Принцип Ле-Шателье - Брауна

Любая термодинамическая система реагирует на внешнее воздействие в соответствии с принципом Ле-Шателье - Брауна:

внешнее воздействие, выводящее систему из термодинамического равновесия, вызывает в ней процессы, стремящиеся ослабить результаты этого воздействия.

Из этого принципа вытекает важное следствие:

если система не может скомпенсировать влияние внешнего воздействия, то она либо разрушается, либо переходит в новое устойчивое состояние.

На биоту и экосистемы более 65 лет назад этот принцип был распространен американским биофизиком и демографом А. Лоткой.

В биосфере принцип Ле-Шателье - Брауна проявляется в эволюции организмов при изменении физико-химических условий в атмосфере, гидросфере и литосфере. На нашей планете неоднократно происходили резкие смены доминирующих форм жизни в результате изменения внешних по отношению к биоте факторов – среды обитания. Рассмотрим это на примере коэволюции биоты и геохимической обстановки биосферы.

Общая тенденция изменения геохимической обстановке в биосфере соответствовала переходу от восстановительных условий к окислительным (рис. 3).

 

 

Рис. 3. Изменение геохимической обстановки за время существования биосферы

 

В истории Земли выделяют несколько этапов, каждому из которых соответствовала определенная геохимическая обстановка и доминирующие формы жизни:

· безжизненная Земля (азой);

· зарождение жизни (эозой);

· древняя жизнь (археозой):

· ранняя жизнь (протерозой):

· современная жизнь (фанерозой).

Этап безжизненной Земли– господство гидридной формы водорода (Н^-). В этот период идут процессы, подготовившие условия для возникновения жизни.

1. Образуется вода и свободный азот

SiH₄ + 2NO₂ = SiO₂ + 2H₂O + N₂.

2. Образуются амины, необходимые для синтеза белков

SiH₄ + NO₂ = SiO₂ + NH₂ + H₂.

3. Образуются углеводы и другие органические соединения

SiH₄ + 2CO₂ = CН₂O + H₂O + SiO₂ + C. (СН₂О – условная формула углеводов)

Эра зарождения жизни – это время образования устойчивых органических молекул, способных к усложнению и воспроизводству. Идет накопление аминокислот, формальдегида, воды и пр.

Эра древней жизни– восстановительная обстановка сохраняется. Появляются простейшие организмы (прокариоты), которые используют накопленное ранее органическое вещество. Постепенно разнообразие организмов увеличивается. Появляются бактерии способные синтезировать органическое вещество из минеральных соединений. Такие организмы могли участвовать в осаждении Fe и Si из морских вод и формирование джеспилитов (железистых кварцитов). Так, процесс синтеза глюкозы железобактериям мог происходить по схеме

2FeO + H₂O = Fe₂O₃ + H₂ и далее 6СО₂ + 12Н₂ = 6СН₂О + 6Н₂О.

По мере развития биосферы появляются бактерии, освоившие хемосинтез, а позднее и фотосинтез, который сопровождается образованием свободного кислорода, который начинает поступать в биосферу.

· Эра ранней жизни. С появлением фотосинтеза становится возможным существование организмов (эукариот), в основе жизненного цикла которых лежит дыхание кислородом. Эукариот отличает интенсивный обмен веществ, что является предпосылкой для появления многоклеточных форм жизни. Вмесите с тем, кислород опасен для простейших и они вытесняются в экологические ниши с экстремальными условиями. Происходит изменение и геохимической обстановки. Она постепенно становится окислительной. Процессы вулканизма становятся менее интенсивными, расход кислорода на окисление горных пород и газов уменьшается, и концентрация его в атмосфере начинает возрастать быстрее.

Эра современной жизни. Накопление кислорода приводит к образованию в атмосфере озонового слоя, который экранирует поверхность Земли от ультрафиолетового излучения, губительного для многих организмов. Жизнь выходит на сушу. Появляются растения.