Exhaustion? Prosperity? — 07 Розгляд «пунктиром»: Історія біосфери від появи життя до людської цивілізації

Онлайн-матеріали до міжфакультетського курсу
«Минуле, сучасне та можливе майбутнє людства та біосфери: виснаження або розквіт?»

М. О. Кравченко, Д. А. Шабанов

Функціонування Землі Розгляд «пунктиром»: Історія біосфери від появи життя до людської цивілізації Матеріали, що є корисними для розуміння перспектив людства
Exhaustion? Prosperity? — 06 Exhaustion? Prosperity? — 07 Exhaustion? Prosperity? — 08

 

Деякі з тем, що заслуговують на обговорення у курсі, детально проробити ми не зможемо. Тут зібрані тези, що ми маємо розглянути, та деякі посилання, що допоможуть зрозуміти ці тези.

Звісно, тут залишиться багато "дірок". Пропонуємо обговорити їх в Google-документі (посилання на якій є в Telegram-групі), передивитися який можна тут. Незгодні? Маєте аргументи, які тут не враховані? Можете щось додати? Висловлюйте свою думку у Google-документі!

Усі живі організми (включно з нами) є частиною свого середовища, і насправді не можуть бути повністю виокремлені від нього

Нам може здаватися, що ми є чимось відносно незалежним від свого оточення. Може ж будь-хто з нас переїхати в іншу країну, змінити професію, родину і навіть стать? Може. Але власну історію стерти не зможе, і все одно його особистість лишиться первинно сформованою тим станом, у якому він перебував до цієї зміни. Сказане стосується нас, представників глобального виду... Будь-яка інша істота є детермінованою своїм середовищем набагато більшою мірою...

Активність земних надр, хтонічна (материнська, первинна) енергія необхідні для підтримання середовища, в якому можуть з'явитися складні істоти

Ми обговорили, як активність надр забезпечує тектоніку пліт. Один з головних наслідків тектоніки — безперервний підйом речовин з надр на денну поверхню (це — красивий геологічне поняття). Елементи, що містяться в цій речовини, стають доступними для биогеохімічних круговоротів. Якщо б такого підйому не було, вода та повітря зруйнували б спочатку гори, а потім і просто суходіл. Земля була б покрита океаном глибиною в півтора кілометра. На поверхні цього океану було б світло, але усі елементи, що необхідні для складного життя, містилися б у темній глибині. Життя в таких умовах, ймовірно, було б можливим, але не доводиться очікувати, що воно могло б бути складним.   

Наслідком активності Землі є цикл перетворення гірських порід та утворення магматичних, осадових та метаморфічних порід 

Продукти руйнації гірських порід рано чи пізно потрапляють в осадові породи, що утворюються на дні водойм. Внаслідок руху тектонічних плит ці осадові породи потрапляють у мантію, де зазнають впливу температури та тиску і перетворюються на метаморфічні породи. Кінець-кінцем, ці породи можуть розплавитися та бути виверженими на поверхню (чи під поверхню) і утворити магматичні породи, які з часом будуть знову зруйновані.

Поява такого життя, яке ми можемо себе уявити, можлива лише в середовищі з різноманіттям елементів та речовин

Саме тому, до речі, життя не могло з'явитися, поки Всесвіт був молодим: елементів було замало, їх мали «наробити» зорі. Саме тому особливе значення для життя отримує Карбон: елемент, що здатний утворювати дуже складні молекулярні «скелети».

Органічні речовини дуже поширені у Всесвіті; у певних умовах вони легко утворюються, і, у разі складних молекул, достатньо легко руйнуються

Знайдені навіть туманності, що містять велику частину органічної речовини.

Поширена версія походження життя, за якої молекули випадково «зістрибнулися» і утворили першу клітину, не витримує ніякої критики. Це — або наївна казка, або «солом'яне опудало» для супротивників наукової картини світу

Колись вчені могли дійсно пропонувати такі версії: раз є величезна кількість молекул, які взаємодіють одна з одною, будуть виникати різні поєднання. Чомусь якій-небудь комбінації не виявитися вдалою?

Коли стало зрозуміло, якою є складність живих систем, ці ідеї про випадкові комбінації, які виявилися вдалими за один крок, слід забути. Ні. Це — апеляція до дива у наукоподібній обгортці. Зараз ці ідеї скоріше «розганяють» ті, хто намагаються переконати наївних людей в тому, що життя спеціально кимось створене. Дуже часто в подібних цілях використовується маніпулятивний спосіб, який називають «солом'яним опудалом». Маніпулятор бореться не зі своїм справжнім опонентом, а з його спотвореним образом. Версія про молекули, що «зістрибнулися», виявилася дуже зручною штучною мішенню для релігійних проповідників, які намагаються зруйнувати розуміння питань, що належать до сфери науки. 

Ці й наступні тези обговорюються, крім іншого, в цьому розділі підручника: Экология: биология взаимодействия. 2.12. (дополнение) Возникновение жизни. Предживые системы

Причиною стійкості, відповідності середовищу є добір. Причиною складності є тривалий, багаторазовий добір

...і усе інше — від лукавого. Ми обговорювали, чому добір, в його найширшому розумінні, є причиною навіть людської творчості. Спроби визначати добір лише у його вузькому дарвіновському сенсі (тобто такому, який стосується лише організмів) — ще одна побудова «солом'яного опудала». Добір у найширшому сенсі включає і добір речовин на стійкість, і добір хімічних реакцій на автокаталіз. 

Хімічній еволюції сприяють періодичні зміни умов, які викликають зміщення хімічної рівноваги в автокаталітичних реакціях 

Температура зростає. Активуються реакції, що зміщують рівновагу в один бік (припустимо, руйнування складних речовин). Якщо ці реакції можуть йти різними шляхами, ці шляхи будуть конкурувати один з одним. У ході реакцій будуть виникати молекули, що будуть сприяти утворенню подібних молекул. Тут нема нічого дивного. Згадайте, як поява кристалу в перенасиченому розчині викликає подальшу кристалізацію. «Затравка» стає шаблоном, на якому збираються подібні молекули або комплекси молекул; у рості кристалу проявляється збірка на матричній основі. Потім умови змінюються і перевагу отримують протилежні реакції... 

І навіть сама здатність до автокаталізу може бути результатом добору!

Ці речі достатньо детально описані у цьому розділі підручника для інтегрованого шкільного курсу: "Природничі науки. Минуле, сучасне та можливе майбутнє людства і біосфери". D2. Життя та природний добір. Крім іншого, на цій сторінці є цікаві фрагменти з виступів на TED, що присвячені створенню штучних аналогів життя. 

Важливим перехідним етапом в еволюції життя міг бути так званий "світ РНК" 

Сучасне життя побудовано на взаємодії двох класів біополімерів — білків та ДНК. Білки, крім іншого, виконують ферментативні (каталітичні) функції. ДНК є носієм спадкової інформації. РНК можуть володіти каталітичною функцією (РНК-ові каталізатори називаються рібозимами), хоча й не настільки ефективно, як білки, і можуть зберігати та передавати інформацію (хоча й менш ефективно, ніж ДНК. Мало того, в усіх ключових процесах у клітині, де взаємодіють білки та ДНК, між ними знаходиться та виконує ключові функції РНК.

Про історію життя на Землі ми можемо узнавати завдяки "реєструвальним структурам" планети — осадовим породам. Лише з'являються перші осадові породи — в них вже є сліди життя

Для створення осадових порід необхідна вода. Лише на Землі з'явився океан, і на його дня почали утворюватися осадові породи, в них знаходяться сліди життя. Найстаріші відомі знахідки походять з родовища Ісуа в Гренландії віком в 3,8 млрд. років та родовища Варравана-3 в Австралії віком 3,5 млрд. років (до речі, вважається, що у часи імператора Тіберія окупаційний правитель Юдеї Понтій Пілат на вимогу плебсу відпустив замість Ісуса з Назарету розбійника Варавву; ці імена зійшлися у назвах двох родовищ з різних боків планети). У той час океан ще був гарячим; внаслідок вищого тиску його температура могла перевищувати 100°C. Виходить, що життя з'явилося майже в окропі!

Непоганим вступом в історію життя можуть бути 5 статей Сергія Ястребова, надруковані в 2016 р. в "Хімії та житті":
"Семь порогов в истории жизни"
"Кислородная революция и Земля-снежок"
"Кембрийский взрыв"
"Жизнь на суше: расцвет, кризис, возрождение"
"Эусоциальность и феномен человека"

 Завдяки порівнянню послідовностей осадових порід на різних ділянках Землі побудовано геохронологічну шкалу — відносну послідовність проміжків геологічного часу  

На Землі ніде не існує повної послідовності порід. Можна встановити, які породи на різних ділянках відкладалися одночасно (перш за все — за характерними для них викопними, керівними копалинами). Внаслідок порівняння різних геологічних колонок (послідовностей порід), можна встановити, які з різних шарів відкладалися раніше (і розташовані, у разі непорушених послідовностей, нижче, на більшій глибині). Зведена докупи загальна послідовність шарів і утворює геохронологічну шкалу. Це — відносний геологічний час (що задається відносинами "раніше — пізніше"). Абсолютний час встановлюють завдяки вимірюванню в гірських породах співвідношення радіоактивних елементів та продуктів їх розпаду. Датування абсолютного часу періодично уточнюються, датування за відносним часом лишаються (крім випадків помилкової ідентифікації) стабільними.

Крім іншого, це обговорюється в цьому розділі матеріалів для шкільного курсу "Природничі науки. Минуле, сучасне та можливе майбутнє людства і біосфери". D3. Життя змінює планету та в цьому розділі підручника для університета: Экология: биология взаимодействия. 2.13. (дополнение) Геохронологическая шкала

Одним з найбільших переломів в історії Землі була киснева катастрофа (киснева революція), що відбулася в сідерії, приблизно 2,4 мільярда років тому

З поширенням ціанобактерій на середовище став суттєво впливати кисень (O2), побічний продукт їх фотосинтезу, що був токсичним для тогочасного життя. Спочатку кисень витрачався на окиснення відновлювачів у середовищі. Перш за все, це були розчинні у воді сполуки Fe2+, що окислювалися до нерозчинних сполук Fe3+. Кисень, який вивільнювали фотосинтезуючі організми, спочатку окислив усі відновлювачі на поверхні планети, а потім накопичився у надлишковій кількості. Зміни в окиснювальному потенціалі середовища (вдень вивільнюється кисень, вночі повертається відновлювальне середовище) стали причиною утворення джеспілітів — смугастих залізних руд.

У кріогенії (850–630 млн років тому) уся Земля була вкрита льодовиками і перебувала у стані Землі-сніжка. Ймовірно, це було наслідком зв'язування вуглекислоти під час фотосинтезу

Температура планети залежить від того, скільки тепла вона отримує, та від того, скільки тепла вона витрачає. На витрати тепла планетою впливає парниковий ефект атмосфери: непрозорість атмосфери для того випромінення, на якому планета віддає енергію у космос. Світло від Сонця проходить через атмосферу, нагріває Землю, а вторинне випромінення Землі утримує. Важливими парниковими газами є CO2 (вуглекислота), CH4 (метан), H2O (водяна пара). Живі організми знизили кількість вуглекислоти та метану у атмосфері, і планета стала витрачати більше енергії. Температура на Землі знизилася, і її поверхня вкрилася льодовиком. Це підвищило альбедо (здатність відбивати світло) планети. Біла планета розсіює світло набагато ефективніше, ніж темна; це зменшує кількість тепла, що вона отримує (зверніть увагу на приклад позитивного зворотнього зв'язку!).

Стан Землі-сніжка є пасткою, у якій планета, ймовірно, могла б лишитися назавжди. Втім, посилення вулканізму, призвело до потрапляння у атмосферу великої кількості вуглекислоти, посиленню парникових властивостей атмосфери та таянню льодовиків. Чи були події, що поклали кінець стану Землі-сніжка випадковими? Є версії, що посилення вулканізму було одним з наслідків зменшення потоку тепла через поверхню планети.