Trái đất.
Sinh quyển là lớp vỏ của Trái đất chứa các sinh vật sống và được biến đổi bởi chúng. Sinh quyển bắt đầu hình thành không muộn hơn 3,8 tỷ năm trước, khi những sinh vật đầu tiên bắt đầu xuất hiện trên hành tinh của chúng ta. Nó thâm nhập vào toàn bộ thủy quyển, phần trên của thạch quyển và phần dưới của khí quyển, nghĩa là nó sinh sống trong sinh quyển. Sinh quyển là tổng thể của tất cả các sinh vật sống. Đây là ngôi nhà của hơn 3.000.000 loài thực vật, động vật, nấm và vi khuẩn. Con người cũng là một phần của sinh quyển, hoạt động của nó vượt qua nhiều quá trình tự nhiên và như V.I.
Nhà tự nhiên học người Pháp Jean Baptiste Lamarck vào đầu thế kỷ 19. đầu tiên đề xuất khái niệm sinh quyển mà không hề giới thiệu chính thuật ngữ này. Thuật ngữ "sinh quyển" được đề xuất bởi nhà địa chất và cổ sinh vật học người Áo Eduard Suess vào năm 1875.
Học thuyết tổng thể về sinh quyển được tạo ra bởi nhà hóa sinh và triết gia Liên Xô V.I. Lần đầu tiên, ông giao cho các sinh vật sống vai trò là lực lượng biến đổi quan trọng nhất trên hành tinh Trái đất, có tính đến hoạt động của chúng không chỉ ở thời điểm hiện tại mà còn trong quá khứ.
Còn có một định nghĩa khác, rộng hơn: Sinh quyển - khu vực phân bố sự sống trên một thiên thể. Trong khi sự tồn tại của sự sống trên các vật thể không gian ngoài Trái đất vẫn chưa được biết đến, người ta tin rằng sinh quyển có thể mở rộng đến chúng ở những khu vực ẩn giấu hơn, chẳng hạn như trong các hốc thạch quyển hoặc trong các đại dương dưới băng hà. Ví dụ, khả năng tồn tại sự sống trong đại dương Europa, một vệ tinh của Sao Mộc, đang được xem xét.
Vị trí sinh quyển
Sinh quyển bao gồm các tầng trên của thạch quyển nơi sinh vật sống, thủy quyển và các tầng dưới của khí quyển.
Ranh giới của sinh quyển
Thành phần của sinh quyển
- Vật chất sống- toàn bộ cơ thể của các sinh vật sống trên Trái đất là thống nhất về mặt vật lý và hóa học, bất kể sự liên kết hệ thống của chúng. Khối lượng vật chất sống tương đối nhỏ và ước tính khoảng 2,4...3,6⋅10 12 (tính theo trọng lượng khô) và chiếm chưa đến một phần triệu toàn bộ sinh quyển (khoảng 3⋅10 18 t), do đó, đại diện cho ít hơn một phần nghìn khối lượng của Trái đất. Nhưng đây là “một trong những lực địa hóa mạnh nhất trên hành tinh của chúng ta”, vì các sinh vật sống không chỉ cư trú ở lớp vỏ trái đất mà còn làm biến đổi diện mạo của Trái đất. Các sinh vật sống cư trú trên bề mặt trái đất rất không đồng đều. Sự phân bố của chúng phụ thuộc vào vĩ độ địa lý.
- chất dinh dưỡng- chất do cơ thể sống tạo ra và xử lý. Trong quá trình tiến hóa hữu cơ, các sinh vật sống đi qua các cơ quan, mô, tế bào và máu của chúng hàng nghìn lần trên hầu hết bầu khí quyển, toàn bộ thể tích đại dương trên thế giới và một khối lượng khoáng chất khổng lồ. Vai trò địa chất này của vật chất sống có thể được hình dung từ các mỏ than, dầu, đá cacbonat, v.v..
- chất trơ- sản phẩm được hình thành mà không có sự tham gia của sinh vật sống.
- Chất trơ sinh học- một chất được tạo ra đồng thời bởi các sinh vật sống và các quá trình trơ, đại diện cho hệ thống cân bằng động của cả hai. Đó là đất, phù sa, lớp vỏ phong hóa, v.v. Các sinh vật đóng vai trò chủ đạo trong đó.
- Một chất đang bị phân rã phóng xạ.
- Các nguyên tử rải rác, liên tục được tạo ra từ mọi loại vật chất của trái đất dưới tác động của bức xạ vũ trụ.
- Chất có nguồn gốc vũ trụ.
Các tầng sinh quyển
Toàn bộ lớp ảnh hưởng của sự sống đến thiên nhiên vô tri được gọi là megabiosphere, và cùng với artebiosphere - không gian mở rộng của con người trong không gian gần Trái đất - panbiosphere.
không khí
Chất nền cho sự sống trong khí quyển của vi sinh vật (aerobiont) là những giọt nước - độ ẩm khí quyển, nguồn năng lượng là năng lượng mặt trời và các sol khí. Từ khoảng ngọn cây đến độ cao của vị trí phổ biến nhất của các đám mây tích, tầng đối lưu (với tầng đối lưu; không gian này là lớp mỏng hơn tầng đối lưu) mở rộng. Bên trên là một lớp vi sinh vật cực kỳ quý hiếm - tầng sinh vật (với các altobiont). Phía trên có một không gian nơi các sinh vật xâm nhập ngẫu nhiên và không sinh sản thường xuyên - tầng ký sinh. Trên đây là apobiosphere.
địa quyển
Địa sinh quyển là nơi sinh sống của các sinh vật địa chất, chất nền và một phần môi trường sống là bề mặt trái đất. Địa sinh quyển bao gồm khu vực có sự sống trên bề mặt đất - sinh quyển (với các terrabiont), được chia thành thực vật quyển (từ bề mặt trái đất đến ngọn cây) và tầng sinh quyển (đất và lòng đất; đôi khi điều này bao gồm toàn bộ lớp vỏ phong hóa) và sự sống ở độ sâu của Trái đất - thạch quyển (với các lithobiont sống trong lỗ chân lông của đá, chủ yếu ở nước ngầm). Ở độ cao lớn trên núi, nơi không thể tồn tại sự sống của thực vật bậc cao, phần ở độ cao lớn của địa sinh quyển nằm - vùng aeilian (với aeolobiont). Thạch quyển bị phá vỡ thành một lớp có thể tồn tại sự sống hiếu khí - tầng dưới đất và một lớp chỉ có sinh vật kỵ khí mới có thể sống - tầng sinh quyển. Sự sống ở dạng không hoạt động có thể xâm nhập sâu hơn vào tầng sinh quyển. Metabiosphere - tất cả các loại đá sinh học và trơ sinh học. Sinh quyển nằm sâu hơn.
Thủy quyển
Thủy quyển - toàn bộ lớp nước toàn cầu (không có nước ngầm), nơi sinh sống của hydrobionts - phân hủy thành một lớp nước lục địa - aquabiosphere (với aquabionts) và khu vực biển và đại dương - marinobiosphere (với marinobiont). Có 3 lớp - một quang quyển được chiếu sáng tương đối sáng, một quang quyển luôn rất chạng vạng (tầng ánh sáng mặt trời lên tới 1%) và một lớp tối tuyệt đối - quyển aphotos.
Giữa ranh giới trên của tầng sinh quyển và ranh giới dưới của tầng parabiosphere là sinh quyển đích thực - eubiosphere.
Lịch sử phát triển của sinh quyển
Sự phát triển chỉ được quan sát thấy ở vật chất sống và chất trơ sinh học đi kèm với nó. Quá trình tiến hóa không biểu hiện ở vật chất trơ của hành tinh chúng ta.
Nguồn gốc của sự sống
Sự sống trên Trái đất bắt nguồn từ Archean - khoảng 3,5 tỷ năm trước trong thủy quyển. Những di tích hữu cơ lâu đời nhất được các nhà cổ sinh vật học tìm thấy đều ở độ tuổi này. Tuổi của Trái đất với tư cách là một hành tinh độc lập trong hệ mặt trời được ước tính là 4,5 tỷ năm. Vì vậy, chúng ta có thể cho rằng sự sống nảy sinh trong giai đoạn non trẻ của sự sống trên hành tinh. Ở Archaea, sinh vật nhân chuẩn đầu tiên xuất hiện - tảo đơn bào và động vật nguyên sinh. Quá trình đã bắt đầu
Khái quát hóa lớn nhất trong tổ hợp khoa học trái đất (địa chất, địa lý, địa hóa học, sinh học) là học thuyết về sinh quyển, được tạo ra bởi nhà khoa học người Nga V.I. Bắt đầu hoạt động khoa học của mình (với tư cách là một nhà địa chất) với việc nghiên cứu đá trầm tích của vỏ trái đất, V.I. Năm 1926, cuốn sách “Sinh quyển” của ông được xuất bản. Công trình này phân tích sâu sắc mối quan hệ phức tạp giữa các sinh vật sống và thiên nhiên vô tri của Trái đất. Công việc của ông có phần đi trước thời đại. Chỉ đến nửa sau thế kỷ XX, trong bối cảnh các vấn đề môi trường ngày càng trầm trọng, học thuyết về sinh quyển của ông mới trở nên phổ biến.
Một yếu tố quan trọng trong bài giảng của V.I. Vernadsky về sinh quyển là ý tưởng về sự phụ thuộc chặt chẽ của sinh quyển vào hoạt động của con người và sự bảo tồn nó do mối quan hệ hợp lý của con người với thiên nhiên. Nhà khoa học viết:
Nhân loại, nhìn chung, đang trở thành một lực lượng địa chất mạnh mẽ. Trước ông, trước tư tưởng và công việc của ông, nảy sinh câu hỏi về việc tái cấu trúc sinh quyển vì lợi ích của nhân loại có tư duy tự do như một tổng thể duy nhất. Trạng thái mới này của sinh quyển mà chúng ta đang tiếp cận mà không nhận thấy nó là noosphere. 1
Hiện nay, học thuyết về sinh quyển là một bộ phận quan trọng của sinh thái học, liên quan trực tiếp đến vấn đề điều hòa sự tương tác giữa con người và tự nhiên.
Thuật ngữ “sinh quyển” được J. B. Lamarck sử dụng lần đầu tiên vào đầu thế kỷ 19. Sau đó, nó được đề cập đến trong công trình của nhà địa chất người Áo E. Suess vào năm 1875. Tuy nhiên, khái niệm này không được các nhà khoa học này phát triển một cách chi tiết mà chỉ được sử dụng để chỉ định khu vực có sự sống trên Trái đất. Chỉ trong các tác phẩm của V.I. Vernadsky nó mới được phân tích chi tiết, kỹ lưỡng và được hiểu là “lớp vỏ sự sống” trên hành tinh chúng ta.
Sinh quyển gọi tổng thể của tất cả các sinh vật sống trên hành tinh của chúng ta và những khu vực vỏ địa chất của Trái đất nơi sinh sống của các sinh vật và đã chịu ảnh hưởng của chúng trong quá trình lịch sử địa chất.
Ranh giới của sinh quyển. Các sinh vật sống phân bố không đều trong các lớp vỏ địa chất của Trái đất: thạch quyển, thủy quyển và khí quyển(Hình 1). Vì vậy, sinh quyển hiện nay bao gồm phần trên của thạch quyển, toàn bộ thủy quyển và phần dưới của khí quyển.
Cơm. 1.Khu vực phân bố của sinh vật trong sinh quyển:1 - mức độ của tầng ozone, giữ lại độ cứng bức xạ cực tím; 2 - biên giới tuyết; 3 - đất; 4 - động vật sống trong hang động; 5 - vi khuẩn trong dầu giếng
Thạch quyển là lớp vỏ rắn phía trên của Trái đất. Độ dày của nó dao động từ 50–200 km. Sự phân bố của sự sống trong đó bị hạn chế và giảm mạnh theo độ sâu. Số lượng loài áp đảo tập trung ở tầng trên dày vài chục cm. Một số loài xâm nhập vào độ sâu vài mét hoặc hàng chục mét (động vật đào hang - nốt ruồi, giun; vi khuẩn; rễ cây). Độ sâu lớn nhất mà một số loại vi khuẩn được tìm thấy là 3–4 km (trong tầng nước ngầm và tầng chứa dầu). Sự lan rộng của sự sống vào sâu trong thạch quyển bị cản trở bởi nhiều yếu tố khác nhau. Sự xâm nhập của cây là không thể do thiếu ánh sáng. Đối với mọi dạng sống, mật độ môi trường và nhiệt độ tăng theo độ sâu cũng là những trở ngại đáng kể. Trung bình, nhiệt độ tăng khoảng 3 °C trên mỗi 100 m. Đó là lý do tại sao giới hạn dưới của sự phân bố sự sống trong thạch quyển được coi là độ sâu ba km (nơi nhiệt độ đạt tới khoảng +100 ° C). .
Thủy quyển- Vỏ nước của Trái đất là tập hợp các đại dương, biển, hồ, sông. Không giống như thạch quyển và khí quyển, nó được phát triển hoàn toàn bởi các sinh vật sống. Ngay cả dưới đáy Đại dương Thế giới, ở độ sâu khoảng 12 km, nhiều loài sinh vật khác nhau (động vật, vi khuẩn) đã được phát hiện. Tuy nhiên, phần lớn các loài sống trong thủy quyển cách bề mặt 150–200 m. Điều này là do thực tế là ánh sáng xuyên qua độ sâu như vậy. Do đó, ở những tầm nhìn thấp hơn, sự tồn tại của thực vật và nhiều loài phụ thuộc vào thực vật để lấy dinh dưỡng là không thể. Sự phân bố của các sinh vật ở độ sâu lớn được đảm bảo bởi "mưa" phân liên tục, hài cốt của các sinh vật chết rơi từ các lớp trên xuống, cũng như sự săn mồi. Hydrobiont sống ở cả nước ngọt và nước mặn và được chia thành 3 nhóm tùy theo môi trường sống của chúng:
1) sinh vật phù du - sinh vật sống trên bề mặt nước và di chuyển thụ động do sự chuyển động của nước;
2) nekton - tích cực di chuyển trong cột nước;
3) sinh vật đáy - sinh vật sống ở đáy hồ chứa hoặc đào hang trong phù sa.
Bầu không khí- lớp vỏ khí của Trái đất, có thành phần hóa học nhất định: khoảng 78% nitơ, 21% oxy, 1% argon và 0,03% carbon dioxide. Sinh quyển chỉ bao gồm các lớp thấp nhất của khí quyển. Sự sống ở đó không thể tồn tại nếu không có mối liên hệ trực tiếp với thạch quyển và thủy quyển. Những cây thân gỗ lớn đạt chiều cao vài chục mét, tán hướng lên trên. Động vật bay - côn trùng, chim, dơi - bay cao hàng trăm mét. Một số loài chim săn mồi bay lên độ cao 3–5 km so với bề mặt Trái đất, tìm kiếm con mồi. Cuối cùng, các luồng không khí dâng cao mang theo vi khuẩn, bào tử thực vật, nấm và hạt một cách thụ động lên cao hàng chục km. Tuy nhiên, tất cả các sinh vật bay được liệt kê hoặc vi khuẩn du nhập chỉ tồn tại tạm thời trong khí quyển. Không có sinh vật nào sống vĩnh viễn trong không khí.
Ranh giới trên của sinh quyển được coi là tầng ozone, nằm ở độ cao từ 30 đến 50 km so với bề mặt Trái đất. Nó bảo vệ mọi sự sống trên hành tinh của chúng ta khỏi bức xạ mặt trời cực tím mạnh mẽ, hấp thụ phần lớn các tia này. Sự sống không thể tồn tại trên tầng ozone.
Như vậy, phần chính của các loài sinh vật sống tập trung ở ranh giới của khí quyển và thạch quyển, khí quyển và thủy quyển, tạo thành một “màng mỏng sự sống” tương đối trên bề mặt hành tinh của chúng ta.
Cấu trúc và chức năng của sinh quyển. Sinh quyển - Cái này hệ sinh thái toàn cầu, bao gồm nhiều hệ sinh thái cấp thấp hơn, biogeocenoses, sự tương tác của chúng với nhau quyết định tính toàn vẹn của nó. Thật vậy, biogeocenoses không tồn tại một cách cô lập - giữa chúng có những mối liên hệ và mối quan hệ trực tiếp. Ví dụ, gió, mưa và nước tan chảy mang các khoáng chất và chất hữu cơ từ hệ sinh thái trên cạn vào các biogeocenoses dưới nước. Sự di chuyển của các sinh vật từ biogeocenosis này sang biogeocenosis khác có thể xảy ra (ví dụ, sự di cư theo mùa của động vật). Và cuối cùng, mọi người được đoàn kết bởi bầu khí quyển của Trái đất, nơi đóng vai trò là nơi chứa chung cho các sinh vật sống. Nó nhận oxy (do thực vật giải phóng trong quá trình quang hợp) và carbon dioxide (được hình thành trong quá trình hô hấp của các sinh vật hiếu khí). Từ khí quyển, thực vật của tất cả các hệ sinh thái đều hút carbon dioxide mà chúng cần trong quá trình quang hợp và tất cả các sinh vật thở đều nhận được oxy.
Sự tồn tại của sinh quyển dựa trên chu trình diễn ra liên tục của các chất, cơ sở năng lượng của nó là ánh sáng mặt trời (Hình 2).
Cơm. 2.Sơ đồ tuần hoàn sinh địa hóa trong sinh quyển. PhảiSơ đồ thể hiện mặt cắt ngang của đất cỏ-podzolic dưới tán cây lá kim rừng
Sự lưu thông của các chất trong tự nhiên giữa vật chất sống và vật chất không sống là một trong những đặc điểm đặc trưng nhất của sinh quyển. Chu trình sinh học là sự di chuyển sinh học của các nguyên tử từ môi trường vào sinh vật và từ sinh vật vào môi trường. Sinh khối còn thực hiện các chức năng khác:
1) khí - trao đổi khí liên tục với môi trường bên ngoài do quá trình hô hấp của sinh vật sống và quá trình quang hợp của thực vật;
2) nồng độ - sự di chuyển sinh học liên tục của các nguyên tử vào các sinh vật sống và sau khi chúng chết - vào thiên nhiên vô tri;
3) oxi hóa khử - trao đổi vật chất và năng lượng với môi trường bên ngoài. Trong quá trình đồng hóa, các chất hữu cơ bị oxy hóa; trong quá trình đồng hóa, năng lượng ATP được sử dụng;
4) sự biến đổi sinh hóa - hóa học của các chất tạo thành nền tảng cho sự sống của cơ thể.
Sinh quyển của Trái đất là một phức hợp toàn cầu phức tạp, hợp nhất tất cả các sinh vật sống và một phần của thiên nhiên vô tri trao đổi năng lượng với vật chất sống, ảnh hưởng đến nó và bản thân nó cũng bị ảnh hưởng bởi nó. Thuật ngữ “sinh quyển” xuất hiện trong khoa học nhờ J. Lamarck và E. Suess vào thế kỷ 19. Tuy nhiên, học thuyết về sinh quyển chỉ được hình thành vào đầu thế kỷ 20 và đóng góp to lớn cho sự phát triển của nó thuộc về nhà khoa học kiệt xuất Liên Xô V.I. Ông là người đầu tiên coi hoạt động của mọi sinh vật sống và sự tương tác của chúng với hành tinh này là một quá trình năng động phức tạp.
Vernadsky cũng chú ý đến thời đại sinh quyển hình thành, tức là giai đoạn đầu của lịch sử Trái đất.
Giới hạn phân bố sự sống trên Trái đất
Ranh giới của sinh quyển được xác định bởi sự phù hợp của các điều kiện vật lý và hóa học đối với sự tồn tại của sinh vật. Giới hạn dưới của sự phân bố sự sống được coi là đường đẳng nhiệt 100 °C trong thạch quyển, nằm ở độ sâu khoảng 6 km, hoặc đáy đại dương (khoảng 11 km). Tuy nhiên, những ước tính này có thể bị đánh giá thấp, vì có những sinh vật cực đoan ở vùng biển sâu có thể chịu được nhiệt độ trên 200 °C (nước không sôi ở áp suất cao). Vì vậy, về mặt lý thuyết, thạch quyển có thể có người ở sâu hơn nhiều, nhưng nhìn chung, khó có thể có sự sống hoạt động ở độ sâu dưới 3-4 km.
Ranh giới trên của sinh quyển được xác định bởi độ cao của tầng ozone và không vượt quá 15-20 km. Trên thực tế, các sinh vật sống có thể hoạt động ở độ cao lên tới 8-9 km. Nhìn chung, cuộc sống rất đa dạng và có thể thích nghi với nhiều điều kiện khác nhau. Nhưng tất cả sự giàu có này phát sinh khi nào và như thế nào?
Phòng thí nghiệm trên một hành tinh trẻ
Quá trình tổng hợp hữu cơ sơ cấp có thể đã xảy ra trong đám mây tiền hành tinh khí-bụi ở giai đoạn đầu của quá trình hình thành Hệ Mặt trời. Vì vậy, Trái đất mới hình thành có lẽ đã chứa đủ lượng chất hữu cơ đơn giản.
Ngoài ra còn có bằng chứng địa chất cho thấy chế độ nhiệt độ của Trái đất ngay từ đầu (tuổi của hành tinh chúng ta là 4,5-4,6 tỷ năm) đã cho phép tồn tại nước ở pha lỏng. Quá trình khử khí ở lòng đất chắc hẳn đã diễn ra khá tích cực, vì hành tinh này chưa có lớp vỏ dày. Núi lửa tạo ra bầu khí quyển và thủy quyển sơ cấp và cung cấp các chất hoạt tính hóa học. Thiên thạch và sao chổi rơi xuống bề mặt. Chu trình địa hóa bao gồm nhiều chất liên tục tham gia vào các phản ứng, biến đổi thành các hợp chất mới và những chất này lần lượt phản ứng với nhau.
Autocatalysis - động cơ của sự tiến bộ
Nhưng làm thế nào ngay cả hệ thống sống nguyên thủy nhất cũng có thể xuất hiện từ hỗn hợp các thành phần như vậy? Trong một thời gian dài, nhiều nhà khoa học coi việc tìm kiếm câu trả lời cho câu hỏi này là vô ích. Vấn đề chỉ bắt đầu xuất hiện vào đầu những năm 1980, khi lý thuyết về hệ thống tự tổ chức được đưa vào giải quyết.
Hãy để một số phản ứng diễn ra trên một chất nền. Sau đó, những cái chậm hơn sẽ bắt đầu nhạt dần và dừng lại, tức là chúng sẽ được thay thế bằng những cái chảy nhanh. Do đó, ngay ở giai đoạn đầu của quá trình tiến hóa tiền sinh học, chọn lọc tự nhiên đã bắt đầu hoạt động. Các phản ứng dây chuyền (tự xúc tác) được tăng tốc bằng sản phẩm của chính họ có lợi thế hơn. Ở các cấp độ tổ chức tiếp theo - chu trình tự xúc tác và siêu chu trình - các quy trình cũng được chọn vì tính hiệu quả và độ phức tạp, vì sau khi đạt đến một mức nhất định, độ phức tạp của hệ thống sẽ trở nên tự duy trì và có thể tăng lên.
Cần lưu ý rằng nhiệt động lực học cổ điển bất lực trong việc giải đáp câu hỏi làm thế nào và khi nào sinh quyển phát sinh, và tất cả những kết luận này đều được các nhà khoa học đưa ra trong khuôn khổ bất cân bằng, nhiệt động lực học Prigogine. Trong bối cảnh này, sự sống được định nghĩa là một quá trình tự tổ chức hóa học dựa trên quá trình tự xúc tác của các hợp chất carbon có trọng lượng phân tử cao trong điều kiện không cân bằng, và người ta có thể coi môi trường sống nguyên thủy - một vũng nước trong đó các phản ứng nêu trên diễn ra. Nó thực sự là vật chất sống - không có sinh vật. Một sinh quyển sơ cấp như vậy thực tế có cùng độ tuổi với Trái đất. Trong mọi trường hợp, nếu nó trẻ hơn hành tinh của chúng ta thì không nhiều.
Thế giới RNA và những sinh vật sống đầu tiên
Theo một lý thuyết rất hứa hẹn đã được phát triển thành công gần đây, những sinh vật đầu tiên, cách ly với môi trường bên ngoài, đã xuất hiện trên cơ sở các chu trình RNA. Họ vẫn không có DNA hay protein.
DNA trong sinh vật hiện đại lưu trữ thông tin di truyền, protein thực hiện công việc tích cực trong tế bào, RNA thường đóng vai trò như một loại trung gian - nó đọc thông tin và đảm bảo tổng hợp protein. Cả DNA và protein đều bất lực khi không có nhau và không có RNA, nhưng cô ấy có thể làm mọi thứ - phải thừa nhận rằng, tệ hơn cả “chuyên gia hẹp”, nhưng lúc đầu đây có thể không phải là một nhược điểm nghiêm trọng. Nếu không, chúng ta sẽ phải thừa nhận rằng ở một giai đoạn nào đó, quá trình tiến hóa hóa học đã ngay lập tức tạo ra DNA, RNA, protein, bao bọc chúng trong những tế bào đầu tiên và các chức năng được phân bổ chặt chẽ - xác suất của điều này thực sự rất nhỏ.
Trong mọi trường hợp, các RNA nguyên thủy đầu tiên được tổng hợp hiệu quả hơn nhiều từ chất hữu cơ có trọng lượng phân tử thấp so với “chuỗi xoắn kép” phức tạp. Song song đó, xảy ra quá trình hình thành các chất đông tụ - giọt nước-lipid, tiền chất của màng tế bào. Và ngay khi “dung dịch sống” của RNA bao bọc mình trong một lớp vỏ đông tụ, sinh vật tự trị đầu tiên đã xuất hiện. Màng màng duy trì độ dốc hóa học giữa khoang bên trong và môi trường, ngăn không cho vật chất sống bị tiêu tan - điều này trở thành một lợi thế rất lớn.
Trong quá trình phát triển hơn nữa của sinh quyển, vai trò lưu trữ thông tin di truyền đã được DNA đảm nhận, điều này đảm bảo độ chính xác cao hơn; nhàn rỗi. Rốt cuộc, không có nó thì tế bào sẽ chết.
Dấu vết sự sống cổ xưa trong đá và gen
Các nhà khoa học buộc phải tìm kiếm câu trả lời cho câu hỏi về cách thức và thời điểm sinh quyển hình thành cũng như lịch sử ban đầu của nó trong các mô hình lý thuyết và thí nghiệm trong phòng thí nghiệm, vì bề mặt sơ cấp của Trái đất đã bị phá hủy từ lâu bởi các quá trình địa chất tiếp theo.
Dấu vết sự sống lâu đời nhất cho đến nay đã được tìm thấy ở Greenland, Canada và Australia. Dữ liệu đáng tin cậy nhất trong số chúng có niên đại từ 3,7 tỷ năm trước và chỉ ra rằng ngay cả khi đó đã có những cộng đồng vi sinh vật phức tạp, một số trong chúng có khả năng quang hợp (vi khuẩn lam hoặc tổ tiên của chúng).
Một hướng nghiên cứu khác nằm trong lĩnh vực sinh học phân tử. Vì tất cả các loài đang sống đều là họ hàng, nên bằng cách xây dựng cây phát sinh loài, có thể xác định gần đúng thời điểm “Tổ tiên chung phổ quát cuối cùng” (LUCA) tồn tại. Đây không phải là sinh vật đầu tiên trên Trái đất nhưng nó đã sống cách đây rất lâu - theo các nhà khoa học, khoảng 4 tỷ năm trước. Đối với sinh vật này, bộ gen chính xác mà nó có đã được xác định, nhưng người ta không biết liệu “Luka” là một loài vi sinh vật riêng biệt hay một cộng đồng các loài trao đổi vật chất di truyền.
Sự sống đang biến đổi hành tinh
Ngay cả trong giai đoạn đầu tồn tại, sinh quyển đã tích cực tham gia vào quá trình tiến hóa của Trái đất. Tất nhiên, thành tựu quan trọng nhất của các sinh vật đơn bào tiền Cambri cổ đại là tạo ra một bầu không khí oxy hóa ổn định. Nhưng sự sống cũng có tác động rất lớn đến tính chất trầm tích và hình thành quặng. Ví dụ, các mỏ quặng sắt quan trọng nhất, chẳng hạn như dị thường từ tính Kursk, được hình thành do hoạt động của vi khuẩn quang hợp trong các đại dương thuộc kỷ Paleoproterozoi 2,5-2 tỷ năm trước.
Khi đến đất liền, cuộc sống bắt đầu hoạt động trên các cảnh quan. Trên thực tế, chính sinh quyển đã tạo ra vùng đất như vậy. Rốt cuộc, cho đến khi đất hình thành và thực vật bậc cao lan rộng, không có ranh giới “đất-đất chứa” rõ ràng, dòng nước chảy vào đại dương mang tính chất khu vực và không có lòng sông ổn định.
Mọi người đều biết về dầu và than. Nhưng các dãy núi Himalaya, Alps và Caucasus đều được cấu tạo từ đá vôi và phần lớn loại đá này có nguồn gốc sinh học. Những ngọn núi này từng là động vật biển. Vỏ của chúng, từ nhỏ nhất đến lớn nhất, tạo thành một số loại đá trầm tích phổ biến nhất.
Chức năng của sinh quyển
Chúng tôi đã xem xét một số ví dụ về cách cuộc sống đang thay đổi bộ mặt hành tinh. Chúng ta hãy tóm tắt những gì đã biết về chức năng của sinh quyển.
Thứ nhất, nó liên quan đến việc thay đổi và duy trì thành phần của khí quyển và nước tự nhiên. Thứ hai, nó vận chuyển cũng như tích lũy hoặc phân tán, tức là nó phân phối lại các chất khác nhau. Thứ ba, nó thực hiện chức năng hình thành môi trường. Tất cả điều này có thể được tóm tắt như một quá trình sắp xếp và ổn định các chu trình địa hóa của Trái đất. Nó được thực hiện do sự hấp thụ, biến đổi, tích lũy và giải phóng năng lượng mặt trời bởi các thành phần cấu trúc được Vernadsky xác định trong học thuyết về sinh quyển của ông: một tập hợp các sinh vật sống, sinh học, trơ sinh học và vật chất trơ.
Không thể tách rời khỏi Trái đất
Kể từ thời điểm sinh quyển hình thành (mặc dù rất có thể không có thời điểm chính xác), tất cả các thành phần của nó tương tác chặt chẽ với nhau và với phần còn lại của lớp vỏ địa chất của hành tinh - khí quyển, thủy quyển, thạch quyển. Hệ thống sinh quyển Trái đất được bao phủ bởi nhiều phản hồi tích cực và tiêu cực ở nhiều cấp độ khác nhau - từ các biogeocenoses riêng lẻ đến các quá trình toàn cầu trên thang thời gian địa chất.
BIỂU TƯỢNG, vỏ Trái đất trong đó sự sống tồn tại. Sinh quyển bao gồm phần dưới của khí quyển (15–20 km), phần trên của thạch quyển và toàn bộ thủy quyển. Ranh giới phía dưới giảm trung bình 2–3 km trên đất liền và 1–2 km dưới đáy đại dương. Thuật ngữ “sinh quyển” được nhà địa chất người Áo E. Suess đưa ra vào năm 1875, trong khi các nguyên tắc cơ bản của học thuyết về sinh quyển, có liên quan đến khoa học hiện đại, được phát triển bởi V.I.
Sinh quyển bao gồm các thành phần sống, hoặc sinh học, và không sống, hoặc phi sinh học. Thành phần sinh học là toàn bộ tập hợp các sinh vật sống (theo Vernadsky - “vật chất sống”). Thành phần phi sinh học là sự kết hợp của năng lượng, nước, một số nguyên tố hóa học và các điều kiện vô cơ khác trong đó các sinh vật sống tồn tại.
Sự sống trong sinh quyển phụ thuộc vào dòng năng lượng và sự lưu thông các chất giữa các thành phần sinh học và phi sinh học. Các chu trình của các chất được gọi là chu trình sinh địa hóa. Sự tồn tại của các chu kỳ này được đảm bảo bởi năng lượng của Mặt trời. Trái đất nhận được khoảng. 1,3ґ10 24 calo mỗi năm. Khoảng 40% năng lượng này được tỏa trở lại không gian; 15% được hấp thụ bởi khí quyển, đất và nước; phần năng lượng còn lại là ánh sáng nhìn thấy được, nguồn năng lượng chính cho mọi sự sống trên Trái đất.
Cuộc sống là không thể nếu không có nước. Nước là nguồn cung cấp hydro, một trong những yếu tố quan trọng nhất được tìm thấy trong cơ thể sống. Phản ứng trao đổi chất ở sinh vật xảy ra ở pha lỏng và nước là môi trường để sinh vật tiêu thụ chất dinh dưỡng và từ đó các sản phẩm cuối cùng của quá trình trao đổi chất (chất thải) được loại bỏ. Nước chiếm từ 50 đến 95% trọng lượng của cơ thể sống. Quá trình bốc hơi ở thực vật đóng vai trò quan trọng trong vòng tuần hoàn nước. Thực vật hấp thụ nước qua rễ và thu được muối hòa tan trong đó. Nước bay hơi qua lá. Trong mùa sinh trưởng, cây ngũ cốc trên diện tích 1 ha bốc hơi khoảng. 4.000.000 lít nước nhưng chỉ 0,4% lượng này được sử dụng trực tiếp trong quá trình quang hợp. Để có được 1 kg ngũ cốc phải mất khoảng. 500 lít nước. Rõ ràng, thực vật cần một lượng nước rất lớn và vì người tiêu dùng ăn thực vật nên tổng nhu cầu nước của chúng cao hơn nhiều so với lượng chúng hấp thụ trực tiếp. Ví dụ, một người cần khoảng. 2,1 lít nước mỗi ngày, nhưng để có đủ lượng thức ăn anh ta ăn mỗi ngày, cần thêm 10.000 lít nước nữa.
Duy trì sự cân bằng năng động giữa các thành phần sinh học và phi sinh học của sinh quyển là điều kiện cần thiết cho sự tồn tại của mọi dạng sống. Tác động của con người lên sinh quyển, kèm theo sự suy giảm chất lượng nước, nạn phá rừng hoặc thải chất ô nhiễm vào khí quyển, có thể gây ra mối đe dọa cho sự sống trên Trái đất.
Nếu bạn đã tốt nghiệp Khoa Sinh học thì chắc hẳn bạn cũng biết sinh quyển là gì. Đối với những người chưa biết thế nào là sinh quyển, chúng ta hãy giải thích rằng sinh quyển là lớp vỏ Trái đất có thực vật, động vật, vi sinh vật, con người và được chúng biến đổi. Đây là khu vực tồn tại của các sinh vật sống trên Trái đất. Định nghĩa này đúng nếu bạn tin vào tiên đề rằng chỉ hành tinh của chúng ta mới có độc quyền về sự sống.
Chấp nhận giả thuyết rằng các dạng sống tồn tại ngoài biên giới của nó, có thể lập luận rằng sinh quyển không chỉ có thể nằm trên Trái đất. Xét rằng, theo các nhà nghiên cứu, khu vực tồn tại và hoạt động của các sinh vật sống thậm chí còn có trong các khoang ẩn như đại dương dưới băng, một giả định như vậy có vẻ không viển vông. Ví dụ, có khả năng cao về sự hiện diện của sinh vật sống trên Europa, một vệ tinh của Sao Mộc.
Điều hướng nhanh qua bài viết
Lịch sử của thuật ngữ
Lần đầu tiên trong sinh học, thuật ngữ “sinh quyển” được nhà khoa học người Áo Eduard Suess đưa ra vào năm 1875. Bây giờ bạn đã biết thuật ngữ này xuất hiện vào năm nào. Nhưng rất lâu trước khi thuật ngữ “sinh quyển” được Suess đưa ra, các nguyên tắc của nó lần đầu tiên được nhà nghiên cứu người Pháp Jean Baptiste Lamarck áp dụng và xây dựng một cách chi tiết. Đúng, Lamarck đã có một cái tên khác cho thuật ngữ này.
Sinh quyển, dịch từ tiếng Hy Lạp có nghĩa là “quả cầu sự sống”, được coi là một hệ thống các sinh vật sống tồn tại trong mối liên hệ chặt chẽ với các nguyên tố khoáng chất và chịu ảnh hưởng của chúng. Và chỉ có học giả và triết gia Liên Xô Vernadsky mới tính đến các yếu tố ảnh hưởng đến sự hình thành của toàn bộ thế giới xung quanh.
Nhờ đó, người ta tin rằng nhà khoa học này là tác giả và người tạo ra học thuyết chức năng về bản chất của sinh quyển, ngày nay được công nhận trên toàn thế giới. Ông là người đầu tiên đưa vào khoa học nhiều định nghĩa được các nhà khoa học trên thế giới sử dụng, trong đó có ý tưởng về cấu trúc thứ bậc của sinh quyển. Vernadsky viết rằng vật chất sống có ảnh hưởng rõ rệt đến quá trình biến đổi hành tinh và cấu trúc của nó. Ông mô tả chi tiết thành phần và chức năng của sinh quyển.
Sinh quyển nằm ở đâu?
Hãy xem xét những gì được bao gồm trong sinh quyển. Giới hạn của sinh quyển sâu trong bề mặt Trái đất kéo dài nhiều km. Toàn bộ độ dày của nước biển và đại dương chứa đầy các sinh vật sống, cho đến những vùng trũng sâu nhất. Giới hạn trên của sự tồn tại của các sinh vật sống là khoảng 45 km so với bề mặt và bị giới hạn bởi tầng ozone. Nó đóng vai trò quan trọng trong sự tồn tại của sinh quyển, bảo vệ bề mặt trái đất khỏi bức xạ vũ trụ hủy diệt giết chết mọi sinh vật.
Khoa học cho rằng sinh quyển bao gồm ba lớp vỏ:
- thạch quyển;
- thủy quyển;
- bầu không khí.
Thạch quyển, là thành phần dày đặc nhất của lớp vỏ sinh quyển, bắt đầu từ bề mặt Trái đất và kéo dài vài km xuống phía dưới. Đây là một lớp vỏ địa chất trong sinh quyển. Môi trường sống của các sinh vật sống dưới lòng đất bị hạn chế. Khi khoảng cách từ bề mặt tăng lên, nhiệt độ tăng lên. Ở một độ sâu nhất định, sự sống là không thể vì nhiệt độ và áp suất quá cao.
Thủy quyển như một môi trường chiếm phần lớn bề mặt trái đất bao gồm nước. Toàn bộ khối nước có trong sinh quyển bão hòa không đều với các sinh vật sống. Hầu hết chúng được tìm thấy ở bề mặt, gần đất liền và ở phía dưới.
Khi mọi người nói về bầu khí quyển, họ thường muốn nói đến các lớp từ ngọn cây đến đáy tầng ozone. Đây là lớp vỏ có mật độ thấp nhất. Sinh quyển không bao gồm các lớp khí quyển nằm phía trên tầng ozone.
Sinh quyển và các thành phần của nó
Sinh học tin rằng sinh quyển bao gồm bốn loại vật chất. Dưới đây là những loài quyết định thành phần và cấu trúc của sinh quyển:
Những chất này tạo nên sinh quyển. Ngoài chúng, sinh quyển bao gồm:
- chất có nguồn gốc vũ trụ;
- nguyên tố phóng xạ;
- các nguyên tử rải rác được hình thành trong quá trình phân tách các chất dưới tác dụng của bức xạ vũ trụ.
Sinh quyển được hiểu là cộng đồng của tất cả các sinh vật sống trên hành tinh. Trái đất là nơi sinh sống của khoảng 3 triệu loài sinh vật khác nhau. Hãy thử nó và mô tả chúng! Bạn có thể bị nhầm lẫn bởi sự đa dạng như vậy! Chúng ta thậm chí không thể tưởng tượng được sự tồn tại của nhiều người trong số họ. Họ sống trong những điều kiện khác nhau, điều này làm cho họ khác biệt với nhau. Các sinh vật tương tác với nhau trong ranh giới của các biogeocenoses riêng lẻ. Và cấu trúc của sinh quyển là một cấu trúc được tổ chức dưới dạng nhiều biogeocenoses. Nói cách khác, sinh quyển bao gồm biogeocenoses. Trạng thái của chúng là điều kiện cần cho sự tồn tại và phát triển của sinh quyển. Do đó, biogeocenoses được gọi là các khối xây dựng tạo nên sinh quyển của hành tinh. Sinh quyển là tổng thể của tất cả các biogeocenoses trên hành tinh. Tất cả các thành phần của sinh quyển đều quan trọng. Nếu một trong số chúng bị hư hỏng, toàn bộ tòa nhà sẽ trở nên kém ổn định hơn. Toàn bộ sinh quyển bị ảnh hưởng bởi trạng thái của mỗi biogeocenosis.
Nguồn gốc và sự phát triển của sự sống trên Trái Đất
Có nhiều phiên bản về nguồn gốc của lớp vỏ sống của Trái đất. Vì không có thông tin đáng tin cậy nên có rất nhiều phiên bản được gọi. Một số hoàn toàn tin tưởng vào nguồn gốc thần thánh. Những người khác tin rằng, nói chung, đây là một sự trùng hợp ngẫu nhiên hiếm hoi đã tạo ra một sinh vật sống từ một tập hợp các yếu tố vô tri. Vẫn còn những người khác tin rằng tổ tiên của mọi sự sống trên hành tinh của chúng ta đều đến từ ngoài vũ trụ.
Thậm chí còn có phiên bản bán hư cấu kể về những nhà thám hiểm từ thiên hà khác đến Trái Đất, chọn địa điểm để thành lập thuộc địa mới. Họ quyết định rằng hành tinh này ít được sử dụng và khi bay đi, họ để lại rác. Các di tích sinh học hiện diện trong đó đóng vai trò là cơ sở cho nguồn gốc của sự sống trên Trái đất.
Nếu bạn có phiên bản riêng của mình về cách tiến hành quá trình này, hãy mô tả và giải thích nó. Nó có quyền tồn tại như những cái trước. Đây là một câu hỏi về triết học.
Hãy để chúng tôi mô tả ngắn gọn cách sự sống nảy sinh và phát triển trên Trái đất.
Các quá trình toàn cầu gây ra sự xuất hiện và lan rộng của các sinh vật sống bắt đầu từ thủy quyển. Sau đó sự sống từ lớp vỏ sinh quyển này lan ra đất liền. Sự biến đổi tiếp theo được hoàn thành bởi các quá trình xảy ra trong sinh quyển. Các loài thực vật trên cạn mới nổi bắt đầu tích cực biến đổi thành phần của khí quyển và cấu trúc của nó, khiến hành tinh này ngày càng phù hợp hơn với cuộc sống của các sinh vật phức tạp. Thành phần hóa học của sinh quyển thay đổi. Thông qua quá trình quang hợp, oxy cần thiết cho quá trình hô hấp của động vật được tạo ra. Ở các tầng trên của khí quyển, một phần oxy được chuyển thành ozone, có tác dụng bảo vệ chống lại bức xạ vũ trụ.
Trong bầu khí quyển sơ cấp của hành tinh, với sự phóng điện mạnh, cũng như dưới ảnh hưởng của bức xạ tím buổi sáng và bức xạ cao, các hợp chất hữu cơ tích tụ trong đại dương có thể được hình thành.
Sinh quyển bao gồm con người - vương miện của thiên nhiên. Vai trò của sinh quyển đối với sự tồn tại của con người với tư cách là một loài sinh học là rất quan trọng. Con người đủ thông minh để sửa đổi môi trường một cách có mục đích, làm cho nó phù hợp hơn với môi trường sống của họ.
Hệ thống do thiên nhiên tạo ra là hoàn hảo nhưng cũng đáng suy nghĩ xem liệu nó có tồn tại vĩnh cửu hay không?
Các yếu tố nhân tạo có tác động tích cực đến các yếu tố của sinh quyển, không phải lúc nào cũng có tác động tích cực đến môi trường. Chúng ta tiêu diệt các đại diện khác của sinh quyển trên Trái đất, gây ô nhiễm bầu khí quyển và Đại dương Thế giới, tạo ra bức xạ điện từ và thay đổi khí hậu. Hậu quả của những thảm họa do con người gây ra xảy ra trên hành tinh từ nửa sau thế kỷ trước còn phải khắc phục trong nhiều thập kỷ. Môi trường đã bị hủy hoại. Vũ khí hủy diệt hàng loạt do con người chế tạo nếu sử dụng có thể hủy diệt sự sống trên Trái đất.
Hiện tại, hoạt động của con người gây ra mối đe dọa cho sự tồn tại của không chỉ loài của họ mà còn của tất cả các sinh vật sống. Nếu các biện pháp không được thực hiện thì nhân loại không có tương lai. Cách thoát khỏi tình trạng này là gì?
Giải pháp lần đầu tiên được đề xuất bởi chính V.I. Ông cho rằng tương lai của sinh quyển do con người quyết định. Anh ta sẽ tạo ra một hệ thống mới tạo điều kiện thuận lợi cho các sinh vật sống cùng chung sống, phát triển và sinh sản. Đối với môi trường mới này, ông đã sử dụng thuật ngữ "noosphere". Một số điều kiện cần thiết cho sự hình thành noosphere:
- sự định cư của Homo sapiens trên khắp hành tinh và vị trí thống trị của nó so với các loài sinh vật khác;
- một cuộc cách mạng trong sự phát triển của truyền thông và khả năng liên lạc nhanh chóng giữa bất kỳ nơi nào trên hành tinh;
- khả năng xuất hiện và sử dụng tích cực năng lượng hạt nhân;
- thái độ dân chủ chiếm ưu thế trong cộng đồng thế giới, mang lại cho đại chúng những đòn bẩy kiểm soát thực sự;
- Một bộ phận ấn tượng dân số thế giới tham gia vào các hoạt động khoa học.
Có lẽ một số điểm nghe có vẻ ngây thơ, nhưng đừng quên rằng những định đề này đã được đưa ra cách đây nhiều thập kỷ bởi một người đã nghiên cứu các quá trình toàn cầu về phát triển con người và môi trường của nó.
Một hướng khác mà nhân loại đang hướng tới là nỗ lực tạo ra sinh quyển một cách độc lập. Được biết, sinh quyển là một hệ thống mở trong sinh thái, đòi hỏi nguồn năng lượng mặt trời liên tục truyền vào và bản thân nó tạo ra nhiệt. Và sinh quyển, sẽ được tạo ra một cách nhân tạo, giả định sự tồn tại tự trị trong một môi trường thù địch với con người. Và cấu trúc của nó sẽ giúp giải quyết vấn đề này.
Tầm quan trọng của sinh quyển đối với nhân loại là rất lớn. Chúng ta không thể tồn tại nếu không có nó. K. E. Tsiolkovsky đã đưa ý tưởng sáng tạo của họ vào tài liệu khoa học về khám phá không gian. Một hệ thống như vậy là một sinh quyển nhân tạo. Khái niệm này lần đầu tiên được Tsiolkovsky sử dụng. Nếu được tái tạo trên một hành tinh khác, độ dày của sinh quyển sẽ cung cấp những điều kiện cho phép con người tồn tại. Cho đến nay vẫn chưa thể có được một sinh quyển độc lập, nhưng nghiên cứu theo hướng này vẫn tiếp tục.
Sinh quyển nhân tạo
Mỗi người đều lo nhà cửa, xe hơi, chăm sóc con cái. Sinh quyển xung quanh chúng ta cũng là nhà của chúng ta. Chúng ta sống trong đó và tận hưởng những lợi ích của nó. Nhưng nếu nó bị phá hủy, chúng ta sẽ không còn nơi nào để ở, từ đó chúng ta rút ra kết luận rằng chúng ta nên chăm sóc ngôi nhà này để truyền lại cho con cháu. Và anh ấy sẽ sạch sẽ và xinh đẹp.