БИОСФЕРА И ЕЕ ЭВОЛЮЦИЯ СТРОЕНИЕ БИОСФЕРЫ

Зарегистрируйтесь, чтобы просмотреть полный документ!

• Основы науки о биосфере были заложены академиком Вернадским в начале ХХ века. • БИОСФЕРА – область распространения жизни на Земле, включающая населенную различными организмами верхнюю часть земной коры (литосферу), воды рек, морей и океанов (гидросферу), воздушную оболочку (атмосферу). • В современном представлении биосфера – это сложная большая динамическая система, состоящая из многих компонентов живой и неживой природы. • Живое вещество аккумулирует энергию космоса (Солнца) и трансформирует ее в энергию земных процессов (механическую, химическую, тепловую). • Живое вещество обменивается энергией и веществом с неживой материей, обеспечивая образование нового живого вещества. • Неживые тела неспособны самопроизвольно осуществлять сложные преобразования. Они преимущественно рассеивают энергию в виде теплоты.

По существующим оценкам биосфера возникла 3, 5… 4, 5 миллиарда лет назад. Органическая жизнь сосредоточена в литосфере, гидросфере и тропосфере (нижней части атмосферы). Литосфера – твердая внешняя оболочка Земли, включающая земную кору и часть мантии. Жизнь концентрируется в верхней части земной коры, в основном в почвенном покрове.

Почва представляет из себя смесь остатков живых организмов и неорганических веществ. Около 99% всего вещества в верхних слоях литосферы трансформировано живыми организмами. Их масса 2, 4· 1012 т в расчете на сухое вещество. Однако по сравнению с общей массой Земли это очень малая цифра (порядка 10 -9). Ежегодное воспроизводство биомассы порядка 0, 17· 1012 т.

Гидросфера – водная оболочка Земли. Основная часть запаса воды – это соленые воды Мирового океана (96% от общего запаса всей гидросферы). Большая часть пресной воды (около 70%) сосредоточена в ледниковых покровах (в основном на полюсах планеты). Огромную роль играют болота, обладая площадью 3 млн. км 2 (около 2% площади суши). Это аккумуляторы и естественные фильтры пресной воды. Растения Животные ВСЕГО Относительно биомассы Земли ОКЕАН 6, 3% 93, 7% 100% 0, 13% СУША 99, 2% 0, 8% 100% 99, 87%

Атмосфера – газовая оболочка Земли. Её масса 5, 9· 1015 т. В атмосфере выделяют: • тропосферу (до 18 км); • стратосферу (до 40 км); • мезосферу; • ионосферу. В основном биологическая жизнь сосредоточена в тропосфере. Именно здесь интенсивно протекают тепловые процессы. Падение температуры составляет в среднем 0, 6 0 С на каждые 100 м по высоте. На высотах от 25 до 40 км от поверхности Земли располагается озоновый слой, имеющий исключительное значение для возможности протекания жизни на нашей планете. Он защищает все живое от жесткого коротковолнового космического излучения.

ЭВОЛЮЦИЯ БИОСФЕРЫ Происхождение химических элементов

Происхождение и эволюция Вселенной базируются на нескольких известных фактах: 1. Все объекты Вселенной имеют, по-существу, одинаковый химический состав. 2. Почти все вещество Вселенной находится в виде двух простейших элементов – водорода Н и гелия Не. Остальные химические элементы, встречающиеся во Вселенной, располагаются в начале периодической системы ( «легкие» элементы). 3. Вселенная расширяется, галактики отдаляются друг от друга. Предполагается, что первичное вещество Вселенной составлял исключительно водород Н.

• Образование звезд происходит под действием сил гравитации из гигантских облаков водорода. При этом центральные районы разогревались и происходила реакция образования ядра гелия; • Освобождающаяся при протекании ядерных реакций энергия еще более разогревала звездный материал. Становился возможным синтез элементов, стоящих в начале таблицы Менделеева. Это углерод С, кислород О, азот N и других; • Примерно раз в 100 лет в любой галактике происходят взрывы сверхновых звезд. При этом выделяется колоссальная энергия, часть звездного материала выбрасывается в окружающее пространство. За счет нейтронов происходит синтез новых химических элементов, в том числе тяжелых.

БИОГЕННЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ. КРУГОВОРОТ БИОГЕННЫХ ЭЛЕМЕНТОВ

C H 10, 68 60, 56 N O P S Na K 2, 44 25, 67 0, 13 0, 08 0, 04 Mg Cl 0, 01 0, 03 Прочие К биогенным относят химические элементы, лежащие в основе любой органической жизни. Более 90% массы любого организма составляют углерод С, водород Н, азот N, кислород О, фосфор Р и сера S. Кроме основных биогенных элементов это Ca, Mg, Cl, Na, Fe и многие другие. Биогены – вещества, в том числе химические элементы, необходимые для существования живых организмов, а также вещества, синтезируемые организмами в ходе их жизнедеятельности. Содержание химических элементов в человеческом организме в атомных %: 0, 03

• С, Н, О – входят в состав любых органических веществ; • N – входит в состав белков и аминокислот; • Р – универсальный переносчик энергии в организме (входит в состав АТФ, аденозинтрифосфорной кислоты); • S – входит в состав белка. Для живых организмов характерна: 1. Избирательность поглощения из окружающей среды элементов, необходимых для жизнедеятельности. К примеру, содержание углерода в живом примерно в 70 раз больше, чем в окружающей среде. 2. Обязательное наличие водной среды. В воде протекают все биохимические реакции, поскольку большинство органических соединений водорастворимы. Несоответствие между наличием и доступностью химических элементов привело к многократному их использованию по типу круговорота (цикла).

ЦИКЛ УГЛЕРОДА Цикл углерода является идеальным, полное количество углерода в биомассе практически постоянно. Основное количество углерода сосредоточено: • в карбонатных отложениях на дне океана (1, 3∙ 1016 т); • в горных породах (1, 0∙ 1026 т); • в угле и нефти (3, 4∙ 1015 т); • в атмосфере (в виде СО 2 - 2, 35∙ 1012 т); • в растениях (5, 0∙ 1011 т); • в тканях животных (5, 0∙ 109 т). При дыхании растений и животных, при разложении органических веществ углерод в виде СО 2 выделяется в атмосферу. С середины XIX века содержание диоксида углерода в атмосфере увеличилось на 22%. Скорость оборота диоксида углерода атмосферы 300 лет.

Увеличение содержания СО 2 в атмосфере ведет к парниковому эффекту и глобальному изменению климата. Подсчитано, что повышение концентрации этого газа в 2 раза по сравнению с настоящим приведет к увеличению температуры на 4 0. Годовое потребление и выделение биосферой СО 2 224 000 000 тонн в год. ИЗМЕНЕНИЕ ДИНАМИКИ АНТРОПОГЕННЫХ ВЫБРОСОВ ДИОКСИДА УГЛЕРОДА

Таяние ледника МГУ (Полярный Урал, 1991 -2008 г)

ЦИКЛ КИСЛОРОДА Кислород имеет биогенное происхождение, так как является побочным продуктом реакции фотосинтеза. Вся масса свободного кислорода земной атмосферы возникла и сохраняется благодаря растениям суши и мирового океана. Скорость оборота кислорода порядка 2000 лет. Запасы кислорода в атмосфере (1, 2… 2)· 1015 т; Приход кислорода: • за счет фотосинтеза растений суши 4· 1011 т/год; • за счет фотосинтеза из Мирового океана (0, 7… 1)· 1011 т/год; • за счет фотодиссоциации молекул воды 2· 106 т/год. Расход кислорода: • на дыхание 0, 22· 1011 т/год; • при сжигании органического топлива (0, 9… 1)· 1010 т/год.

ЦИКЛ АЗОТА Основное хранилище азота – атмосфера, где он представлен в молекулярном виде (4· 1015 т). Отсюда он: • усваивается бактериями, сине-зелеными водорослями (до 25 кг/га в год); • фиксируется бактериями на корнях некоторых бобовых растений (до 150… 400 кг/га в год); • переходит в водорастворимую форму вследствие разрядов молний (до 4… 10 кг/га в год). Общая фиксация азота этими организмами составляет 109 тонн в год; практически весь этот материальный поток после разложения его микроорганизмами выносится в Мировой океан. Антропогенное воздействие: внесение азотных удобрений (3· 109 тонн в год) и сжигание органического топлива. Круговорот азота – процесс медленный (108 лет).

ЦИКЛ ФОСФОРА Фосфор – один из важнейших биогенных элементов, входит в состав нуклеиновых кислот, клеточных мембран, важнейший переносчик энергии (АДФ и АТФ). Цикл фосфора осуществляется через почвенные растворы. Через посредство растений фосфор передается далее по пищевым цепям к животным и возвращается в почву в виде фосфатов. Основной источник неорганического фосфора – горные породы. Содержащийся фосфор вымывается водой и выносится в Мировой океан (порядка 1, 4· 107 т/год). Обратный вынос – около 4· 105 т/год. Таким образом, цикл фосфора далеко не идеален и составляет слабое место в биосфере. Антропогенный фактор – внесение фосфорных удобрений (порядка 7· 107 т/год) и использование синтетических моющих средств (детергентов).

ЦИКЛ СЕРЫ Содержание серы в живых организмах незначительно, но без нее невозможно построить белковую молекулу. Цикл серы похож на цикл азота и осуществляется также через почвенные растворы. Возврат серы в биосферу связан с разложением мертвых животных и растений микроорганизмами с выделением в атмосферу сероводорода. Антропогенное воздействие – сжигание органического (особенно твердого и жидкого) топлива. Образующийся при сжигании диоксид серы токсичен, подавляет процессы фотосинтеза, подкисляет атмосферные осадки. Антропогенная сера составляет до 12, 5% от ее общего содержания в атмосфере.

ХИМИЧЕСКАЯ СТАДИЯ ЭВОЛЮЦИИ БИОСФЕРЫ

• Земля образовалась в ходе эволюции Солнечной системы около 5 миллиардов лет назад. Около 4, 5 миллиардов лет назад на Земле уже была жидкая вода, и сложились условия для возникновения сложных органических молекул. • Примитивная Земля – конгломерат сферической формы, состоящий из солей, оксидов, гидридов. Атмосферы практически не было, но она начинала формироваться за счет газов вулканов: метана, аммиака и паров воды. • Температура была близка к 25 0 С. Наблюдались грозы, испарение и конденсация воды. Вода была пресной. • Основной источник энергии – Солнце с жестким ультрафиолетовым излучением, извержения вулканов, метеоритная бомбардировка, тепло земных недр и ионизирующее излучение горных пород. • Первичные газы вулканов: CO 2, CO, N 2, H 2 O, H 2 S, CH 4, H 2 и другие.

Первый этап химической эволюции – получение простейших органических веществ из неорганических

Опыты Миллера и Юри (Чикагский университет, 1953 г. )

С 1953 года опыты, подобные опытам Миллера и Юри, неоднократно повторяли с различными газами и источниками энергии. Всегда, когда в составе газовой фазы присутствовали углерод, азот, водород и вода, общий ход реакций был одинаков. В результате анализа водной фазы обнаруживали различные органические соединения, в том числе уксусную, молочную кислоты, аминокислоты и др. Подтверждением этой гипотезы является тот факт, что в космосе найден ряд органических соединений: цианистый водород, формальдегид, муравьиная кислота, спирты, простейшие аминокислоты. Найдены были аминокислоты, жирные кислоты и некоторые сахара и в метеоритах.

Второй этап химической эволюции – развитие фазово-обособленных систем • В водной среде аминокислоты могут конденсироваться, образуя полимеры. Случайные комбинации могли привести к появлению матричных полинуклеотидов, способных определять последовательность нуклеотидов в новых полинуклеотидах, а также к случайному возникновению веществ, обладающих каталитической активностью и способных ускорять процессы синтеза. • По этой гипотезе важным этапом предбиологической эволюции комбинаций аминокислот-полипептидов было объединение их способности к самовоспроизведению со способностью к каталитической активности.

По мнению некоторых ученых (версия Опарина), следующим этапом явилось: • отделение белковосинтезирующей системы от окружающей среды; • возникновение водных оболочек, окружающих первичные частицы-коацерваты (модели протоклеток). Однако сохраниться могли лишь те капли, которые при делении повторяли в дочерних свои признаки и структуру. 1. Способность к обмену веществ с окружающей средой. 2. Способность к размножению, самовоспроизведению. 3. Наследственность. 4. Изменчивость. 5. Рост и развитие. 6. Раздражимость. 7. Дискретность. 8. Единство химического состава. 9. Энергозависимость

Доказательства второго этапа химической эволюции биосферы – опыты Фокса, проведенные в 1966 – 1968 годах. Их сущность – нагрев смеси аминокислот с последующим охлаждением и переносом в воду. Получил полимеры, названные протеноидами. Это белковоподобные молекулы со случайной последовательностью аминокислот. Фокс предположил, что в реальных условиях аминокислоты концентрировались в водоемах и затем под действием тепла вулканов и Солнца полимеризовались.

Общим для всех живых организмов, начиная от одноклеточных водорослей и кончая человеком, является единый механизм передачи наследственности через двойную спираль ДНК с помощью РНК, с единым вариантом генетического кода.

Скачать презентацию БИОСФЕРА И ЕЕ ЭВОЛЮЦИЯ СТРОЕНИЕ БИОСФЕРЫ

2 БИОСФЕРА И ЕЕ ЭВОЛЮЦИЯ.ppt

Количество слайдов: 33