou. Systém Země a biosféra je pokryt mnoha pozitivními a negativními zpětnými vazbami na různých úrovních, od jednotlivých biogeocenóz až po globální procesy v geologickém časovém měřítku.