Когда возникла биосфера? Значение и функции биосферы

Биосфера Земли – это сложная глобальная совокупность, объединяющая все живые организмы и ту часть неживой природы, которая обменивается энергией с живым веществом, влияет на него и сама подвергается его влиянию. Термин «биосфера» появился в науке благодаря Ж. Ламарку и Э. Зюссу еще в XIX веке. Однако учение о биосфере было создано только в начале XX века, и огромный вклад в его разработку принадлежит выдающемуся советскому ученому В. И. Вернадскому. Он впервые рассмотрел функционирование всего живого и взаимодействие его с планетой как комплексный динамический процесс.

Вернадский также уделил внимание эпохе, когда возникла биосфера, то есть наиболее ранним этапам истории Земли.

Границы распространения жизни на Земле

Границы биосферы определяются пригодностью физико-химических условий для существования живых организмов. Нижней границей распространения жизни принято считать изотерму 100 °C в литосфере, расположенную на глубине около 6 км, либо дно океана (около 11 км). Однако эти оценки могут оказаться заниженными, поскольку существуют глубоководные организмы-экстремофилы, переносящие температуры свыше 200 °C (при высоком давлении вода там не кипит). Так что литосфера теоретически может быть населена значительно глубже, но в целом ниже 3-4 км вряд ли возможна активная жизнедеятельность.

Верхние границы биосферы определяются высотой озонового слоя и не поднимаются выше 15-20 км. Фактически же живые организмы могут быть активны на высотах до 8-9 км. В общем, жизнь весьма разнообразна и умеет приспосабливаться к самым разным условиям. Но когда и как возникло все это богатство?

Лаборатория на молодой планете

Первичный органический синтез вполне мог идти в газопылевом протопланетном облаке на ранних этапах формирования Солнечной системы. Так что новорожденная Земля, вероятно, уже имела в своем составе достаточное количество простой органики.

Есть также геологические свидетельства того, что температурный режим Земли с самого начала (возраст нашей планеты составляет 4,5-4,6 млрд лет) позволял существование воды в жидкой фазе. Дегазация недр должна была проходить достаточно активно, поскольку мощной коры планета еще не имела. Вулканы создавали первичную атмосферу и гидросферу, поставляли химически активные вещества. На поверхность выпадали метеориты и кометы. В геохимический круговорот было вовлечено множество веществ, которые непрерывно вступали в реакции, превращались в новые соединения, а те, в свою очередь, реагировали друг с другом.

Автокатализ – двигатель прогресса

Но как все-таки из подобной смеси ингредиентов могла получиться хотя бы самая примитивная живая система? Долгое время поиски ответа на этот вопрос многие ученые вообще считали бесперспективными. Проблема сдвинулась с мертвой точки только в начале 1980-х годов, когда к решению ее подключили теорию самоорганизующихся систем.

Пусть на одном субстрате идет несколько реакций. Тогда более медленные из них станут затухать и прекратятся, то есть будут вытеснены быстротекущими. Так, уже на самых ранних стадиях предбиологической эволюции начинает действовать естественный отбор. Преимущество получают цепные (автокаталитические) реакции, ускоряемые собственными продуктами. На следующих уровнях организации – автокаталитических циклах и гиперциклах – процессы также отбираются на эффективность и сложность, поскольку по достижении определенного уровня сложность системы становится самоподдерживающейся и может возрастать.

Следует заметить, что классическая термодинамика бессильна помочь в вопросе о том, как и когда возникла биосфера, и все эти выводы сделаны учеными в рамках неравновесной, пригожинской термодинамики. В этом контексте жизнь определяется как процесс химической самоорганизации на основе автокатализа высокомолекулярных соединений углерода в неравновесных условиях, и можно считать живой первобытную среду – лужу, в которой протекают упомянутые реакции. Это в буквальном смысле живое вещество – без существ. Такая первичная биосфера – практически ровесница Земли. Во всяком случае, если она моложе нашей планеты, то не намного.

Мир РНК и первые живые существа

Согласно очень перспективной и успешно развиваемой в последнее время теории, первые организмы, обособленные от внешней среды, появились на основе РНК-циклов. Ни ДНК, ни белков они еще не имели.

ДНК в современных организмах хранит наследственную информацию, белки выполняют в клетке активную работу, РНК в общем случае служит неким посредником – считывает информацию и обеспечивает синтез белка. И ДНК, и белок беспомощны друг без друга и без РНК, а вот она умеет делать все – правда, похуже, чем «узкие специалисты», но поначалу это могло и не быть критическим недостатком. В противном случае придется признать, что на каком-то этапе химическая эволюция создала сразу ДНК, РНК, белки, заключила их в первые клетки и строго распределила функции – вероятность этого действительно исчезающе мала.

Первые примитивные РНК, во всяком случае, гораздо эффективнее синтезировались из низкомолекулярной органики, чем сложная «двойная спираль». Параллельно шел процесс образования коацерватов – водно-липидных капель, предшественников клеточной мембраны. И как только «живой раствор» РНК обернулся коацерватной оболочкой, возник первый автономный организм. Пленка мембраны сохраняла химический градиент между внутренней полостью и средой, не давала живому веществу рассеяться – это стало огромным преимуществом.

В ходе дальнейшего развития биосферы эстафету в деле хранения наследственной информации перехватила ДНК, обеспечивающая большую точность, каталитическую активность взяли на себя белки, наштампованные той же РНК, но последняя без дела не осталась. Ведь без нее клетка мертва.

Следы древней жизни в камне и генах

Ответы на вопросы о том, как и когда возникла биосфера, какова ее ранняя история, ученые вынуждены искать в теоретических моделях и лабораторных экспериментах, поскольку первичная поверхность Земли давно уничтожена последующими геологическими процессами.

Древнейшие на сегодняшний день следы жизни обнаружены в Гренландии, Канаде, Австралии. Наиболее достоверные из них датируются временем 3,7 млрд лет назад и свидетельствуют о том, что уже тогда существовали сложные сообщества микроорганизмов, некоторые из них были фотосинтезирующими (цианобактерии или их предшественники).

Другое направление исследований лежит в области молекулярной биологии. Поскольку все ныне существующие виды – родственники, можно, построив филогенетическое дерево видов, приблизительно установить время, когда существовал «последний универсальный общий предок» (англ. Last Universal Common Ancestor, LUCA). Это не первый организм на Земле, но жил он очень давно – по оценкам ученых, около 4 млрд лет назад. Для этого организма определен набор точно имевшихся у него генов, но не известно, был ли «Лука» отдельным видом микроорганизмов или же сообществом видов, обменивающихся наследственным материалом.

Жизнь преобразует планету

Биосфера и на ранних этапах своего существования активнейшим образом участвовала в эволюции Земли. Самой главной заслугой древних докембрийских одноклеточных является, конечно, создание устойчиво-окислительной атмосферы. Но жизнь оказала огромное влияние также на характер осадконакопления и рудообразования. Например, важнейшие железорудные месторождения, такие как Курская магнитная аномалия, образовались благодаря деятельности фотосинтезирующих бактерий в океанах палеопротерозойской эры 2,5-2 млрд лет назад.

Выйдя на сушу, жизнь принялась за работу над ландшафтами. Собственно, сушу как таковую создала именно биосфера. Ведь пока не возникли почвы и не распространились высшие растения, не существовало четкой границы «суша-водоем», сток воды в океаны был площадным, не было устойчивых русел рек.

Про нефть и уголь знают все. Но вот горные цепи Гималаев, Альп, Кавказа – они сложены известняками, а большая часть этой породы имеет биогенное происхождение. Эти горы когда-то были морскими животными. Их раковины, от мельчайших до крупных, образовали одну из самых распространенных осадочных пород.

Функции биосферы

Мы рассмотрели несколько примеров того, как жизнь меняет лик планеты. Обобщим то, что известно о функциях биосферы.

В-первых, она участвует в изменении и поддержании состава атмосферы и природных вод. Во-вторых, переносит, а также накапливает или рассеивает, то есть перераспределяет различные вещества. В-третьих, исполняет средообразующую функцию. Все это можно суммировать как процесс упорядочения и стабилизации геохимических циклов Земли. Осуществляется он за счет поглощения, преобразования, аккумуляции и высвобождения солнечной энергии структурными составляющими, выделенными еще Вернадским в его учении о биосфере: совокупностью живых организмов, биогенным, биокосным и косным веществом.

Неотделима от Земли

С момента, когда возникла биосфера (хотя точного момента, скорее всего, не было), все компоненты ее тесно взаимодействуют между собой и с остальными геологическими оболочками планеты – атмосферой, гидросферой, литосферой. Система «Земля - биосфера» охвачена множеством положительных и отрицательных обратных связей на самых разных уровнях – от отдельных биогеоценозов до глобальных процессов в масштабах геологического времени.