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, що на неї впливає і сама зазнає його впливу. Термін «біосфера» з'явився в науці завдяки Ж. Ламарку і Е. Зюссу ще в XIX столітті. Однак вчення про біосферу було створено лише на початку XX століття, і величезний внесок у її розробку належить видатному радянському вченому в. І. Вернадському. Він вперше розглянув функціонування всього живого і взаємодія 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 изотерму 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-экстремофилы, 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 дуже різноманітна і вміє пристосовуватися до найрізноманітніших умов. Але коли і як виникло все це багатство?

Лабораторія на молодій планеті

Первинний органічний синтез цілком міг іти в газопиловому протопланетном хмарі на ранніх етапах формування Сонячної системи. Так що новонароджена Земля, ймовірно, вже мала у своєму складі достатню кількість простий органіки. Є також геологічні свідчення того, що температурний режим Землі з самого початку (вік нашої планети становить 45-46 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. В геохімічний кругообіг було залучено безліч речовин, які безперервно вступали в реакцію, перетворювалися у нові сполуки, а ті, у свою чергу, реагували один з одним.

Автокатализ – двигун прогресу

Але як все-таки з такої суміші інгредієнтів могла вийти бодай найпримітивніша жива система? Тривалий 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 систем, що самоорганізуються.

Нехай на одному субстраті йде кілька реакцій. Тоді більш повільні з них стануть затухати і припиняться, тобто будуть витіснені швидкоплинними. Так, вже на самих ранніх стадіях предбиологической еволюції починає діяти природний добір. Перевагу отримують ланцюгові (автокаталитические) реакції, що прискорюються власними продуктами. На наступних рівнях організації – автокаталитических циклах і гиперциклах – процеси також відбираються на ефективність та складність, оскільки по досягненні певного рівня складність системи стає ланцюгової 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, пригожинской термодинаміки. В цьому контексті життя визначається як процес хімічної самоорганізації на основі автокатализа високомолекулярних сполук вуглецю в нерівноважних умовах, і можна вважати живою первісну середу – 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

Відповідно дуже перспективною і успішно розвивається останнім часом теорії, 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 клітині активну роботу, РНК в загальному випадку служить таким собі 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 разі доведеться визнати, що на якомусь етапі хімічна еволюція створила відразу ДНК, РНК, білки, уклала їх у перші клітини та строго розподілила функції – імовірність цього дійсно зникаюче мала.

Перші примітивні РНК, у всякому разі, набагато ефективніше синтезувалися з низькомолекулярної органіки, ніж складна «подвійна спіраль». Паралельно йшов процес утворення коацерватов – водно-ліпідних крапель, попередників клітинної мембрани. І як тільки «живий розчин» РНК обернувся коацерватной оболонкою, виник перший автономний організм. Плівка мембрани зберігала хімічний градієнт між внутрішньою порожниною і середовищем, не давала живій речовині розсіятися – це стало величезною перевагою. В ході подальшого розвитку біосфери естафету в справі зберігання спадкової інформації перехопила ДНК, що забезпечує більшу точність, каталітичну активність взяли на себе білки, наштамповані тієї ж РНК, але остання без діла не залишилася. Адже без неї клітина мертва.

Сліди стародавньої 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 поверхню Землі давно знищена наступними геологічними процесами. Найдавніші на сьогоднішній день виявлені сліди життя в Гренландії, Канаді, Австралії. Найбільш достовірні з них датуються часом 37 млрд років тому і свідчать про те, що вже тоді існували складні співтовариства мікроорганізмів, деякі з них були фотосинтезирующими (ціанобактерії або їх попередники). Інший напрям 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 Універсальний 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 визначений набір точно були у нього генів, але не відомо, чи був «Лука» окремим видом мікроорганізмів або ж співтовариством видів, які обмінюються спадковим матеріалом.

Життя перетворює планету

Біосфера і на ранніх етапах свого існування активно брала участь в еволюції Землі. Найголовнішою заслугою древніх докембрійських одноклітинних є, звичайно, створення стійко-окисної атмосфери. Але життя справила величезний вплив на характер осадконакопичення та рудоутворення. Наприклад, найважливіші залізорудні родовища, такі як Курська магнітна аномалія, утворилися завдяки діяльності фотосинтезуючих бактерій в океанах палеопротерозойской ери 25-2 млрд років тому. Вийшовши на сушу, життя взялася за роботу над ландшафтами. Власне, сушу як таку створила саме біосфера. Адже поки не виникли грунту і не поширилися вищі рослини, не існувало чіткої межі «суша-водойма», стік води в океани був площинним, не було стійких русел річок. Про нафту і вугілля знають всі. Але ось гірські пасма Гімалаїв, Альп, Кавказу – вони складені вапняками, а велика частина цієї породи має біогенне походження. Ці гори коли-то були морськими тваринами. Їх раковини, від дрібних до великих, утворили одну з найбільш поширених осадових порід.

Функції біосфери

Ми розглянули кілька прикладів того, як життя змінює лик планети. Узагальнимо те, що відомо про функції біосфери. По-перше, вона бере участь у зміні і підтримці складу атмосфери і природних вод. По-друге, переносить, а також накопичує або розсіює, тобто перерозподіляє різні речовини. По-третє, виконує средообразующую 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 вченні про біосферу: сукупністю живих організмів, біогенних, биокосным і косным речовиною.

Невіддільна від Землі

З моменту, коли виникла біосфера (хоча точного моменту, швидше за все, не було), всі її компоненти тісно взаємодіють між собою та 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 в масштабах геологічного часу.