Лекция №2

ГИПОТЕЗЫ РОЖДЕНИЯ СОЛНЕЧНОЙ СИСТЕМЫ И ЗЕМЛИ.

ЖИЗНЬ КАК ПРЕДМЕТ ЭКОЛОГИИ.

(К.Х.Н., доцент в.Ю. Александров)

Основы современной гипотезы образования земли заложены О.Ю. Шмидтом в 40-х годах 20 века. На ранних этапах формирования вселенной образовалось наше Солнце окруженное пылегазовым облаком пропланетного вещества. Силы тяготения приводили к укрупнению твердых частиц за счет слипания, что дало начало формированию планет Солнечной системы, в т.ч. Земли. Рост Земли не был постоянно ускоряющимся, а носил циклический характер. На первом этапе происходило довольно быстрое увеличение массы планеты, которое по мере исчерпания твердого вещества в пропланетном облаке замедлилось и сменилось процессом уплотнения собственно планеты Земля. За 100 млн. лет сформировалось около 99% массы современной Земли. Процесс роста сопровождался попеременным разогреванием и остыванием вещества, в котором на первичном этапе сформировалась планета без ядра и земной коры. Это было небесное тело однородного состава с температурой не достаточной для процессов переплавления. Дальнейшая эволюция Земли как планеты связана с качественным изменением ее состава за счет энергии полученной при взаимодействии с ближайшим космическим телом размером как современный Марс т.н. Прото-Луна. Примерно 5 млрд. лет назад в результате столкновения с Прото-Луной наша планета поглотила расплавленное ядро спутника, и в колоземном пространстве образовалось много материала, который дал основу для формирования современной Луны. Эти процессы дали энергетический импульс для дифференциации геологических оболочек, появления сильного геомагнитного поля, а так же атмосферы в виде плотной газовой и паровой оболочки (сферы земли будут рассмотрены в отдельных лекциях). Это стало причиной появления на Земле свободной воды, которая насытилась элементами составляющими белок: водородом, углеродом, азотом, фосфором, серой в виде простых соединений за счет перемыва вещества планеты. Океан покрывал до 2/3 поверхности планеты, представлял собой грязно-бурую жидкость с шапками пены, состоящей из раствора множества элементов, в котором протекали реакции всех типов. Обычные химические процессы усиливались действием солнечной радиации в широком диапазоне энергий, а так же вулканической деятельностью с высокими температурами и выбросами различных химических соединений. Неоднократно Земля переживала периоды оледенения и потерю большей части атмосферы. Вторичная атмосфера создавалась постепенно в результате выделения газов из разогретых слоев земной коры в течение длительного времени. Эта атмосфера не содержала даже следов кислорода, а состояла из водяного пара, углекислого газа, азота и некоторых легких газов.

Гипотезы происхождения жизни и биосферы.

Академик В.И. Вернадский рассматривает три основные гипотезы происхождения жизни на Земле:

1. жизнь зародилась после формирования Земли;

2. жизнь возникла вместе с формированием Земли;

3. жизнь возникла до формирования Земли и была занесена на нее.

Гипотеза 1 состоит в том, что в течение большого периода, после своего возникновения (4,5 млрд. лет назад), Земля была безжизненна и на ее поверхности происходил медленный синтез органических веществ, в результате которого через 1 млрд. лет появились анаэробные организмы, способные существовать и размножаться в безкислородной среде. Другими сопутствующими факторами были мощные электрические поля и радиоактивное излучение. В 1977 г. американский биофизик К. Воуз нашел в горячих источниках (температура 75-80С) микроорганизмы, которые в процессе жизнедеятельности поглощают двуокись углерода и кислород и выделяют метан. Эти организмы признаны основоположниками биологической эволюции планеты. Одновременно с ними в океане появились организмы, которые для получения энергии расщепляли органические вещества с выделением свободного кислорода. Обнаружены ископаемые остатки с возрастом около 3,5 млрд. лет, в которых обнаружены фрагменты молекул хлорофилла, т.е основа для фотохимического превращения двуокиси углерода в кислород. Около 1 млрд. лет назад появились организмы способные дышать кислородом, а так же способные к половому размножению. Генетическая активность организмов резко усилила эволюционный процесс, а главное появилась возможность бесконечного усложнения жизненных форм, дышащих кислородом, растворенным в воде от одноклеточных, затем многоклеточных мягкотелых – медуз, червей, и наконец скелетных – раковенных моллюсков и рыб. Дальнейшее повышение парциального давление кислорода в атмосфере и растворенного в гидросфере привело к формированию генетической основы для возникновения и совершенствования всех жизненных форм животных и растений на суше и в океане.

Гипотеза 2 состоит в том, что Земля и жизнь на ней – практически ровесники, что дает основание говорить о появлении жизни на земле, а не о ее происхождении. Новые данные подтверждают гипотезу раннего зарождения жизни в пределах солнечной системы в период, предшествующий ее образованию. Космохимические данные показали в метеоритах возраст которых 4,5 млрд. лет, что совпадает с возрастом земли, наличие сложных соединений аминокислот, которые являются составной частью белков. Отсюда следует, что синтез сложных органических соединений, как предшественников живого вещества, был закономерным этапом химической эволюции солнечной системы в самом начале формирования планет. Необходимо отметить, что сложившиеся на Земле условия способствовали развитию жизни из непосредственных предков живых организмов, как это рассматривалось в гипотезе 1. Переломным этапом в эволюции древней биосферы был переход дыхания от анаэробного к окислительному.

Гипотеза 3 Органические соединения были обнаружены в дальнем космосе, в частности формальдегид, цианистый водород, муравьиная кислота. Это дало основу для гипотезы зарождения жизни на ранних стадиях существования Земли посредством захвата космической пыли, насыщенной органическими молекулами. По мере развития гидросферы, примитивные формы жизни в виде ассоциаций органических молекул попали в воды мирового океана. Дальнейшее совершенствование жизни должно происходить по биологическим законам развития живой материи. Экспериментально это было подтверждено С. Миллером в 1953 г. путем получения органических веществ из компонентов простейших соединений. Набор простейших аминокислот был получен в колбе в смеси водорода, воды, метана, аммиака при пропускании электрического разряда.

УЧЕНИЕ ВЕРНАДСКОГО О БИОСФЕРЕ.

Состав, строение и границы биосферы.

Биосфе́ра (от др.-греч. βιος — жизнь И σφαῖρα — сфера, шар) — оболочка Земли, заселённая живыми организмами, находящаяся под их воздействием и занятая продуктами их жизнедеятельности; «пленка жизни»; глобальная экосистема Земли.

Термин «биосфера» был введён в биологии Жаном-Батистом Ламарком в начале XIX в., а в геологии предложен австрийским геологом Эдуардом Зюссом в 1875 году^[1].

Целостное учение о биосфере создал русский биогеохимик и философ В. И. Вернадский. Он впервые отвёл живым организмам роль главнейшей преобразующей силы планеты Земля, учитывая их деятельность не только в настоящее время, но и в прошлом.

Существует и другое, более широкое определение: Биосфера — область распространения жизни на космическом теле. При том что существование жизни на других космических объектах, помимо Земли пока неизвестно, считается что биосфера может распространяться на них в более скрытых областях, например, в литосферных полостях или в подлёдных океанах. Так, например, рассматривается возможность существования жизни в океане спутника Юпитера Европы.

Академик В.И. Вернадский всю совокупность организмов на планете называл живым веществом, вне зависимости от их систематической принадлежности, рассматривая в качестве основных характеристик суммарную массу, химический состав и энергию.

В состав живого вещества входят как органические (в химическом смысле), так и неорганические, или минеральные, вещества. Вернадский писал:

Масса живого вещества сравнительно мала и оценивается величиной 2,4-3,6×10¹² т (в сухом весе) и составляет менее 10⁻⁶ массы других оболочек Земли. Но это одна «из самых могущественных геохимических сил нашей планеты».

Современная биосфера включает более 3 млн. видов организмов.

Живое вещество развивается там, где может существовать жизнь, то есть на пересечении атмосферы, литосферы и гидросферы. В условиях, не благоприятных для существования, живое вещество переходит в состояние анабиоза.

В состав биосферы, кроме живого вещества входит:

БИОГЕННОЕ ВЕЩЕСТВО вещество, возникшее в результате жизнедеятельности организмов, например, уголь, нефть, битумы, известняки и пр.

Вещества, образуемые без участия живых организмов и не вовлеченные в круговорот жизни, Вернадский назвал костными веществами. Это, например, горные породы, продукты извержения вулканов и т.п. “Неживых” веществ в природе не бывает, практически любое вещество может быть вовлечено в круговорот жизни. Кроме того, Вернадский выделял в особую группу биокостное вещество, которое в отличие от костного так или иначе обусловлено воздействием жизни и вовлечено в ее круговорот. Это, например, вода, почва и т.п. Вода, например, по праву считается веществом, дающим жизнь. Некоторые исследователи утверждают, что она обладает способностью запоминать информацию в своих структурах. А так как практически вся земная вода основательно переработана жизнью, то отнести ее к костным веществам мы никак не можем. То же самое можно сказать и про почвы, которые некоторые почвоведы считают “биологическим телом”. Поэтому подобные вещества вынесены в особую промежуточную группу.

- биокостное вещество (все природные воды, атмосферные газы, продукты распада и переработки горных и осадочных пород живыми организмами);

Жизнь распространена в верхней части земной коры (литосфере), нижних слоях атмосферы и в воде (гидросфере).

- в литосфере жизнь ограничивает температура подземных пород (вод), которая постепенно возрастает с глубиной. Максимальная глубина на которой обнаружены живые бактерии – около 4 км;

- в океане жизнь распространена до более значительных глубин и встречается даже на дне впадин 10-11 км;

- в атмосфере граница определена озоновым слоем, выше которого все живое гибнет от Солнечной радиации, споры грибов и бактерий обнаруживаются до высоты 20-22 км.

Более 99% суммарного живого вещества сосредоточено в слое нескольких метров вглубь и несколько десятков метров вверх от поверхности. Т.о. главные процессы взаимодействия живой и неживой природы протекают в тончайшей пленке планеты, которую называют биогеосферой или ландшафтной оболочкой.

Пределы температур при которых могут существовать некоторые формы жизни – от практически абсолютного нуля до 180С. Давление, которое допустимо для некоторых форм жизни от малых долей атмосферы на большой высоте до тысяч атмосфер на больших глубинах, радиационное воздействие до зон атомных реакторов.

ВЫВОД: выносливость жизни к отдельным факторам среды шире диапазонов тех условий, которые реализуются в границах современной биосферы. Это дает жизни значительный «запас прочности», устойчивости к воздействию среды и потенциальной возможностью к еще большему распространению.

Основную долю биомассы суши составляют зеленые растения -99,2%, а в океане только 6,3%, в то время как, масса животных и микроорганизмов суши равна 0,8%, а в океане – 93,7%.

Главными составными элементами живого вещества является кислород (65-70%) и водород (10%). Остальные элементы представлены углеродом, азотом, кальцием (от 1 до 10%), серой, фосфором, калием, кремнием (от 0,1 до 1%), железо, натрий, хлор, алюминий (менее 0,1%).

В пределах биосферы каждый химический элемент проходит через цепочку живых организмов и включается в систему биогеохимических превращений. Так, весь кислород планеты обновляется через каждые 2000 лет, а весь углекислый газ через 6,3 года. Обновление живого вещества происходит в среднем за 8 лет.

Для синтеза живого вещества необходимо примерно 40 элементов, жизненно важными из которых являются компоненты белка: углерод, водород, азот, кислород, фосфор и сера. Другие элементы требуются в меньших количествах: кальций, железо, калий, натрий, магний. Все элементы попеременно переходят из живой материи в костную, участвуя в сложных биологических циклах. Рассмотрим круговороты основных биогенных элементов в биосфере: