logo
Курс лекций по общей экологии

Основные теории происхождения биосферы

Важнейшие представления о возникновении и развитии биосферы обосновал Вернадский.

Современная биосфера возникла не сразу, а в результате длительной эволюции, в процессе постоянного взаимодействия абиотических и биотических факторов. Рассмотрим этапы эволюции биосферы. Для этого проследим путь преобразования вещества с образования неорганических веществ в космическом пространстве и формирования планетарных систем.

Эволюция химических элементов в космическом пространстве.

Изучением космического пространства занимаются многие науки, отпочковавшиеся от астрономии или возникшие на стыке наук. Одна из них – спектроскопия – возникла на стыке химии и астрономии. Предмет ее исследования – спектры звезд. Это позволяет идентифицировать химические элементы, составляющие звезды, определить их температуру и многое другое. С конца 19 века было зарегистрировано более 2 млн. спектров примерно 15 тыс. звезд, в том числе и Солнца. На их основе был сделан вывод, что всюду во Вселенной существуют одни и те же химические элементы и выполняются одни и те же химические законы.

Водород – наиболее часто встречающийся и самый простой элемент. Его атом состоит из 1 протона и 1 электрона. Если первичное вещество Вселенной состояло из одного водорода, то можно объяснить не только наличие, но и распространенность всех остальных элементов в настоящее время. В такой первичной Вселенной, состоящей из чистого водорода, образовались звезды. Они являются довольно крупными гравитационно-связанными скоплениями вещества, в ходе образования которых температура повышается настолько, что начинают протекать ядерные реакции. Основной ядерной реакцией является слияние ядер атомов водорода. В этой реакции водород превращается в гелий с выделением энергии.

4Н 1Не + Е излучения

1 протон 2 протона

1 электрон 2 электрона

2 нейтрона

m(Н) = 1,0079 а.е.м.

m(4Н) = 4,0316 а.е.м.m(Не) = 4,0026 а.е.м.

m= 0,029 а.е.м. – разность масс между массой 4-х атомов Н и 1 атома Не – превращается в энергию излучения (по законам сохранения энергии и вещества).

Дальнейшее взаимодействие элементов приводит к возникновению других элементов. Реакции последних между собой приводят к возникновению более сложных молекул и их комплексов, а в дальнейшим пылевых частиц. С помощью спектроскопии было доказано, что межзвездное вещество состоит из газов – Н, Не, Ne и пылевых частиц, состоящих их металлов и других элементов. Газы и пылевые частицы образуют в космическом пространстве скопления газо-пылевой материи – туманности. Туманности встречаются по всей нашей галактике.

Например, ближайшая к нам, гигантская туманность в скоплении Ориона, имеет около 15 световых лет в диаметре и содержит такое количество газа и пыли, которого достаточно для образования 100000 звезд размером с наше Солнце. Ещё одна туманность – Млечный Путь, имеющая диаметр около 100000 световых лет.

Образование планетарных систем.

Ученые полагают, что туманности являются этапом формирования галактик или крупных звездных систем. В моделях теорий такого типа планеты представляют собой побочный продукт образования звезд. Эта точка зрения впервые была высказана Кантом и позднее развита Койпером, Альвеном, Камероном и подтверждается рядом доказательств.

Когда газово-пылевое облако становится достаточно большим в результате медленного оседания и слипания (аккреции) межзвездного газа и пыли под действием гравитационных сил, оно становится неустойчивым – в нем нарушается близкое к равновесию соотношение между давлением и гравитационными силами. Гравитационные силы преобладают и поэтому облако сжимается. По мере возрастания плотности вещества под воздействием гравитационных и других сил облако дробится на облака более мелкого размера, которые в свою очередь образуют фрагменты, в несколько раз превышающие по массе и размерам Солнечную систему. Такие облака называют протозвездами. Массивные протозвезды далее образуют крупные и горячие звезды, менее массивные протозвезды формируют меньшие и более холодные звезды, которые эволюционируют медленнее первых. Размеры протозвезд ограничены верхним пределом, превышение которого привело бы к дальнейшей фрагментации и нижним пределом, определяемым минимальной массой, которая требуется на поддержание ядерных реакций.

В ходе ранних фаз сжатия тепло, высвобождающееся при превращении гравитационной энергии в энергию излучения легко покидает облако, поскольку относительная плотность вещества еще мала. По мере возрастания плотности вещества поглощается все большее количество энергии излучения и в результате возрастает температура. На этой стадии смесь газов состоит из Н, Не, Ne,NH3,CH2,H2O,HCN. Эти газы поглощают все больше энергии излучения, диссоциируют, подвергаются ионизации. Когда молекулы полностью ионизируются, температура быстро возрастает до тех пор, пока сжатие почти полностью прекращается, так как давление газа начинает уравновешивать силы тяготения. Завершается фаза быстрого гравитационного сжатия (коллапса). Протозвезда продолжает медленно сжиматься, она становится более компактной и горячей, так как теперь тепло излучается только с ее поверхности. Увеличивается скорость вращения пылевых облаков, вследствие чего форма пылевого облака меняется от сферической к дискообразной. Температура все возрастает и начинаются термоядерные реакции образования гелия из водорода, протекающие с высвобождением большого количества энергии.. Температура уравновешивает силы дальнейшего гравитационного сжатия.

Внутри туманностей – областей относительно концентрированного межзвездного газа и пыли – возникают молодые звезды, а вокруг них планеты.

Эволюция Земли на ранних стадиях.

Исходя из вышеизложенного, состав первичной атмосферы Земли состоял из Н, Не, метана, аммиака и воды. Постепенно самые легкие элементы – Н, Не – диффузно утрачиваются из атмосферы, притягиваясь гравитационным полем планет-гигантов. Среди органических веществ первичной атмосферы были, вероятно те, которые ныне обнаруживаются в кометах: молекулы со связями С-Н, С-N, N-Н, О-Н. Кроме того, по мере гравитационного разогрева земных недр из них стали выделяться Н, метан, аммиак и вода и др.

Дальнейшая эволюция вещества шла под воздействием различных видов энергии. Это:

В 1924г. И.А. Опарин предложил первую концепцию химической эволюции, согласно которой первичная атмосфера земли была бескислородная. В 1953г. Г.К. Юри и С. Миллер подвергли смесь метана, аммиака и воды действию электрических разрядов. Среди полученных продуктов были обнаружены аминокислоты (глицин, аланин, аспарагиновая, глутаминовая кислоты).

Путем расчетов и экстраполяции некоторых геологических данных, с учетом температурных границ устойчивости органических соединений были определены температурные границы первичной Земли – от 20 до 2000.

Позднее в лабораторных условиях были абиотически получены такие органические молекулы, как альдегиды, нитраты, аминокислоты, моносахариды, пурины, порфирины,,, нуклеотиды и др.

Таким образом условия на первобытной земле можно охарактеризовать следующим образом.

Первичная литосфера.

В молекулярной эволюции только кора сыграла важную роль. Её состав: AL, Ca, Fe, Mg, Na, K и др. О изменении состава земной коры во времени в настоящее время ничего не известно.

Первичная гидросфера.

На поверхности первичной Земли находилось менее 0,1 объема воды сегодняшних океанов.

Среда воды первичного океана – слабощелочная. (рН = 8-9).

Постепенно происходит конденсация океанов.

Первичная атмосфера.

На самой ранней стадии из Н, который диффундировал в космическое пространство. Затем, атмосфера, которую принято называть первичной, образовалась из вулканических газов.

Было предложено 3 варианта состава первичной атмосферы:

Все эти преобразования относятся к раннему архею. Биосфера на данном этапе отсутствует.

Возникновение протобиополимеров – более сложная проблема. Необходимость их существования очевидна, поскольку они ответственны за протоферментативные процессы: гидролиз, декарбоксилирование, дезаминирование, перекисное окисление, брожение, фотохимические реакции, фосфорилирование, фотосинтез и др.