Микроорганизмы и эволюция атмосферы

Наша Земля кардинальным образом отличается от других планет Солнечной системы. По сравнению с Юпитером и Солнцем она содержит лишь незначительные количества инертных газов. По-видимому, она образовалась в результате объединения множества метеоритов; вследствие нагрева и расплавления внутреннего ядра Земли вода и газы были вытеснены к ее поверхности. Первичная атмосфера, вероятно, содержала много водорода, метана, азота и углекислого газа, но в ней не было кислорода. При фотолизе водяных паров освобождался кислород, но он вновь переходил в связанное состояние. Химическая эволюция могла происходить только в бескислородной атмосфере.

Как полагают, в восстановленной первичной атмосфере (в которой не было кислорода) под действием солнечной радиации и в результате электрических разрядов образовывались органические вещества, которые затем попадали в воду и в ней накапливались. Когда они накопились в большом количестве, возникли условия, при которых мог совершиться переход от химической эволюции к возникновению первых само­воспроизводящихся живых существ.

Переход от неживой органической материи к живой клетке потребовал длительного времени. Появившиеся клеточные организмы получили большое селективное преимущество, поэтому все предшествующие формы организации оказались вытесненными.

Согласно распространенному представлению, в восстановленной первичной атмосфере происходило развитие прокариотических организмов (рисунок 2).

Слайд №29. Наиболее древние биогеохимические процессы связаны с жизнедеятельностью хемолитотрофных бактерий. В качестве аналога форм древней жизни микробиологи рассматривают термофильные литотрофные бактерии, существующие в горячих источниках при температуре, близкой к 100°С. Специальные микробиологические исследования наземных и подводных горячих источников показали, что в настоящее время существуют сообщества термохемолитотрофных бактерий, субстратом для которых служат вулканические газы. Такие микроорганизмы окисляют восстановленные газообразные соединения и за счет энергии этих реакций синтезируют органические вещества. Разумеется, это не сопровождается продуцированием кислорода.

Слайд №30. Хемолитотрофные сообщества, включившиеся в механизм взаимодействия окислителей атмосферы с восстановленными газами, выделявшимися из земных недр, знаменуют первый этап геохимической деятельности живых организмов.

Включение живых организмов в глобальную систему миграции химических элементов— выделение газов из Земли в атмосферу, их окисление и последующее вымывание из атмосферы — усложнило систему и превратило ее из абиогенной в биогенно-абиогенную.

Первыми прокариотами, которые могли появиться в водоемах, богатых органическими веществами, были микроорганизмы, существовавшие за счет брожения и обладавшие основными функциями анаэробного обмена (фруктозобисфосфатный и пентозо-фосфатный пути).

После появления фосфорилирования, сопряженного с переносом электронов, могла возникнуть также фотосистема I-«протонный насос, приводимый в действие светом», что позволило использовать свет в качестве источника энергии. С приобретением способности фиксировать двуокись углерода в рибулозобисфосфатном цикле и использовать неорганические доноры электронов (водород, сероводород, серу) выработался тип метаболизма, характерный для пурпурных серных бактерий. К еще большей независимости от растворенных в воде веществ привело затем появление фотосистемы II: стал возможен нециклический перенос электронов с использованием воды в качестве их донора. Этот процесс был неизбежно связан с выделением кислорода. Оксигенный фотосинтез привел к тому, что земная атмосфера обогатилась кислородом.

Слайд №31. Представителями первых микроорганизмов, осуществлявших фотосинтез с выделением кислорода, являются цианобактерии, которые для синтеза органического вещества начали использовать не энергию окислительно-восстановительных химических реакций, а световую энергию Солнца. Признаки деятельности этих простейших форм жизни отмечены уже в самых древних геологических образованиях. При реакции фотосинтеза кислород стал выделяться в качестве метаболита. Для цианобактерий свободный кислород токсичен, они нормально развиваются при его отсутствии. Широкому распространению цианобактерий в древнем океане способствовало быстрое связывание кислорода в форме оксида железа и сульфатов. По этой причине содержание свободного кислорода в океане и в атмосфере длительное время не увеличивалось. Лишь после окисления двухвалентного железа, растворенного в древних океанах и первоначально связанного в форме сидератов, из которых впоследствии образовались мощные толщи железистых кварцитов (джеспелитов), началось накопление кислорода в атмосфере. По расчетам немецкого геохимика М. Шидловского (1980), в оксидах железа связано примерно 56% всего выделившегося в результате фотосинтеза кислорода, в сульфатах — 39% и только 5% находится в свободном состоянии и распределено между атмосферой и океаном (рисунок 3).

о

Содержание кислорода в атмосфере стало увеличиваться около 1, 8—2, 0млрд лет назад. Это проявилось в образовании континентальных красноцветных земных пород (глина), свидетельствующих о том, что окисление растворенного в океане железа в основном закончилось и началось его окисление на суше.

Биогеохимической особенностью цианобактериальной системы являлось преобладание продуктивных процессов над деструкционными. В результате этого в толще осадков древних морей было погребено огромное количество органического углерода, а в окружающую среду выделено в 2, 7 раза большее количество кислорода. Изменение геохимии древних океанов и атмосферы создало предпосылки для совершенствования биогеохимических циклов.

Слайд №32 Переход от первичной восстановленной атмосферы к атмосфере, содержащей кислород, несомненно, был величайшим событием как в эволюции живых существ, так и в преобразовании минералов. В результате превращения цитохромов в терминальные оксидазы и использования молекулярного кислорода в качестве акцептора электронов у бактерий стал возможным новый тип метаболизма - аэробное дыхание.

Вызвав накопление кислорода в атмосфере, живые организмы тем самым через окисление минералов - повлияли и на неживую природу. В период до 600млн. лет назад содержание кислорода в атмосфере увеличилось всего лишь до 2%. И только после того, как растения завоевали сушу и покрыли ее густым зеленым ковром, концентрация кислорода в воздухе резко повысилась и достигла современного уровня (21%). Накопление кислорода сопровождалось образованием отложений углерода в форме каменного угля, нефти, природного газа и углеродсодержащих осадочных пород.

⇐ Предыдущая15161718192021222324

Поделиться: