В период раннего архея (около 3.5- 4  миллиардов лет назад), к которому относятся самые ранние свидетельства существования жизни на Земле, окружающая среда радикально отличалась от нынешней.

  Состав атмосферы

  • Почти полностью отсутствовал кислород
  • Содержание обладающих сравнительно лёгкими молекулами, а, следовательно, и большим коэффициентом диффузии сильных восстановителей – водорода и метана, а также инертного газа гелия в нижних слоях было, как и в настоящее время, ничтожно малым, т.к. они интенсивно диффундировали в экзосферу
  • В результате диффузии и установления химического равновесия в нижних слоях остались преимущественно вещества,  атомы которых связаны прочными высокоэнергетическими связями — азот, углекислый газ и, возможно, сероводород, а также наиболее тяжёлые инертные газы.

  Состояние суши

  • Отсутствие осадочных пород (ещё не прошли процессы выветривания) – только голые камни и пришедшая из комоса пыль

   Состав воды

  • в морской воде и, тем более, в водах суши ещё не накопились растворённые минералы.
    Солёность морской воды – результат накопления минералов, содержащихся в речном стоке. Растворённые минералы в речном стоке появляются в результате выщелачивания осадочных пород, которое ко времени архея ещё не успело пройти.
    Ни один из минералов не содержит полного набора биогенных элементов, а некоторые биогенные элементы встречаются в земной коре и в космической пыли очень редко →
  • жизнь была возможна только в тех местах, где накапливалось достаточно большое количество разнообразной по составу пыли – неглубокие локальные понижения суши, не образующие постоянных водоёмов.

   Особенности теплообмена, связанные с парниковым эффектом

В поступлении тепла в атмосферу важную роль играл независящий от широты и сезона теплоприток из глубоких слоёв литосферы, который был тогда в 3-4 раза больше, чем в настоящее время.
Высокое содержание углекислого газа в атмосфере создавало парниковый эффект, делавший невозможной лучистую теплоотдачу, составляющую сейчас значительную часть уходящего от поверхности Земли тепла.
Столь же полно представлен парниковый эффект в наши дни на Венере, атмосфера которой состоит в основном из углекислого газа.
Существенно худшие, чем в настоящее время, условия теплоотдачи при бόльшем или приблизительно том же теплопритоке должны были привести к более высокой равновесной температуре атмосферы, существенному увеличению интенсивности испарения влаги и абсолютной влажности воздуха, что ещё больше усиливало парниковый эффект.
Увеличение интенсивности испарения вело к образованию мощного облачного покрова и гораздо большему, чем теперь, количеству осадков.
Похожая картина наблюдается сейчас на Венере, но из-за недостаточного количества воды капли дождя там испаряются, не долетев до поверхности планеты, а равновесная температура поверхности оказывается на 400-500 К выше, чем имеющая место на Земле.

  • Солнечная радиация, сильно зависящая от широты и сезона, играла в раннем архее менее важную, чем сейчас, роль в тепловом балансе атмосферы, так как значительная часть падающего потока отражалась имеющими высокое альбедо облаками.
  • Поток энергии, получаемой поверхностью Земли от Солнца, был в раннем архее во много раз меньше, чем в настоящее время.    

  Глобальный характер климата

  • Температура воздуха слабо зависела от широты и сезона.
  • Осадки имели чёткий суточный ритм – наиболее сильные дожди по ночам.
  • В атмосфере преобладала суточная циркуляция.

В тропосфере связанные с испарением воды в послеполуденное время восходящие потоки, сменялись в послеполуночное время нисходящими потоками, связанными с выпадением дождя.
В стратосфере постоянно дули в широтном направлении ветры, замыкающие циркуляционный контур.
Описанная картина близка к наблюдаемой сейчас на Венере.

  • Течения в океане также имели суточный ритм, но картина усложнялась приливными явлениями.
  • В тропосфере отсутствовали сильные ветры, а в океане – постоянные течения.

  ////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////

  • Единственным источником биогенных минеральных элементов в раннем архее была космическая пыль.
  • Наиболее благоприятные условия для появления жизни существовали на суше.
  • Из-за густой облачности достигающий поверхность Земли поток солнечного излучения был в раннем архее во много раз меньше, чем в настоящее время, а его коротковолновая часть не оказывала пагубного влияния на живые существа.

/////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////

  Доступность биогенных элементов для первых живых организмов

Среди первых живых организмов были автотрофы, которые получали атомы всех биогенных элементов из неживой природы.
Кислород, углерод, водород и азот содержались тогда и содержатся теперь в окружающей среде в виде очень прочных соединений СО2, Н2О и N2, любые химические превращения которых требуют значительных затрат энергии и участия катализаторов.
Атомы минеральных биогенных элементов либо прочно адсорбированы на поверхности, либо входят в состав кристаллов нерастворимых или плохо растворимых в воде минералов.
Все хорошо растворимые вещества быстро выщелачиваются и уходят с дождевым стоком.
Для извлечения минеральных биогенных элементов должна быть затрачена значительная энергия и использованы специфические катализаторы.

  • В раннем архее все биогенные элементы были доступны для живых организмов только при значительных энергетических затратах и в присутствии специальных катализаторов.

  Необходимость использования живыми организмами энергии электромагнитной радиации

Некоторые природные минералы содержат вещества, обладающие восстановительным потенциалом, т.е. способные вступать в сопровождающуюся выделением энергии реакцию с окислителем.
Для протекания реакции окисления минерала нужно обязательно иметь окислитель, а также, чаще всего, катализатор для понижения активационного барьера.
Энергия, выделяющаяся в реакции окисления, должна быть превращена в химическую энергию, пригодную для использования в живых клетках, до перехода в тепло.
В механическую и другие формы энергии может быть преобразована только часть тепловой энергии, определяемая фактором Карно (отношением разности температур нагревателя и холодильника к температуре нагревателя).
В живом организме, где перепад температур между наиболее нагретой и наиболее холодной частями настолько мал, что фактор Карно не может быть больше долей процента, практически невозможно преобразование тепла в другие виды энергии.
Поскольку в раннем архее в атмосфере не было ни кислорода, ни каких-либо других окислителей, энергия, выделяющаяся при окислении неорганических соединений, была недоступна для живых организмов, обитавших в интактной природной среде, но могла стать доступной при одновременном наличии:

  • в ближайшей окрестности радиотрофных (использующих энергию электромагнитной радиации) организмов, вырабатывающих реагенты для экзергической реакции;     
  • устройства для использования получаемой в экзергической реакции энергии до перехода в тепло.

////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////

  • Хемотрофные организмы не могли появиться раньше радиотрофных.
  • Жизнь на Земле была невозможна до появления радиотрофных организмов.

////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////

   Проблемы, связанные с использованием энергии электромагнитной радиации

В неживой природе энергия солнечного излучения поглощается атомами вещества, причём часть поглощённой энергии тратится на увеличение энергии теплового движения, а остальная часть – на перевод электронов на более высокий энергетический уровень. После ряда переизлучений и столкновний частиц вещества друг с другом в системе устанавливается термодинамическое равновесие, а вся поглощённая солнечная энергия переходит в тепло.
Единственный возможный способ использования солнечной энергии живыми организмами – происходящее до установления теплового равновесия преобразование энергии солнечного излучения в другие пригодные для дальнейшего использования виды.
Энергия, полученная в результате преобразования, может использоваться живым организмом в разное время и в разных местах, и, следовательно, должна запасаться в мобильных аккумуляторах.
В современных солнечных батареях энергия солнечного излучения непосредственно преобразуется в электрическую, т.е позволяет создавать и поддерживать электрический ток, а для аккумулирования этой энергии нужны дальнейшие преобразования. В имевшем место в раннем архее условиях сплошной облачности солнечные батареи дают ничтожно малый выход, так что с учётом неизбежных потерь аккумулирование полученной в этих условиях электрической энергии практически невозможно.

  • Приемлемое для живых организмов преобразование энергии электромагнитного излучения в химическую энергию высокоэнергетических молекул потребовало применения технических средств, обладающих достаточно высоким КПД.

Дата последнего обновления:  2008-02-28