Основные этапы развития биосферы
Этапы развития биосферы обычно связывают с этапами развития планеты в целом. В связи с этим выделяют 2 наиболее крупных этапа гео-биологической истории - эонов:
- криптозой, продолжавшийся от момента зарождения планеты свыше 4 млрд лет;
- фанерозой, продолжающийся и сейчас и насчитывающий не более 600 млн лет.
Границей между этими периодами является величайший момент в истории Земли - переход от химической к биологической эволюции.
К узловым этапам развития биосферы можно отнести следующие:
1. Исходные газы ( Н2, H2O, N2, NO2, CO, CO2, NH3, CH4) и минеральные компоненты поверхности земли в результате химических реакций при достаточно специфических условиях начального периода развития Земли (значительные перепады температур, электрические разряды большой мощности, ударные нагрузки и т.п.) образовали низкомолекулярные органические соединения, а затем ибиополимеры - около 4 млр. лет назад.
2. Образование из биополимеров пробионтов - сложных макромолекулярных соединений. Пробионты имели открытую пространственную структуру, что обеспечивало их рост под действием дочерних образований в результате действия прежде всего механических сил. То есть впервые стал наблюдаться механизм идентичного воспроизведения, который является основной чертой жизни. Пробионты состояли из нуклеиновых кислот, белков, ферментов и по своей природе были гетеротрофными, т. е. могли синтезировать органические соединения из неорганических компонентов. Принято считать, что с этого момента началась биологическая эволюция - 3,5 - 3,8 млр. лет назад.
3. На последнем этапе эволюции пробионтов сформировался генетический код, для биологического самовоспроизведения белков, включающий:
- «инструкцию» - молекулу ДНК (дезоксирибонуклеиновая кислота), являющуюся главным «программистом и инспектором» молекулярного самовоспроизведения;
- «информацию» - молекулу РНК (рибонуклеиновая кислота), являющуюся «информатором и переносчиком» генетической программы.
В результате этого возникают первые безъядерные клетки - прокариоты. Обмен энергией с окружающей природной средой у прокариотов осуществлялся посредством фотосинтеза, что способствовало накоплению молекулярного кислорода в атмосфере (биогенным путем) - около 3,5 млрд. лет назад.
4. Началом этого этапа можно считать появление первых клеток, содержащих ядро - эукариотных клеток, что значительно повысило их жизнеспособность и сделало возможным зарождение и развитие простейших их колониальных объединений - первых многоклеточных растительных организмов - метафитов - 2 - 1 млдр. лет назад.
Именно на этом этапе возникает один из парадоксов истории - противоречие между перспективным развитием кислорода для жизни и его губительным действием на древнейшие простейшие организмы, которые по своей природе были анаэробными, т. е. могли жить только в бескислородной среде первичной атмосферы. Речь идет о том, что когда содержание кислорода в атмосфере достигло 1 % от его концентрации в современной атмосфере возник механизм дыхания и появились необходимые для этого ферменты. Дыхание дало жизни огромные энергетические выгоды, поскольку при реализации механизма дыхания энергетический результат, выраженный в калориях, в 10 раз больше, чем при реализации процесса ферментации (эффект Пастера).
В конце 4 этапа начинается великий перелом в эволюции - начало разветвления жизни на:
- бактерии и синезеленые водоросли;
- растения;
- животных.
Этому процессу способствовало:
а) увеличение массы первичной гидросферы и, как следствие, количества лагун с зоной приливов;
б) замедление вращения Земли под действием приливов и отливов, что улучшило «тепловые» и «световые» условия развития организмов ( увеличение продолжительности суток на 20 сек. за 1 млн лет; уменьшение числа суток в году с 424 суток 600 млн лет назад до 365 суток сейчас);
в) изменение химического состава воды в океанах (минерализация, увеличение содержания газов и т. п.);
г) увеличение содержания кислорода в атмосфере и гидросфере;
д) увеличение жизнеспособности организмов за счет появления жесткого скелета и оболочки и т. п.
Структура биосферы
Биосфера - одна из структурных оболочек нашей планеты. По своему составу она содержит четыре основных компонента:
1. Живое вещество - совокупность всех живых организмов (люди, животные, птицы, растения, рыбы, микроорганизмы и т.д.)
2. Биогенное вещество, т.е. продукты, образовавшиеся в результате жизнедеятельности различных организмов (каменный уголь, битумы, торф, лесная подстилка, гумус почв и т.д.)
3. Биокосное вещество - преобразованное организмами неорганическое вещество (некоторые осадочные породы, приземный воздух атмосферы и т.д.)
4. Косное вещество - горные породы, в основном магматического генезиса.
Размеры (мощность) биосферы (рис. 7.2) впервые оценил В.И. Вернадский. Верхней ее границей служит озоновый слой в стратосфере, определяющий предел возможной жизни. Активная жизнь в атмосфере прекращается значительно ниже, у нижней границы тропосферы, куда еще благодаря движению воздуха заносятся бактерии и споры. Нижней границей в геосфере является слои, расположенные на глубине 3 - 3,5 км и имеющие температуру порядка 100о С.
Нефтеносные воды с микроорганизмами были обнаружены при бурении на полуострове Мангышлак на глубине 4,5 км.
Нижняя граница в гидросфере совпадает с максимальными океаническими глубинами (порядка 11 км).
Рис. 7.2. Размеры биосферы