Quando è nata la biosfera? Il valore e la funzione della biosfera

La biosfera della Terra è un complesso globale complesso che unisce tutti gli organismi viventi e quella parte natura inanimata che scambia energia con la materia vivente, la influenza ed è essa stessa influenzata da essa. Il termine "biosfera" apparve nella scienza grazie a J. Lamarck ed E. Suess nel XIX secolo. Tuttavia, la teoria della biosfera è stata creata solo all'inizio del 20 ° secolo, e un grande contributo al suo sviluppo appartiene all'eccellente scienziato sovietico V. I. Vernadsky. Per prima cosa ha considerato il funzionamento di tutta la vita e la sua interazione con il pianeta come un complesso processo dinamico.

Vernadsky ha anche prestato attenzione all'era in cui la biosfera è sorto, cioè le prime fasi della storia della Terra.

Confini della diffusione della vita sulla Terra

I confini della biosfera sono determinati dall'idoneità delle condizioni fisico-chimiche all'esistenza di organismi viventi. Il limite inferiore della diffusione della vita è considerato l'isoterma di 100 ° C nella litosfera, situato a una profondità di circa 6 km, o il fondo oceanico (circa 11 km). Tuttavia, queste stime possono essere sottovalutate, dal momento che ci sono organismi estremofili in acque profonde che trasportano temperature superiori a 200 ° C (sotto alta pressione, l'acqua non bolle lì). Quindi la litosfera può teoricamente essere abitata molto più in profondità, ma in generale, meno di 3-4 km è quasi impossibile mezzi di sussistenza attivi.

I limiti superiori della biosfera sono determinati dall'altezza strato di ozono e non superare i 15-20 km. In effetti, gli organismi viventi possono essere attivi ad altitudini fino a 8-9 km. In generale, la vita è molto varia e può adattarsi a una varietà di condizioni. Ma quando e come è nata tutta questa ricchezza?

Laboratorio su un giovane pianeta

La sintesi organica primaria potrebbe andare in una nuvola protoplanetaria a polvere di gas nelle prime fasi della formazione del sistema solare. Quindi la Terra appena nata, probabilmente, aveva già nella sua composizione una quantità sufficiente di materia organica semplice.

Ci sono anche prove geologiche che la temperatura della Terra fin dall'inizio (l'età del nostro pianeta è di 4,5-4,6 miliardi di anni) ha permesso l'esistenza di acqua nella fase liquida. Il degassamento del sottosuolo avrebbe dovuto essere abbastanza attivo, perché il pianeta non ha ancora avuto una crosta potente. I vulcani hanno creato l'atmosfera primaria e l'idrosfera, hanno fornito sostanze chimicamente attive. Meteoriti e comete cadevano in superficie. La circolazione geochimica coinvolgeva molte sostanze che reagivano continuamente, trasformandosi in nuovi composti, e quelli, a loro volta, reagivano l'uno con l'altro.

Autocatalisi - il motore del progresso

Ma come potrebbe una tale miscela di ingredienti rendere almeno il sistema vivente più primitivo? Per molto tempo, la ricerca di una risposta a questa domanda è stata considerata da molti scienziati poco promettente. Il problema decollò solo nei primi anni '80, quando la teoria dei sistemi auto-organizzanti era collegata alla sua soluzione.

Lascia che diverse reazioni avvengano su un substrato. Poi quelli più lenti svaniranno e si fermeranno, cioè, saranno costretti a uscire da quelli a flusso rapido. Quindi, già nelle primissime fasi dell'evoluzione prebiologica, la selezione naturale inizia ad agire. Il vantaggio di ottenere reazioni a catena (autocatalitiche), accelerate dai loro stessi prodotti. Ai livelli successivi dell'organizzazione - cicli autocatalitici e ipercycles - i processi sono anche selezionati per efficienza e complessità, poiché al raggiungimento di un certo livello, la complessità del sistema diventa autosufficiente e può aumentare.

Dovrebbe essere notato che la termodinamica classica è impotente per aiutare nella questione di come e quando la biosfera è sorto, e tutte queste conclusioni sono state fatte dagli scienziati nel quadro della termodinamica prigozhinskaya non di equilibrio. In questo contesto, la vita è definita come un processo di auto-organizzazione chimica basato sulla autocatalisi di composti di carbonio ad alto peso molecolare in condizioni di non equilibrio, e un ambiente vivo e primitivo può essere considerato una pozzanghera in cui avvengono le reazioni citate. È letteralmente una sostanza vivente, senza creature. Una tale biosfera primaria ha praticamente la stessa età della Terra. In ogni caso, se è più giovane del nostro pianeta, non è molto.

Il mondo di RNA e le prime creature viventi

Secondo una teoria molto promettente e sviluppata con successo recentemente, i primi organismi, isolati dall'ambiente esterno, sono apparsi sulla base dei cicli di RNA. Né DNA né proteine, non hanno avuto.

Il DNA negli organismi moderni immagazzina le informazioni ereditarie, le proteine ​​svolgono un lavoro attivo nella cellula, l'RNA nel caso generale serve come una sorta di intermediario - legge le informazioni e fornisce la sintesi proteica. Sia il DNA che le proteine ​​sono indifesi senza l'altro e senza RNA, ma possono fare tutto - vero, peggio di "specialisti ristretti", ma all'inizio non potrebbe essere una mancanza critica. Altrimenti, sarà necessario riconoscere che ad un certo punto l'evoluzione chimica ha immediatamente creato DNA, RNA, proteine, li ha racchiusi nelle prime cellule e funzioni strettamente distribuite - la probabilità che ciò sia davvero minuscolo.

I primi RNA primitivi, in ogni caso, sono stati sintetizzati in modo molto più efficiente da sostanze organiche a basso peso molecolare rispetto alla "doppia elica" complessa. In parallelo, c'è stato un processo di formazione di coacervati - goccioline di acqua-lipidi, precursori della membrana cellulare. E non appena la "soluzione vivente" dell'RNA si trasformò in una membrana coacervata, apparve il primo organismo autonomo. Il film di membrana tratteneva il gradiente chimico tra la cavità interna e il mezzo, non permetteva la dispersione della materia vivente - questo era un enorme vantaggio.

Nel corso dell'ulteriore sviluppo della biosfera, al fine di memorizzare le informazioni ereditarie, il DNA è stato intercettato, fornendo una maggiore precisione, le proteine ​​nestempirovannye lo stesso RNA ha assunto l'attività catalitica, ma quest'ultimo non è rimasto inutilizzato. Dopotutto, senza la sua cella è morto.

Tracce di vita antica in pietra e geni

Gli scienziati sono costretti a cercare risposte a domande su come e quando è sorto la biosfera, qual è la sua storia iniziale, in modelli teorici e esperimenti di laboratorio, poiché la superficie primaria della Terra è stata a lungo distrutta dai successivi processi geologici.

Le tracce più antiche della vita fino ad oggi sono state trovate in Groenlandia, Canada e Australia. Le più affidabili risalgono a 3,7 miliardi di anni fa e indicano che anche allora c'erano comunità complesse di microrganismi, alcuni dei quali erano fotosintesi (cianobatteri o loro predecessori).

Un'altra linea di ricerca è nel campo della biologia molecolare. Poiché tutte le specie esistenti sono parenti, è possibile, costruendo un albero filogenetico di specie, approssimativamente per stabilire il tempo in cui esisteva "l'ultimo antenato comune universale" (LUCA). Questo non è il primo organismo sulla Terra, ma ha vissuto per molto tempo - secondo gli scienziati, circa 4 miliardi di anni fa. Per questo organismo, è stato determinato un insieme dei geni che aveva determinato, ma non è noto se "Luka" fosse un tipo separato di microrganismo o una comunità di specie che si scambiava materiale ereditario.

La vita trasforma il pianeta

La biosfera, anche nelle prime fasi della sua esistenza, partecipò attivamente all'evoluzione della Terra. Il risultato più importante delle antiche cellule singole Precambriane è, naturalmente, la creazione di un'atmosfera stabile ossidante. Ma anche la vita ha avuto un enorme impatto sulla natura della sedimentazione e della formazione del minerale. Ad esempio, i più importanti depositi di minerale di ferro, come l'Anomalia magnetica Kursk, si sono formati a causa dell'attività dei batteri fotosintetici negli oceani del Paleoproterozoico 2,5-2 miliardi di anni fa.

Sulla terra, la vita ha iniziato a lavorare sui paesaggi. In realtà, la terra in quanto tale ha creato la biosfera. Dopotutto, fino alla comparsa del suolo e all'espansione delle piante superiori, non vi era un chiaro confine tra terra e acqua, il flusso di acqua verso gli oceani era zona, non c'erano letti fluviali stabili.

Tutti sanno di petrolio e carbone. Ma qui ci sono le catene montuose dell'Himalaya, le Alpi, il Caucaso - sono composte di pietra calcarea, e la maggior parte di questa roccia è di origine biogenica. Queste montagne erano un tempo animali marini. I loro gusci, dal più piccolo al più grande, formavano una delle rocce sedimentarie più comuni.

Funzioni della biosfera

Abbiamo esaminato diversi esempi di come la vita cambia il volto del pianeta. Riassumendo cosa si sa delle funzioni della biosfera.

In primo luogo, partecipa al cambiamento e al mantenimento della composizione dell'atmosfera e delle acque naturali. In secondo luogo, trasferisce, oltre ad accumulare o disperdere, cioè a ridistribuire varie sostanze. In terzo luogo, svolge la funzione di formazione dell'ambiente. Tutto ciò può essere riassunto come un processo di snellimento e stabilizzazione dei cicli geochimici della Terra. Viene effettuato a spese dell'assorbimento, della trasformazione, dell'accumulo e del rilascio di energia solare da parte delle componenti strutturali che Vernadsky distingue nella sua teoria della biosfera: una combinazione di organismi viventi, un biogenico, un biosaccaride e una sostanza inerte.

Inseparabile dalla terra

Dal momento in cui è apparsa la biosfera (anche se, molto probabilmente, non c'era un momento esatto), tutti i suoi componenti interagiscono strettamente tra loro e con il resto degli involucri geologici del pianeta - l'atmosfera, l'idrosfera, la litosfera. Il sistema Terra-Biosfera è coperto da molti feedback positivi e negativi a vari livelli, dalle biogeocenosi individuali ai processi globali su una scala temporale geologica.