Особенности эволюции гидросферы Земли, роль живого вещества

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации

Федеральное государственное автономное

образовательное учреждение высшего образования

«КАЗАНСКИЙ (ПРИВОЛЖСКИЙ) ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

ИНСТИТУТ ЭКОЛОГИИ И ПРИРОДОПОЛЬЗОВАНИЯ

Направление подготовки: 05.03.06 - Экология и природопользование

РЕФЕРАТ

по дисциплине: «Учение о биосфере»

на тему: Особенности эволюции гидросферы Земли, роль живого вещества

Выполнил:

студент гр. 02-001

Гимадиев Ильшат

Казань 2022

Оглавление

• Введение
• 1. Эволюция гидросферы
• 2. 2,0-2,7 млрд. лет назад - смена восстановительных реакций на окислительные
• 3. Возникновение жизни
• 4. Стабильность состава вод океана
• 5. Образование пресной воды на Земле
• Заключение
• Список литературы
• Введение
• Вода на Земле имеет практически повсеместное распространение. Она образует самостоятельную оболочку. Которая называется гидросферой. Эта оболочка проникает во все остальные сферы Земли, поскольку она, как и вода, является «всюдной». Здесь дается широкое толкование гидросферы, в состав которой включаются все виды природных вод. Гидросфера охватывает воды Мирового океана, поверхностные воды, атмосферные воды, наземные и подземные льды, все виды воды земных недр и биогенные воды, то есть можно выделить надземную, наземную и подземную гидросферу.
• Предметом изучения гидрогеологии является подземная гидросфера - это наиболее сложная водная земная оболочка. Ее сложность объясняется несколькими обстоятельствами: 1) весьма тонким слоем подземной гидросферы, доступной для изучения (до 5-12 км); 2) наличием в подземной гидросфере кроме жидкой, твердой и парообразной фаз нескольких специфических видов воды (физически связанных, химических связанных и др.); 3) специфическими и разнообразными условиями и процессами взаимодействия воды с водовмещающей средой (породами, газами, живыми организмами). При всем этом следует помнить, что подземная гидросфера является первичной по отношению к наземной и надземной водной оболочками. Сначала образовались подземные воды, которые в процессе эволюции Земли перешли в наземное и надземное состояние. Постепенно характер водообмена между оболочками приобрел современный вид.
• Обособление оболочек Земли произошло около 4 млрд. лет назад. По гипотезе американских ученых 4,25 млрд. лет назад Земля столкнулась с космическим объектом величиной с Марс. От столкновения поверхностный слой Земли толщиной 1000 км расплавился, Земля получила импульс и закрутилась вокруг своей оси с эклиптикой 23⁰, что стабилизировало земные сутки (24 часа). 90% вещества космического тела было поглощено Землёй, а 10% образовало “кольцо” подобное Сатурну, которое потом собралось и образовало Луну. Вначале она была в 15 раз ближе к Земле. Всё это и привело к обособлению оболочек Земли. За счет разогревания вещества мантии, по мнению академика А.П. Виноградова, произошло его разделение на две фазы: тугоплавкую (дуниты) и легкоплавкую (базальты).
• В ходе этого процесса к поверхности Земли устремились наиболее летучие компоненты базальтовой магмы - пары воды и газы. Механизм этого грандиозного процесса выплавления и дегазации мантии А.П. Виноградовым был воспроизведен экспериментально (зонное плавление). В мантии содержится примерно 20·10⁸ т. воды, причем 7,5 - 24% этого количества мигрировало в земную кору и Мировой океан, т.е. участвовало в создании гидросферы. Из космоса с метеоритами могло поступить 1·10⁴ т., т.е. на 4 порядка меньше. Верхние слои атмосферы могли дать воды еще меньше (серебристые облака, открытые Вернадским).
• Таким образом, мантия - единственный источник воды на Земле.
• 1. Эволюция гидросферы началась на рубеже архея - протерозоя, когда установилось динамическое равновесие между водой и газами. В это же время образовался гранитный слой, обособились геосинклинали и платформы, возникли континентальные моря. Все это положило начало атмосфере и регулярному гидрологическому круговороту воды.
• По А.П. Виноградову летучие вещества стали источником анионов солевой массы океанической воды, а все главные катионы образовались при разрушении горных пород.
• На раннем этапе в атмосфере почти не было кислорода, а были CO₂, NH₃, NH₄, H₂S, НСl и др.
• 2. Примерно 2,0-2,7 млрд. лет назад произошла смена восстановительных условий в атмосфере и на поверхности на окислительные, причем источником О₂, явились фотохимические реакции с Н₂О и СО₂ в верхних слоях атмосферы.
• 3. Возникновение жизни. В связи с интенсивными космической и ультрафиолетовой радиацией образовались сложные органические соединения из CH₄, NH₃, H₂, H₂S, CO₂, H₂O и др., и на их базе на определенной глубине в океане (под экраном слоя воды) развивались простейшие организмы, а на суше их не было (так как еще не существовал озонный экран. Образование его вызвало первый глубокий биологический переворот, так как восстановление Н₂О в процессе жизнедеятельности привело к освобождению свободного кислорода, что явилось началом формирования современной кислородно-азотной атмосферы и озонного экрана, и жизнь смогла развиваться на суше. В результате образования атмосферы прекратился радиогенный и фотогенный синтез сложных органических молекул.
• 4. В раннем палеозое сформировалось НСО₃-СО?₃ равновесие, которое обеспечило стабильность состава вод океана. С появлением жизни на Земле изменились процессы выветривания в сторону усиления под влиянием СО₂. В результате фотосинтеза кислород в атмосфере в настоящее время возобновляется за 2 - 3 тыс. лет, а углекислота за 350 - 500 лет (без учета современного парникового эффекта), а вся вода Мирового океана проходит через фотосинтезирующие растения за несколько миллионов лет.
• 5. Образование пресной воды на Земле.
• Основными факторами появления пресной воды на Земле являются возникновение жизни, образование современной атмосферы, расчленение земной коры на платформы и геосинклинали. Все это имеет возраст 2,5-3,0 млрд. лет. Именно возникновение большого гидрологического круговорота воды привело к образованию пресных подземных вод, образовавшихся из атмосферных осадков.
• Относительно состава вод Мирового океана существуют неоднозначные мнения. Одни считают, что он сформировался в раннем палеозое. Другие являются сторонниками значительных изменений состава даже за последние 0,5-0,6 млрд. лет. Например, Ю.П. Казанский установил 5 гидрогеологических типов океанических вод в процессе эволюции гидросферы от архея до кайнозоя, а современный сульфатно-хлоридный натриево-кальциевый состав появился по его данным, в Перми. Наряду с водообменом между мировым океаном и подземной гидросферой происходил и происходит солеобмен. Состав Мирового океана отражает условия предыдущих эпох, а за счет огромных водных масс он слабо реагирует на воздействие извне. Не меняется изотопное отношение Н²/Н¹ и О¹⁸/О¹⁶ за 300 - 500 млн. лет. Это постоянство используется в качестве стандарта среднеокеанической воды SMOW (Standart middle ocean water).

гидросфера вода океан земля

1. Эволюция гидросферы

Происхождение гидросферы однозначно не установлено. Есть несколько гипотез, но наиболее известными являются три из них.

Согласно гипотезе «холодного» начала, гидросфера образовалась при нагреве и расплавлении первичного холодного пылевого облака.

Гипотеза «горячего» начала предполагает, что вода на Земле выделилась из её недр в процессе остывания планеты на ранних стадиях её формирования - несколько миллиардов лет назад. Подтверждением её служит то, что вода действительно содержится в мантии и продолжает выделяться на поверхность при извержении вулканов в виде пара.

Самая молодая гипотеза утверждает, что вода была принесена на Землю из космоса, падающими на её поверхность кометами, которые действительно состоят изо льда.

В.И. Вернадский придерживался теории магматического происхождения гидросферы и ведущей роли живого вещества в ее эволюции.

Он считал, что: в целом гидросфера - продукт магматических процессов, но в определении его основных свойств немалую роль играла жизнь. Главные параметры океана стабилизировались еще в раннем архее, а дальнейшие преобразования гидросферы шли в пределах, в которых могли существовать и эволюционировать организмы.

А.П. Виноградов (1989) отводя дегазации мантии ведущую роль в образовании океана, признавал вместе с тем и влияние жизни на стабилизацию его современных химических свойств и солевого состава. Он выделял три стадии в истории мирового океана:

- эволюция океана в отсутствие биосферы (архей)

- эволюция океана под влиянием жизни (конец архея - начало палеозоя)

- стабильный состав океана (палеозой - современность).

Современная наука выделяет 7 этапов эволюции гидросферы:

1-й этап: Образование первичного океана в результате дегазации мантии более 4 млрд. лет назад (в это время возникла твердая земная кора).

Первичный океан был:

- кислым (в воде растворялись продукты вулканической деятельности - вулканические дымы HCl, HF и другие)

- хлоридным (за счет обогащенности хлоридами алюминия, железа и других тяжелых металлов)

2-й этап: Восстановительный - происходит нейтрализация сильных кислот (за счет их взаимодействия с силикатными породами ложа океана).

С поверхности островов выветриваются карбонаты K, Ca, Mg и Na, в воде накапливаются карбонатные соли иона становится хлоридно-карбонатной.

3-й этап: Появление первых живых организмов - привело к изменению характера транспорта взвесей и солей в донных отложениях.

Толща воды разделилась на слои: активный, средний и глубинный

4-й этап: Возникновение фотосинтезирующих организмов

Гидросфера теряет углекислоту и обогащается кислородом.

5-й этап: Нейтральный - кислотность воды приближается к нейтрально. Самородная сера и сероводород в условиях обилия кислорода переходят в сульфатную форму. Подвижность тяжелых металлов резко сокращается.

Вода становится хлоридно-карбонатно-сульфатной

6-й этап: Выход жизни на сущу - сопровождается снижением уровня углекислоты в атмосфере и гидросфере. Происходит ощелачивание океанических вод.

Вода становится хлоридно-сульфатной.

7-й этап: Современный - начался в палеозое. Ведущую роль играют живые организмы. Происходит стабилизация активной реакции воды океана и создание буферной системы, обеспечивающей стабильность рН океанической воды (7,5-8,5)

2. Атмосфера -- газовая оболочка, окружающая планету Земля и вращающаяся вместе с ней. Состоит из азота (78,1%), кислорода (21 %), аргона (0,9 %), углекислоты (0,04 %) и других газов (неон, гелий, метан и т.д.).

Атмосферу разделяют на нижнюю (до 20 км -- тропосфера и тропопауза), среднюю (от 20 до 90 км -- стратосфера, мезосфера и мезопауза) и верхнюю (свыше 90 км -- термосфера: ионосфера, термопауза и экзосфера).

2. 2,0-2,7 млрд. лет назад - смена восстановительных реакций на окислительные

Кислородная катастрофа (кислородная революция) -- глобальное изменение состава атмосферы Земли, произошедшее в самом начале протерозоя в период сидерий около 2,45 млрд лет назад. Результатом кислородной катастрофы стало появление в составе атмосферы свободного кислорода и изменение общего характера атмосферы с восстановительного на окислительный. Предположение о кислородной катастрофе было сделано на основе резкого изменения характера осадконакопления.

Точный состав первичной атмосферы Земли на сегодняшний день неизвестен, однако, как правило, учёные считают, что она сформировалась в результате дегазации мантии и носила восстановительный характер. Основу её составляли углекислый газ, сероводород, аммиак, метан. В пользу этого свидетельствуют:

· неокисленные отложения, образовавшиеся явно на поверхности (например, речная галька из нестойкого к кислороду пирита);

· отсутствие известных значимых источников кислорода и других окислителей;

· изучение потенциальных источников первичной атмосферы (вулканические газы, состав других небесных тел).

Единственным значимым источником молекулярного кислорода является биосфера, точнее, фотосинтезирующие организмы. Фотосинтез, видимо, появился на заре существования биосферы (3,7-3,8 млрд лет назад), однако археи и большинство групп бактерий практиковали аноксигенный фотосинтез, при котором не вырабатывается кислород.

Кислородный фотосинтез возник у цианобактерий 2,7-2,8 млрд лет назад. Выделяющийся кислород практически сразу расходовался на окисление горных пород, растворённых соединений и газов атмосферы. Высокая концентрация создавалась лишь локально в пределах бактериальных матов (т. н. «кислородные карманы»). После того как поверхностные породы и газы атмосферы оказались окисленными, кислород начал накапливаться в атмосфере в свободном виде.

Поскольку подавляющая часть организмов того времени была анаэробной, неспособной существовать при значимых концентрациях кислорода, произошла глобальная смена сообществ: анаэробные сообщества сменились аэробными, ограниченными ранее лишь «кислородными карманами»; анаэробные же сообщества, наоборот, оказались оттеснены в «анаэробные карманы» (образно говоря, «биосфера вывернулась наизнанку»). В дальнейшем наличие молекулярного кислорода в атмосфере привело к формированию озонового экрана, существенно расширившего границы биосферы, и привело к распространению более энергетически выгодного (по сравнению с анаэробным) кислородного дыхания.

В результате изменения химического состава атмосферы после кислородной катастрофы изменилась её химическая активность, сформировался озоновый слой, резко уменьшился парниковый эффект. Как следствие, планета вступила в эпоху Гуронского оледенения.

В октябре 2015 года геохимики из Висконсинского университета в Мадисоне на основе изучения образца яшмы из ЮАР, датированного 3,4-3,23 миллиардами лет, выдвинули предположение о начале кислородной катастрофы на 830 миллионов лет ранее.

В настоящее время сам феномен кислородной катастрофы (заключающийся в том, что началась деятельность фотосинтетических организмов, связанное с этим накопление кислорода и превращение условий на поверхности планеты из восстановительных в окислительные) подвергается серьёзной критике. Установлено, что фотосинтетические организмы-продуценты кислорода появились ещё в начале архея, но свободный кислород в атмосфере Земли на рубеже архея и протерозоя появился благодаря изменениям характера земного вулканизма и это был постепенный и растянутый во времени процесс, но никак не единомоментное событие. Накопление органического углерода, отражающее жизнедеятельность древних организмов-фотосинтетиков, в архее проходило практически на таком же уровне, как и в последующие геологические эпохи. Но образовывавшийся на протяжении всего архея кислород не накапливался в атмосфере, а быстро расходовался на окисление каких-то веществ.

Этими веществами были, вероятно, вулканические газы (сероводород, сернистый газ, метан и водород) и соединения двухвалентного железа (Fe²⁺). Изменения в характере вулканизма в конце архейской эры, связанные с формированием и стабилизацией континентальных плит, уменьшили поступление этих газов в атмосферу древней Земли, и кислород в итоге начал накапливаться. Но на протяжении большей части следующего за археем протерозоя уровень кислорода в земной атмосфере не повышался и в целом оставался низким, наблюдались даже периоды его снижения. И лишь в конце протерозоя по неизвестным причинам произошёл второй кислородный скачок, с которым связывается появление многоклеточных организмов.

По одной из версий, новый рост содержания кислорода в биосфере в конце протерозойской эры был вызван тем, что планктонные организмы-обитатели гидросферы приобрели способность осаждать органику, образующуюся при отмирании живых организмов, из толщи воды на дно (т. н. пеллетная транспортировка), тем самым выводя её из биологического круговорота. Поэтому значительная часть кислорода, тратившаяся на окисление мертвого органического вещества до углекислого газа и воды, высвободилась и, в итоге, кислород стал накапливаться.

Всё это вместе говорит о том, что «Великое кислородное событие» следует рассматривать как сильно растянутый во времени процесс, продолжительностью не менее 1,5 млрд лет, имевший два выраженных скачка (около 2,5 млрд и 0,8-0,9 млрд лет назад) и как минимум одно падение (около 2,1 млрд лет назад) в содержании атмосферного кислорода. И все эти события являлись преимущественно результатом изменений вулканических процессов и геохимических соотношений, а не сдвигов биологической активности и метаболизма.

Интересной особенностью кислородных скачков являются наступавшие вслед за ними глобальные оледенения (Гуронское оледенение и Криогений). Как предполагается, Гуронское оледенение было вызвано снижением содержания метана в атмосфере вследствие уменьшения его выбросов от вулканической деятельности на фоне дополнительного его окисления появившимся в атмосфере кислородом. Наступление же Криогения было вызвано, как предполагается, распадом древнего суперконтинента Родинии, что привело к падению содержания в атмосфере углекислого газа (в ходе распада по краям разломов происходили массивные излияния базальта, который химически связывал атмосферный углекислый газ). Вызванное этим снижение концентрации парниковых газов приводило к глобальным охлаждениям Земли различного масштаба и продолжительности.

3. Возникновение жизни

Возникновемние жимзни, или абиогенемз, -- процесс превращения неживой природы в живую. В узком смысле слова под абиогенезом также понимают образование органических соединений, распространённых в живой природе, вне организма без участия ферментов. Альтернативой зарождению жизни на Земле является панспермия, которая, однако, не решает принципиального вопроса о возникновении жизни, а лишь отдаляет его в ещё более далёкое прошлое Вселенной.

Согласно современным моделям, на Земле жизнь возникла около 4,1-3,8 млрд лет назад, притом что сама планета сформировалась примерно 4,5 миллиарда лет назад. Древнейшие известные ископаемые строматолиты имеют возраст 3,7 миллиарда лет.

В разное время относительно возникновения жизни на Земле выдвигались следующие теории:

· Теория самозарождения

· Теория стационарного состояния жизни

· Теория «первичного бульона»

Теория самозарождения

Эта теория была распространена в Древнем Китае, Вавилоне, Индии и Древнем Египте в качестве альтернативы креационизму, с которым она сосуществовала. Аристотель (384-322 гг. до н. э.), которого часто провозглашают основателем биологии, придерживался теории спонтанного зарождения жизни. Согласно этой гипотезе, определённые «частицы» вещества содержат некое «активное начало», которое при подходящих условиях может создать живой организм. Аристотель был прав, считая, что это активное начало содержится в оплодотворённом яйце, но ошибочно полагал, что оно присутствует также в солнечном свете, тине и гниющем мясе.

С распространением христианства теория спонтанного зарождения жизни оказалась не в чести, но эта идея всё продолжала существовать где-то на заднем плане в течение ещё многих веков.

Вплоть до XIX века в научной среде существовало представление о «жизненной силе» -- некой всепроникающей субстанции, заставляющей зарождаться живое из неживого (лягушек -- из болота, личинок мух -- из мяса, червей -- из почвы и т. д.). Известный учёный Ван Гельмонт описал эксперимент, в котором он за три недели якобы создал мышей. Для этого нужны были грязная рубашка, тёмный шкаф и горсть пшеницы. Активным началом в процессе зарождения мыши Ван Гельмонт считал человеческий пот.

В 1668 году итальянский биолог и врач Франческо Реди подошёл к проблеме возникновения жизни более строго и подверг сомнению теорию спонтанного зарождения. Реди установил, что маленькие белые червячки, появляющиеся на гниющем мясе -- это личинки мух. Проведя ряд экспериментов, он получил данные, подтверждающие мысль о том, что жизнь может возникнуть только из предшествующей жизни (концепция биогенеза). В горшочках с мясом, накрытых марлей, мухи не заводились.

Эти эксперименты, однако, не привели к отказу от идеи самозарождения, и хотя эта идея несколько отошла на задний план, она продолжала оставаться главной версией зарождения жизни.

В то время как эксперименты Реди, казалось бы, опровергли спонтанное зарождение мух, первые микроскопические исследования Антони ван Левенгука усилили эту теорию применительно к микроорганизмам. Сам Левенгук не вступал в споры между сторонниками биогенеза и спонтанного зарождения, однако его наблюдения под микроскопом давали пищу обеим теориям.

В 1860 году этой проблемой занялся французский химик Луи Пастер. Однако Пастер не ставил перед собой вопрос о происхождении жизни. Он интересовался проблемой самозарождения микробов в связи с возможностью борьбы с инфекционными заболеваниями. Если «жизненная сила» существует, то бороться с болезнями бессмысленно: сколько микробов ни уничтожай, они самозародятся вновь. Если же микробы всегда приходят извне, тогда есть шанс. Своими опытами он доказал, что бактерии вездесущи, и что неживые материалы легко могут быть заражены живыми существами, если их не стерилизовать должным образом. Учёный кипятил в воде различные среды, в которых могли бы образоваться микроорганизмы. При дополнительном кипячении микроорганизмы и их споры погибали. Пастер присоединил к S-образной трубке запаянную колбу со свободным концом. Споры микроорганизмов оседали на изогнутой трубке и не могли проникнуть в питательную среду. Хорошо прокипячённая питательная среда оставалась стерильной, в ней не обнаруживалось зарождения жизни, несмотря на то, что доступ воздуха и «жизненной силы» был обеспечен. Вывод: «жизненной силы» не существует, и в настоящее время микроорганизмы не самозарождаются из неживого субстрата.

Однако этот эксперимент вовсе не доказывает, что живое вообще никогда не может самозарождаться из неживого. Эксперимент Пастера доказывает лишь невозможность зарождения микроорганизмов конкретно в тех питательных средах, которые он использовал, при весьма ограниченном диапазоне условий и в течение коротких промежутков времени. Но он не доказывает невозможность самозарождения жизни в течение сотен миллионов лет химической эволюции, в самых разных средах и при разных условиях (особенно при условиях ранней Земли: в бескислородной атмосфере, наполненной метаном, углекислым газом, аммиаком и циановодородом, при пропускании электрических разрядов и т. д.). Этот эксперимент в принципе не может касаться вопроса об изначальном зарождении жизни хотя бы потому, что в своих опытах Пастер использовал мясные и дрожжевые бульоны (а также мочевину и кровь), а до зарождения жизни не было ни дрожжей, ни мяса. И тем более эксперимент Пастера никак не опровергает современные научные теории и гипотезы о зарождении жизни в глубоководных горячих гидротермальных источниках, в геотермальных источниках, на минеральных кристаллах, в космическом пространстве, в протопланетной туманности, из которой сформировалась Солнечная система, и в тому подобных местах.

Теория стационарного состояния жизни

Согласно теории стационарного состояния, Земля никогда не возникала, а существовала вечно; она всегда была способна поддерживать жизнь, а если и изменялась, то очень незначительно. Согласно этой версии, виды также никогда не возникали, они существовали всегда, и у каждого вида есть лишь две возможности -- либо изменение численности, либо вымирание.

Однако гипотеза стационарного состояния в корне противоречит данным современной астрономии, которые указывают на конечное время существования любых звёзд и, соответственно, планетарных систем вокруг звёзд. По современным оценкам, основанным на учёте скоростей радиоактивного распада, возраст Земли, Солнца и Солнечной системы исчисляется ?4,6 млрд лет. Поэтому эта гипотеза не рассматривается академической наукой.

Сторонники этой гипотезы не признают, что наличие или отсутствие определённых ископаемых остатков может указывать на время появления или вымирания того или иного вида, и приводят в качестве примера представителя кистепёрых рыб -- латимерию. По палеонтологическим данным кистепёрые вымерли в конце мелового периода. Однако это заключение пришлось пересмотреть, когда в районе Мадагаскара были найдены живые представители кистепёрых. Сторонники теории стационарного состояния утверждают, что только изучая ныне живущие виды и сравнивая их с ископаемыми остатками, можно сделать вывод о вымирании, да и в этом случае весьма вероятно, что он окажется неверным. Используя палеонтологические данные для подтверждения теории стационарного состояния, её сторонники интерпретируют появление ископаемых остатков в экологическом аспекте. Так, например, внезапное появление какого-либо ископаемого вида в определённом пласте они объясняют увеличением численности его популяции или его перемещением в места, благоприятные для сохранения остатков. Теория стационарного состояния представляет собой только исторический или философский интерес, так как выводы этой теории противоречат научным данным.

Теория Опарина -- Холдейна

В 1924 году будущий академик Опарин опубликовал статью «Происхождение жизни», которая в 1938 году была переведена на английский и возродила интерес к теории самозарождения. Опарин предположил, что в растворах высокомолекулярных соединений могут самопроизвольно образовываться зоны повышенной концентрации, которые относительно отделены от внешней среды и могут поддерживать обмен с ней. Он назвал их коацерватные капли, или просто коацерваты. Согласно его теории, процесс, приведший к возникновению жизни на Земле, может быть разделён на три этапа:

· Возникновение органических веществ

· Возникновение белков

· Возникновение белковых тел

Астрономические исследования показывают, что как звёзды, так и планетные системы возникли из газопылевого вещества. Наряду с металлами и их оксидами в нём содержались водород, аммиак, вода и простейший углеводород -- метан.

Условия для начала процесса формирования белковых структур установились с момента появления первичного океана (бульона). В водной среде производные углеводородов могли подвергаться сложным химическим изменениям и превращениям. В результате такого усложнения молекул могли образоваться более сложные органические вещества, а именно углеводы.

Наука доказала, что в результате применения ультрафиолетовых лучей можно искусственно синтезировать не только аминокислоты, но и другие органические вещества. Согласно теории Опарина, дальнейшим шагом по пути к возникновению белковых тел могло явиться образование коацерватных капель. При определённых условиях водная оболочка органических молекул приобретала чёткие границы и отделяла молекулу от окружающего раствора. Молекулы, окружённые водной оболочкой, объединялись, образуя многомолекулярные комплексы -- коацерваты.

Коацерватные капли также могли возникать при простом смешивании разнообразных полимеров. При этом происходила самосборка полимерных молекул в многомолекулярные образования -- видимые под оптическим микроскопом капли.

Капли были способны поглощать извне вещества по типу открытых систем. При включении в коацерватные капли различных катализаторов (в том числе и ферментов) в них происходили различные реакции, в частности полимеризация поступающих из внешней среды мономеров. За счёт этого капли могли увеличиваться в объёме и весе, а затем дробиться на дочерние образования. Таким образом, коацерваты могли расти, размножаться, осуществлять обмен веществ.

Далее коацерватные капли подвергались естественному отбору, что обеспечило их эволюцию.

Подобные взгляды также высказывал британский биолог Джон Холдейн.

Проверил теорию Стэнли Миллер в 1953 году в эксперименте Миллера -- Юри. Он поместил смесь H₂O, NH₃, CH₄, CO₂, CO в замкнутый сосуд и стал пропускать через неё электрические разряды (при температуре 80°С). Оказалось, что образуются аминокислоты^[11]. Позднее в разных условиях были получены также сахара и нуклеотиды^[9]. Он сделал вывод, что эволюция может произойти при фазовообособленном состоянии из раствора (коацерватов). Однако такая система не может сама себя воспроизводить.

Теория была обоснована, кроме одной проблемы, на которую долго закрывали глаза почти все специалисты в области происхождения жизни. Если спонтанно, путём случайных безматричных синтезов в коацервате возникали единичные удачные конструкции белковых молекул (например, эффективные катализаторы, обеспечивающие преимущество данному коацервату в росте и размножении), то как они могли копироваться для распространения внутри коацервата, а тем более для передачи коацерватам-потомкам? Теория оказалась неспособной предложить решение проблемы точного воспроизведения -- внутри коацервата и в поколениях -- единичных, случайно появившихся эффективных белковых структур. Однако было показано, что первые коацерваты могли образоваться самопроизвольно из липидов, синтезированных абиогенным путём, и они могли вступить в симбиоз с «живыми растворами» -- колониями самовоспроизводящихся молекул РНК, среди которых были и рибозимы, катализирующие синтез липидов, а такое сообщество уже можно назвать организмом.

Однако Ричард Докинз в своём «Эгоистичном гене», где он излагает геноцентрический взгляд на эволюцию, предположил, что в первичном бульоне возникли не коацерватные капли, а первые молекулы-репликаторы, способные создавать копии самих себя. Такой молекуле было достаточно возникнуть единожды и копировать себя в дальнейшем, используя органические соединения из окружающей среды (насыщенного органикой «бульона»). Сразу после появления репликатора, он стал распространять свои копии по всем морям, пока более мелкие молекулы, которые стали «строительными блоками», не стали дефицитными, что вынудило первичные репликаторы бороться за выживание друг с другом и эволюционировать.

Зарождение жизни в горячей воде

Гипотезу о возникновении жизни вблизи подводных вулканов высказал Л. М. Мухин в начале 1970-х. Научные исследования показывают, что зарождение жизни в минеральной воде и, в особенности, гейзерах наиболее вероятно^[14]. В 2005 году академик Юрий Викторович Наточин высказал предположение, отличное от общепринятой концепции возникновения жизни в море, и аргументировал гипотезу, согласно которой средой возникновения протоклеток были водоёмы с преобладанием ионов К⁺, а не морская вода с доминированием ионов Na⁺. В 2009 г. Армен Мулкиджанян и Михаил Гальперин на основе анализа содержания элементов в клетке также пришли к выводу, что, вероятно, жизнь зародилась не в океане. Дейвид Уард доказал, что в горячей минеральной воде появились и сейчас образуются строматолиты. Самые древние строматолиты были обнаружены в Гренландии. Их возраст насчитывает 3,5 миллиарда лет. В 2011 г. Тадаси Сугавара создал протоклетку в горячей воде. Исследования Мари-Лор Пон минерала серпентина в геологической формации Исуа, Гренландия, в 2011 г. показали, что жизнь могла зародиться и в грязевых вулканах. Лауреат Нобелевской премии биолог Джек Шостак отметил, что мы можем легче представить себе накопление органических соединений в первичных озёрах, чем в океане. Такого же мнения группа учёных под руководством Евгения Кунина.

Современные научные представления

Химическая эволюция или пребиотическая эволюция -- первый этап эволюции жизни, в ходе которого органические, пребиотические вещества возникли из неорганических молекул под влиянием внешних энергетических и селекционных факторов и в силу развёртывания процессов самоорганизации, свойственных всем относительно сложным системам, к которым относится большинство углеродосодержащих молекул.

Также этими терминами обозначается теория возникновения и развития тех молекул, которые имеют принципиальное значение для возникновения и развития живого вещества.

Генобиоз и голобиоз

В зависимости от того, что считается первичным, различают два методологических подхода к вопросу возникновения жизни:

Генобиоз -- методологический подход в вопросе происхождения жизни, основанный на убеждении в первичности молекулярной системы со свойствами первичного генетического кода.

Голобиоз -- методологический подход в вопросе происхождения жизни, основанный на идее первичности структур, наделённых способностью к элементарному обмену веществ при участии ферментного механизма.

Мир РНК как предшественник современной жизни

К XXI веку теория Опарина--Холдейна, предполагающая изначальное возникновение белков, практически уступила место современной гипотезе мира РНК. Толчком к её разработке послужило открытие рибозимов -- молекул РНК, обладающих ферментативной активностью и поэтому способных соединять в себе функции, которые в настоящих клетках в основном выполняют по отдельности белки и ДНК -- то есть катализирование биохимических реакций и хранение наследственной информации. Таким образом, предполагается, что первые живые существа были РНК-организмами без белков и ДНК, а прообразом их мог стать автокаталитический цикл, образованный рибозимами, способными катализировать синтез своих собственных копий. Сахара, необходимые для синтеза РНК, в частности, рибоза, обнаружены в метеоритах и наверняка присутствовали в то время на Земле.

Мир полиароматических углеводородов как предшественник мира РНК

Гипотеза мира полиароматических углеводородов пытается ответить на вопрос, как возникли первые РНК, предлагая вариант химической эволюции от полициклических ароматических углеводородов до РНК-подобных цепочек.

Глина

О похожести развития объектов неживой природы -- кристаллов и живых клеток писал ещё К. Э. Циолковский в статье «Зарождение жизни на Земле» (1922). В XXI веке набрали силу предположения о «помощи» минералов зарождающейся жизни. Так, развилось представление, что жизнь могла зародиться в глинистом минерале монтмориллоните, который по некоторым свойствам мог способствовать построению биологических макромолекул, в том числе снабжать необходимой энергией «строительные блоки», из которых они создавались.

Альтернативные концепции

Согласно теории панспермии, предложенной Ю. Либихом, в 1865 году немецким учёным Германом Эбергардом Рихтером и окончательно сформулированной шведским учёным Аррениусом в 1895 году, жизнь могла быть занесена на Землю из космоса. Наиболее вероятно попадание живых организмов внеземного происхождения с метеоритами и космической пылью. Это предположение основывается на данных о высокой устойчивости некоторых организмов и их спор к радиации, глубокому вакууму, низким температурам и другим воздействиям. Однако до сих пор нет достоверных фактов, подтверждающих внеземное происхождение микроорганизмов, найденных в метеоритах. Но если бы даже они попали на Землю и дали начало жизни на нашей планете, вопрос об изначальном возникновении жизни оставался бы без ответа.

Фрэнсис Крик и Лесли Оргел предложили в 1973 году другой вариант -- управляемую панспермию, то есть намеренное «заражение» Земли (наряду с другими планетными системами) микроорганизмами, доставленными на непилотируемых космических аппаратах развитой инопланетной цивилизацией, которая, возможно, находилась перед глобальной катастрофой или же просто надеялась произвести терраформирование других планет для будущей колонизации. В пользу своей теории они привели два основных довода -- универсальность генетического кода (известные другие вариации кода используются в биосфере гораздо реже и мало отличаются от универсального) и значительную роль молибдена в некоторых ферментах. Молибден -- очень редкий элемент для всей Солнечной системы. По словам авторов, первоначальная цивилизация, возможно, обитала возле звезды, обогащённой молибденом.

Против возражения о том, что теория панспермии (в том числе управляемой) не решает вопрос о зарождении жизни, они выдвинули следующий аргумент: на планетах другого неизвестного нам типа вероятность зарождения жизни изначально может быть намного выше, чем на Земле, например, из-за наличия особенных минералов с высокой каталитической активностью.

В 1981 году Ф. Крик написал книгу «Life itself: its origin and nature», в которой он более подробно, чем в статье, и в популярной форме излагает гипотезу управляемой панспермии.

Академик РАН А. Ю. Розанов, глава комиссии по астробиологии в Российской академии наук, считает, что жизнь на Землю была занесена из космоса.

4. Стабильность состава вод океана

Большинство ученых пришли к выводу об изменчивости химического состава океана в течение его истории. Главное расхождение заключается в оценке степени его изменчивости. Одна часть исследователей придерживается мнения о небольшой изменчивости, другая - о значительном изменении состава вод океана.

1. Согласно представлениям Е.В. Посохова (1981) гидросфера первоначально была представлена одним хлор-кальциевым типом вод. В процессе роста и формирования земной коры произошло разделение природной воды на два генетических типа: морской и континентальной. Дальнейшая химическая дифференциация природных вод привела к возникновению на континентах ряда химических типов, число которых увеличивалось.

- На самых ранних этапах эволюции гидросферы ведущая роль, вероятно, принадлежала ювенильному фактору -процессу дегазации и дегидратации мантии в связи с процессом химической дифференциации под влиянием радиогенного тепла.

- Со временем роль этого фактора уменьшалась. Вода поверхности Земли прошла через бесчисленное множество круговоротов, по-разному соприкасаясь с минеральной частью литосферы и промывая растущие толщи осадочных горных пород и материал коры выветривания.

- Довольно рано в эволюции гидросферы большое значение стал приобретать биологический фактор -- живое вещество биосферы.

Основной причиной химической эволюции океана стали два взаимосвязанных фактора -- гидродинамический (материковый сток) и биологический.

Роль биологического фактора возрастала -- увеличение интенсивности фотосинтеза -способствовало созданию окислительной обстановки. С фанерозоя отмечается появление скелетов организмов, что приводит к увеличению перехода вещества из водной толщи океана в донные осадки. В ходе эволюции нашей планеты живые организмы становятся мощным геологическим фактором, определяющим состав вещества различных геосфер, в том числе и гидросферы. Со временем масштабы развития жизни и степень ее влияния на гидросферы стали огромными. Так, организмы отфильтровывают всю воду океана с отделением взвешенных пищевых частиц примерно за 1 год, а вся масса живого вещества океана обновляется за 33 дня.

2. В.И. Вернадский придерживался мнения о постоянстве состава вод Мирового океана. Он полагал, что с самых древних этапов геологической истории (с архея) не только состав и формы нахождения элементов должны быть аналогичны современным, но и объем вод на земной поверхности. Однако при неизменности общего количества воды могло меняться ее распределение между фазами, различными подземными бассейнами и водоемами. Периодически наступающие эпохи материкового оледенения несколько уменьшали массу океанической воды. Относительная стабильность состава природных вод в большей степени присуща водам Мирового океана и в меньшей -- континентальным водоемам и тем более подземным водам.

Вследствие чрезвычайно интенсивной миграции всех химических элементов под действием проточных вод, океан в химическом отношении стабилизировался довольно быстро, поэтому в данном случае можно согласиться с мнением В.И. Вернадского.

Главнейшие корообразующие химические элементы в океанической воде имеют разную историю. Главным катионом литосферы является кремний. В сочетании с анионом кислорода он дает ряд кристаллохимических структур, которые являются основой едва ли не всех породообразующих минералов.

Кремний в морской воде находится преимущественно в виде аморфной кремнекислоты. В воде океанов происходит сложная миграция кремнезема, причем основное его количество в верхних горизонтах водной толщи быстро поглощается преимущественно организмами планктона -- диатомовыми водорослями ,извлекающими 70 -- 80% кремнезема из морской воды. Скелеты из кремнезема образуют также радиолярии и губки, при этом они используют не только растворенный в воде кремнезем, но и аморфный. Эти организмы при своей гибели уносят кремний на морское дно, сокращая сроки пребывания данного элемента в воде.

Алюминий-- наиболее распространенный элемент в земной коре. В биосфере образует плохо растворимые соединения и его гидроокислы остаются преимущественно в коре выветривания. В океан поступает главным образом в составе глинистых минералов, образующих коллоидные взвеси, осаждающиеся на морское дно.

Железо, как и алюминий, встречается в морской воде в малых количествах, при этом окислительные условия способствуют осаждению его из воды, а восстановительные -- растворению. Кислая среда (с низким рН) в общем способствует миграции железа, а щелочная (рН ~ 8) определяет осаждение железа в виде гидроокислов. Вынос растворимых соединений железа с континентов происходит преимущественно в зимнее время, когда питание рек осуществляется главным образом за счет грунтовых вод, выщелачивающих железо из почвенных и подпочвенных горизонтов. В современном океане соединения железа довольно быстро осаждаются.

Кальций отличается исключительно высокой миграционной способностью, причем он первый выносится из коренных горных пород в основном в форме карбоната Са(НСО₃)₂.Из всех металлов кальций оказывается наиболее биогенным, поэтому сроки его пребывания в морской воде ограничены. Миграция кальция в океане с участием организмов -- наиболее важное звено в его круговороте. С миграцией и свойствами данного элемента связано увеличение интенсивности образования карбонатных пород в фанерозое.

Магний, натрий и калий имеют в общем довольно сходную историю в океане. В современном континентальном стоке отношение Mg/Na близко к единице. Осаждение магния из морской воды в донные осадки связано с образованием доломитов CaMg(CO₃)₂и захватом его живыми организмами. Формирование доломитов происходит в неглубоких морях, изолированных бассейнах в связи с испарением и образованием насыщенных растворов. Часть магния уходит в карбонатный скелет морских организмов, что совершенно не свойственно натрию. Высокая концентрация натрия и магния в океанической воде связана с их высокой растворимостью; они остаются в океане дольше, чем какие-либо другие химические элементы. Натрий в течение веков в больших количествах поступал в океан и более других элементов задерживался в растворенном виде. Вынос калия в Мировой океан задерживался процессами сорбции в тонкодисперсных глинах на материках. Калий также поглощался растениями, использовавшими его в физиологических процессах с соответствующим накоплением.

Проблема эволюции гидросферы Земли является трудной, поскольку ее свидетельства фиксируются преимущественно в осадочных породах морского происхождения. Современные представления об истории изменения состава морской воды основаны на изучении системы: атмосфера -- океан -- литосфера и на выводах, полученных при анализе состава древних осадочных пород. Например, самые существенные различия в процессах седиментации в древнем океане имеются между породами фанерозоя и раннего -- среднего докембрия. Это прежде всего формирование докембрийских полосчатых железистых формаций, свидетельствующих о миграции железа в более благоприятной водной среде, чем это было позже в геологической истории Земли.

5. Образование пресной воды на Земле

Происхождение воды на Земле является предметом множества исследований в области планетологии, астрономии и астробиологии. Земля уникальна среди скалистых планет Солнечной системы тем, что это единственная известная планета, на поверхности которой есть океаны жидкой воды. Жидкая вода, которая необходима для жизни в том виде, в каком мы ее знаем, продолжает существовать на поверхности Земли, потому что планета находится на расстоянии, известном как обитаемая зона, достаточно далеко от Солнца, чтобы она не теряла свою воду, но не настолько далеко, чтобы низкие температуры вызывали все вода на планете замерзает.

Долгое время считалось, что вода на Земле происходит не из области протопланетного диска планеты. Вместо этого предполагалось, что вода и другие летучие вещества должны были быть доставлены на Землю из внешней Солнечной системы позже в ее истории. Однако недавние исследования показывают, что водород внутри Земли сыграл определенную роль в формировании океана. Эти две идеи не являются взаимоисключающими, поскольку есть также доказательства того, что вода была доставлена на Землю в результате ударов ледяных планетезималей, сходных по составу с астероидами на внешних краях пояса астероидов.

История воды на Земле

Одним из факторов, определяющих, когда вода появилась на Земле, является то, что вода постоянно теряется в космосе. Молекулы _H2o в атмосфере расщепляются в результате фотолиза, и образующиеся в результате свободные атомы водорода иногда могут избежать гравитационного притяжения Земли (см.: Выход в атмосферу). Когда Земля была моложе и менее массивной, вода легче терялась бы в космосе. Ожидается, что более легкие элементы, такие как водород и гелий, будут постоянно вытекать из атмосферы, но изотопные соотношения более тяжелых благородных газов в современной атмосфере предполагают, что даже более тяжелые элементы в ранней атмосфере подвергались значительным потерям. В частности, ксенон полезен для расчетов потерь воды с течением времени. Это не только благородный газ (и, следовательно, не удаляется из атмосферы в результате химических реакций с другими элементами), но и сравнение содержания его девяти стабильных изотопов в современной атмосфере показывает, что Земля потеряла по крайней мере один океан воды в начале своей истории, между хадейской и архейской эпохами.

Любая вода на Земле во время последней части ее аккреции была бы разрушена в результате удара, образующего Луну (~ 4,5 миллиарда лет назад), который, вероятно, испарил большую часть земной коры и верхней мантии и создал каменно-паровую атмосферу вокруг молодой планеты. Пары горных пород конденсировались бы в течение двух тысяч лет, оставляя после себя горячие летучие вещества, которые, вероятно, привели к образованию атмосферы из диоксида углерода с водородом и водяным паром. Впоследствии, возможно, существовали океаны с жидкой водой, несмотря на температуру поверхности 230 ° C из-за повышенного атмосферного давления атмосферы _CO2. По мере продолжения охлаждения большая часть _CO2 была удалена из атмосферы путем субдукции и растворения в океанской воде, но уровни сильно колебались по мере появления новых поверхностных и мантийных циклов.

Геологические данные также помогают определить временные рамки существования жидкой воды на Земле. Образец подушечного базальта (тип породы, образовавшейся во время подводного извержения) был извлечен из зеленокаменного пояса Исуа и свидетельствует о том, что вода существовала на Земле 3,8 миллиарда лет назад. В зеленокаменном поясе Нуввуагиттук, Квебек, Канада, породы возрастом 3,8 миллиарда лет, согласно одному исследованию, и 4,28 миллиарда лет, согласно другому, свидетельствуют о присутствии воды в этих возрастах. Если океаны существовали раньше, какие-либо геологические доказательства еще предстоит обнаружить (что может быть связано с тем, что такие потенциальные доказательства были уничтожены геологическими процессами, такими как переработка земной коры). Совсем недавно, в августе 2020 года, исследователи сообщили, что воды, достаточной для заполнения океанов, возможно, всегда было на Земле с начала формирования планеты.

В отличие от горных пород, минералы, называемые цирконами, обладают высокой устойчивостью к атмосферным воздействиям и геологическим процессам и поэтому используются для понимания условий на самой ранней Земле. Минералогические данные из цирконов показали, что жидкая вода и атмосфера должны были существовать 4,404±0,008 миллиарда лет назад, очень скоро после образования Земли. Это представляет собой своего рода парадокс, поскольку гипотеза холодной ранней Земли предполагает, что температуры были достаточно холодными, чтобы заморозить воду примерно между 4,4 и 4,0 миллиардами лет назад. Другие исследования цирконов, найденных в австралийских хадейских породах, указывают на существование тектоники плит уже 4 миллиарда лет назад. Если это правда, то это означает, что вместо горячей, расплавленной поверхности и атмосферы, полной углекислого газа, ранняя поверхность Земли была такой, какой она является сегодня. Действие тектоники плит задерживает огромное количество _CO2, тем самым уменьшая парниковый эффект, что приводит к гораздо более низкой температуре поверхности и образованию твердых пород и жидкой воды.

Запасы воды на Земле

Хотя большая часть поверхности Земли покрыта океанами, эти океаны составляют лишь небольшую часть массы планеты. Масса океанов Земли оценивается в 1,37 Ч 10 ²¹ кг, что составляет 0,023% от общей массы Земли, 6,0 Ч 10 ²⁴ кг. По оценкам, еще 5,0 Ч ^10-20 кг воды содержится во льду, озерах, реках, грунтовых водах и водяном паре в атмосфере. Значительное количество воды также хранится в земной коре, мантии и ядре. В отличие от молекулярного H_2o, который находится на поверхности, вода внутри существует в основном в гидратированных минералах или в виде следовых количеств водорода, связанного с атомами кислорода в безводных минералах. Гидратированные силикаты на поверхности переносят воду в мантию на сходящихся границах плит, где океаническая кора погружается под континентальную кору. Хотя трудно оценить общее содержание воды в мантии из-за ограниченного количества образцов, там может храниться примерно в три раза больше массы земных океанов. Аналогичным образом, ядро Земли может содержать водорода на сумму от четырех до пяти океанов.

Гипотезы происхождения воды на Земле

Внепланетные источники

Вода имеет гораздо более низкую температуру конденсации, чем другие материалы, из которых состоят планеты земной группы в Солнечной системе, такие как железо и силикаты. Область протопланетного диска, ближайшая к Солнцу, была очень горячей в начале истории Солнечной системы, и невозможно, чтобы океаны воды конденсировались вместе с Землей при ее формировании. Дальше от молодого Солнца, где температура была ниже, вода могла конденсироваться и образовывать ледяные планетезимали. Граница области, где мог образоваться лед в ранней Солнечной системе, известна как линия замерзания (или линия снега) и расположена в современном поясе астероидов, примерно между 2,7 и 3,1 астрономическими единицами (AU) от Солнца.