Главная | Обратная связь | Поможем написать вашу работу!
МегаЛекции

Задания для самостоятельной работы




1. Какая из экосистем (маловидовая или многовидовая) будет наиболее устойчивой? Почему?

2. Дайте характеристику пастбищным и детритным цепям питания.

3. Дайте характеристику основным уровням живого вещества.

4. Подробно опишите литосферу, ее состав и структуру.

5. Опишите гидросферу, ее состав и структуру.

Резюме по теме

В современном понимании биосфера Земли представляет собой глобальную открытую систему со своим «входом» и «выходом». Ее вход это поток солнечной энергии, поступающей из космоса и химической энергии - из литосферы, вовлекаемое в биогенный круговорот вещество, наличная внутренняя информация и поток внешней информации. На выходе биосферы - рассеиваемая и излучаемая, преимущественно, тепловая энергия, уходящее из круговорота вещество, реорганизованная внутренняя информация и поток исходящей информации.

Тема 4. Эволюция биосферы

Краткие сведения о геохронологии

До сих пор наука не располагает сведениями, необходимыми для достоверной реконструкции обстановки на поверхности Земли на начальных этапах ее существования. Первичная атмосфера состояла, по одним расчетам, преимущественно, из диоксида углерода, и выходящих с глубинными газами, воды, серных соединений и азота, а по другим – из метана, аммиака, оксида углерода, воды, возможно, диоксида углерода и азота. В любом случае атмосфера должна была иметь восстановительный или, по крайней мере, нейтральный характер. Хотя отсутствие аммиака, метана или свободного водорода противоречит условиям экспериментов Миллера по абиогенному синтезу органических веществ, это, как доказано, не является препятствием для синтеза органики в естественных условиях.

Общая геохронологическая и стратиграфическая шкала Земли (по Яблокову, Юсуфову, 1989) выглядит следующим образом. Фанерозой подразделяется на три эры: кайнозой, мезозой и палеозой. Каждая из этих эр в свою очередь включает в себя несколько периодов, подразделенных на эпохи. Кайнозой включает в себя три периода: четвертичный, подразделяющийся на эпохи голоцен и плейстоцен. В эти эпохи происходит развитие рода Homo. Период неогена делится на плиоцен и миоцен, когда происходит формирование современной флоры и возникают современные семейства млекопитающих. Палеоген представлен тремя эпохами – олигоцен, эоцен и палеоцен. В это время происходит расцвет млекопитающих и птиц. Мезозойская эра подразделяется на три периода: мел, юра и триас. В меловой период происходит развитие цветковых растений, расцвет насекомых, вымирание многих рептилий. В юрский период – отмечается господство рептилий на суше, в воде и воздухе; а также возникают покрытосеменные растения и птицы. В триасе происходит расцвет рептилий, распространение голосеменных растений и появление млекопитающих. Палеозой делится на шесть периодов. В пермский период - появляются голосеменные растения, происходит распространение рептилий. В карбоне происходит распространение лесов, расцвет амфибий, появление летающих насекомых, возникновение первых рептилий. В девонский период - господство рыб, возникновение насекомых и амфибий, появление лесов из папоротников и плаунов. Считается, что в силуре произошел Выход растений и беспозвоночных на сушу. В период ордовика регистрируется появление первых позвоночных – бесчелюстных. В кембрийский период Развитие беспозвоночных, появление высших растений. Появление кишечнополостных, членистоногих и иглокожих происходит в эру венд. В протерозое, в период рифей происходит появление эукариот, многоклеточных растений и животных. Развитие низших растений также происходит в протерозое, но в период, предшествующий рифею – карелий. Зарождение жизни, появление прокариот, а также господство бактерий, сине-зеленых водорослей и появление зеленых водорослей происходило примерно более 3 500 назад, в архейскую эру.

Становление жизни

Общая схема становления живой системы на Земле представляется в следующем виде. После «химического» и последующих этапов возникает так называемый «биологический» этап, в котором происходит дифференцировка вещества на «неживое» и «живое». Данный этап практически однозначно связывается с земной формой жизни.

Близкую схему начальных этапов становления живой системы на Земле дает В.Я Савенков (1991). Уже на ранней стадии геологической истории в атмосфере происходило образование простейших органических молекул, а в литосфере – предшественников нуклеопротеидов на нитевидных кристаллах графита с одной винтовой дислокацией. В первичных неглубоких водоемах, в приповерхностном слое воды, накапливалось значительное количество неорганических и органических веществ и частиц, включая предшественники нуклеопротеидов, что привело к возникновению квазикристаллического состояния воды, близкого к состоянию гиалоплазмы. Здесь образовалась единая динамическая сложная гетерогенная (химическая) система, которая, взаимодействуя с внешней газообразной и жидкой средой, развивалась в направлении усложнения структуры. В ней под действием ультрафиолета и видимого солнечного излучения происходило преобразование электромагнитной энергии в химическую, развивались сопряженные окислительно-восстановительные реакции на минеральных частицах, а позже – на мембранах. На следующем этапе в квазикристаллической среде сформировались «микросистемы типа гиперциклов», способные к самовоспроизведению. Все эти процессы формировали интегративную (общую) информацию единой развивающейся макросистемы в виде огромного поверхностного слоя воды первичных водоемов. Когда возникающие в ней и усложняющиеся микросистемы достигли вещественной, энергетической и информационной самообеспеченности и способности к воспроизводству, они образовали примитивные одноклеточные организмы, а квазикристаллический слой постепенно разрушился.

Несколько иначе химический этап становления биосферы рисует Э.М. Галимов (2001). Прежде всего, в его гипотезе накопление на поверхности Земли и в первичной атмосфере азота, воды и соединений углерода связывается с интенсивным осаждением здесь метеоритного вещества (углистых хондритов). Расчеты показали, что масса органического углерода, поступавшего на Землю с метеоритами и образовывавшегося при метеоритных бомбардировках, могла составлять около 1012 г/год, а первичный океан в этот период представлял «разрозненную цепь отдельных водоемов».

В первичном бульоне были широко распространены разнонаправленные реакции синтеза (понижение энтропии) и распада (повышение энтропии) органических молекул, в том числе фотохимические и с участием катализаторов, конечные продукты которых могли служить исходными реагентами для противоположных реакций. На основе микроскопического химического сопряжения образуются химические циклы и каскады – равновесные химические системы с постоянной энтропией. При непрерывном доступе (электромагнитной) энергии в область прохождения реакций происходит переход равновесной системы в стационарную систему, способную к производству низкоэнтропийного продукта, то есть к упорядочению. Вовлечение низкоэнтропийного продукта в какой-либо последующий процесс вызывает компенсирующее его воспроизводство системой и формирование еще более низкоэнтропийного продукта и т.д. Переход от микроскопической упорядоченности к макроскопической осуществляется через «итерации» (повторения, воспроизводство) до макроскопически заметного количества. Итерации реализуются через катализ (в том числе автокатализ) и репликацию.

В этот начальный период синтезируются самые разнообразные группы органических молекул, включая аминокислоты, сахара, жирные кислоты и основания, простейшие полимеры. В этой связи обсуждались различные сценарии «химического этапа», получившие названия «мир белков», «сахарная модель», «мир липидов», «мир РНК». По мнению Э.М. Галимова, на роль молекулы, образующейся в ходе микроскопического химического сопряжения, обладающей способностью к организации стационарной расширяющейся микроскопической системы и, одновременно, обладающей свойствами необходимыми для обеспечения перехода к макроскопической стационарной расширяющейся химической системе может претендовать только молекула близкая к аденозинтрифосфату. Аденин легче других нуклеотидов образуется при полимеризации молекул HCN (в эксперименте – из исходного соединения NH4CN), а рибоза – при последовательной конденсации формальдегида (HCOH). Аденин, обладая выраженными электродонорными и электроакцепторными свойствами, легко соединяется с другими молекулами, в том числе и с рибозой, а комплекс, в свою очередь способен связываться с фосфатными группами. Молекула близкая к АТФ должна была обеспечить реакции полимеризации, прежде всего, образование полинуклеотидов и полипептидов.

На следующем этапе центральное функциональное место в химических системах занимают молекулы РНК. С ними связывается становление генетического кода – основного механизма итерации при переходе к макроскопическим химическим системам, представляющим многофазные истинные и коллоидные растворы органических веществ. Саморазвивающаяся химическая система полностью основывается на разнонаправленности вещественно-энергетических процессов, лежащих вблизи химического равновесия, но смещенных от него, непрерывном притоке «усваиваемой» энергии и способности устойчиво неравновесной системы к производству упорядоченности.

Обсуждая вероятные «сценарии» происхождения жизни на Земле, нельзя не коснуться и обобщений, проведенных в самом конце XX века И.А. Резановым. Поводом к ним послужило обнаружение в метеоритах (углистых хондритах) окаменевших останков бактерий. Подобные метеориты в Солнечной системе образуют пояс астероидов – обломки разрушившейся около 4 млрд. лет назад планеты, получившей название Фаэтон.

Имеющиеся в распоряжении специалистов данные позволяют предполагать значительное сходство начальных этапов формирования Земли и Фаэтона и условий на их поверхности в период 4,6-4 млрд. лет назад. Первичная высокоплотная водородная атмосфера экранировала солнечное излучение и обуславливала давление на поверхности этих планет до 10 тыс. атм., а температуры – до 300-400°С. Одновременно обширные излияния базальтовой магмы поставляли на поверхность в огромных количествах вулканические газы (H2O, CO, CO2, NH3, CH4, HCl). В таких условиях очень интенсивно образуются и накапливаются углеродсодержащие соединения. В углистых хондритах их содержание достигает нескольких процентов по массе. Даже частичное воспроизведение (170°С, 1 атм.) подобных условий позволило С. Фоксу и его коллегам получать из сухой смеси аминокислот полимерные цепочки, содержащие до 23 мономеров. Промывка их горячей смеси водой приводила к образованию микросфер, реагирующих на изменение осмотического давления.

Простейшие химические системы, образованные органическими молекулами, способны, в ряде случаев, противодействовать перегреву включением эндотермических реакций. Предполагается, что одной из таких реакций могла быть реакция, приводящая в одно и то же время к образованию и формальдегида (исходное вещество для синтеза рибозы) и кислорода (его продукция сильнее других окислительно-восстановительных реакций понижает температуру) (2H2+2CO2→2CH2O+O2). Вероятно, некоторые уже синтезированные протобелки служили катализаторами данного процесса. На этом этапе могли сформироваться универсальный энергетический посредник – аденозинтрифосфат (АТФ) и механизм повторного синтеза протобелков-катализаторов после их разрушения в виде комплементарной авторепродукции. Совершенствование последнего завершилось возникновением генетического кода.

В соответствии с рассматриваемой гипотезой бактериальная жизнь на основе термосинтеза появилась на Земле уже через 100 млн. лет после ее образования. Все древнейшие осадочные породы, графит и даже кварциты образовались при участии бактерий и в них часто обнаруживаются формы, не укладывающиеся в современные классификации. Концентрация и мощность различных биогенных соединений, сопутствующих друг другу, свидетельствуют о сгущениях разнообразных форм жизни в первичной биосфере. Из горных пород выделены цианобактерии, перидинеи, жгутиконосцы и, даже, многоклеточные прокариоты.

После исчезновения водородной атмосферы биогенное осадконакопление почти прекратилось, в горных породах того времени останков бактериальных клеток мало, а разнообразие их резко снижено. В период 4,1-3,5 млрд. лет назад происходила смена термоавтотрофной жизни на фотоавтотрофную. Другие гипотезы связывают возникновение жизни на Земле именно с этим периодом.

Поделиться:





Воспользуйтесь поиском по сайту:



©2015 - 2024 megalektsii.ru Все авторские права принадлежат авторам лекционных материалов. Обратная связь с нами...