Физическая эволюция биосферы

МИНИСТЕРСТВО СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ФГБОУ ВПО «ИВАНОВСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННАЯ АКАДЕМИЯ ИМЕНИ Д.К.БЕЛЯЕВА»

Доклад

Тема: “Физическая и химическая эволюция”

Выполнил:студент

4 курса 5группы

Акбаров Н.А

Проверила:

Кирдей Т.А

2015 г.

Химическая эволюция или пребиотическая эволюция — этап, предшествовавший появлению жизни, в ходе которого органические, пребиотические вещества возникли из неорганических молекул под влиянием внешних энергетических и селекционных факторов и в силу развертывания процессов самоорганизации, свойственных всем относительно сложным системам, которыми, бесспорно, являются все углеродсодержащие молекулы.

Также этими терминами обозначается теория возникновения и развития тех молекул, которые имеют принципиальное значение для возникновения и развития живого вещества.

Всё, что известно о химизме вещества, позволяет ограничить проблему химической эволюции рамками так называемого «водно-углеродного шовинизма», постулирующего, что жизнь в нашей Вселенной представлена в единственно возможном варианте: в качестве «способа существования белковых тел»^[4], осуществимого благодаря уникальному сочетанию полимеризационных свойств углерода и деполяризующих свойств жидко-фазной водной среды, как совместно необходимых и/или достаточных(?) условий для возникновения и развития всех известных нам форм жизни. При этом подразумевается, что, по крайней мере, в пределах одной сформировавшейся биосферы может существовать только один, общий для всех живых существ данной биоты код наследственности, но пока остаётся открытым вопрос, существуют ли иные биосферы вне Земли и возможны ли иные варианты генетического аппарата.

Также неизвестно, когда и где началась химическая эволюция. Возможны любые сроки по окончании второго цикла звёздообразования, наступившего после конденсации продуктов взрывов первичных сверхновых звезд, поставляющих в межзвездное пространство тяжелые элементы (с атомной массой более 26). Второе поколение звёзд, уже с планетными системами, обогащенными тяжёлыми элементами, которые необходимы для реализации химической эволюции появилось через 0,5—1,2 млрд лет после Большого взрыва. При выполнении некоторых вполне вероятных условий, для запуска химической эволюции может быть пригодна практически любая среда: глубины океанов, недра планет, их поверхности, протопланетные образования и даже облака межзвёздного газа, что подтверждается повсеместным обнаружением в космосе методами астрофизики многих видов органических веществ — альдегидов, спиртов, сахаров и даже аминокислоты глицина, которые вместе могут служить исходным материалом для химической эволюции, имеющей своим конечным результатом возникновение жизни.

Исследование химической эволюции осложняется тем, что в настоящее время знания о геохимических условиях древней Земли не являются достаточно полными.

Поэтому, кроме геологических, привлекаются также астрономические данные. Так, условия на Венере и Марсе рассматривают как близкие к тем, что были на Земле на различных этапах её эволюции.

Основные данные о химической эволюции получены в результате модельных экспериментов, в ходе которых удалось получить сложные органические молекулы при имитации различных химических составов атмосферы, гидросферы и литосферы и климатических условий.

На основе имеющихся данных был выдвинут ряд гипотез о конкретных механизмах и непосредственных движущих силах химической эволюции.

Абиогене́з — образование органических соединений, распространённых в живой природе, вне организма без участия ферментов.

В широком смысле абиогенез — возникновение живого из неживого, то есть исходная гипотеза современной теории происхождения жизни. В 20-х годах XX векаакадемик Опарин предположил, что в растворах высокомолекулярных соединений могут самопроизвольно образовываться зоны повышенной концентрации, которые относительно отделены от внешней среды и могут поддерживать обмен с ней. Он назвал их Коацерватные капли, или просто коацерваты.

В 1953 году Стэнли Миллером экспериментально осуществлён абиогенный синтез аминокислот и других органических веществ в условиях, воспроизводящих условия первобытной Земли.

Существует также теория гиперциклов, согласно которой первые проявления жизни были связаны с т. н. гиперциклами — комплексами сложных каталитическихреакций, в которых продукт каждой предыдущей реакции является катализатором для последующей.

В 2008 году американские биологи сделали важный шаг к пониманию начальных этапов зарождения жизни. Им удалось создать «протоклетку» с оболочкой из простых липидов и жирных кислот, способную втягивать из окружающей среды нуклеотид-монофосфаты, активированные имидазолом — «кирпичики», необходимые для синтеза ДНК^[5]. В 2011 году японские учёные сообщили, что им удалось создать везикулы с катионной оболочкой и элементами ДНК внутри, способную к делению в результате полимеразной цепной реакции, реплицирующей ДНК

Физическая эволюция биосферы

Возрастание энергетического потока, проходящего через биосферу, понимается в модели как физическая эволюциябиосферы. Древнейшая прокариотическая биосфера архея (2 миллиарда лет назад и ранее) использовала, видимо, для своего существования химические, в том числе минеральные источники энергии, запасенной ранее в геосферах планеты, в частности, атмосфере, гидросфере и коре. Солнце способствовало существованию жизни на планете косвенно: главным образом, поддерживало химический круговорот и общий температурно-климатический баланс Земли. После возникновения и начала широкого распространения около 2-х миллиардов лет назад фотосинтезирующих организмов (в первую очередь, - цианобактерий), биосферная биота из-за появления атмосферного кислорода принципиальным образом изменилась, поскольку кислород является сильнейшим ядом для большинства анаэробных организмов, типичных для архея. Жизнь биосферы и, соответственно, ее физическая эволюция оказались связанными с солнечной активностью в диапазоне электромагнитных волн видимой части солнечного спектра.

На ранних стадиях эволюции фотосинтезирующей биосферы, в протерозое, физическая эволюция может быть соотнесена с улучшением химических механизмов фотосинтеза, повышением эффективности хлорофиллов. На этом этапе были выработаны наиболее эффективные хлорофиллы (Мейен, 1987): практически все основные производители органического вещества биосферы, включая такие главнейшие для современности продуценты, как высшие, сосудистые растения, в той или иной степени начиная с протерозоя используют наборы хлорофиллов а и б (Старобогатов, 1984б, 1985). К фанерозою(последние 550 ¸ 570 миллионов лет), эволюция химических сторон фотосинтеза, судя по всему, закончилась, а появившаяся в протерозое эукариотическая жизнь начала выходить на сушу (Видаль, 1984). Этому способствовало то, что именно эукариоты оказались способны создавать сложные многоклеточные организмы, имеющие для выполнения различных функций специфические ткани и органы, что дало огромное число новых возможностей и способов существования этих организмов в среде и, в частности, на суше. Например, извлечение воды из под верхнего слоя почвы с помощью корней и вынос фотосинтезирующих органов над ее поверхностью, где условия освещенности лучше, - один из таких способов, недоступный одноклеточным организмам. Рост фотосинтезирующей способности наземных растительных сообществ и сопряженная с этим процессом физическая эволюция биосферы происходили на этом этапе уже вследствие возникновения и развития специальных приспособлений, что вело к увеличению площади фотосинтезирующих поверхностей -листьев и других, предназначенных для этого образований (например, сочных стеблей, выполняющих многие функции листьев, у кактусовых). Таким образом, фанерозойский этап эволюции биосферы в значительной степени был сопряжен именно с морфологическими и морфофизиологическими изменениями (Серебряков, 1962) наземных растений.