Одно из наиболее удачных определяет жизнь как самоподдерживающуюся химическую систему, способную вести себя в соответствии с законами дарвиновской эволюции

Это значит, что, во-первых, группа живых особей должна производить подобных себе потомков, которые наследуют признаки родителей. Во-вторых, в поколениях потомков должны проявляться последствия мутаций - генетических изменений, которые наследуются последующими поколениями и обуславливают популяционную изменчивость. И в-третьих, необходимо, чтобы действовала система естественного отбора, в результате которого одни особи получают преимущество перед другими и выживают в изменившихся условиях, давая потомство.

Итак жизнь на Земле зародилась ещё в архее — примерно 3,5 млрд. лет назад. Такой возраст имеют найденные палеонтологами древнейшие органические остатки. Возраст Земли как самостоятельной планеты Солнечной системы оценивается в 4,5 млрд. лет (Рис.8).

Таким образом, можно считать, что жизнь зародилась ещё в юношескую стадию жизни планеты.

Установлено, что первичная атмосфера состояла преимущественно из паров воды, метана, аммиака, углекислого газа, водорода, к ним примешивались инертные газы – аргон, гелий, криптон, ксенон и выделившиеся при вулканических извержениях газообразные сероводород, фтористый водород, хлористый водород и др. Первые несколько сотен миллионов лет после образования атмосфера имела температуру близкую к 6000С. Естественно, что никакой жизни в этот период быть не могло.

На дальнейшие процессы на Земле мнения ученых расходятся. Одни считают, что приблизительно 4 млрд. лет назад атмосфера разогрелась настолько, что «покинула планету». Этому способствовало два фактора: энергия Солнца и энергия соударяющихся с древней Землей крупных небесных тел. Породы, имеющие возраст 3.8 млрд. лет, следов метаморфизма уже не имеют. С другой стороны, наличие сине-зеленых водорослей в отложениях этого возраста однозначно свидетельствуют о снижении температуры первичного океана существенно ниже 1000С. Таково мнение подавляющего большинства ученых и геологов в первую очередь.

Другие специалисты, планетологи, считают, что 4 млрд. лет назад в результате некоего катаклизма произошел разрыв земной коры, приведший к тектонике плит, образованию Пангеи и океана. То, что древние земные базальты подвергались переплавлению, геологам хорошо известно. Но в чем причина необычайно сильной метаморфизации базальтовой коры остается до сих пор загадкой. Причем, экспериментально установлено, что подобный метаморфизм происходит при давлении около 10 000 атм. и температуре не менее 1000 0С.

(Рис.8)Земля 4,5 млрд. лет назад.

Сравнительно недавно группа американских ученых под руководством К.Шульца выявила в Северной Америке грандиозные ударные кратеры диаметром 1000 и 2800 км, что подтверждает гипотезу о столкновении Земли с крупным небесным телом (телами) в то время. В результате такого столкновения, приповерхностная часть планеты разогрелась настолько, что скорость молекул газов, составляющих первичную атмосферу, резко возросла, и эта атмосфера «ушла в Космос». Немаловыжную роль здесь сыграло, видимо, и то обстоятельство, что масса Земли в этот период была незначительной.

Далее, достаточно быстрое падение атмосферного давления с одной стороны, резко снизило температуру самой атмосферы, а с другой – стимулировало выделение газов из повторно (частично) расплавившейся коры. То есть фоном при завершении метаморфизма горных пород служило быстрое наращивание новой атмосферы и окутывание перерожденной Земли оболочкой из пара и вулканических газов. Этому способствовало и быстрое накопление в тот период космического вещества на Земле, увеличившего массу планеты до такого уровня, что она смогла уже надежно удерживать газы своей атмосферы.

По мере охлаждения атмосферы начались проливные дожди, активизировавшие процесс окисления горных пород и приведшие к поступлению в окружающее пространство первых порций свободного кислорода. В состав вторичной атмосферы нашей планеты входили метан (СН4), аммиак (NН3), углекислый газ (СО2), водород (Н2) и др. Однако в атмосфере Земли не было еще того количества кислорода и азота – важнейших составляющих веществ для дальнейшей эволюции живой материи, свойственной современной земной атмосфере (78% азота, 21% кислорода, около 1% аргона и др. газов). Азот атмосферы в дальнейшем мог образоваться в результате постепенного распада аммиака и выделения газообразного азота при вулканической деятельности. Водород постепенно накапливался в верхних слоях атмосферы на высотах ~100 км.

Следует подчеркнуть одно из важнейших отличий теории биохимической эволюции от теории самопроизвольного (спонтанного) зарождения, а именно: согласно этой теории жизнь возникла в условиях, которые для современной биоты непригодны!

О возникновении жизни и начале ее эволюции можно говорить с того момента, как органические молекулы самоорганизовывались в структуры, которые смогли воспроизводить самих себя.

Это были одноклеточные синезеленые и многоклеточные водоросли. Свойства этих древнейших организмов определялись условиями внешней среды, в частности составом земной атмосферы. В процессе фотосинтеза, усваивая из атмосферы углекислый газ, они обогащали ее кислородом.

Увеличение содержания кислорода в водной среде и атмосфере стало ведущим

экологическим фактором развития жизни на Земле. Именно фотосинтезирующие микроскопические водоросли предопределили образование высокоорганизованной жизни и биосферы в целом.

Примечание.

Вопрос об источниках насыщения земной атмосферы кислородом до сих пор остается дискуссионным. Многие исследователи считают, что основную роль в этом процессе сыграл в дальнейшем фотосинтез зеленых растений. Незначительная часть кислорода могла образоваться вследствие фотолиза воды под воздействием ультрафиолетовых лучей. В.И.Богатов в середине 80-х годов высказал идею (на основании многочисленных фактов и доказательств) о существовании, кроме фотосинтеза, второго, не менее мощного источника формирования кислородной атмосферы – глубинного (океанического). По его гипотезе, кислород образуется в океанических впадинах при извержении базальтов и поступает в океанические воды. Этот процесс мог иметь существенное значение для насыщения атмосферы кислородом на ранних этапах эволюции планеты. И действительно, установлено, что 3.8 млрд. лет назад в земной атмосфере имелся кислород, а в океане была уже примитивная жизнь.

Фотосинтез радикально изменил атмосферу Земли, наполнив ее кислородом, и положил начало разделению единого ствола жизни на две ветви - растения и животные. Начался процесс почвообразования на суше.

Естественный отбор развил способность организмов адаптироваться к динамичной природной среде. Так, насыщение водной среды кислородом оказалось гибельным для большинства анаэробных представителей органической жизни и только немногие виды смогли приспособиться к новым условиям.

Примечание.

Анаэробы — организмы, получающие энергию при отсутствии доступа кислорода путем субстратного фосфорилирования, конечные продукты неполного окисления субстрата при этом могут быть окислены с получением большего количества энергии в виде АТФ в присутствии конечного акцептора протонов организмами, осуществляющими окислительное фосфорилирование.

Фотосинтез (от греч. (рсохо- — свет и аЬхвгок; — синтез, совмещение, помещение вместе) — процесс образования органических веществ из углекислого газа и воды на свету при участии фотосинтетических пигментов (хлорофилл у растений, бактериохлорофилл и бактериородопсин у бактерий). В современной физиологии растений под фотосинтезом чаще понимается фотоавтотрофная функция — совокупность процессов поглощения, превращения и использования энергии квантов света в различных эндэргонических реакциях, в том числе превращения углекислого газа в органические вещества.

В конце архея началось размножение видов живых организмов, появился половой процесс и многоклеточность у животных организмов.

В конце мезозойской эры, примерно 200 млн. лет назад, произошло очень важное событие - появление млекопитающих.

Основной источник биохимической активности организмов - солнечная энергия, используемая в процессе фотосинтеза зелёными растениями и некоторыми микроорганизмами для создания органического вещества, обеспечивающего пищей и энергией все остальные организмы.

Благодаря деятельности фотосинтезирующих организмов около 2 млрд. лет назад началось накопление в атмосфере свободного кислорода, затем образовался озоновый слой, защищающий от жесткого космического излучения (Рис. 8).

Примечание.

Озоновый слой – часть стратосферы на высоте am 12 до 50 км (в тропических широтах 25 - 30 км, в умеренных 20 - 25, в полярных 15-20), в котором под воздействием ультрафиолетового излучения Солнца кислород (О2) ионизируется, приобретая третий атом кислорода, и получается озон (ОЗ).

Рис. 8 Озоновый слой.

Относительно высокая концентрация озона (около 8 мл/м³) поглощает опасные ультрафиолетовые лучи и защищает всё живущее на суше от губительного излучения. Озоновый слой - уникальная самосбалансированная система. Чем больше УФ-излучения достигает поверхности Земли, тем более интенсивно кислород превращается в озон. Чем больше озона в атмосфере - тем больше УФ излучения он поглощает. Более того, если бы не озоновый слой, то жизнь не смогла бы вообще выбраться из океанов] и высокоразвитые формы жизни типа млекопитающих, включая человека, не возникли бы.

Наибольшая плотность озона встречается на высоте около 20 - 25 км, наибольшая часть в общем объём на высоте 40 км. Если бы можно было извлечь весь озон, находящийся в атмосфере, и сжать под нормальным давлением, то в результате вышел бы слой, покрывающий поверхность Земли толщиной всего 3 мм. Для сравнения, вся сжатая под нормальным давлением атмосфера составляла бы слой в 8 км.

Открывателями озонового слоя были французские физики Шарль Фабри и Анри Буиссон. В 1913 году им удалось с помощью спектроскопических измерений ультрафиолетового излучения доказать существование озона в отдалённых от Земли слоях атмосферы.

Фотосинтез и дыхание зеленых растений поддерживают современный газовый состав атмосферы. Появление кислорода в первичной бескислородной атмосфере Земли рассматривается как важнейший этап эволюции биосферы.

Питание, дыхание и размножение организмов и связанные с ними процессы создания, накопления и распада органического вещества обеспечивают постоянный круговорот вещества и энергии.

С этим круговоротом связана миграция атомов химических элементов — их биогеохимические циклы, в ходе которых атомы большинства химических элементов проходят бесчисленное число раз через живое вещество.

Так, например, весь кислород атмосферы оборачивается через живое вещество за 2000 лет, углекислый газ - за 200-300 лет, а вся вода биосферы за 2 млн. лет. Разные организмы в разной степени способны аккумулировать из среды обитания различные элементы: содержание углерода в растениях в 200 раз, а азота - в 30 раз превышает их уровень в земной коре. Под влиянием живых организмов происходит интенсивная миграция атомов элементов с переменной валентностью (Fe, Mn, Cr, S, P, N, W т.е. железо, марганец, хром,сера,фосфор,азот, вольфрам) создаются их новые соединения, происходит отложение сульфидов и минеральной серы, образование сероводорода и т.п. Большим разнообразием органических соединений характеризуется состав самих организмов. Благодаря живому веществу на планете образовались почвы и органоминеральное топливо.

Биосфера - это самый мощный аккумулятор солнечной энергии благодаря фотосинтезу растений. Подсчитано, что только фитопланктон океана поглощает 0,04 % солнечной энергии, поступающей на поверхность Земли. За геологическую историю Земли биосфера накопила в недрах колоссальное количество энергии - в толщах углей, нефти, скоплениях горючего газа и горючих сланцев, которыми сейчас человечество широко пользуется. Организмы - важные породообразователи земной коры.

Биосфера, её биохимическая деятельность обеспечивает планетарное равновесие на Земле - равновесное состояние газов, состава природных вод, круговорот вещества.

Образование живого вещества и аккумуляция им энергии сопровождается одновременно и диаметрально противоположными процессами - распадом органических соединений и превращением их в простые минеральные соединения С02, воду, аммиак (NH3) с освобождением энергии; в этом и состоит сущность

биологического круговорота вещества. Начался процесс почвообразования на суше.

Примечание.

Валентность (от лат. valens - имеющийсилу) - способность атомов химических элементов образовывать определенное число химических связей с атомами других элементов.

2.2. Характеристики биосферы. Местоположение биосферы.

Биосфера располагается на пересечении верхней части литосферы, нижней части атмосферы и занимает почти всю гидросферу (Рис.9).

Рис.9 Границы биосферы.

Границы биосферы:

-верхняя граница в атмосфере: 15-20 км. Она определяется озоновым слоем, задерживающим коротковолновое УФ-излучение, губительное для живых организмов. -нижняя граница в литосфере: 3,5 - 7,5 км. Она определяется температурой перехода воды в пар и температурой денатурации белков, однако в основном распространение живых организмов ограничивается вглубь несколькими метрами. -расстояние между нижней границей атмосферы и литосферы в гидросфере: 10 -11 км. Она определяется дном Мирового Океана, включая донные отложения. Состав биосферы.

-живое вещество - вся совокупность тел живых организмов, населяющих Землю, физико - химически едина, вне зависимости от их систематической принадлежности. Масса живого вещества сравнительно мала и оценивается величиной в пересчёте на сухое вещество составляет около 1015 т. В целом на растения приходится 99 % биомассы, а на животных и микроорганизмы - всего 1 %. Таким образом, живая масса биосферы планеты преимущественно растительная и составляет менее 10-6 массы других оболочек Земли. Но это одна «из самых могущественных геохимических сил нашей планеты», поскольку живое вещество не просто населяет биосферу, а преобразует облик Земли. Живое вещество распределено в пределах биосферы очень неравномерно.

-биогенное вещество - вещество, создаваемое и перерабатываемое живым веществом. На протяжении органической эволюции живые организмы тысячекратно пропустили через свои органы, ткани, клетки, кровь всю атмосферу, весь объём мирового океана, огромную массу минеральных веществ. Эту геологическую роль живого вещества можно представить себе по месторождениям угля, нефти, карбонатных пород и т. д. -косное вещество - продукты, образующиеся без участия живых организмов. -биокосное вещество - создается одновременно живыми организмами и косными

процессами, представляя динамически равновесные системы тех и других. Таковы

почва, ил, кора выветривания и т. д. Организмы в них играют ведущую роль.

-вещество, находящееся в радиоактивном распаде.

-рассеянные атомы, непрерывно создающиеся из всякого рода земного вещества под

влиянием космических излучений.

-вещество космического происхождения.

Будущее биосферы.

С течением времени биосфера становится всё более неустойчивой. Существует несколько трагичных для человечества преждевременных изменений состояния биосферы, некоторые из них связаны с деятельностью человечества.

Искусственная биосфера:

Человек не может существовать вне биосферы, однако стремится исследовать космическое пространство. Ещё Константин Эдуардович Циолковский связывал освоение космоса с созданием искусственной биосферы.

В настоящее время идея её создания вновь становится актуальной в связи с планами освоения Луны и Марса. Однако на данный момент попытка создания, полностью автономной искусственной биосферы не увенчалась успехом.

Рассматривается возможность создания (пока в далеком будущем) внеземной биосферы на других планетах при помощи террафомирования.

Примечание.

Терраформирование лат terra - земля и forma вид) изменение климатических условий