87. Основные этапы эволюции Биосферы в гадейскую эру.

Гадейская эра началась после образования еще очень тонкой и горячей оболочки Земли. Поскольку процесс гравитационного сжатия Земли тогда еще не закончился, в начале Гадейской эры радиус Земли был еще значительно крупнее современного, а сила тяжести на ее поверхности – соответственно значительно меньше. Радиоактивный фон на поверхности Земли был значительно выше современного, поскольку в земной коре присутствовали многочисленные радиоактивные изотопы с периодом полураспада до 1 млрд. лет, образовавшиеся в реакциях ядерного синтеза при взрыве Протосолнца. Атмосфера Земли тогда значительно отличалась от современной и состояла, преимущественно, из вулканических газов – СО2, СН4, паров соды, окислов серы, а также азота. Свободный кислород отсутствовал, поэтому не существовало и озонового слоя, защищавшего поверхность Земли от ультрафиолетового излучения. Плотность атмосферы была такой высокой, что вода на поверхности Земли могла быть в жидком состоянии даже при температуре до 230оС. Поэтому первые океаны на поверхности Земли возникли приблизительно 4,1 млрд. лет назад, когда ее температура была значительно выше 100оС.

В конце Гадейской эры возникла жизнь, поскольку в геологических породах этого возраста были найдены следы органического углерода. Вероятнее всего, жизнь возникла в неглубоких горячих водоемах, поскольку вода защищала первые организмы от смертоносного УФ-излучения, вблизи изливов вод гидротермальных источников, богатых минеральными веществами. Раньше считалось, что жизнь возникла, когда температура водоемов снизилась до 90 – 95оС, что соответствует верхнему температурному пределу существования цианобактерий из современных геотермальных источников суши. Сейчас, после открытия термофильных архебактерий из океанических гидротермальных источников, выживающих при температурах до 121оС и выше, эти представления значительно пересмотрены. Возможно, первые земные водоемы могли быть заселены живыми организмами и при гораздо более высоких температурах. Возникновению жизни предшествовал абиогенный синтез органических веществ. Неорганические вещества, находившиеся в атмосфере и воде, под воздействием энергии ультрафиолетового излучения, электрических разрядов в атмосфере и т.д. вступали в многочисленные химические реакции, В их результате образовывались простейшие органические соединения – аминокислоты, моносахариды и др. Они постепенно накапливались в водоемах, образуя т.наз. «первичный бульон», который все более концентрировался. Из веществ «первичного бульона» образовались молекулы РНК, обладающие каталитическими свойствами и способные воспроизводить себя (РНК-мир). Считается, что первые живые системы на основе молекул РНК возникали на поверхности минералов или в мельчайших порах и полостях мягких пород. Их замкнутое пространство выполняло функцию клеточных мембран, изолируя живые системы внешней среды. Жизнь в полном смысле возникла, когда в РНК-мире появились архаичный геном и генетический код, а вокруг молекулы РНК образовалась клеточная мембрана. Согласно последним оценкам, возраст генетического кода земных организмов составляет 3,8+0,6 млрд. лет, что хорошо согласуется с геологическими и палеонтологическими данными. Так появились первые анаэробные гетеротрофные прокариотные организмы. В конце Гадейской эры (4,1 – 3,8 млрд. лет назад) все внутренние планеты Солнечной системы претерпели период Последней тяжелой метеоритной бомбардировки, в результате которой на их поверхности образовались многочисленные крупные кратеры. На Луне, Марсе и Меркурии, где нет атмосферы, эти кратеры сохранились до настоящего времени, но на Земле они были впоследствии разрушены геологическими процессами. Такая интенсивная и продолжительная метеоритная бомбардировка могла бы уничтожить любую жизнь на Земле, развившуюся к тому моменту. Вероятно, какие-то термофильные прокариоты смогли пережить этот период в термальных источниках под поверхностью Земли.

88. Основные этапы эволюции Биосферы в архейскую эру.

АРХЕЙСКАЯ ЭРА. Живые организмы, обитавшие в начале Архейской эры, имеют общее название – Последний универсальный общий предок, поскольку они дали начало двум современным доменам живых организмов – археям и бактериям. Первыми обитателями Земли были анаэробные прокариоты. Для своей жизнедеятельности они использовали химическую энергию, выделяющуюся при разложении органических веществ «первичного бульона» без участия кислорода. Примером этого является спиртовое брожение, или разложение глюкозы дрожжами и некоторыми бактериями (С6Н12О6) на этиловый спирт

(С2Н5ОН) и углекислый газ (СО2):

С6Н12О6 → 2С2Н5ОН + 2СО2 + 2 АТФ

Выделяемая при спиртовом этом энергия в основном рассеивается в виде тепла, но некоторая ее часть запасается в макроэргических связях двух молекул АТФ. С энергетической точки зрения брожение гораздо менее эффективно, чем кислородное дыхание, поскольку при разложении одной молекулы глюкозы при кислородном дыхании образуется 38 молекул АТФ. Однако в тот период анаэробные организмы еще не испытывали конкуренции с аэробами за пищу и другие ресурсы. Быстро размножавшиеся гетеротрофные анаэробные организмы были способы уничтожить сравнительно медленно запасы питательные вещества первичного бульона за достаточно короткий срок. Это стало причиной первого глобального экологического кризиса на Земле. Для поддержания существования живых организмов необходимо нужно постоянное пополнение запасов питательных веществ. Поэтому на Земле появились первые организмы, производящие питательные органические вещества из неорганических соединений. Их ископаемые остатки имеют возраст около 3,5 млрд. лет. Это самые древние организмы, известные на Земле.

Первым способом образования органических был хемосинтез – или использование для образования органических веществ химической энергии, получаемой при окислении простых неорганических соединений, напр., сероводорода, выделяющихся в атмосферу при извержениях вулканов.

H2S + CO2 → С6Н1206 + S

Такой способ синтеза органических соединений малоэффективен с энергетической точки зрения. Однако он сохранился и у некоторых современных организмов, живущих в местах, куда не проникает солнечный свет, например, у бактерий из экосистем гидротермальных источников. Гораздо более эффективным способом образования органических веществ является фотосинтез, в котором в качестве источника энергии используется солнечный свет. Вначале появился неоксигенный, или бактериальный фотосинтез, в котором в качестве донора водорода также использовался сероводород. Затем появился оксигенный фотосинтез, в котором в качестве донара водорода использовалась вода, запасы которой, в отличие от сероводорода (по причине снижения вулканической активности), были практически неограниченными. Первыми оскигенными фотосинтетиками стали цианобактерии, их первые ископаемые остатки датируются возрастом 3,1 млрд. лет. По размерам и строению они вполне сходны с нынешними цианобактериями. Оформленного клеточного ядра у них не было. Генетический материал находился в виде кольцевой молекулы ДНК, лежащей в цитоплазме. Около 3 млрд. лет назад на Земле формируется первый континент – Ур.