ОСНОВНЫЕ ТЕОРИИ ПРОИСХОЖДЕНИЯ БИОСФЕРЫ

Современная биосфера возникла не сразу, а в результате длительной эволюции, в процессе постоянного взаимодействия абиотических и биотических факторов.

Эволюция химических элементов в космическом пространстве.

Изучением космического пространства занимаются многие науки, отпочковавшиеся от астрономии или возникшие на стыке наук. Одна из них – спектроскопия – возникла на стыке химии и астрономии. Предмет ее исследования – спектры звезд. Это позволяет идентифицировать химические элементы, составляющие звезды, определить их температуру и многое другое. С конца 19 века было зарегистрировано более 2 млн. спектров примерно 15 тыс. звезд, в том числе и Солнца. На их основе был сделан вывод, что всюду во Вселенной существуют одни и те же химические элементы и выполняются одни и те же химические законы.

Водород – наиболее часто встречающийся и самый простой элемент. Его атом состоит из 1 протона и 1 электрона. Если первичное вещество Вселенной состояло из одного водорода, то можно объяснить не только наличие, но и распространенность всех остальных элементов в настоящее время. В такой первичной Вселенной, состоящей из чистого водорода, образовались звезды. Они являются довольно крупными гравитационно-связанными скоплениями вещества, в ходе образования которых температура повышается настолько, что начинают протекать ядерные реакции. Основной ядерной реакцией является слияние ядер атомов водорода. В этой реакции водород превращается в гелий с выделением энергии.

4Н 1Не + Е излучения

1 протон 2 протона

1 электрон 2 электрона

2 нейтрона

m(Н) = 1,0079 а.е.м.

m(4Н) = 4,0316 а.е.м. m(Не) = 4,0026 а.е.м.

m = 0,029 а.е.м. – разность масс между массой 4-х атомов Н и 1 атома Не – превращается в энергию излучения (по законам сохранения энергии и вещества).

Дальнейшее взаимодействие элементов приводит к возникновению других элементов. Реакции последних между собой приводят к возникновению более сложных молекул и их комплексов, а в дальнейшим пылевых частиц. С помощью спектроскопии было доказано, что межзвездное вещество состоит из газов – Н, Не, Ne и пылевых частиц, состоящих их металлов и других элементов. Газы и пылевые частицы образуют в космическом пространстве скопления газо-пылевой материи – туманности. Туманности встречаются по всей нашей галактике.

Например, ближайшая к нам, гигантская туманность в скоплении Ориона, имеет около 15 световых лет в диаметре и содержит такое количество газа и пыли, которого достаточно для образования 100000 звезд размером с наше Солнце. Ещё одна туманность – Млечный Путь, имеющая диаметр около 100000 световых лет.

Образование планетарных систем.

Ученые полагают, что туманности являются этапом формирования галактик или крупных звездных систем. В моделях теорий такого типа планеты представляют собой побочный продукт образования звезд. Эта точка зрения впервые была высказана Кантом и позднее развита Койпером, Альвеном, Камероном и подтверждается рядом доказательств.

Когда газово-пылевое облако становится достаточно большим в результате медленного оседания и слипания (аккреции) межзвездного газа и пыли под действием гравитационных сил, оно становится неустойчивым – в нем нарушается близкое к равновесию соотношение между давлением и гравитационными силами. Гравитационные силы преобладают и поэтому облако сжимается. По мере возрастания плотности вещества под воздействием гравитационных и других сил облако дробится на облака более мелкого размера, которые в свою очередь образуют фрагменты, в несколько раз превышающие по массе и размерам Солнечную систему. Такие облака называют протозвездами. Массивные протозвезды далее образуют крупные и горячие звезды, менее массивные протозвезды формируют меньшие и более холодные звезды, которые эволюционируют медленнее первых. Размеры протозвезд ограничены верхним пределом, превышение которого привело бы к дальнейшей фрагментации и нижним пределом, определяемым минимальной массой, которая требуется на поддержание ядерных реакций.

В ходе ранних фаз сжатия тепло, высвобождающееся при превращении гравитационной энергии в энергию излучения легко покидает облако, поскольку относительная плотность вещества еще мала.

Внутри туманностей – областей относительно концентрированного межзвездного газа и пыли – возникают молодые звезды, а вокруг них планеты.

Эволюция Земли на ранних стадиях.

Исходя из вышеизложенного, состав первичной атмосферы Земли состоял из Н, Не, метана, аммиака и воды. Постепенно самые легкие элементы – Н, Не – диффузно утрачиваются из атмосферы, притягиваясь гравитационным полем планет-гигантов. Среди органических веществ первичной атмосферы были, вероятно те, которые ныне обнаруживаются в кометах: молекулы со связями С-Н, С-N, N-Н, О-Н. Кроме того, по мере гравитационного разогрева земных недр из них стали выделяться Н, метан, аммиак и вода и др.

Дальнейшая эволюция вещества шла под воздействием различных видов энергии. Это: *

распад атомов неустойчивых элементов; *

ультрафиолетовое излучение; *

вулканизм; *

удары метеоритов; *

молнии.

В 1924г. И.А. Опарин предложил первую концепцию химической эволюции, согласно которой первичная атмосфера земли была бескислородная. В 1953г. Г.К. Юри и С. Миллер подвергли смесь метана, аммиака и воды действию электрических разрядов. Среди полученных продуктов были обнаружены аминокислоты (глицин, аланин, аспарагиновая, глутаминовая кислоты).

Путем расчетов и экстраполяции некоторых геологических данных, с учетом температурных границ устойчивости органических соединений были определены температурные границы первичной Земли – от 20 до 2000.

Позднее в лабораторных условиях были абиотически получены такие органические молекулы, как альдегиды, нитраты, аминокислоты, моносахариды, пурины, порфирины,,, нуклеотиды и др.

Таким образом условия на первобытной земле можно охарактеризовать следующим образом.

Первичная литосфера.

В молекулярной эволюции только кора сыграла важную роль. Её состав: AL, Ca, Fe, Mg, Na, K и др. О изменении состава земной коры во времени в настоящее время ничего не известно.

Первичная гидросфера.

На поверхности первичной Земли находилось менее 0,1 объема воды сегодняшних океанов.

Среда воды первичного океана – слабощелочная. (рН = 8-9).

Постепенно происходит конденсация океанов.

Первичная атмосфера.

На самой ранней стадии из Н, который диффундировал в космическое пространство. Затем, атмосфера, которую принято называть первичной, образовалась из вулканических газов.

Было предложено 3 варианта состава первичной атмосферы: *

Восстановительная: СН4, NH3, H2O, H2 (с высоким содержанием NH3); *

Слабоокислительная: СО2, СН4, NH3, N2, H2O(с низким содержанием NH3); *

Нейтральная: СН4, N2, H2O.

Все эти преобразования относятся к раннему архею. Биосфера на данном этапе отсутствует.

Возникновение протобиополимеров – более сложная проблема. Необходимость их существования очевидна, поскольку они ответственны за протоферментативные процессы: гидролиз, декарбоксилирование, дезаминирование, перекисное окисление, брожение, фотохимические реакции, фосфорилирование, фотосинтез и др. 2.1.9.