Биосфера туралы ілім

2. Биосфераның тірі заты

Көп уақыттар бойы тірі зат жансыз заттардан зат алмасу, қозғалғыштық, қозғыштық, өсу, көбею, үйренісу сияқты қасиеттерімен ерекшеленіп келді. Бірақ мұндай ерекшеліктер жансыз дүние арасында да кездесетіндіктен, бұл қасиеттер жанды ағзалар арнайы болып есептелмейді.

Тірі ағзалардың ерекшеліктерін 1982 жылы Б.М.Медников теориялық биологияның аксиомасы ретінде қарастырған:

1. Барлық тірі ағзалар фенотип және ұрпақтан ұрпаққа беріліп отыратын генотип бірлігін құрады (А.Вейсман аксиомасы)
2. Генетикалық программа матрицалық жолмен түзіледі. Болашақ ұрпақтың генінің құрылуына қажетті матрица ретінде өткен ұрпақтың гені қолданылады. (Н.К.Кольцев аксиомасы).
3. Генетикалық программалар ұрпақтан-ұрпаққа берілу кездерінде әртүрлі себептердің әсерінен кері бағытқа, кездейсоқ өзгеріске ұшырауы мүмкін, тек өте сирек жағдайда ғана бұл өзгерістер ұтымды болуы мүмкін (Ч.Дарвиннің 1-ші аксиомасы)
4. Фенотипке айналу жағдайындағы генетикалық программалардың кездейсоқ өзгерістері көпдәрежелі күшейеді (Н.В.Тимофеев-Ресовский аксиомасы)
5. Көпдәрежелі күшейген генетикалық программалардың өзгерістері сыртқы орта шарттарына сәйкес іріктеуге ұшырайды. (Ч.Дарвин 2-ші аксиомасы)

Осы берілген аксиомалардың  тірі табиғаттың барлықнегізгі қасиеттерін, бірінші кезекте Жер бетінде  тіршіліктің құрылуына қажетті 2 қалаушы қасиетті, яғни дискреттілік пен біртұтастықты бөліп қарастыруға болады. Тірі жүйе арасында екі бірдей дара, түп, популяция жоқ. Көпвариантты редупликация матрицалық принципке негізделген. Бұл тіршілік үшін өте маңызды спецификалық қасиет саналады. Оның негізіне басты меңгерілетін жүйелерді өзіндік туындату қабілеті жатыр(ДНК, хромосома, ген).

Редупликация макромолекула  синтезінің матрицалық принципімен (Н.К.Кольцов  аксиомасы) анықталады.

ДНК молекулаларының  матрицалық принцип бойынша өзін-өзі  туындату қабілеттілігі меңгерілетін жүйедегі тұқымқуалаушылықты тасымалдаушы роль атқарады. (А.Вейсман аксиомасы)

Тірі зат массасы  бойынша жер шарының кез-келген жоғарғы қабаттарының салыстырғанда  өте аз бөлікті қамтиды. Қазіргі  зам анғы есептеулер бойынша, тірі заттың жалпы массасы 2420 млрд-ты құрайды.

Тірі зат қоршаған ортаға белсенді әсер етуде маңызды  орын алады және тірі материяның өліден ерекшеленетіні сияқты, ол жер шарының  басқа қабықшаларынан айрықшаланады.

В.И.Вернадский айтып  кеткендей, тірі зат ол – Бүкіләлемдік материялардың ең белсенді түрі. Ол өзінің туындауы барысында Жердің жоғарғы қабықшаларын түзе отырып, биосферада ауқымды геохимиялық іс жүргізеді. Тірі зат Жер қыртысы массасының 1/11000000 бөлігін алады. А.П.Виноградов (1975), В.Лархер (1978) т.б. дәлелдеулері бойынша тірі заттың басты құрал бөлігін табиғатта (атмосфера, гидросфера, ғарыш) өте кең тараған сутегі, көміртегі, оттегі, азот, фосфор және күкірт сияқты элементтер құрайды. Биосфераның тірі заты ғарышта өте кең тараған және өте қарапайым атомдардан тұрады.

Тірі зат орташа элементарлы  құрамы бойынша жер қыртысы құрамынан  көміртегі элементінің көп болуымен ерекшелденеді. Тірі ағзалар басқа  элементтер құралы бойынша өзінің ортасындағы  құралды қайталамайды. Олар ұлпаларының  құрылуына қажетті элементтерді таңдаулы түрде шығылыстырады. Тірі ағзалардың өмір сүру процесінде тұрақты химиялық байланысты түзуге қабілетті атомдар қолданылады. Сутегі, көміртегі, оттегі, азот, фосфор, күкірт жер шарындағы заттардың негізгі химиялық элементтері болып табылады, оларды «биофильмді» деп атайды. Олардың атомдары тірі ағзаларда су және минералды тұздармен біріккен күрделі молекулаларды түзеді. Бұл молекулярлы түзілістер көміртегі, мепид, блок, нуклейн қышқылдарымен көрінеді. Биосферадағы тірі ағзаларды қоршаған әлем басқа бір ұйымдасу деңгейлерімен, басқа биологиялық құрылымдармен сәйкес келеді. Соған байланысты тірі ағзалар қалыптасуының әртүрлі деңгейлерін бөліп қарастыруға болады.

1. Молекулярлы – ең төменгі деңгей, мұнда биологиялық жүйе барлық биологиялық белсенді ірі молекулалар- белок, мепид, нуклейн қышқылы, көміртегілерді құратын құрылымдар ретінде көрінеді. Осы деңгейден бастап тек тірі ағзаларға ғана тән қасиеттер көрінеді: сәулелік және химиялық энергиялардың арнаулары кезінде жүретін зат алмасу, ДНК және РНК-ң  көмегімен тұқымқуалаушылықтың берілуі.
2. Клеткалық деңгейде биологиялық белсенді молекулалар бірыңғай жүйеге   біріктіріледі. Клетканың ұйымдасу тұрғысынан организмдер бірклеткалы және көпклеткалыларға бөлінеді.
3. Ұлпалық – деңгейде біртекті клеткалар  ұлпа түзеді.
4. Мүшелік – деңгейде ұлпалық бірнеше түрлері функциональды түрде бірі-бірімен өзара байланысып, белгілі бір мүшені түзеді.
5. Мүшеөзгертетін деңгейде мүшелердің өзара байланысы индивидуальды ағзаның бірлік жүйесіне кірістіріледі.
6. Популяциялы – тірлік – шығу тегі бірлігімен өмір сүру деңгейімен, байланысты тіртекті ағзалар жиынтығы бар түрі. Дұл деңгейде элементарлы эволюциялық өзгерістер болады.
7. Биоценоз және биогеоценоз (экожүйе) – құрамы бойынша әртүрлі ағзаларды тіріктіретін тірі материал ұйымдасуының жоғарылау деңгейі. Биогеоценозда олар біртекті абиотикалық факторлармен жердің белгілі бір беткейңнде өзара бір-бірімен байланысады.
8. Биосфералық – деңгейде биіктеу рангтың табиғи жүйесі құрылады. Бұл деңгейде ағзалардың тіршілігімен байланысты барлық заттар мен энергияның глобальды айналулары жүреді.

Қоректтену түрлеріне  қарай тірі ағзалар автотрофты және гетеротрофтыларға бөлінеді.

Қоректенуі  бойынша тірі заттардың классификациясы

Автотрофтылар дегеніміз тіршілігі үшін қоршаған ортадан көмірқышқыл газын сіңіріп, оттегін сыртқа ортаға шығарып отыратын ағзаларды айтады. Олар энергияны Күн сәулесі арқылы алады. Автотрофтылар фотоавтотрофтыларға және хеноавтотрофтыларға бөлінеді.

Фотоавтотрофтылар энергия көзі ретінде күн сәулесін пайдаланса,  хеноавтотрофтылар органикалық емес заттардың тотығуы нәтижесінде пайда болатын энергияны пайдаланады. Автотрофтыларға жасыл балдырлар, жер бетінде өсетін барлық жасыл өсімдіктер, фотосинтезге қабілетті кейбір бактериялар және органикалық емес заттарды тотықтыруға қабілетті кейбір бактериялар (хеноавтотрофтылар) Автотрофтылар биосферадағы органикалық заттардың біріншілік продуценттері саналады.

Гетеротрофтылар дегеніміз – басқа ағзалар арқылы түзілген дайын органикалық заттарды пайдаланатын ағзалар болып табылады. Тірі заттар тек тірі ағзаларда ғана тұрақты болып келді және мүмкін болатын кеңістікті қамтып тұруға тырысады. Мұндайды В.И.Вернадский «Өмір қысымымен» Жер бетіндегі тірі ағзалардың ішінде көбею жылдамдығы біршама күшті болатын гигантты саңырауқұлағы. Бұл саңырауқұлақтың әрбір данасы 7,5 млрд. Дейін спора түзе алады.

   Соған байланысты  тірі ағзалардың өзін-өзі туындату, көпвариантты редупликация сияқты жалпы және спецификалық қасиеттері анықталады. Бұл қабілеттілік тірі ағзалардың басқа ерекшеліктерімен бірге тірі ағзалардың ұйымдасу деңгейінің негізін анықтайды.

Тіршіліктің барлық ұйымдасу деңгейлері бір-бірімен өте тығыз  байланыста болады. Әрбір деңгейде барлық тірі ағзалар ұйымдасу формаларының эволюциялық ерекшеліктерін анықтайтын заңдылықтары болады. Тіршіліктің спецификалық қасиеттері ағзалардың тек өзін-өзі туындату ғана емес, эволюция дамуында қажетті өзгергіштікті қамтамасыз етеді.

3. Биосфера эволюциясы

Ғалымдардың тұжырымы бойынша  біз Галактикамыздың жасы 10-12 млрд жыл, ал күндікі – 5 млрд, Жердікі  – 4,5 млрд жыл саналады. Жердегі заттардың  аккрециясы біріншілік атмосфераның жеңіл  молекулаларының әсіресе, гелий  мен сутегінің уақытша қыздырылуына әкеледі. Жылудың қатты шағылысуының нәтижесінде температураның төмендеуі қатты қыртыстың түзілуіне әкеледі. Бұл процеске белсенді вулканизм кедергі келтірді, бұл кезде көп мөлшердегі газдардан екіншілік атомсфера түзіледі. Оның құрамында Н₂-ден басқа СН₄, NН₃, және Н₂О болады.

Н₂СО₃ сияқты көмірқышқылы аз болды, ал оны жер қыртысындағы Fе² қосылыстары қалпына келтірді. Шамамен 1 млрд жылда атмосфера қалпына келді және мұнда абиогенді процесстердің түзілуіне және көптеген қосылыстардың жиналуына мүмкіндік туды. Ғарыштық кеңістікке Н₂-ң жоғалуы, құрамында көп мөлшерде  N₂ –сі СО₂-і және су буы бар үшіншілік атмосфераның түзілуі жүрді. Жер атмосферасында оттегі Күннің ультрафиолетті сәулесінің әсер етуімен су мен су буының жауылуы жолымен жинақтайды. Осыдан 3,5 млрд. Жыл бұрын күн сәулесінің көмегімен фотосинтезді жүргізуге қабілетті хлорофильді ағзалар пайда болды. Бұл ағзалар күн энергиясын биохимиялық энергияға айналдыруға қабілетті болып келді. Фотосинтез нәтижесінде атмосфера құралы оттегімен толығып, төртіншілік атмосфераның түзілуіне жағдай туды.

   Қайта қалпына  келетін екіншілік атмосфрераға  үлкен  энергия ағымдары әсер  етті: қысқатолқынды ультракүлгін  сәуле, Күннің иондаушы сәулесі,  электрлік разрядтар, вулканнан  туған жылудың жергілікті қайнар көздер. Осы талаптар орындалса ғана белсенді химиялық синтез жүреді, бұл синтез барысында аралық өнімдер, яғни этилен, этан, формальдегид, мочевина сияқты заттардан алдымен мономерлер, кейін полимерлер түзіледі. Тұну, бөлшектену, жабысу, сору сонымен қатар минералдар (лай, ыстық лава) беткейінде синтетикалық процестер жүріп отырды. Осы  синтезге қатысатын өнімдер арасында 14 аминоқышқылы, пурин, пирамидин, қант, АМФ,АДФ,АТФ, май қышқылы, порфирин сияқты биологиялық маңызды қосылыстар табылған.

Протепоидтар мен нуклейн қышқылдары арасында байланыстар ерте басталғаны анықталды. Эйгеннің болжауы бойынша нуклейн қышқылы молекуласының тез, әрі дұрыс көбеюіне, бір жағынан өзіне сәйкес келетін протенойд әсер етті, ал екінші жағынан нуклеин қышқылының өзі-өзіне сәйкес келетін белокты иодтай бастады.

Биотикалық  эволюция

Абиотикалық эволюцияның  соңына қарай протобионттар деп  аталатын ағзалар пайда болды. Протобионттар  – қоршаған ортадан оқшауланған  ерекше ұйымдасқан ағзалар. Олар белоктың репликация және трансляциялық синтезіне  қабілетті молекулалар жүйесінен құралады (генетикалық гипотеза). Органикалық құрылыс блоктар «біріншілік спорадан» бастапқы да өзінің құрылуына қажет болмаған ферменттерді қабылдайды. Шамамен 4 млрд. Жыл бұрын  протобионттардың әртүрлі типтері анықталған. Протобионттар үшін селективті ерекшелік болып плазмалық мембрананың болуы жатады, себебі плазмалық мембрана протобионттардың дифтузия жорлымен жойылып кетуінен қорғайды. Мембраналар екі әлсіз байланысатын полимерлердің жақындасуы немесе балшық бетінде полимерлердің адсоббуциясы кезіндегі суда түзілетін коацерваттардың құрылған жерінен енуі мүмкін. Олардың селективті артықшылығы бөлек-бөлек геномдардың бір геномға бірігуіне, бөліну механизмінің пайда болуына әкеледі. Мұндай ферменттер жиынтығымен қамтамасыз етілген түзілістерді протобионт («эобионт» сөзінің синонимі) деп атайды. Протобионттардың қалдығы  - шар тәрізді түзіліс. Оңтүстік Америкадағы Онфервахтарда (жасы шамамен 3,4 млрд.жыл) кездессе, жасыл балдырлар сияқты прокариоттардың көмегімен түзілген ізбесті қалдықтар Родезияда табылған (жасы шамамен 2,7-3,1 млрд жыл) энергия алудың бірден-бір әдісі біріншілік гетеротрофия болып саналады. Жоғары сатылы протобионттарға ашу процестері тән. Үшіншілік атмосферадағы СО2 мөлшерінің жоғарылауы СО2 ассимиляциясы нәтижесінде көміртегіге деген қажеттілікті азайтты. Біріншілік сорпада болмайтын аминоқышқылдар синтезінің биотикалық жолдары өндіріледі. Энергия алу әдістері ретінде анаэробты тыныс алу процестері ашу процестеріне қарағанда сәл алға қадам басты. Оттегінің қайнар көздері болып сульфаттар, нитриттар, нитраттар саналады. Тыныс алу тізбегі бойынша электрондардың берілу механизмдері құрылды. Ол үшін қажетті порфириндер (цитохромдар) синтетикалық жолмен синтезделінеді. Тағы бір энергия алудың су бір маңызды жолы жарықты қолдану болды. (фотоэргия). Бұл жолдағы алғашқы адым қарапайым фотохимиялық реакция саналады. Ал екінші, неғұрлым эффективті адымы ол – циклдік фотофосформендендіру, үшінші  адымы болып СО₂-ң қайта қалпына келуіне және органикалық заттарды түзуге әкелетін циклдік емес фотофосфорендендіру саналады. Фотосинтезде қатысатын организмдер автотрофты деп аталынады. Фотосинтезге қажетті хлорофилл абиотикалық жолмен түзілуі, кейін мембрананың мепидтік құрамына қосылуы керек. Фотосинтез органикалық заттар мен бос оттегінің белсенді түзілуіне жағдай жасады. Органикалық заттардың синтезделу негізіне автотрофтылар мен оларға тәуелді гетеротрофты организмдер арасындағы айналып жатады. Оттегі аэробты хеносинтездің дамуында және тыныс алуда өте маңызды болып табылады. Сөйтіп ашу процесі тыныс алумен ауысқан екіншілік гетеротрофия қалыптасты. 2,8-1,8 млрд. Жылдар уақытында атмосферадағы оттегі 1-тен төмен болды.

Прокариоттардың эволюциясы. Протобионттар деңгейінде ең ерекше дамыған прокариоттар (бактерия мен көк-жасыл балдырлар) мен эукариоттар (жасыл өсімдіктер, қалған басқа балдырлар) эволюциясына негіздер анықталды. Бұл көптеген жалпы ұқсастықтарды көрсетеді: генетикалық ақпаратты, генетикалық кодты, зат алмасу негіздерін тасымалдаушылардың бірлігі. Прокариот деңгей осыдан 3 млрд. жыл бұрын көтерілді. Бұл жердің негізгі ерекшеліктеріне жатады:

• генетикалық код пен көбею механизмдердің туындауы;
• гендердің репликация және транскрипция процестерінің бөлінуі.
• Сақиналық геномның түзілуі;
• АТФ синтезі үшін ферменттік жүйенің құрылуы.
• Заттардың белсенді тасымалы және аминоқышқыл, нуклеотид, көмірсу, липид т.б. заттардың синтезінің өзіндік механизмдерінің   өндірілуі.

Прокариоттарға грам оң, грам теріс бактериялар, көк-жасыл  балдырлар жатады.

Эукариоттар эволюциясы. Эукариоттар жоғары сатылы протобионттардан ерекшеленеді. Ежелгі қалдықтары 1,4-2 млрд. жыл бұрын анықталған. Цитоплазмадан оқшауланған клеткалық ядродағы хромосомамен клеткаға диплондия мен рекомбинация арқылы жыныстық көбеюге өту – эволюциялық мүмкіншіліктерді кеңейтіп, дифференцияға маңызды болып келді.

Бір клеткалы эукариоттар (протистер) арасында авто және гетеротрофты топтар бар. Олардың эволюциясында  басты рольді флагелеттар атқарды. Жершарында шығу тегі ортақ болып  келетін бірнеше ірі заттар тобын ажыратуға болады. Олардың құрылымдық көрсеткіштерінде ұқсастықтар болады. Оларға көпвариантты редупликация, зат алмасу, өсу мен дамуға онтогенез) қабілеттілік.

Эукариоттардың патшалық үсті миллион жылдан астам бұрын  жануар, өсімдік, саңырауқұлақ патшалығына бөлініп кетті. Жер бетіндегі тіршілік атауының ең ежелгі тобын архебактериялар деп атау қабылданған.

Прокариоттар мен эукариоттар  архебактериялық жаңа патшалығының туындауына байланысты  патшалық үсті деңгейінде бөлінді.

А.Патшалықүсті (Прокариоттар немесе ядроға дейінгі организмдердің)

І. Патшалық (Бактериялардың)

ІІ. Патшалық (Архебюактериялардың)

Б. Патшалықүсті (Эукариоттар  немесе ядролы ағзалар)

І. Патшалық (Жануарлардың)

1. Патшалықасты (Қарапайымдылардың)

2. Патшалықасты (Көпклеткаллылардың)

ІІ. Патшалық (Саңырауқұлақтардың)

1. Төменгі сатылы саңырауқұлақтардың
2. Жоғары сатылы саңырауқұлақтардың