Учение о биосфере (2)

Вопросы к блиц-опросу
В чем состоит новое содержание понятия «Биосфера» по Вернадскому?
Что такое «Живое вещество» по Вернадскому?
Перечислить основные компоненты биосферы.
Чем отличается живое вещество от косной материи?
Каковы биогеохимические функции жизни на Земле?

ТЕМА 2
Гипотезы о происхождении солнечной системы и Земли.
Гипотезы о формировании планет солнечной системы
Теория звездного синтеза химических элементов
Процессы трансформации химических элементов – продуктов галактического ядерного синтеза
Предбиологическая стадия эволюции
Эволюционные преобразования геосфер

Гипотезы о происхождении солнечной системы и Земли
На сегодняшний день принята теория, основанная на концепции о Большом взрыве.
Вся масса Вселенной была сжата в исходную точку – «каплю» Космоса. В силу каких-то причин точечное состояние было нарушено, произошел Большой взрыв, и вся Вселенная размером в 10 млрд световых лет за время долей секунды (10-30 - 10-35 с) расширялась экспоненциально.
Концепция о Большом взрыве подтверждается данными астрофизиков.
Исследования и моделирование Большого взрыва продолжаются, в том числе Европейским советом ядерных исследований.

Место планет Солнечной группы в Галактике (Млечный путь)
Солнце и планеты Солнечной группы оказались на периферии своей Галактики в одном из ее спиральных рукавов на расстоянии 25 тысяч световых лет.
Ядро нашей Галактики – место чрезвычайно высокой активности, здесь происходят десятки и сотни взрывов сверхновых звезд, формируются черные дыры – это остатки «провалившихся» внутрь себя массивных звезд (в 8-10 раз > Солнца). Нашей Земле чрезвычайно повезло оказаться вдали от этого бушующего центра.
Солнечная система оказалась в особом участке Галактики (Млечный пузырь, образовавшийся 2-5 миллионов лет назад) радиусом примерно 100 световых лет. Внутри него плотность межзвездного газа много ниже, чем в окружающем пространстве.
До образования Млечного пузыря Земля с ее биосферой ( в составе планет Солнечной группы) прокладывали путь сквозь более плотный газ.
Возраст Земли – 4,65 млрд. лет (определен по изотопному отношению 206Pb/207 Pb, он совпадает с возрастом Луны и метеоритов).

Гипотезы о формировании планет солнечной системы
Гипотеза О.Ю. Шмидта (1943-1944 гг.) о первоначально холодной Земле, пришедшая на смену представлениям о первоначально горячей Земле на основе обобщения и осмысления огромного количества фактического материала в период с конца ХIХ века (Ф.А. Бредихин, В.И. Вернадский).
Формирование планет солнечной системы происходило в несколько этапов
- образование химических элементов и газовой туманности
- охлаждение газового диска и конденсация частиц его вещества в жидкие капли, частицы, возникновение газово-пылевой протопланетной туманности;
этап возникновения протопланет: - сгущение (аккумуляция, агломерация) конденсированных частиц – пылевой составляющей протопланетной туманности, образование каменно-газово-пылевого облака.
Толчком, приведшим к конденсации газово-пылевого облака, многие ученые считают взрыв сверхновой звезды, который, в частности, привел к образованию радиоактивных элементов Солнечной системы в результате облучения солнечного газа потоком нейтронов и протонов от сверхновой.

Образование химических элементов
ТЕОРИЯ ЗВЕЗДНОГО СИНТЕЗА ЭЛЕМЕНТОВ
Для Солнца характерно электронно-ядерное состояние вещества – это водородно-гелиевая плазма.
В 1928 г. впервые в спектре атмосферы Солнца было открыто более 70 элементов, причем преобладают Н (около 70% по массе) и Нe (28% по массе), на долю остальных элементов приходится лишь около 2%, особенно мало тяжелых элементов (после Fe № 26).
Н и Не – наиболее распространенные в нашей галактике элементы – практически неисчерпаемый строительный материал для образования в соответствующих термодинамических условиях известных химических элементов, включая трансурановые.

Образование химических элементов
ТЕОРИЯ ЗВЕЗДНОГО СИНТЕЗА ЭЛЕМЕНТОВ
При температурах в десятки и сотни миллионов градусов из протонов и нейтронов синтезируются атомные ядра атомов различных масс.
В качестве примера приведем два процесса:
1. Процесс превращения Н в Не, который считается одним из возможных источников солнечной энергии:
4 1H → 4He + mc2 (дефект массы ядра гелия)
2. Процесс превращения Не в Mg:
3 4He → 12C + ν
12C + 4He → 16O
16O + 4He → 20Ne
20Ne + 4He → 24Mg
(обрыв цепи в результате кулоновского отталкивания)

Образование химических элементов
ТЕОРИЯ ЗВЕЗДНОГО СИНТЕЗА ЭЛЕМЕНТОВ
Ядра атомов тяжелых элементов, создавшие Солнечную систему, возникали в космической обстановке в условиях ультравысоких давлений и температур в результате ядерных реакций с участием α - частиц (ядра гелия), протонов и нейтронов. Среди многочисленных изотопов атомов тяжелых элементов были и радиоактивные.
Считается, что образование тяжелых радиоактивных и других химических элементов завершилось непосредственно перед формированием Солнечной системы: период времени между окончанием естественного ядерного синтеза и возникновением протопланет в Солнечной системе оценивается примерно в 50-100 млн. лет.

КАКИЕ ПРОЦЕССЫ ПРЕТЕРПЕЛИ ХИМИЧЕСКИЕ ЭЛЕМЕНТЫ – ПРОДУКТЫ ГАЛАКТИЧЕСКОГО ЯДЕРНОГО СИНТЕЗА
Химическая дифференциация тел Солнечной системы – результат физических и физико-химических процессов и пространственной дифференциации первичного газа в зависимости от гелиоцентрического расстояния:
по мере удаления от Солнца и остывания газа солнечного состава стали возникать примитивные химические соединения
более удаленные планеты конденсировались быстрее и при более низких температурах
под действием давления солнечных лучей самые легкие газовые компоненты первичного протопланетного облака были отброшены из центральных частей в краевые его части
по мере возрастания расстояния от Солнца содержание главных компонентов в телах увеличивается в следующем порядке:
Fe – (O, Si, Mg) – H2O – CH4

ПРОЦЕССЫ С УЧАСТИЕМ ХИМИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ – ПРОДУКТОВ ГАЛАКТИЧЕСКОГО ЯДЕРНОГО СИНТЕЗА
Окислительно-восстановительные процессы в протопланетной туманности: известно изменение состояния окисленности тел в зависимости от гелиоцентрического расстояния:
в близких к Солнцу планетах содержится больше металлического железа, нежели в более отдаленных: Меркурий на 3/4 состоит из металлической фазы (Fe, Ni) , Венера и Земля – на 1/3 , а Марс – на 1/4 (железо находится уже в окисленном состоянии – в составе оксидов, силикатов)
степень окисления железа в материале хондритовых метеоритов может указывать на температурные условия их формирования, на температурные условия в ранней истории солнечной системы
эксперименты В.М. Латимера:
T > 1200K
Fe3O4 + 4H2 3 Fe + 4 H2O
T < 590K
T < 590K
FeO + H2 → Fe + H2O

ПРОЦЕССЫ ГИДРАТАЦИИ ЖЕЛЕЗОМАГНЕЗИАЛЬНЫХ СИЛИКАТОВ на последних стадиях охлаждения газовой туманности при температурах 400-300 К
имели важнейшее значение для последующей жизни на Земле
Предполагаемая схема:
3MgSiO3 + SiO2 + H2O(газ) → Mg3Si4O10(OH)2
3Mg2SiO4 + 5SiO2 + 2H2O(газ) → 2Mg3Si4O10(OH)2
3Mg2SiO4 + SiO2 + 4H2O(газ) → 2Mg3Si2O5(OH)4
Продуктом стали слоистые гидратированные силикаты, составляющие, как считается, пылевую часть туманности в районе астероидального пояса.
Их высокая адсорбционная способность, по-видимому, определила внедрение в планеты земной группы с помощью пылевой фазы летучих элементов и их соединений, воспрепятствовав их переносу в краевые части Солнечной системы.
Гидратированные силикаты, встречающиеся преимущественно в углистых хондритах, независимо от их природы, оказались скрытыми носителями такого важного летучего вещества, как вода.

Хондры – это сферические тела разного размера с ø от долей до нескольких мм в диаметре.
Хондриты состоят из хондр, это мелкозернистая масса нескольких типов – от прозрачных (эстатитовые) до рассыпчатых (углеродистые).
Основной материал хондритов – силикаты разной степени кристаллизации (гидратированные силикаты, магнетиты)
Поверхность раскола каменного метеорита (хондрита)

Органический углерод, а также другие биогенные элементы (О, Н, N, S) обнаружены в метеоритах. Содержание органических соединений максимально в метеоритах типа углистых хондритов.
В их составе найдено большое число органических соединений, которые близки к необходимым для предбиологической эволюции, – это универсальные звенья обмена веществ в живых организмах.
ПРЕДБИОЛОГИЧЕСКАЯ ЭВОЛЮЦИЯ
ОБРАЗОВАНИЕ ОРГАНИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ - ТИПИЧНОЕ И МАССОВОЕ ЯВЛЕНИЕ НА РАННИХ СТАДИЯХ РАЗВИТИЯ СОЛНЕЧНОЙ СИСТЕМЫ

ОСНОВНЫЕ ОРГАНИЧЕСКИЕ СОЕДИНЕНИЯ, ИДЕНТИФИЦИРОВАННЫЕ В МЕТЕОРИТАХ
ТИПА УГЛИСТЫХ ХОНДРИТАХ

ПРЕДПОЛАГАЕМЫЕ ПУТИ СИНТЕЗА ОРГАНИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ
Реакция Миллера-Юри
По мере охлаждения Солнечной туманности возникали простейшие соединения атомов наиболее распространенного элемента – водорода с углеродом
2CO +2H2 → CH4 + CO2
CO2 + 4H2 → CH4 + 2H2O
N2 + 3H2 → 2NH3
Из смеси H2, NH3 , CH4, паров H2O под действием ионизирующей радиации при высокой Т происходит массовое образование почти всех аминокислот, необходимых для синтеза белка: муравьиная, гликолевая, молочная, уксусная, пропионовая и т.д.

ПРЕДПОЛАГАЕМЫЕ ПУТИ СИНТЕЗА ОРГАНИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ
Каталитические реакции типа реакции Фишера-Тропша
Реакция смеси СО + Н2 при Т=150-500оС приводит к образованию многих органических соединений, включая аминокислоты:
nСО + (2n+1)Н2 → СnН 2п+2 + nН2О
20СО +41Н2 → С20Н42 + 20Н2О
Эти реакции с заметной скоростью протекают лишь в присутствии катализаторов (Ni, Al или глинистых минералов). В качестве таких эффективных катализаторов на последних стадиях остывания Солнечной туманности могли быть продукты гидратации ранее выделившихся силикатов.

Под микроскопом замечено:
органические вещества метеоритов присутствуют в виде округленных флюоресцирующих частиц диаметром 1-3 мкм, в центре которых найдены ядрышки магнетита или гидратированного силиката.
Органические соединения были синтезированы на поверхности минеральных зерен (хондр), которые затем вошли в состав углистых хондритов.

Тщательные исследования в 60-х годов ХХ века выявили абиогенное происхождение этих органических соединений, возникших в условиях Космоса.

Возникшие в космических условиях органические вещества вошли в состав многих твердых тел.
В метеоритах и их родоначальных телах – астероидах – химическая эволюция оказалась замороженной.
По многочисленным данным, органические вещества космического происхождения попали на растущую Землю на последних стадиях ее аккумуляции совместно с материалом углистых хондритов (составляют 40% массы Земли).
Именно на Земле реализовались возможности их биологический эволюции.

Остается неясным вопрос, насколько далеко продвинулась химическая эволюция органического вещества в космических условиях
Возможны два пути решения этой проблемы:
либо химическая эволюция, начавшись в космических условиях, продолжалась в условиях Земли и в относительно короткие сроки привела к возникновению примитивных живых организмов;
либо образование первых сложных молекул ДНК, лежащих в основе наследственности, произошло в космических условиях, а полная реализация возможностей ДНК наступила в первых водоемах нашей планеты, содержащих растворенное органическое вещество, здесь появились саморазвивающиеся высокомолекулярные соединения, и был создан генетический код.

«ЭВОЛЮЦИЯ» происходит
от латинского «evolutio» - развертывание; постепенный, закономерный переход из одного состояния в другое.
Термин «ЭВОЛЮЦИЯ» впервые ввел в 1762 г. швейцарский натуралист и философ
Шарль Бонне (1720 –1793)

Многие биологи-эволюционисты пришли к выводу, что «органическая эволюция — это, прежде всего эволюция биосферы, в которую каждый вид вносит свой специфический вклад» (Wahlert, 1978).
Учение об эволюции биосферы и составляющих ее биогеоценозов в будущей эволюционной теории должно «занимать не меньший объем, чем сегодня занимает учение о микроэволюции» (Яблоков, Юсуфов, 1981)
Эволюция - это необратимое и, в известной мере, направленное историческое развитие живой природы во времени, сопровождающееся изменением генетического состава популяций, возрастанием разнообразия организмов, формированием адаптации, образованием и вымиранием видов, преобразованием экосистем и биосферы в целом (Колчинский, 1990).

ЭВОЛЮЦИОННЫЕ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ГЕОСФЕР
Эволюция биосферы трактуется как возникновение под воздействием органической эволюции необратимых изменений в химическом составе ее компонентов и процессах миграции атомов (Колчинский, 1990).
Многие биологи-эволюционисты пришли к выводу, что «органическая эволюция — это, прежде всего эволюция биосферы, в которую каждый вид вносит свой специфический вклад» (Wahlert, 1978).
Речь идет о преобразовании газового состава атмосферы, химических свойств гидросферы и осадочных пород литосферы, почвообразования и т.д. под воздействием органической эволюции.

ЭВОЛЮЦИЯ АТМОСФЕРЫ ЗЕМЛИ
1. Первоначальную атмосферу Земли составляли главные газы протопланетного облака: Н2 – 93%, Не – 6-7%, полученные от Солнечной галактики.
Содержание неона – пренебрежимо мало. Эти газы были утеряны в космическое пространство (диссипация).
В большинстве работ предполагается, что:
масса первичной атмосферы была очень незначительна,
механизмы, приводящие к потере атмосферы, преобладали над сравнительно слабыми источниками газов.
первичная атмосфера была полностью рассеяна до возникновения вторичной атмосферы Земли.

ОБРАЗОВАНИЕ НОВОЙ – ВТОРИЧНОЙ – АТМОСФЕРЫ ЗЕМЛИ
происходило за счет новых газов, которые выделялись из недр Земли в результате вулканической деятельности
выделение газов увеличивалось по мере разогрева планеты
2. Стадия начала вулканической активности Земли и ее разогрева:
ранняя вторичная атмосфера Земли состояла, главным образом, из паров Н2О и СО2, небольшое количество N2, а также H2, количество которого определялось балансом между его поступлением при вулканической активности и потерей молекул в процессе диссипации.

3. Переходная стадия
поверхность Земли имела Т ≥ 100оС,
-атмосфера в эту стадию соответствовала по составу вулканическим газам: 90-98% - Н2О,
- 2-10% остальные газы: главный компонент был СО2, а в виде примесей – Н2, СО, Н2S, N2, СН4.
поверхность Земли при оптимальном разогреве имела Т ≤100оС
-происходила конденсация паров воды, приводящая к накоплению океанов на поверхности Земли.
-переход значительной части паров Н2О из атмосферы в жидкую фазу привел к доминированию в составе атмосферы СО2.
-формирование углекислотной атмосферы сопровождалось накоплением в ней химически инертного азота.

4. Современная (биогенная) стадия
Центральным событием в истории биосферы считается:
постепенное развитие фотосинтеза
изменение химического состава атмосферы за счет потребления СО2 и выделения О2
переход от первоначально восстановительной атмосферы к кислородной и коренное изменение геохимической обстановки на Земле
главными компонентами стали N2 и О2

ПРИНЯТАЯ НА СЕГОДНЯ КАЧЕСТВЕННАЯ КАРТИНА ЭВОЛЮЦИИ АТМОСФЕРЫ ЗЕМЛИ
В ПЕРВОМ ПРИБЛИЖЕНИИ ПОДРАЗДЕЛЯЕТСЯ НА 4 СТАДИИ:

ВОЗНИКНОВЕНИЕ СОВРЕМЕННОЙ ОКИСЛИТЕЛЬНОЙ АТМОСФЕРЫ ПЛАНЕТЫ
КИСЛОРОД (О2 )
1) Абионенный источник О2 - фоторазложение в верхних слоях атмосферы:
Н2О, СО, СО2 + hγ → О2.
Эти малые количества О2 быстро расходовались на окисление других газов.
2) Биогенный источник - фотосинтезирующая деятельность растений в верхних горизонтах океана на глубине фотического слоя обеспечила накопление свободного О2 :
CO2 + H2O + hγ ↔ Оорг + O2.
Количество свободного O2 кислорода в атмосфере стало возрастать, но масса O2 в атмосфере была незначительной (он расходовался почти целиком на окисление органических и минеральных веществ, включая недоокисленные газы, поступающий в атмосферу из недр Земли).

ГИПОТЕЗА БЕРКНЕРА И МАРШАЛЛА (1064-1965).
получила дальнейшее развитие в трудах Баринова (1972), Будыко (1975, 1977, 1984 и др.) и Добродеева (1975)
На основе данных эволюционной палеонтологии выделен ряд переломных моментов в истории атмосферы, оказавших огромное воздействие на эволюцию жизни.
В течение долгого времени существования биосферы насыщение ее атмосферы О2 шло очень медленно, точка Пастера (1% О2 от его современного содержания) была достигнута лишь к началу фанерозоя.
Вторая критическая точка (дополнительное число Пастера – 10%) в накоплении О2 достигнута в конце силура, что дало возможность жизни выйти на сушу.
В карбоне содержание О2 было максимальным (в 2-3 больше современного). Затем произошло резкое его снижение.
И лишь в мезозое устанавливаются концентрации, близкие к современным.
Предполагается, что рост концентрации свободного О2 в атмосфере вел к освоению новых регионов биосферы и к бурной адаптивной радиации жизни, к биогенной регуляции климата путем воздействия растительности на газовый состав атмосферы.

ПОСЛЕДСТВИЯ ДЛЯ БИОСФЕРЫ
Возрастающая концентрация О2 резко расширило пространственные границы биосферы и обеспечила захват жизнью новых экологических зон.
Превращение же дыхания в главный способ окисления органических соединений повысило эффективность энергетических процессов в организмах, общую активность их жизнедеятельности, а тем самым и общую интенсивность биогеохимических и энергетических процессов в биосфере.
Следствием такого хода событий, приведших к азотно-кислородной атмосфере, стало образование озонового слоя планеты, который рассматривался Вернадским как один из адаптационных механизмов биосферы.

РОЛЬ ОТЕЧЕСТВЕННЫХ УЧЕНЫХ В ИЗУЧЕНИИ ЭВОЛЮЦИИ БИОСФЕРЫ
Советские ученые внесли существенный вклад в изучение основных тенденции в преобразовании газового состава атмосферы.
Результаты многолетних исследований эволюции атмосферы подтвердили в целом идеи Вернадского о биогенном происхождении основных компонентов биосферы и о регуляции ее газового состава жизнедеятельностью организмов.
Сформулирована мысль о тесной взаимосвязи процессов преобразования газового состава атмосферы, климата и эволюции органического мира.
Остается неясным количественное соотношение биогенного и абиогенного кислорода в современной атмосфере.

ВЫВОДЫ
Земля сравнительно быстро потеряла свою первичную оболочку (Н2, Не) в силу высокой летучести составляющих ее газов.
Вторичная атмосфера формировалась за счет дегазации недр по мере разогрева планеты
Состав вторичной атмосферы сильно менялся во времени:
восстановительный этап (Н2О, СО2 → СО2, N2) ;
кислородный этап (N2, О2) относится ко времени 2 -2,3 млрд. лет назад.
Уникальность эволюции атмосферы Земли в течение млрд. лет состоит в следующем:
1). В создании механизмов изъятия СО2 из атмосферы на границе с жидким Мировым океаном с образованием карбонатных отложений.
2). В изъятии СО2 из атмосферы фотосинтезирующими организмами.