Значення фотосинтезу і біологічного кругообігу речовин у розвитку життя
З появою механізму відтворення (розмноження) процес зародження життя завершився. Виникла гостра проблема виживання серед інших первинних організмів в умовах навколишнього середовища на Землі.
Як підкреслюють всі дослідники, перші організми були гетеротрофами, так як їжею їм служили або органічні молекули “первинного бульйону”, або такі ж первинні живі клітини. Гетеротрофи – це організми, які живляться готовими органічними речовинами й використовують енергію, що виділяється при розпаді цих органічних речовин. Потреби в енергії для здійснення процесів життєдіяльності і для створення потомства перші гетеротрофи, мабуть, забезпечували шляхом бродіння – безкисневого процесу перетворення органічних речовин за допомогою ферментів. Такий спосіб розщеплення органічних сполук в умовах, коли не було вільного кисню в атмосфері Землі, очевидно, був основним способом отримання енергії для життєдіяльності організмів.
Бродіння – древня і енергетично малоефективна форма добування енергії з органічних речовин. Бродінню можуть піддаватися органічні кислоти, амінокислоти, вуглеводи і багато інших органічні сполуки, але швидше за інших бродінню піддаються цукру. Послідовно йдуть один за одним хімічні реакції бродіння протікають безпосередньо в цитоплазмі. У цьому процесі з хімічних зв’язків, укладених в органічних молекулах, вивільняється енергія. Весь процес йде за сприяння ферментів, але без участі кисню. Вивільнення енергії при бродінні спостерігається і в наш час, наприклад у багатьох бактерій, грибів, найпростіших і інших організмів.
Вважають, що з часом завдяки розмноженню відбулося зростання чисельності гетеротрофів. Органічних речовин, що накопичуються в водах Світового океану, що не стало вистачати для все зростаючого гетеротрофного населення. Крім того, припускають, що до цього часу ультрафіолетова радіація Сонця справила розпад молекули води на водень і кисень і в атмосфері могло утворитися деяка кількість вільного кисню. В результаті зменшилася синтезування органічних молекул і, отже, знизилося їх надходження в Світовий океан. Це призвело до скорочення харчових ресурсів “первинного бульйону”.
Виникла у зв’язку з нестачею поживних речовин конкуренція Гете-ротрофов зумовила появу серед них автотрофов. Автотрофи – це організми, здатні самостійно синтезувати органічні речовини з неорганічних з допомогою сонячної енергії або енергії, що утворюється в результаті окислення неорганічних сполук. Першими фотосинтезуючими організмами, що виробляють в ході фотосинтезу кисень, були ціанобактерії (або синьо-зелених водоростей), що з’явилися близько 3500 млн років тому.
Вважають, що за мільйони років становлення організмів, ще на етапі коацерватних крапель, коли їх вміст ставало все більш складним, випадкові мутації нуклеїнових кислот могли дати окремі більш активні молекули, здатні використовувати енергію світла. Але поки поживні речовини були в надлишку, ця властивість не було затребувано первинними організмами. У міру скорочення кількості органічних молекул в навколишньому середовищі властивість засвоювати енергію світла забезпечувало перевагу автотрофним організмам і їх потомству.
У першому автотрофов не відразу сформувався складний механізм фотосинтезу. Передбачається, що це відбувалося поступово, шляхом накопичення невеликих змін. Важливим кроком на шляху ускладнення будови перших організмів була поява у них хлорофілу – пігменту, добре вловлює світло. Хлорофіл поглинає енергію сонячного світла з довжиною хвилі в червоною і синьою частинах спектра і відображає в зеленій частині. Завдяки йому багато організми придбали зелене забарвлення. Особливо це проявилося у виниклих приблизно 2000-2500 млн років тому еукаріот.
Поява в еукаріот хлорофілу поклало початок розвитку особливого світу організмів – миру рослин. Рослини як автотрофи здатні поглинати енергію Сонця, на світлі виділяти кисень, споживати вуглекислоту і створювати з неорганічних речовин органічні.
З появою автотрофів почалися незворотні зміни в умовах існування життя на Землі. В результаті колосальної геохимической роботи фотосинтезирующих організмів утворилася велика кількість вільного кисню в атмосфері (за рахунок розщеплення води при фотосинтезі), відбулося накопичення сонячної енергії в хімічних зв’язках і залучення в живу речовину величезних мас вуглекислоти, що поставляється в ті часи в атмосферу з надр Землі в процесі активної вулканічної діяльності.
Поява автотрофних організмів на Землі внесло грандіозні зміни в усі процеси існування нашої планети.
У міру збільшення концентрації кисню в атмосфері стала істотно змінюватися навколишнє середовище. Порушилися багато склалися біохімічні процеси. Це викликало загибель живих істот, для яких вільний кисень виявився токсичним. Разом з тим накопичення газоподібного кисню в атмосфері зумовило виникнення у організмів процесу дихання. Здатність при диханні синтезувати значна кількість високоенергетичних молекул АТФ забезпечувала таким організмам більш швидке зростання і розмноження, а значить, давала можливість мешкати в повітряному середовищі, що згодом і сталося.
Фотосинтез, забезпечивши кращу виживаність автотрофам, разом з цим викликав появу і накопичення газоподібного кисню в атмосфері Землі. Тепер ті органічні речовини, які ще випадково могли утворюватися в атмосфері, при взаємодії з киснем окислялись і розпадалися. Крім того, кисень під впливом ультрафіолетових променів перетворювався на озон. З утворенням навколо Землі озонового шару, що затримує ультрафіолетові промені, фактично припинилося створення нових органічних молекул в атмосфері. Але одночасно захисний озоновий шар став однією з умов для виходу живих організмів з води на сушу.
Поява автотрофів не тільки розширило енергетичні ресурси для життєдіяльності різноманітних організмів, але і включило в обмінні процеси велика кількість нових неорганічних речовин. При цьому самі автотрофи виявилися різноманітною і високоенергетичної їжею для гетеротрофів. Взаємодія автотрофов і гетеротрофів, їх безперервне народження і загибель призвели до появи на Землі нового потужного планетарного процесу – біологічного кругообігу речовин. Освіта органічних речовин одними істотами і поїдання їх іншими призводило до того, що ці речовини як могутній потік стали переміщатися із зовнішнього середовища до живих організмів, звідки вони видозмінюючись, знову поверталися в навколишнє середовище. І так коло за колом, нескінченно.
Шляхом взаємозв’язку життя і смерті, шляхом хімічних процесів біосинтезу і розпаду органічних сполук організми залучали до біологічний кругообіг речовин всі хімічні елементи Землі.
Вже на ранніх етапах розвитку живі організми сприяли скороченню в атмосфері вихідних запасів аміаку, водню, метану, сірководню. Бактерії і водорості в найдавніших водних басейнах “пов’язували” величезні маси заліза, марганцю, сірки, азотних сполук, утворювали “осадові” залізні, марганцеві, сірчані руди і вільний азот. Бактерії, водорості і найпростіші (наприклад, форамініфери), гинучи, створювали на дні водойм багатометрові відкладення вапна. Поклади фосфатів, гіпсу, залізисто-кременисті та багато інших порід – теж продукти життєдіяльності древніх організмів, особливо бактерій.
Як бачимо, що з’явилися на Землі організми істотно змінювали її властивості. У підсумку колись млява планета знайшла населену живими істотами оболонку – біосферу. Біосфера включає всі організми планети і елементи неживої природи, складові середовище їх проживання. Завдяки взаємодії живих і неживих компонентів біосфери здійснюється біологічний кругообіг речовин у природі.
Вивчення історії Землі і розвитку життя приводить до висновку, що життя – це найважливіший геологічний фактор, який з моменту появи виробляв і виробляє докорінні зміни у складі геологічних утворень і навколишнього середовища, а це, у свою чергу, викликає зміни і в самому житті, і у властивостях всієї біосфери.
(1 votes, average: 5.00 out of 5)