50. Эволюция биогеохимических процессов.

Четыре этапа химико-биогенногоосадкообразованиявыделяются в истории Земли согласно обобщениям академика Н.М.Страхова.

1. Первичные океан и атмосфера, когда живое появлялось в очень ограниченных масштабах, отвечают первому этапу. Первичный океан конденсировался из паров материала мантии Земли и состоял из HCl, HF, H2BO3, SiO2, т.е. был достаточно кислым раствором. В воде были растворены сернистый водород, метан и другие углеводороды, а также углекислота. Сульфатов тогда, как и свободного кислорода, для их образования из сернистоговодорода почти не было. Первичная атмосфера состояла из углекислоты с добавками аммиака, метана, паров воды и нескольких инертных газов. Началось образование первичных осадочных горных пород. Поверхность Земли была похожа на современную лунную; площади между вулканами занимал неглубокий океан, а они выступали в виде островов. Климат был влажный, вулканогенно-осадочный,и климатических поясов не было. Наличие углекислоты в атмосфере способствовало выветриванию изверженных пород, образовывались карбонаты калия, натрия, магния, кальция и коллоидные частицы Al2O3, SiO2, Fe2O3. Попадая в кислую среду океана, они превращались в хлориды калия, натрия, магния и кальция, что меняло состав первичного океана, уменьшая его кислотность и обогащая его хлоридами металлов. Вулканические породы поверхности подвергались выветриванию, на них осаждался кремнезем и сульфиды тяжелых металлов.

2.С появлением первых организмов вплоть до фотосинтезирующих связан второй этап. Земная поверхность характеризовалась ростом алюмосиликатной коры и рас- членением ее на структурные области, зарождались горные цепи и выравнивались участки между ними. В это время увеличился и рост сносов с поверхности в океаны. Поступление карбонатов в океан меняло его, исчезала сильная кислотность, накапливались карбонатные соли. В атмосфере постепенно нарастала роль азота, она очищалась от аммиака и метана. Во время образования обширных континентальных массивов стали зарождаться климатические зоны — сухого, холодного (ледникового) и влажного климата. В морской воде стали выделяться доломиты CaMg(CO3)2, оседающие химическим путем на океаническое дно, где, в основном в илах с прослойками минералов, накапливались кремнезем, железо и марганец. Возникли многочисленныеглинистые минералы, давшие начало образованию кристаллических сланцев. Все эти следы седиментации (лат.sedimentum «оседание») расшифровываются с большим трудом.

3.Большую часть докембрийского периода охватывает третий этап (от 3 до 0,6 млрд лет до нашего времени). Он представлен большим числом сильно метаморфизованных пород на нарастающей земной коре. В ней выделяются геосинклинальные зоны с мощными отложениями осадочных пород, в которых возникала складчатость, и платформенные области на разрушенном складчатом основании. Процессы регулировались тектоническим развитием литосферы. Земная кора разрасталась не только по поверхности, но и в глубину. При этом осадочные породы погружались на глубины, подвергаясь процессам гранитизации и метаморфизма, теряя легкоподвижные компоненты, которые перемещались в верхние горизонты. Большая часть карбонатных материалов разрушалась, переходя в силикатные с выделением углекислоты. То же происходило и с водой. От этого периода до нас дошли ледниковые отложения.

Химическая эволюция континентальной части земной коры проходила от основного, базальтового состава, характерного для океанического типа земной коры, к кислому, гранитному, и океаническая кора постепенно (примерно 2,5 млрд лет назад) превратилась в континентальную. Этому способствовали несколько факторов:

1. При завершении формирования ядра планеты в одном из полушарий выделилось больше базальтов. 2.

Состав продуктов извержения вулканов менялся, меняя толщину континентальной коры. Базальтовые магмы обогащались SiO2, Al2O3, Fe2O3, Na2O, соответственно уменьшая долю MgO, FeO, CaO.

3. Начался мощный круговорот веществ, включающий переработку первичной коры под действием солнечной энергии, гравитации и всей биосферы.

Огромные массы земной континентальной коры прошли через состояние осадочных пород, были перемыты водой и изменились под действием многих компонент. Длительныйкруговорот воды вымывал из коры некоторые базальтовые элементы (наиболее растворимые Ca++, Mg++, Fe++), сохраняя малоподвижные типа SiO2, Al2O3. Натрий попадал в океан в большом количестве, пребывал там в раство-

ренном виде, но его значительная часть возвращалась в континентальную кору в виде осадков. Калий задерживался в тонкодисперсных глинах и растительных остатках, потому его больше в континентальной коре, чем в океани- ческой.

Главные пути метаболизма например, гликолиза и цикла Кребса, присутствуют у всех трёх доменах живых существ и обнаруживаются у последнего универсального общего предка. Этот универсальный предок был прокариотом и, вероятно, метаногеном с аминокислотным, нуклеотидным, углеводным и липидным метаболизмом. Сохранение этих древних метаболических путей в эволюции может быть результатом того, что эти реакции оптимальны для решения конкретных проблем с метаболизмом. Так, конечные продукты гликолиза и цикла Кребса образуются с высокой эффективностью и с минимальным количеством стадий. Первые метаболические пути на основе ферментов могли быть частями пуринового метаболизма нуклеотидов с предыдущим метаболических путей были частью древнего мира РНК.  Многие модели были предложены для описания механизмов, посредством которых новые метаболические пути эволюционировали. К ним относятся последовательное добавление новых ферментов на короткий предковый путь, дупликация, а затем дивергенция всех путей, а также набор уже существующих ферментов и их сборка в новый путь реакций. Относительную важность этих механизмов неясна, однако геномные исследования показали, что ферменты в метаболическом пути, скорее всего, имеют общее происхождение, предполагая, что многие пути эволюционировали шаг за шагом с новыми функциями, созданными из уже существующих этапов пути. Альтернативная модель основана на исследованиях, в которых прослеживается эволюция структуры белков в метаболических связях; предполагают, что ферменты собирались для выполнения схожих функций в различных метаболических путях Эти процессы сборки привели к эволюционированию ферментативной мозаики. Некоторые части обмена веществ возможно существовали в качестве «модулей», которые могли быть повторно использованы в различных путях для выполнения схожих функций.  Эволюция также может приводить к потере метаболических функций. Например, у некоторых паразитов метаболические процессы, которые не важны для выживания, утрачены и готовые аминокислоты, нуклеотиды и углеводы получаются от хозяина. Подобные упрощения метаболических возможностей наблюдают у эндосимбиотических организмов.