Электронная онлайн библиотека

 
 Основы экологии

2.2. Происхождение и эволюция биосферы


Долго-долго, весну и лето, творила Земля. Когда она устала от этого жгучего счастью, тихими безмолвными песнями подступила к ней осень. В роскошный холодный танец она сплела последние краски Земли, и безживно, но ярко и смалко пылали они несколько недель... Ведь жизнь на Земле началось лишь в найостаннішип период ее жизни, когда достаточно понизилась температура, сгустились пары воды и образовались моря. (О. С. Серебровский, российский биолог, один из основоположников генетики).
Биосфера имеет длинную и во многом драматическую историю, тесно связанную с эволюцией Земли. Эволюцию Земли можно условно разделить на несколько фаз.
Первая фаза.
Формирование ранней земной коры, атмосферы и гидросферы. Возникновение геологического круговорота веществ. Согласно самой распространенной среди астрономов и астрофизиков гипотезой, Вселенная возникла около 20 млрд. лет назад в результате Большого взрыва. Потом образовалась наша Галактика (8 млрд. лет назад).
Около 6 млрд. лет назад в отдаленной части одного из рукавов Галактики растянута на триллионы километров газопылевая облако под действием гравитационных сил постепенно уплотнилась и превратилась в водородный диск, который медленно вращался. С его центральной части образовалось Солнце, где за чрезвычайно высоких температур и давления начались реакции ядерного синтеза, в ходе которых водород превращался в гелий и выделялась огромное количество энергии. Периферические остатки диска также сблизились под действием сил взаимного притяжения, постепенно уплотнялись, пока не превратились в сплошные сферы - планеты Солнца. Потом поверхности таких сфер тверднули, образуя первичную планетарную кору.
Первичная кора нашей планеты - Земли - образовалась примерно 4,6 млрд. лет назад. С тех пор на ее поверхности оседали метеориты и космическая пыль. Благодаря изотопному анализу таких метеоритных остатков (метеоритного свинца) удалось определить время возникновения земной коры, то есть дату рождения нашей планеты. Из трещин тонкой коры непрерывно извергалась раскаленная лава, а вместе с ней - газы. Втримуванні гравитационными силами, эти газы создали первичную атмосферу планеты. Она состояла из метана, аммиака, водяного пара, углекислого газа, сероводорода, цианистого водорода и практически не содержала кислорода и озона.
Когда поверхность планеты остыла, водяной пар начал конденсироваться в атмосфере и выпадать первыми дождями, растворяя многочисленные минералы земной коры. Постепенно вода накапливалась, образуя океаны. На планете сформировалась гидросфера. Циркуляция атмосферных масс, воды и растворенных в ней минералов, перемещения магматических .продуктів на поверхность планеты и снова в ее недра породили большой, или геологический, круговорот веществ. Заканчивалась первая фаза эволюции нашей планеты.
Вторая фаза.
Передбіологічна (химическая) эволюция. В течение этой фазы (4,6-3,8 млрд. лет назад) на Земле происходили процессы синтеза и накопления простых органических соединений, необходимых для существования жизни: аминокислот и простых пептидов, азотистых оснований, простых углеводов. Эти соединения, «кирпичики жизни», возникли в результате процессов абиотической синтеза.
Гипотезу о возможности возникновения таких соединений абиотического путем, т.е. без участия живого вещества, выразил в 1923 г. российский биохимик, академик О. И. Опарин, а впервые экспериментально проверил в 1953 г. американский аспирант С. Миллер. В своих опытах С. Миллер сымитировал условия древней Земли: в стерильный реактор он поместил водород, метан, аммиак и воду, и сквозь эту смесь пропускал электрические разряды, имитируя молнии в первичной атмосфере. За неделю в реакторе было обнаружено несколько аминокислот, некоторые простые углеводы, другие органические соединения, которые входят в состав живого вещества. Эксперименты С. Миллера, повторены и подтверждены во многих других лабораториях, показали: почти все мономеры биополимеров могли синтезуватись абиотического путем. Интересно, что в образцах лунного реголиту (поверхностной породы, которая не имеет аналогов на Земле) также найдено «кирпичики жизни»: некоторые аминокислоты и простые углеводы, пурина и піримідини - одни из основных компонентов нуклеиновых кислот. Органические вещества накапливаются в океане, образуя так называемый «первичный бульон».
Одни верят в библейскую историю создания, другие - в доводы современного естествознания, но все согласны, что жизнь зародилась в океане. Ни Бог, ни природа не могли бы создать человека с безживної вулканической породы. Долгий и сложный развитие, венцом которого стал человек, начинался в толще океана, когда энергия Солнца впервые превратила газы и продукты выветривания горных пород на протоплазму и живые клетки. (Т. Хейердал, норвежский этнограф, географ, археолог, путешественник).
Религия рассматривает возникновение жизни на Земле как акт творения Господа, давая время довольно изящные толкование описания этого акта Книгой Бытия и резко критикуя научные гипотезы естественного происхождения жизни.
Некоторые ученые (в том числе выдающиеся - В. И. Вернадский, Ф. Крик) считают, что живые организмы были занесены на Землю из Космоса или с метеоритами и космической пылью (гипотеза панспермии), или «зародыши жизни» рассылались на заре геологической истории Земли некой космической надцивілізацією для оплодотворения безживних, но потенциально пригодных для жизни планет (направлена панспермія).
Однако большинство биологов и эволюционисты считают, что жизнь на Земле возникла естественным путем, в результате процессов абіогенного синтеза. Сегодня на основе этого предположения выдвинут целый ряд научных гипотез, которые, конкурируя между собой, все же имеют общие принципиальные позиции:
а) возникновение жизни предшествовало накопления в Мировом океане органических веществ, синтезированных абіогенним путем;
б) в зонах концентрации этих веществ возникли молекулы, способные к самокопированию (относительно живого этот процесс называют репликацией, следовательно Г. Докинз предложил называть такие молекулы реплікаторами);
в) на основе реплікаторів сформировались реакции и механизмы матричного синтеза (в том числе биосинтез белков), генетический код, что и обусловило возникновение на планете клеток живого вещества.
Первое утверждение уже доказано экспериментально, а для второго и третьего - физиками, математиками, биологами и химиками предложен ряд моделей, некоторые из которых имеют косвенные экспериментальные подтверждения.
Независимо от того, каким путем появилось жизни на нашей планете, живое вещество в корне изменила ее внешний вид: на Земле возникла биосфера.
Третья фаза.
Давняя биосфера. Эволюция прокаріотичного мира. Возникновения биологического круговорота веществ. Формирование кислородной атмосферы. Эта фаза эволюции нашей планеты началась примерно 3,8-4 млрд. лет назад. Останки первых живых организмов (их возраст составляет 3,8 млрд. лет) дошли до нас в виде так называемых строматолітів - известняковых остатков сине-зеленых водорослей и актиномицетов, а также в виде осадочных пород; в которых слои двухвалентного железа чередуются со слоями окисленного трехвалентного, подобно тому, как это сейчас наблюдается в «микробных матах» на побережьях многих субтропических морей.
Первые живые организмы имели примитивную - прокаріотичну - строение, были анаэробами, то есть организмами, которые существуют в бескислородной среде. Они жили в морях, «прячась» на глубине от губительного ультрафиолетового излучения Солнца, поскольку на планете еще не существовало защитного озонового слоя. Необходимые для жизни энергию и вещества первые жители Земли доставали, используя готовые органические соединения первичного бульона, то есть были гетеротрофами. Такая «потребительская» стратегия жизни, которая основывалась на использовании ограниченных запасов органических веществ, накопленных в течение длительного передбіологічної истории, могла бы привести к полной переработки всего низькоентропійного и энергетически ценного материала в отходы и наконец-решт - к гибели всего живого.
Однако кризис не наступила, потому что среди огромного разнообразия способов добывания энергии и питательных веществ, которые «испытывались» в древнем мире прокариот, быстро появился принципиально новый тип питания - автотрофний. Организмы-автотрофы для построения своих клеток не использовали готовые органические вещества, а сами синтезировали их из неорганических - углекислого газа, воды, азотсодержащих и фосфорсодержащих соединений. Такие процессы требовали значительных энергетических затрат. Необходимую энергию автотрофы доставали или за счет окислительных реакций - в процессе хемосинтезу, или в результате прямого улавливания и преобразования лучистой энергии Солнца - фотосинтеза.
Первые автотрофні организмы, видимо, были хемосинтезуючими и получали нужную энергию, окисляя или серу в сірководні к молекулярной серы, или двухвалентное железо до трехвалентного и т. п. Но настоящая революция в юной биосфере началась с появлением фотосинтезирующих бактерий - цианобактерий (синьозелених водорослей), которые «научились» использовать самое мощное и наиболее стабильно в планетарном масштабе источник энергии - солнечный свет.
С появлением автотрофів на планете заперся цикл биологического круговорота веществ, и на миллиарды лет отступила угроза энергетического и пищевого голода. Автотрофы, что способны синтезировать органические вещества из неорганических, получили общее название - продуценты, а гетеротрофы, которые разлагают органические соединения до неорганических, - редуценты. В то же время возникла еще одна группа организмов, которые использовали готовые органические вещества, не раскладывая их к минеральным, а трансформируя в другие органические вещества. Эту группу потребителей - трансформаторов готовой органики - называют консументами. Первыми консументами были бактерии, которые питались органикой погибших продуцентов (так называемый сапротрофний тип питания) или вели паразитический образ жизни внутри клеток продуцентов ли консументів-сапротрофів.
С тех пор эстафету жизни начинали автотрофы-продуценты, которые из углекислого газа и воды с помощью солнечного света то ли энергии окисно-восстановительных реакций создавали молекулы простых сахаров. Далее сахара полімеризувалися в полисахариды или трансформировались в аминокислоты, нуклеотиды, жирные кислоты, глицерин и др., из которых образовались белки, нуклеиновые кислоты, жиры и другие необходимые для клетки компоненты. С точки зрения второго закона термодинамики, продуценты создавали низко-ентропійні соединения, используя для этого поглощал лучистую энергию.
Эти низькоентропійні, а следовательно, высокоэнергетические соединения - органические вещества - в дальнейшем потреблялись консументами. Обычно консументи сначала поглощали сложные органические вещества, а затем частично раскладывали их на более простые, например, полисахариды - на простые сахара, освобождая энергию, необходимую для поддержания своей жизнедеятельности. Добытая энергия тратилась на трансформацию остатков использованных сложных органических веществ в другие необходимые вещества и на поддержание процессов метаболизма организмов-потребителей.
И наконец, органическое вещество отмерших продуцентов и консументів потреблялась редуцентами. Древние редуценты, в отличие от консументів, выделяли во внешнюю среду ферменты (так называемые екзоферменти), что раскладывали сложные органические соединения на более простые, а затем поглощали эти простые соединения. Внутри клеток большую часть поглощенных простых органических соединений редуценты окиснювали к минеральных веществ, получая необходимую энергию, а из остатков создавали нужные для себя более сложные органические вещества.
Итак, живая, вещество (биота) - продуценты, консументи и редуценты - образовала цепь питания (трофическая цепь), который через неживую вещество - минеральные соединения - заперся в круг. С тех пор продуценты синтезировали органические вещества из неорганических, консументи их трансформировали, а редуценты раскладывали к минеральных соединений, которые затем снова потреблялись продуцентами для процессов синтеза. Из потока веществ в этом кругу образовался биологический круговорот веществ (рис. 2. 1.).

Геологический и биологический кругообіги веществ вместе составили биогеохимический круговорот, соединив в нем в то же время огромную мощность первого и чрезвычайные скорость и активность второго. Биогеохимический круговорот «налаживался» примерно 1,5-2 млрд. лет, затем стабилизировался, существенно не изменяясь в течение более 2 млрд. лет - до сих пор.
Появление фотосинтезирующих продуцентов, кроме всего прочего, имела одно важное следствие - на Земле сформировалась кислородная атмосфера, которая определила дальнейшие этапы эволюции планеты и биосферы.
Почти все первичные прокаріотичні организмы были анаэробами. Кислород, жизненно необходимый подавляющем большинстве видов, которые существуют в настоящее время, для древних организмов был одной из сильнейших ядов. Чрезвычайно активный окислитель, свободный кислород, разрушал, дезактивировал, «сжигал» большинство ферментов древних бактерий-анаэробов, поэтому они получали энергию только за счет безкислородных и низкоэффективных процессов брожения и расщепления простых сахаров - путем анаэробного гликолиза. Однако именно выделяли кислород в процессе фотосинтеза первичные продуценты-фотоавтотрофи - синезеленые водоросли. Поскольку через высокую вулканическую активность планеты древние моря были очень теплыми, то лишь незначительное количество этого кислорода растворенный в воде Мирового океана. Основная масса кислорода нагромождалась в атмосфере, где в конце концов окиснювала метан и аммиак в углекислый газ, свободный азот и его оксиды. С дождями углекислый азот и азотные соединения попадали в океан и там потреблялись продуцентами. Постепенно кислород заместил в атмосфере метан и аммиак. Часть кислорода под воздействием солнечного света и электрических разрядов в атмосфере превращалась в озон. Молекулы озона, концентрируясь в верхних слоях атмосферы, прикрыли поверхность планеты от пагубного воздействия ультрафиолетового излучения, что шло от Солнца. В настоящее время в Мировом океане среди бактерий возникли виды, способные сначала только защищаться от растворенного в воде кислорода, а в дальнейшем «научились» использовать его для окисления глюкозы и получения дополнительной энергии. На смену низко-эффективным процессам брожения и гликолиза пришел энергетически гораздо более выгодный процесс кислородного расщепление простых сахаров. Организмы, которые получали энергию этим путем, не только не отравлялись кислородом, а наоборот, имели от него пользу. Такие организмы назван аэробными. Поскольку слой озона защищал теперь клетки от ультрафиолетового излучения, аэробы начали колонизацию богатых кислород поверхностных слоев Мирового океана и его мелководий - шельфа. Живое вещество заселила всю гидросферу.
Четвертая фаза.
Возникновение эукариот. Заселение суши. Современная биоразнообразие органического мира. Эта важная фаза в развитии нашей планеты и ее биосферы ознаменовалась возникновением существ принципиально нового типа - построенных с эукариотических клеток. Эукариотические клетки значительно сложнее прокаріотичні. Они дифференцированы на системы определенных органоидов (ядро, митохондрии, эндоплазматическая сеть, комплекс Гольджи, лизосомы, хлоропласты и т.д.), способные к митоза и мейоза и полового процесса, могут питаться путем фагоцитоза и пінозитозу и т. д. Благодаря способности к полового процесса эукариоты эволюционируют гораздо скорее прокариот и имеют больший адаптивный потенциал, а значит, лучше приспосабливаются к изменениям условий существования. Считают, что еукаріотична клетка возникла примерно 1,2 млрд. лет назад в результате серии симбіозів различных прокариотических клеток, одни из которых дали начало клетке-хозяину, другие - трансформировались в митохондрии и хлоропласты. Первые эукариоты были гетеротрофними одноклеточными организмами. Они, путем привлечения к своей клетки прокариотических фото-автотрофів, положили начало еукаріотичним одноклеточным водорослям. В дальнейшем от автотрофних и гетеротрофных эукариот отделилось несколько групп грибов. Кроме того, одноклеточные гетеротрофные прокариоты являются родоначальниками многоклеточных беспозвоночных животных.
За сравнительно короткое время - несколько десятков миллионов лет - эукариоты «перевідкрили» например, многоклеточности, «открыли» тканевую строение, и около 430-415 млн. лет назад первые растения - потомки водорослей, а вслед за ними и разнообразные животные и грибы вышли на сушу, завершая колонизацию всей поверхности нашей планеты.
С выходом живого вещества на сушу ускорились процессы выветривания горных пород. С тех пор не только колебания температуры, дожди и ветры разрушали горные массивы, но и огромная армия растений, бактерий, грибов и лишайников измельчала, розпушувала, растворяла минералы. Консументи-животные, потребляя продуцентов, быстро переносили помещенные в органическом веществе элементы на значительные расстояния, редуценты высвобождали, раскладывали, перевідкладали органику консументів. Часть высвобожденных минеральных и напівперероблених органических веществ трансформировалась в гумус, образуя плодородные біокосні системы - грунты. То, что не возвращалось в биологический круговорот или не запасалось в почве, смывалось дождями в реки и выносился в Мировой океан, где потреблялось, концентрировалась или пере откладывалось в виде осадочных пород жителями гидросферы. Тектонические перемещения земной коры медленно выносили осадочные породы на поверхность, делая накопившиеся в них вещества вновь доступными для живого вещества литосферы.
По оценкам, в течение всей истории существования биосферы в біогеохімічному кругообороте участвовало не менее чем 1,5 млрд. видов живых существ, подавляющее большинство которых возникла в течение четвертой фазы истории Земли. При этом одни вилы постепенно, а иногда и внезапно, вымирать вследствие локальных или глобальных катаклизмов или постепенно вытеснялись новыми, более приспособленными к данным условиям существования. Через мутации, разнообразные процессы, связанные с переносом генов и симбіозами, под действием естественного отбора виды менялись, порождая новые. Сегодня человеку известно свыше 1,7 млн. видов, которые существуют ныне на нашей планете: около 30 тыс. видов прокариот, 450 тыс. видов растений, 100 тыс. видов грибов и 1 млн. 200 тыс. видов животных (из них более 1 млн. видов - насекомые). Однако даже по самым осторожным оценкам, это составляет менее 10% числа видов, которые действительно живут вместе с нами на Земле. Доля нашего вида гомо - сапіенз - в общем генофонде планеты не превышает 0,00006%.
Функционирование биосферы.
Долгий путь жизни на Земле - это урок для всех. И уже когда человек считает себя любимым дитем Природы, она должна знать этот урок и помнить, что древние существа, которые не смогли приспособиться и не соответствовали меняющимся факторам окружающей среды, заполняют ныне своими скелетами палеонтологические музеи. (Т. Николов, болгарский палеонтолог, эколог).


Назад