Учення про біосферу

План
1. Виникнення вчення про біосферу
2. Етапи життя та наукової творчості В. І. Вернадського
3. Концепції В. І. Вернадського про біосферу
4. Утворення планетної системи
5. Основні характеристики Землі
6. Основні вимоги до умов, що забезпечують виникнення та розвиток життя
7. Основні етапи хімічної еволюції, що передували абіогенезу
8. Абіогенез
9. Виникнення пробіонтів і біологічних мембран

Виникнення вчення про біосферу
Факти про біосферу накопичувалися поступово завдяки розвитку переважно біологічних наук: ботаніки, географії, ґрунтознавства. Ще на початку XIX століття в природознавстві утвердився термін "біосфера" — сфера життя. Він охоплює всі складові нашої планети, де є життя. Це й атмосфера, і океан, і всі частини земної поверхні, де спостерігається життя в будь-яких його формах. Проблеми виникнення й розвитку біосфери стають наприкінці XIX століття найважливішим розділом природознавства. Один із найвидатніших натуралістів — академік В. І. Вернадський — присвятив своє життя вивченню процесів, що відбуваються в біосфері. У 1926 р. було опубліковано його книгу "Біосфера". Із цього часу, тобто від початку XX століття, поняття "біосфера" стає складовою частиною системи знань про Землю. До цього часу термін "біосфера" хоч і вживався в роботах австралійського геолога 3. Зюсса, проте не утвердився в науці через нечіткість визначення змісту, а головне — через недостатню обґрунтованість того, що він необхідний поряд з означеннями давно відомих геосфер.
Етапи життя та наукової творчості В. І. Вернадського
Володимир Іванович Вернадський народився в Петербурзі 28 лютого (12 березня) 1863 року. Російський та український натураліст, видатний мислитель, мінералог і кристалограф, основоположник геохімії, біогеохімії, радіології і вчення про біосферу, організатор багатьох наукових установ, академік Академії наук СРСР, перший президент Академії наук Української РСР (1919), член Чехословацької (1926) і Паризької (1928) академій наук.
У 1885 році Володимир Іванович закінчив фізико-математичний факультет Петербурзького університету. З 1890 р. — приват-доцент мінералогії Московського університету. Із 1998 по 1911 рік — професор Московського університету. Брав участь у земському русі на захист вищої школи. На знак протесту проти реакційної політики царського уряду залишив викладання в Московському університеті. 31914 року працює директором геологічного й мінералогічного музею Петербурзької академії наук.
В. І. Вернадський був одним з організаторів Комісії з вивчення природних продуктивних сил Росії, з якої пізніше виросли відомі інститути: керамічний, оптичний, радієвий, фізико-хімічний та ін. З 1922 року по 1939 рік В.І.Вернадський обіймав посаду директора організованого ним Державного радієвого інституту. У 1927 році заснував в Академії наук СРСР Відділ живої речовини, перетворений у 1929 р. на Біогеохімічну лабораторію. З 1927 по 1945 рік Вернадський очолював цю наукову установу; пізніше її було реорганізовано в Інститут геохімії та аналітичної хімії імені Вернадського. В. Вернадський був одним з організаторів Комісії з вивчення вічної мерзлоти (нині Інститут мерзлотознавства). У 1937 році з його ініціативи було створено Міжнародну комісію з визначення віку порід за допомогою радіоактивного методу. У 1939 р. Вернадський разом з іншими вченими організував Комісію з ізотопів. Працював у Парижі (у Радієвому інституті М. Склодовської-Кюрі в Сорбонні), у Празі (у Кардовому університеті) й інших.
З наукової школи В. І. Вернадського вийшли О. Є. Ферсман, Д. І. Щербаков, О. П. Виноградов, В. Г. Хлопін, К. О. Ненадкевич, А. А. Садков, Я. В. Самойлов та ін.
Помер Володимир Іванович Вернадський 6 січня 1945 року в Москві. За видатні заслуги в галузі науки й техніки був удостоєний Державної премії СРСР (1943). Нагороджений орденом Трудового Червоного Прапора.
В Академії наук СРСР і МДУ з 1945 р. встановлено по 2 стипендії ім. В. І. Вернадського. Крім того, в АН СРСР установлено грошову премію (з 1943 р.) і золоту медаль (з 1963 р.) імені В.І. Вернадського.
У своїх дослідженнях В. І. Вернадський висунув важливі наукові проблеми, які мають велике практичне значення: будова силікатів, геохімічних рідкісних і розсіяних елементів, пошук радіоактивних мінералів, роль організмів у геохімічних процесах, визначення абсолютного віку гірських порід і багато інших. У "Досвіді описової мінералогії" (1908-1922 р.) та "Історії мінералів кори" (1923-1936 р.) Вернадський висунув нову еволюційну теорію походження мінералів (генетичну мінералогію). Велике значення мали дослідження Вернадського в галузі будови силікатів, учення про єдність вод Землі.
Створена Вернадським біогеохімія вивчає геохімічні процеси, у яких беруть участь організми. Вернадський — основоположник сучасного вчення про біосферу. Сукупність живих організмів у біосфері він назвав живою речовиною. Відповідно до його вчення жива речовина, трансформуючи сонячне випромінювання, вводить неорганічну матерію в невпинний кругообіг. Величезна роль учення Вернадського про біосферу і її розвиток стала зрозумілою повною мірою з другої половини XX століття. Цьому сприяв ряд чинників: з одного боку — розвиток екології, в якій поняття біосфери стало одним з основних, а з іншого боку — розвиток сучасної науково-технічної революції. На вимогу часу вивчення проблеми впливу людства на природу стало одним із першочергових завдань науки. Біосфера під впливом наукових досягнень і людської праці поступово переходить до якісно нового стану — ноосфери — сфери розуму. Ідеї вченого про ноосферу, які являють собою велике філософське узагальнення, виникли на межі двох основних напрямків його наукової діяльності — біогеохімії та історії наук. Останній Вернадський приділяв особливу увагу, наголошуючи на тому, що в моменти злету наукової творчості, науково-технічної революції "наукова думка є знаряддям для досягнення нового". Аналіз еволюції наукової думки й наукового світогляду, а також дослідження структури науки, які виконав Вернадський, є найбільшим внеском у наукознавство, одним з основоположників якого він є. Багато сторінок його праць присвячені фундаментальним філософським проблемам природознавства. Учений підкреслював, що XX століття є періодом корінної зміни усталених природничо-наукових уявлень.
Концепції В. І. Вернадського про біосферу
У роботі В.І. Вернадського "Біосфера" вперше на багатому фактичному матеріалі було не тільки розкрито зміст поняття "біосфера", але й обгрунтовано, наскільки це поняття є важливим для розуміння сутності фактично всіх явищ, що відбуваються на поверхні Землі.
У наступних працях В. І. Вернадський усебічно розвинув учення про біосферу. У його роботах немає універсального, застиглого поняття біосфери, якого б учений потім дотримувався як єдино вірного, але весь хід його міркувань дає підстави вважати, що біосфера — це цілісна геологічна оболонка Землі, наповнена життям і якісно перетворена ним у напрямку формування й підвищення придатних для життя властивостей.
Відповідно до поглядів В. І. Вернадського, які в наш час є фундаментом для системного вивчення планети, увесь вигляд Землі, усі ЇЇ ландшафти, її атмосфера, хімічний склад її вод, уся товща осадових порід — усе це завдячує своїм походженням життю — і насамперед життю.
Саме життя, чи, як говорив В. І. Вернадський, жива речовина, визначило в першу чергу ті еволюційні процеси, які зробили нашу планету такою, якою вона є. Якби життя одного разу не виникло на Землі, то наша планета, подібно до Місяця, не помічала б, як спливають мільйони років, протягом яких на її поверхні практично нічого не змінювалося б. Життя, згідно з ученням В. І. Вернадського, — це сполучна ланка між космосом і Землею, ланка, яка, використовуючи енергію, що надходить на Землю з космосу (і насамперед від Сонця) трансформує мертву (або інертну, за термінологією В. І. Вернадського) речовину, створює нові форми матеріального світу, у мільйони разів прискорюючи всі процеси розвитку, які протікають на Землі. Життя, писав В. І. Вернадський, — це тонка плівка між Космосом і Землею; завдяки її здатності засвоювати енергію космосу і відбулися дивні трансформації мертвої речовини, які перетворили "місячні пейзажі", які й досі вкривають поверхню нашої сусідки, на прекрасний лик сучасної Землі. Поява життя на Землі — це природний етап у її розвитку, який ознаменував якісну зміну напрямку в еволюції ЗеМлі як космічного тіла.
В. І. Вернадський особисто не досліджував проблему виникнення життя. Він розглядав його появу на Землі як деяке "емпіричне узагальнення" Цей термін, запропонований В.І. Вернадським, означає, що цей факт сприймається шляхом досвіду — "так є насправді". Разом з тим він розглядав життя як явище космічне, не вважаючи його винятковим привілеєм Землі. Вернадський припускав, що життя — це природний етап самоорганізації матерії в будь-якій частині космосу, матерії у її невпинному русі, що приводить до виникнення все нових і нових форм її існування на шляху невпинного ускладнення. Життя — це лише одна з можливих форм існування матерії - і не більше. Та обережність, з якою В. І. Вернадський ставився до проблем виникнення й утвердження життя на Землі, пов'язана з фактом асиметрії, оптичної неоднорідності молекул речовини, або речовини, породженої процесами життєдіяльності. Цей факт був добре відомий В. І. Вернадському, оскільки ще в XIX столітті Л. Пастер і Т. Кюрі виявили одну дивну особливість молекул живої речовини — вони обертають площину поляризації світла, яке проходить через них, тобто їм властива відома дисиметрія — цим пояснюється їх оптична активність. Жива речовина складається з дисиметрич-них, чи, як кажуть, хіральних, молекул, які можуть існувати у двох дзеркально симетричних формах, причому у всій біосфері вони зустрічаються тільки в якій-небудь одній певній із цих двох форм. Це найважливіша властивість живої речовини, тому що речовина, не пов'язана з життєдіяльністю, не має властивостей хіральності. Це одна з найдивніших загадок природи. Але це емпіричний факт.
Утворення планетної системи
Протягом останніх трьохсот років, починаючи від Рене Декарта, було висловлено Кілька десятків космологічних гіпотез, у яких розглядалися найрізноманітніші варіанти ранньої історії Сонячної системи. У наш час прийнято вважати, що близько п'яти Мільярдів років тому у величезній газово-пиловій хмарі, пронизаній магнітними силовими лініями, утворилося згущення протосонце, яке повільно стискалося. Інша частина хмари — з масою приблизно в 10 разів меншою — повільно оберталася навколо нього. У результаті зіткнень атомів, молекул і частинок пилу туманність сплющувалася й розігрівалася. Так навколо протосонця утворився витягнутий диск, пронизаний магнітним полем.
Під дією тиску легкі хімічні елементи водень і гелій залишали найближчі околиці Сонця. У кінцевому підсумку це й зумовило істотні відмінності в хімічному складі планет і їх поділ на дві групи. Досягаючи критичної щільності,' пиловий диск розпадався на окремі згущення.
Увесь цей час протосонце виявляло високу активність. У результаті могутніх спалахів воно викидало потоки заряджених частинок, які, рухаючись уздовж магнітних ліній, переносили момент руху від Сонця до протопланетної хмари. Крім того, при зіткненнях частинок відбувалися ядерні реакції. Унаслідок зіткнень одні згущення збільшувалися, інші дробилися. Розрахунки показують, що збільшення розмірів Землі тривало не менше 100 мільйонів років.
Випадання Окремих згущень на Землю і її стиснення спричинили поступове розігрівання надр планети. На початку формування Землі температура в її центральній зоні не перевищувала 800 К, на поверхні — 300 К, але в результаті процесів радіоактивного розпаду, які супроводжувалися виділенням енергії, окремі ділянки розігрілися до плавлення. При цьому важкі сполуки й елементи опустилися вниз, легкі піднялися нагору. На ранній стадії протоземля була оточена хмарою невеликих супутників, з яких згодом сформувався Місяць. Аналогічно формувалися й інші планети.
Основні характеристики Землі
За формою Земля наближається до еліпсоїда обертання. Екваторіальний радіус Землі становить 6378,16 км, полярний радіус — 6356,78 км. Складовими частинами нашої планети є:
1) внутрішнє ядро, радіус якого близько 1300 км, де речовина, за всіма даними, перебуває у твердому стані;
2) зовнішнє ядро, радіус якого становить приблизно 3400 км; тут, у товщі, яка має потужність близько 2100 км, речовина перебуває у рідкому стані;
3) оболонка (мантія), потужність якої близько 2900 км;
4) кора, товщина якої під океаном 4-8 км і 30-60 км — під материками.
Кору й мантію розділяє так звана поверхня Мохоровичича, на якій густина речовини різко зростає від 3,3 до 5,2 г/см3.
Земне ядро є джерелом магнітного поля Землі. Припускають, що геомагнітне поле зумовлене електричними струмами, які циркулюють у зовнішньому ядрі. Можливо, ці струми виникають унаслідок гідродинамічних рухів у рідкому провідному середовищі ядра. Силові лінії магнітного поля Землі утворюють своєрідні "пастки" для заряджених частинок, які рухаються до неї. Затримані магнітним полем Землі, ці частинки формують величезні радіаційні пояси, які огортають нашу планету вздовж геомагнітного екватора. Виявлено три таких пояси радіації: перший — на висоті, від 2400 до 5600 км, другий — від 12000 до 20000 км і третій — на висоті від 50 до 60 тисяч кілометрів. Заряджені.частки, джерелом яких є переважно Сонце, "ковзаючи" вздовж магнітних силових ліній, проникають в атмосферу біля полюсів Землі. Зіштовхуючись з атомами й молекулами атмосфери, вони спричинюють світіння, яке ми спостерігаємо у вигляді мальовничих полярних сяйв.
Рідка оболонка Землі, яка покриває 70,8% її поверхні, називається гідросферою. В океанах міститься = 97 % світових запасів, води. За сучасними уявленнями, наявність великих водойм на Землі мала вирішальне значення для виникнення життя. Частина води, об'єм якої приблизно 24 млн. км3, перебуває у твердому стані (лід). Якщо цей лід розтане, то рівень Світового океану підніметься на 62 м. З водою, а точніше з водяною парою, пов'язаний так званий парниковий ефект. Справа в тому, що сонячне випромінювання, максимум якого припадає на довжину хвиль порядку 0,55 мкм, майже не поглинаючись, проходить через атмосферу, досягає земної поверхні й нагріває її. Таку ж кількість енергії випромінює і поверхня Землі, але в інфрачервоній частині спектра. Випромінювання цих довжин хвиль значною мірою поглинає водяна пара, частково воно перевипромінюється назад у напрямку до земної поверхні. Унаслідок цього температура поверхні Землі перевищує ту температуру, яку вона повинна була б мати за відсутності атмосфери.
Основні вимоги до умов, що забезпечують виникнення та розвиток життя
Щоб на планеті виникло життя, вона повинна мати певні розміри й одержувати енергію від якої-небудь зірки. Маса планети не повинна бути занадто великою, тому що енергія атомного розпалу природних радіоактивних речовин може призвести до перегрівання планети або, що ще більш важливо, до радіоактивного забруднення середовища, що несумісно з життям. У той же час у занадто маленьких планет — інший недолік. Вони не здатні утримувати біля себе атмосферу, тому що сила тяжіння в них невелика (наприклад, Місяць).
Для виникнення життя і його подальшого існування необхідна енергія. Постійно й рівномірно одержувати необхідну кількість енергії може та планета, яка рухається навколо якої-небудь зірки по коловій чи близькій до колової орбіті. Крім того, необхідна постійна інтенсивність випромінювання світила. Це дуже важливо, тому що в іншому випадку потік променистої енергії, що надходить на планету, не буде рівномірним. Нерівномірність потоку енергії призведе до різких коливань температури, а це перешкоджатиме виникненню й розвитку життя, тому що існування живих організмів можливе лише в межах незначних температурних коливань (адже все живе на 70-80% складається з води). Усі ці умови існують на планеті Земля.
Таким чином, близько 5 млрд. років тому на Землі виникли космічні, планетарні й хімічні умови для більш високого рівня розвитку матерії — її еволюції в напрямку виникнення життя.
Основні етапи хімічної еволюції, що передували абіогенезу
Ці етапи включають утворення хімічних елементів і найпростіших неорганічних сполук. Утворення хімічних елементів при виникненні зоряних систем, у тому числі й таких, як наша Сонячна система, — закономірне явище в еволюції матерії. За допомогою спектрального аналізу доведено, що водень є найбільш поширеним елементом у Всесвіті. На першому етапі внаслідок реакцій ядерного синтезу з водню утворюється гелій, з якого, у свою чергу, утворюється вуглець. Унаслідок приєднання до ядра вуглецю інших ядер гелію виникають ізотопи кисню, неону магнію та інших елементів. Таким чином, виникнення атомів хімічних елементів, з яких складається основна маса зірок, планет і їх атмосфера, є лише початковим етапом неорганічної еволюції.
Біогенні елементи — водень, вуглець, кисень, азот і фосфор — досить поширені в космосі. Існує висока ймовірність того, що вони вступатимуть в реакції, унаслідок чого утворюватимуться найпростіші неорганічні сполуки. Це наступний етап неорганічної еволюції. Сприятливим чинником є надходження від зірок енергії у вигляді електромагнітного випромінювання й тепла.
Початковий етап існування Землі відзначався інтенсивними термоядерними процесами, високими температурами (більш як 1000) та активною хімічною діяльністю. Охолодження планети супроводжувалося інтенсивними процесами диференціації речовини: важкі елементи опускалися до її центра, а більш легкі сполуки (Н2, СO2, СН. та ін.) залишалися на поверхні. Метали й інші елементи, здатні до окислення, з'єднувалися з киснем, тому в давній атмосфері планети вільного кисню не було. Уся атмосфера ранньої Землі складалася з вільного водню і його сполук і тому мала відновний характер. Саме ця атмосфера — не окисна, а відновна — і започаткувала виникнення життя. Вона складалася з водяної пари, метану (СН4), діоксиду вуглецю (СO2), оксиду вуглецю (СО), аміаку (NH3), азоту (N2), сірководню (H2S) та ін.
Численні експерименти продемонстрували, що за наявності метану, води й аміаку цілком природно можуть утворюватися такі сполуки, як ціаністий водень (HCN) і формальдегід (НСНО). Саме ці молекули і було виявлено в міжзоряному просторі. Це свідчить про те, що вони могли виникнути з первинних газових сумішей у результаті реакцій, які завжди супроводжують утворення нових зірок.
Усі ці хімічні перетворення в оболонках ранньої Землі підготували третій етап еволюції, який безпосередньо і започаткував процес абіогенезу.
Абіогенез
Для першого етапу абіогенезу — утворення простих органічних сполук — необхідні були сировина, тобто "будівельний матеріал", та енергія. Сировиною стали N2, Н2,СО, СO2, Н2O, NH3, СН4, H2S, HCN, НСНО та інші хімічні сполуки.
Джерел енергії було досить багато: теплова енергія — тепло — надходила в результаті охолодження земної кори; а також у процесі вулканічних вивержень і згоряння метеоритів, які потрапляли в атмосферу Землі; іонізуюча радіація — космічні промені й енергія радіоактивного розпаду важких елементів; сонячне світло — у першу чергу могутнє ультрафіолетове випромінювання, яке за відсутності озонового екрана безперешкодно проникало на Землю; енергія електричних розрядів від ударів блискавок; ударні хвилі (унаслідок падіння метеоритів). Про цей етап, тобто про період утворення мономерів — "цеглинок" біологічних полімерів з газів, що містилися в первинній атмосфері, — відомо найбільше, тому що ці реакції можна відтворити й повністю змоделювати в лабораторних умовах.
Згодом виявилося, що абіогенним способом з отруйної суміші газів і водяної пари за відсутності кисню може синтезуватися дуже багато простих органічних сполук, які входять до складу біологічних полімерів: білків, полісахаридів, ліпідів і нуклеїнових кислот. При цьому роль каталізаторів можуть відігравати розчини солей важких металів, суміші глин і мінералів Ці прості органічні сполуки і визначили вміст "первинного бульйону" на нашій планеті. Таким чином, виникнення "первинного бульйону" — не випадковість, а закономірність. На цьому завершується третій етап хімічної еволюції, яка відтепер вступає в наступну фазу — фазу утворення полімерів, оскільки амінокислоти, жирні кислоти, цукри та азотисті основи — це ще не життя. Наступним етапом еволюції було утворення з малих органічних мономерів більш крупних - полімерів, подібних до білків і нуклеїнових кислот. Поява великих органічних молекул — важлива подія в хімічній еволюції, що передувала виникненню життя на Землі і була, очевидно, також багатоступінчастим процесом.
Виникнення пробіонтів і біологічних мембран
Питання про те, як відбувався перехід від біополімерів до перших живих істот, є найскладнішим і найзагадковішим моментом проблеми виникнення життя. Найбільш вірогідне вирішення цієї проблеми запропонував О. І. Опарін, висунувши коацерват-ну гіпотезу (1924 p.), що базувалася на серії проведених експериментів. О. І. Опарін висловив припущення, що перехід від хімічної еволюції до біологічної пов'язаний із виникненням найпростіших фазово-відособлених органічних систем — пробіонтів, здатних використовувати з навколишнього середовища речовини й енергію, завдяки чому вони реалізують найважливішу життєву функцію — функцію росту. С. Фокс з університету в Майамі запропонував інший механізм утворення клітини — модель мікросфер. Електронний мікроскоп засвідчив, що кожна мікросфера оточена подвійною клітинною оболонкою, дуже схожою на мембрани сучасних клітин.
Яка з моделей ближча до протоклітини — коацервати Опаріна чи мікросфери Фокса — важко сказати. У всякому разі, у передбіологічному доборі лише те утворення виявилося конкурентоспроможним, яке оточило себе зовнішньою мембраною.
Біологічні мембрани являють собою агрегати білків і ліпідів, які відділяють речовину від середовища і надають цим органічним згусткам молекул міцності. Поява біологічної мембрани, яка відокремлює вміст иробіонта від навколишнього водного середовища і має властивість вибіркової проникності, визначила напрямок подальшої хімічної еволюції середовища в напрямку розвитку все більш досконалих систем, які здатні здійснювати саморегулювання, аж до виникнення перших дуже примітивних клітин. Подальший їх розвиток уже повною мірою набуває рис біологічної еволюції, яка відбувалася протягом не менш як 3,5 млрд. років.


Список використаної літератури
1. Абачиеп С. К. Концепции современного естествознания (в 2-х частях). Балашиха. - 1988. - I ч.: 150 с, II ч.: 190 с.
2. Ампер А. Электродинамика. М.: ИЛ. — 1954. — 369 с.
3. Античная цивилизация. — М.: Наука. — 1973. — 269 с.
4. Аристотель. Соч. В 4-х тт. Т. 4. - М.: Мысль. - 1983. - 828 с.
5. Арцимович Л. А. Управляемые термоядерные реакции. М.: Гос. изд. физ.-мат. лит. - 1961.-468 с.
6. Арцимович Л. А. Элементарная физика плазмы. М.: Госатомйздат. — 1963. — 192 с.

Внимание, отключите Adblock

Вы посетили наш сайт со включенным блокировщиком рекламы!
Ссылка для скачивания станет доступной сразу после отключения Adblock!

Скачать