WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Шабанов Д. А., Кравченко М. А. Материалы для изучения курса общей экологии с основами средоведения и экологии человека. 2009-2

Научный журнал

 

Однако пользуясь моделями, важно никогда не забывать о том, что они - приближения, пригодные лишь для оценки определенного диапазона явлений. Разделим сово-


26


Глава 1. Экология и биосистемы, которые она изучает


1.11. (дополнение) Модели, их ограничения и опасности


27



купность состояний системы-оригинала и описывающей ее модели на две области: ту, в которой оригинал удалось наблюдать в действительности, и ту, о которой мы судим только по модели. Если модель не соответствует оригиналу в изученной области, от нее нужно отказываться или, как минимум, существенно ее корректировать. А вот в неизученной области проверить модель нельзя.

Тем ценнее ситуации расширения той области состояний оригинала, где его поведение было изучено. Приведем пример, относящийся реакции организмов и экосистем на изменения факторов среды. Относительно недавно выяснилось, что большинство климатических моделей неверно прогнозируют реакцию лесов на недостаток влаги.

Рассмотрим вначале логику, по которой строилась бы любая здравая модель. Как узнать реакцию леса на засуху? Подвергнуть экспериментальное растение, растущее в климатической камере, действию недостатка воды. Все понятно! Стремясь ограничить испарение воды, такое растение закроет устьица, уменьшит газообмен с окружающей средой и снизит интенсивность фотосинтеза. Значит, и привыкший к влажности дождевой тропический лес отреагирует таким же образом...

В июле-сентябре 2005 года в Амазонии наблюдалась небывалая засуха. За регионом велись наблюдения из космоса. Интенсивность фотосинтеза оценивалась по тому, насколько из отраженного лесами света изымались частоты спектра поглощения хлорофилла. После обработки полученных данныхудалось зарегистрировать парадоксальноеявление! На подавляющей части территории засуха вызвала усиление фотосинтеза; он снижался только на участках, измененных вследствие человеческой деятельности.

Как экологи могли не заметить механизм, усиливающий фотосинтез при засухе? Вероятно, вследствие того, что в экспериментальных климатических камерах не бывает облаков. Снижение влажности воздуха над лесами привело к уменьшению облачности, увеличению освещенности листьев и возрастанию интенсивности фотосинтеза. А вода? А воду деревья откуда-то взяли. Почва в дождевом тропическом лесу весьма скудна, но, как получается, некий минимум влаги, необходимый для жизни леса в течение засухи, она удерживает. А если засуха будет долгой? Увы, ответ на этот вопрос лежит в той области состояния системы-оригинала, о которой мы не имеем достаточно надежных экспериментальных данных.

Итак, модели - важный инструмент исследования, но далеко не панацея от всехбед. Более того, иногда использование моделей становится способом самообмана исследователей. Для доказательства этого утверждения можно было бы привести множество примеров, но здесь будет рассмотрен один - парадоксальным образом, затронувший самого Чарльза Дарвина. Речь идет об издании «Происхождения видов» Дарвина, выпущенном в 1986 году под редакцией двух известных российских эволюционистов: А.В. Яблокова и Б.М. Медникова. Те места, где Дарвин сомневался или осторожно нащупывал мысль, выкинуты бестрепетной рукой. Оставленный дарвиновский текст изрядно улучшен редакторскими комментариями и вставками. Кроме многого другого, в «Происхождение видов» добавлено описание машинного эксперимента, выполненного В.В. Меншуткиным совместно с самим Медниковым.

В описываемом компьютерном эксперименте моделировалась эволюция позвоночных. Была описана «биосфера», в которой могло существовать определенное количество организмов. Было задано описание позвоночного, в котором перечислено определенное количество качеств (наличия/отсутствия тех или иных органов и свойств). В начале в модельную биосферу поместили существо типа ланцетника - примитивный вариант, в котором приспособления позвоночных находятся лишь в потенции. «Размножение» осуществлялось путем копирования имеющихся в биосфере организмов. Входе копирования


были возможны ошибки - «мутации». После каждого цикла размножения возникал избыток организмов, и программа удаляла описания менее приспособленных организмов, а «генотипы» более приспособленных отсылала на следующее копирование.

В результате этого эксперимента удалось «доказать», что ход эволюции предопределен и неизбежно ведет к появлению разума. В эксперименте Меншуткина-Медникова «ланцетники» дали разнообразных «рыб», имевших три пары парных плавников, а затем вышли на сушу в виде шестиногих существ. В результате эволюции наземной жизни возникли существа типа кентавров - перемещавшиеся на четырех ногах организмы со свободными для труда передними конечностями. У нихбыл крупный мозг и способствующая развитию разума социальная жизнь.

Достигнув этого этапа, экспериментаторы «отмотали» машинное время назад и населили сушу четвероногими существами. О чудо! Теперь возникший входе эволюции разум оказался двуног. Итак, удалось доказать, что в эволюции есть определенная свобода, но в целом ее ход предрешен.

Авторы данного учебника предполагают, что эволюция в значительной степени направлена, но думают так не благодаря эксперименту Медникова-Меншуткина, а вопреки ему. И дело не в том, что позвоночные не могли быть шестиногими (конечности - результат эволюции парных плавников, которые развивались как передние и задние участки боковой складки). Дело в том, как в данном эксперименте оценивалась приспособленность «организмов».

Посвященная попыткам управлять экономикой из одного центра книга нобелевского лауреата Фридриха фонХайека называется «Пагубная самонадеянность». Никакой план не может предусмотреть то, что определяется множеством людей в их конкретных рыночных взаимодействиях. Еще пагубнее самонадеянная вера, что можно заранее знать, что выберет, а что отбракует естественный отбор. Модельная биосфера, которая сможет это предсказать, должна быть столь же сложна, как и настоящая. А в модели Меншуткина-Медникова был лишь один способ отделять удачи от неудач - ввести априорную оценку, в которой приспособленным считалось то, что восторжествовало входе действительной земной эволюции. Программе задали, что самое приспособленное существо - это разумное существо. Для разума нужны свободные конечности, большой мозг и социальная жизнь. Иными словами, модели задали конечное состояние и способ его достижения (с использованием случайных ошибок, приближающих к заданному состоянию). Кого-то удивляет, что модель пришла туда, куда ее направили с самого начала?

Интересно, что экспериментаторы «выключали» эволюцию, когда у них возникало разумное существо. Они понимали, что дальнейшее развитие модели будет топтанием на месте? По крайней мере, они могли обосновать такое решение тем, что после появления разума биологическую эволюцию вытесняет социальная. Так или иначе, экспериментаторы убедили в предопределенности эволюции не только многочисленных читателей, но и себя самих. Дарвинизм обвиняют в логическом круге: приспособленность объясняют как способность выживать, а выживание считают следствием приспособленности. Все же можно предположить, что склонный к осторожным и всесторонним размышлениям Дарвин не попался бы в ту ловушку, куда заманили самих себя Меншуткин и Медников. Впрочем, это не помешало их эксперименту попасть в издание одной из самых главных книг в истории биологии («ЭВМ подтвердила Дарвина»).


28


Глава 1. Экология и биосистемы, которые она изучает


Глава 2. Биосферология



1.12. (дополнение) Объяснительное значение экологии

Именно экологический подход позволяет понять, почему организмы таковы, какими мы их наблюдаем. Ключ к объяснению свойств любой биосистемы лежит в рассмотрении особенностей ее отношений со средой на протяжении ее истории. Можно ли ответить на вопрос, почему опорой тела человека является позвоночник? Подробный ответ на него потребует много места, но коротко изложить его логику можно и здесь.

В ту эпоху, когда происходило становление планов строения типов животных (в кембрийском периоде), та из групп, потомками которой являются позвоночные, перешла к фильтрации морской воды благодаря активному плаванию. Придонные слои воды в то время (как и сейчас) фильтровали представители многих других групп животных. Подъем фильтраторов в толщу еще никем не отфильтрованной воды был эффективным способом ухода от конкуренции.

Успешным окажется тот образ жизни, при котором организм получает больше энергии, чем тратит на ее получение. Затраты энергии на плавание должны были быть меньше того выигрыша, который можно было получить от переваривания взвешенных в воде пищевых частиц. Самый экономный способ плавания - тот, при котором все тело используется как плавно изгибающееся весло. Гибкая струна, тянущаяся вдоль всего тела, позволяла запасать часть энергии, тратившейся на изгиб тела, и сделать плавание еще более экономным. Волну сокращений, пробегавших вдоль тела, обеспечивали сегментированные мышцы.

Совершенствовать образ жизни можно не только благодаря экономии энергии при плавании, но и при повышении эффективности питания. Повысить его эффективность можно, если потреблять не только взвешенные в воде частички, но и избирательно поедать водных животных (вначале мелких, потом - все более крупных...). Именно поэтому некоторые из активноплавающих фильтраторов перешли к хищному питанию. Чтобы хватать уворачивающиеся жертвы, им пришлось сделать свое плавание более быстрым и маневренным. Чтобы дать опору мышцам, вокруг хорды в каждом сегменте тела развивались хрящи или кости - позвонки.

Добыча, за которой охотится превосходящий ее по размерам хищник, пытается уходить от преследования благодаря резким рывкам в сторону. Значит, хищнику для плавания необходимы рули. Их роль выполняла кожная складка, тянущаяся вдоль тела и разбивающаяся на отдельные участки - парные плавники. В качестве рулей наиболее эффективнми оказались те участки складки (плавники, которые находились в передней и задней части тела - грудные и брюшные плавники). Когда далекие потомки этих животных перешли к наземной жизни, позвоночник стал опорой тела - чем-то вроде горизонтальной балки между двумя мостами, поясами конечностей, а парные плавники стали конечностями. Когда потомки этих потомков от лазания по деревьям перешли к двуногой жизни на земле, позвоночник стал вертикальной опорой их тела.

Обратите внимание, какие аргументы были использованы входе ответа на заданный вопрос. Они касались образа жизни, истории развития рассматриваемой группы и ее морфофункциональных особенностей. И история группы, и особенности ее строения и функций могут быть объяснены только при рассмотрении экологических, связанных со спецификой взаимодействия со средой, причин.


2.1. Биосфера

Биосфера — оболочка Земли, преобразуемая деятельностью живых организмов. Альтернативная трактовка (биосфера как оболочка Земли, в пределах которой встречаются живые организмы, «поле существования жизни» по В.И. Вернадскому) оказывается намного менее полезной.

«Вернадский ...называл биосферой наружные оболочки Земли, охваченные жизнью, и акцентировал прежде всего работу собственно «живого вещества» (как он в противоположность косному веществу планеты называл совокупность организмов). Кроме того, в начале XX века еще очень мало было известно о глубоких недрах Земли и верхних слоях атмосферы. Поэтому в своих лекциях и книге «Биосфера» (1926) Вернадский занизил мощность биосферы. В более поздних работах он постоянно раздвигал границы биосферы, медленно, но верно превращая ее из области, охваченной жизнью, в область проявления последствий ее геохимической работы, источником которой является энергия солнечных лучей.

Эти области существенно различаются благодаря глобальному геохимическому круговороту, который Вернадский называл главной функцией биосферы. Большая часть энергии, движущей круговорот, расходуется на перенос косного вещества, прежде всего на чисто физический процесс испарения и конденсации воды. Благодаря работе круговорота продукты жизнедеятельности, особенно газообразные, жидкие и растворимые, разносятся гораздо шире зоны, непосредственно охваченной активной жизнью.

Таким образом, для Вернадского биосфера - прежде всего естественно-историческое, а именно- геологическое тело, наружная оболочка планеты, в свою очередь состоящая из нескольких геосфер: тропосферы с нижней частью стратосферы, жидкой гидросферы и значительной части земной коры, включая ее гранитно-метаморфический слой. Последнюю Вернадский называл областью «былых биосфер», подчеркивая этой метафорой непрерывность существования биосферы во времени» (А.С. Раутиан, 2001).

Термин «биосфера» восходит к Ж.Б. Ламарку (который употребил его в 1803 году для обозначения совокупности всех организмов). В постоянное употребление его ввел в 1875 г. австрийский геолог Э. Зюсс (говоря об оболочке Земли, охваченной жизнью).

В.И. Вернадский ввел понятие «живое вещество»—совокупность всех живых организмов, рассматриваемая как единое целое. Область распространения живого вещества охватывает всю гидросферу, верхние слои литосферы и нижнюю часть атмосферы, но основная концентрация живых организмов отмечается в приповерхностном слое суши и океана. Если живое вещество распределить по поверхности Земли равномерно, образуется пленка толщиной в 2 см. Среднее время его обновления — 8 лет (а в океане — 33 дня).

Геохимические функции живого вещества (по В. И. Вернадскому, с некоторыми изменениями):

—энергетическая: аккумуляция солнечной энергии растениями в результате фотосинтеза с дальнейшим перераспределением этой энергии;

— концентрационная: избирательное накопление определенных элементов в теле самих организмов и образуемых при их участии осадочных пород;


30


Глава 2. Биосферология


2.2. Ноосфера


31



  1. деструктивная: минерализация органики, разложение горных пород, вовлечение элементов в круговорот;
  2. средообразовательная: трансформация параметров среды в благоприятные для организмов (почвообразование, поддержание газового состава атмосферы, очищение водоемов и прочее);
  3. транспортная: перемещение входящих в состав живого вещества элементов и перераспределение его по поверхности планеты (пример: вынос биогенов из водоемов рыбоядными птицами и животными, имеющими водную личиночную и наземно-воздушную взрослую стадии).

Основными результатами биогеохимической активности живого вещества можно считать кислородную революцию около 2,5 миллиардов лет назад, формирование устойчивых границ между сушей и водоемами (преобразование плащевого стока воды с континентов в русловой), создание почвы; регуляция образования геологических осадков.

2.2. Ноосфера

Я чувствую себя настолько солидарным со всеми живущими, что для меня безразлично, где начинается и где кончается отдельное. Альберт Эйнштейн

Часто упоминаемым достижением научной мысли прошлого века является концепция ноосферы. Общепринятой трактовки этого понятия не существует. Идея ноосферы является не научно обоснованным обобщением, а попыткой облечь в слова интуитивную догадку о том, что человечество в будущем должно измениться.

Вероятно, основным автором понятия «ноосфера» был Пьер Тейяр де Шарден, французский священник и ученый-эволюционист. Поскольку Тейяр был членом монашеского ордена иезуитов, высказываемые им публично идеи были ограничены дисциплиной ордена и поэтому идея ноосферы была обнародована в 1927 году его другом, философом и математиком Эдуардом Леруа. Как подчеркивали Тейяр и Леруа, важным источником этой идеи стали лекции по геохимии, которые В.И. Вернадский читал в 1922-1923 гг. в Париже. В дальнейшем представления о ноосфере независимо друг от друга разрабатывались и Тейяром, и Вернадским.

В целом можно сказать, что ноосфера —состояние биосферы, при котором разумная деятельность человека становится основным фактором ее развития, хотя трактовка этого понятия различается даже у его создателей.

Рассматривая эволюцию Универсума (т.е. Вселенной, всего сущего), Тейяр считал и возникновение жизни, и возникновение человека закономерными этапами этого процесса. Усложнение развивающихся систем в ходе эволюции приводит, согласно его взглядам, к возникновению систем все более высокого порядка. Человеческая психика, по Тейяру, является сложнейшим результатом эволюции Вселенной. Преодолевая раздробленность, отдельные человеческие личности объединяются во всепланетной сфере разума —ноосфере. По Тейяру, возникновение ноосферы — растянутый во времени и еще не законченный процесс, в котором участвует каждый из нас.


«Главным достижением в подходе П .Тейяра де Шардена к ноосфере оказалось как раз то, чего недоставало в подходе В.И Вернадского. Он нашел внутренний источник разума - рефлексию. Этим словом он называл способность сознания «сосредоточиться на самом себе и овладеть самим собой как предметом» мысли, «способность уже не просто познавать, а познавать самого себя; не просто знать, а знать, что знаешь». Человек, охватывая своим рефлексирующим разумом не только себя, но всю окружающую его Природу, в известном смысле становится средоточием Вселенной, приступившей с его помощью к самопознанию и тем самым к самосознанию самой себя.

В принципиальном решении проблемы разума Тейяру де Шардену несомненно помогли глубоко пережитая им вера, религиозная культура и теологическое образование. От Платона и Аристотеля еще средневековая схоластика унаследовала представление о главном атрибуте Божественного Разума: тождестве мысли и мыслимого. Замысел Божий развернут перед нами в форме созданного Им мироздания. Действительно, мысль, воплощенная в слове, была неотделима от Бога-Творца («Сначала было Слово, и Слово было у Бога, и Слово было Бог») и непосредственно воплощалась в тварном мире. Причем плоды задуманного и воплощенного входе Творения проверялись при помощи критерия практики: «И увидел Бог все, что Он создал, и вот, хорошо весьма». «И сотворил Бог человека по образу Своему, по образу Божию сотворил его». Сплошные рефлексивные высказывания и действия. В сущности, главное отличие человека от Вечного Бога в отсутствии тождества между мыслью и ее воплощением: не все мыслимое воплощаемо, а воплощаемое требует для своего воплощения труда.

В своей основе рационально-религиозная доктрина Тейяра де Шардена разошлась с «Книгой Бытия» лишь заменой двух глаголов совершенного вида глаголами несовершенного вида: Замысел Божий не только развернут, но продолжает разворачиваться перед нами в форме создаваемого Им по сей день мироздания» (А.С. Раутиан, 2001).

Идеи Вернадского, высказанные в связи с концепцией ноосферы, были тесно связаны с его основной областью интересов — геохимией. Главные из них таковы:

  1. человечество — геологическая сила;
  2. причина силы человечества — его разум и воля, результат его социальности;
  3. человечество преобразует геохимические круговороты, меняя функции биосферы;
  4. человечество эволюционирует в направлении обособления от остальной биосферы.

Согласно Вернадскому, переход биосферы в ноосферу закономерен и неотвратим, но, видимо, рассматривается как что-то, что должно произойти в будущем.

Альтернативная трактовка считает ноосферу уже возникшей (на основе техносферы) и рассматривает ее становление как развитие отношений между биогенными и техногенными (антропическими) процессами.

Представления о соотношении биосферы и ноосферы нельзя считать устоявшимися до сего дня. Один из аспектов этих отношений отражает полушутливая формулировка, касающаяся экологического кризиса современности: «биосфера почувствовала на себе ноосферу и пытается ее сбросить».


32


Глава 2. Биосферология


2.3. Гипотеза Геи


33



Некоторые ученые считают понятие ноосферы лишенным конкретного содержания.

«Необходимо сказать несколько слов о расхожем (особенно по страницам популярных «зеленых» экологических изданий) термине «ноосфера», который был независимо введен в экологических обиход П. Тейяром де Шарденом и В. И. Вернадским. Однако если ТейярдеШарденпонималпод ноосферой в первую очередь глобальное развитие «коллективного разума», то Вернадский считал, что этот «коллективный разум» должен преобразовать биосферу, улучшив условия для жизни человека на планете.

Вернадский исходил из сциентистского взгляда на отношения человека и природы, т.е. считал, что наука может решить практически любые проблемы вплоть до управления основными циклами веществ и перехода человека на «автотрофное питание» с непосредственным использованием солнечной энергии для производства продуктов питания (минуя посредническую роль растений).

Взгляды Вернадского на ноосферу - пример экологического утопизма. Система связей в биосфере («биосферный рынок») столь сложна, что человек не может управлять ей» (М.Б. Миркин,Л.Г. Наумова, 2005).

В концеXX века понятие ноосферы было переосмыслено Н.Н. Моисеевым в рамках его концепции коэволюции (совместной эволюции) биосферы и человеческого общества. С этой точки зрения, ноосфера — состояние человечества, при котором оно эволюционирует совместно с биосферой.

«...Я полагаю, что выполнение условий коэволюции действительно необходимо для обеспечения нашего будущего, ибо человек может существовать только в биосфере, параметры которой удовлетворяют очень жестким условиям. Если человечество не вступит в эпоху ноосферы, то его ожидает деградация и постепенное исчезновение с лика Земли. Но сможет ли человечество реально осуществить такой переход? Ответ на него мне не представляется столь очевидным, как это думали Тейяр де Шарден и Вернадский.

Мне кажется, что полвека тому назад у обоих мыслителей было больше оснований для оптимизма.... Тогда еще ничего не знали об атомном оружии и не предполагали, что человечеству уже в зримом будущем предстоит преодолеть чрезвычайной остроты глобальный экологический кризис. И переход в эпоху ноосферы не будет плавным и безболезненным слиянием «рас, Природы и Бога», как думал Тейяр де Шарден, а станет, скорее всего, бифуркацией с непредсказуемым исходом.

В самом деле, такой переход будет означать кардинальную перестройку не только самой общественной структуры человечества, но и всего характера его эволюции. Нас ожидает не просто создание и использование новых технологий. И даже не создание новой экологический ниши. Человечеству предстоит научиться согласовывать свои потребности с убывающими возможностями планеты. Людям придется подчинить свою жизнь новым и очень жестким ограничениям. По существу, создать новую нравственность и следовать ей в своей повседневной жизни.... Это будет совершенно новый этап эволюционной истории вида Homo sapiens» (Н.Н. Моисеев, 1994).


2.3. Гипотеза Геи

Земля - больше, чем просто дом, это живой организм, и мы являемся его частью. Джеймс Лавлок

Как было уже сказано, на всех уровнях организации биосистем наблюдается регуляция по принципу отрицательной обратной связи. Но уровни организации биосистем во многом и отличаются. Например, организм состоит в основном изживыхтканей, обладает высоким уровнем целостности и определенным набором управляющих подсистем (для животных это нервная, эндокринная и иммунная системы). То, что организм поддерживает гомеостаз (сохраняет постоянными свои важнейшие свойства), кажется нам достаточно привычным. Напротив, биосфера состоит в основном из неживых компонентов, не имеет «центра» и управляющих подсистем. Однако к поддержанию постоянства своих свойств способна и она!

Это свойство биосферы произвело сильное впечатление на английского химика Джеймса Лавлока, который работал в американском аэрокосмическом агентстве (NASA) и разрабатывал признаки, по которым можно искать планеты, на которых существует жизнь. Ему стало ясно, что важнейшие параметры земной биосферы (состав атмосферы, ионный состав океана, климат) поддерживаются живыми организмами в состоянии, весьма далеком от равновесия. На протяжении длительного времени земная биосфера поддерживает на поверхности планеты благоприятные для себя условия.

В 1972 году Джеймс Лавлок и Линн Маргулис предложили так называемую «гипотезу Геи» —представление о Земле как о сверхорганизме, который поддерживает свой гомеостаз. Как указывал позже Лавлок, они с Маргулис независимо пришли к мыслям, которые ранее высказывали и Джеймс Хаттон в XVII веке, и Владимир Вернадский в XX веке.

Вернемся к предложенной Дж. Лавлоком в 1979 годуумозрительной модели глобальной регуляции —«Маргаритковому миру» (см. пункт 1.9). Выясняется, что сверхпримитивная биосфера (которая всего-то и может, что менять цвет лепестков растущих на ее поверхности цветков) способна регулировать температуру планеты в достаточно широких пределах! А каковы, в таком случае, возможности земной биосферы? Свойства звезд того класса, к которому относится Солнце, таковы, что со временем они постепенно увеличивают свою светимость. За время существования земной жизни это должно было привести к существенному изменению температур на поверхности планеты. Как ни удивительно, это не произошло. Скорее всего, сохранение климата относительно постоянным —результат регуляторной активности биосферы.

Многие взаимосвязи, обеспечивающие функционирование Геи, еще неизвестны. Приведем один пример, открытый при участии Лавлока. Отмирая, планктонные водоросли выделяют газы — диметилсульфид и метилйод. Эти газы выполняют сразу несколько функций. Во-первых, они усиливают конденсацию водяных паров в атмосфере в виде облаков. Если планктонные водоросли гибнут от перегрева, выделение этих газов приводит к охлаждению воды благодаря облачному покрову. Этот эффект носит не только локальный характер. Увеличение облачного покрова увеличивает альбедо планеты — ее способность отражать упавшие на нее лучи. Возникающий благодаря об-


34


Глава 2. Биосферология


2.4. Биогеохимические циклы


35



і Необходим для большинства организмов

i Необходим для животных

і Необходим для определенных групп организмов

К      19 Са    20 Калии      Кальции

Ga     31 Галлий

Ge    32

Германий

As     33 So     34ГВЇ     351

Мышьяк ІІГ^лрн

Медь       Цинк

Ш

Ag     47 Серебро

Cd     48 Кадмий

In     49 Индий

Sn     50 Олово

Sb     51 Стибий

Те     52 Теллур

Хе     54 Ксенон

Иод

лачному покрову ветер способствует перемешиванию воды. Кроме того, эти газы, поступая в атмосферу, позволяют возвращать на сушу соединения серы и йода, необходимые для наземных экосистем. Рост активности наземных растений приводит усилению разрушения ими горных пород и увеличению количества биогенов (нужных для планктонных водорослей), которые поступают в океан со стоками воды с суши.

В гипотезе Геи переплелись элементы научной теории и религиозного пророчества. В последние годы Джеймс Лавлок выступает с предсказаниями катастроф. Он считает человечество «нервной системой» Геи, с помощью которой она осознает сама себя. Увы, человечество не осознало своей роли и нарушило функционирование Геи.

«Гея сделала меня планетарным врачом, и, поскольку я воспринимаю свою профессию всерьёз, мне волей-неволей приходится сообщать дурные вести.... Центры по изучению климата во всём мире, - представляющие собой эквивалент диагностической лаборатории или больницы, докладывают о физическом состоянии Земли, - и специалисты видят, что планета серьёзно больна, и в самом скором времени у неё начнётся лихорадка, которая продлится не менее 100 тысяч лет. И я должен сказать вам, члены Земной семьи, и самая её близкая часть, - что вы, и, в особенности, цивилизация находимся в смертельной опасности....

Мы должны быть сердцем и разумом Земли, а не просто вирусным заболеванием. Так давайте же наберёмся мужества думать не только о потребностях и правах человека, но и о том, какой вред мы нанесли Земле, и как нам примириться с Геей. Мы должны взяться за дело, пока мы ещё достаточно сильны для этого, пока мы ещё не убогая толпа людишек, сломленная жестокой волей одичалых военных диктаторов. Главное, что мы должны помнить, так это что мы часть Земли, и что она и в самом деле является нашим домом» (Дж. Лавлок).

Как ни относиться к теории Геи, сЛавлоком нельзя не согласиться в том, что один из главных параметров биосферы — содержание С02 в атмосфере.

2.4. Биогеохимические циклы

Я есть совокупность воды, кальция и органических молекул, называемая Карлом Саганом. Вы представляете собой почти такую же систему молекул с другим совокупным названием. И только-то? Неужели в нас нет ничего, кроме молекул? Кое-кому кажется, что это унижает человеческое достоинство. Лично я нахожу вдохновляющим то, что наш мир позволяет развиваться столь тонким и сложным молекулярным машинам, какими являемся мы с вами. Карл Саган

Земная жизнь построена на весьма сложной химической основе. Для ее существования необходимы многие химические элементы (рис. 2.4.1). Хотя главное соединение в составе организмов — вода, для жизнедеятельности совершенно необходимы органические вещества, состоящие из разнообразных атомов. Из элементов, являющихся важными ресурсами для биосферы,

важнейшими являются так называемые биогенные элементы или биогены. К биогенам относится примерно половина из 54 встречающихся в земной коре элементов. Особенно важны макроэлементы — С, Н, N, О, Р, S, Са, К и Mg, и некоторые микроэлементы — Fe, Cl, Na, Zn, V, Mo, В, Со, Си, Si, Se, Cr, Ni, I, F, Sn и As.

Роли, которые выполняют биогены, разнообразны. Четыре из них (так называемые элементы-органогены: углерод, водород, азот и кислород), составляют структурную основу органических молекул. В состав нуклеиновых кислот обязательно входит фосфор, а в состав некоторых аминокислот (а значит, и белков) —сера. Ионы кальция, калия, натрия и хлора являются важными для жизнедеятельности живых клеток. Многие металлы входят в состав важнейших органических молекул. Так, в состав молекулы хлорофилла входит магний, а одной из частей гема (составной части гемоглобина — переносящего кислород белка крови, а также некоторых других белов) является ион железа.

Для того, чтобы организмы могли включать в свой состав эти элементы, они должны находиться в доступной форме в населенной организмами среде. Единожды попав в состав живых организмов, один и тот же атом может переходить из одной молекулы в другую, из одного существа в другое. Однако со временем любой атом любого биогена покинет состав живого вещества и возвратится в окружающую среду. Чтобы организмы могли восполнить возникающий при этом недостаток необходимых им элементов, в среде должны действовать биогеохимические циклы.


36


Глава 2. Биосферология


2.5. Источники энергии для БГХ-циклов


37



Биогеохимическим циклом (БГХ-циклом) называется совокупность относительно замкнутых путей перемещения веществ через живые организмы и среду их обитания. Биогеохимические циклы называются так потому, что в их обеспечении участвуют как биологические, так и геохимические процессы. Конечно, совершенно необязательно, чтобы, передвигаясь по БГХ-циклу, элементы двигались по какому-то кругу. Однако по мере перехода из одной молекулы в другую в составе организмов и окружающей среды один и тот же атом может раз за разом возвращаться в какое-то определенное состояние. В этом и проявляется цикличность биогеохимических процессов.

Рассматривая приведенные далее схемы, на которых изображены БГХ-циклы, можно убедиться, что в их составе выделяют фонды и потоки. Фонды — совокупности веществ, содержащих рассматриваемый элемент в определенной форме. Потоки —пути преобразования элемента, переводящие его из одного фонда в другой.

В составе разных фондов элементы сменяются с разной скоростью. Рассмотрите гидрологический цикл (рис. 2.5.1). То количество водяного пара, которое содержится в атмосфере в каждый момент времени, успевает за год пройти через нее несколько раз. В то же время за миллионы лет сменяется лишь незначительное количество воды, связанной в литосфере. Именно поэтому в БГХ-циклах выделяют резервные и обменные фонды.

Выделяют несколько типов циклов, главные из которых—циклы газообразных веществ с резервными фондами в атмосфере и гидросфере и осадочные циклы с резервным фондом в литосфере. Те биогеохимические циклы, у которых есть фонды в атмосфере (циклы углерода, азота, воды, а также по отдельности кислорода и водорода), могут регулироваться организмами намного лучше, чем циклы, все фонды которых расположены в литосфере. БГХ-циклы различаются по степени зарегулированное™ живыми организмами Необходимо отметить, что зарегулированность осадочных циклов хуже. Если спуск элемента в кору идет быстрее его подъема из нее, возникает недостача, лимитирующая круговорот, но замедляющая спуск. Тот элемент, которого недостает для круговорота, будет сильнее удерживаться живым веществом и медленнее выводиться из круговорота.

Роль живых организмов в удержании биогенов была наглядно показана в ходе эксперимента, проведенного на американской биостанции в местности Хаббард-Брук (рис. 2.4.2). Был выбран небольшой участок территории (ущелье), ограниченный водоразделом. На вытекавшем из этого участка ручье была поставлена измерительная аппаратура. После того, как вся растительность на экспериментальном участке была уничтожена, экспериментаторы зарегистрировали не только двукратное увеличение количества вытекавшей воды (до эксперимента она задерживалась почвой и растениями и в ходе транспирации возвращалась в атмосферу), но и увеличение содержания биогенов в этой воде.

Природоохранные усилия должны быть направлены на превращение ациклических процессов в циклические. На Филиппинах есть районы, где на полях, разделенных священными лесами, рис возделывается более 1000 лет. Увы, среди искусственных экосистем таких примеров очень немного.

Один из методов изучения БГХ-циклов связан с радиационной экологией. Например, добавив в водоем некоторое количество меченого фосфора (т.е. вещества, содержащего радиоактивный изотоп фосфора), можно изучать пути и динамику его фиксации живым веществом и осадками. Для изучения подземных вод очень полезным оказался дейтерий (изотоп водорода), выброшенный в атмосферу в результате испытаний водородных бомб. Количество дейтерия в современных осадках известно; по тому, сколько его оказывается в подземных водах, можно узнать, с какой скоростью они пополняются водами, поступающими с поверхности.

2.5. Источники энергии для БГХ-циклов

Перемещение элементов в биосфере обеспечивается благодаря трем основным источникам энергии («приводным ремням» для БГХ-циклов):

  1. энергия Солнца, преобразованная гидросферой и атмосферой в гидрологическом цикле (рис. 2.5.1);
  2. энергия Солнца, накопленная в органических веществах в ходе фотосинтеза (рис. 2.5.2);
  3. материнская энергия Земли (перемещение тектонических плит, а также поднятие пород при горообразовании и вулканических извержениях,

38


Глава 2. Биосферология


2.5. Источники энергии для БГХ-циклов


39



 

•¦O-t Потоки (в 10  г/год) (^^) Фонды (в 1020 г)

1ЧГ        I АЄТРИТ  Кторфо-.угле-, ,.,™«—*.»  --—'нефтеобразование

Эрозия     —*

'Смерть, .выделение

(хищнйчество,\ паразитизм и др.)4*

Продуценты

Редуценты

Детритное питание

N

Рис. 2.5.1. Глобальный гидрологический цикл (круговорот воды в природе). Цифры -геограммы (1020г), для фондов - в среднем, для потоков - в год

Гидрологический цикл. Солнечные лучи нагревают земную поверхность (рис. 2.5.1). При этом часть их энергии тратится на испарение воды, а другая часть—на нагревание воздуха. Неравномерное нагревание воздушных масс вызывает их циркуляцию. Образующиеся над океанами и богатые водными парами воздушные массы с помощью ветров оказываются над континентами. Пролившись дождями, вода возвращается обратно в океаны через реки и подземные воды. Это движение потоков воды обеспечивает разрушение горных пород (водную эрозию) и перенос значительных количеств вещества в океаны.

Гидрологический цикл преобразует намного большее количество энергии, чем запасается входе фотосинтеза. На самом деле, приведенная на рисунке схема сделана для равновесной ситуации и не соответствует нынешнему состоянию дел, так как на данное время человек изымает воду из подземных резервуаров существенно быстрее, чем эти резервуары пополняются за счет естественных процессов.

Биогенный круговорот. Важнейшим процессом, накапливающим в биосфере доступную для живых организмов энергию, является фотосинтез.

Перенос с осадками (0.04) - пыль и дожди

Рис. 2.5.3. Осадочный цикл. Цифры - геограммы (1020г) в миллион лет. Материки -покрытые отложениями гранитные блоки, плавающие на слое базальта, подстилающем океаны. Подъем пород происходит вследствие вулканической деятельности и горообразования при столкновении континентов. Гранит - светлый, базальт - темная

вулканическая порода


40


Глава 2. Биосферология


2.6. Биогеохимический цикл углерода


41



Окисление

Благодаря ему доступные для растений неорганические питательные вещества ассимилируются в первичной продукции (растительной биомассе, рис. 2.5.2). Аналогичную роль в ряде экосистем выполняет бактериальный и архебактериальный хемосинтез. Энергия, запасенная в органических веществах продуцентов, передается гетеротрофным организмам, обеспечивая их жизнедеятельность. Химические реакции в живых организмах и перенос ими разнообразных веществ, протекающие за счет накопленной при фотосинтезе энергии, являются одним из «приводных ремней» БГХ-ЦИКЛОВ.

Осадочный цикл является следствием тектоники плит (шире — активности литосферы). Современные представления о тектоникелитосферных плит (греч. tekton/ke — строительное искусство) восходят к немецкому метеорологу Альфреду Вегенеру, предложившему в 1915 году гипотезу дрейфа континентов. Современники высмеяли эту идею, но полученные в середине XX века новые данные неожиданно заставили к ней вернуться. В отличие от представлений Вегенера, движутся не континенты, а литосферные плиты, на которых расположены материки. Данные по изучению океанского дна показали, что новая земная кора образуется в срединно-океанических хребтах и раздвигается от них в обе стороны, неся на себе континенты. Выделяют около десятка крупных плит и большее количество мелких; скорость движения —от 1 до 20 см в год. Там, где плиты сталкиваются, одна начинает «подлазить» под другую, приподнимая ее вверх. Богатые водой осадочные породы попадают на глубину, в область высокого давления и температуры. Наличие воды снижает температуру плавления горных пород, и в таких местах наблюдается активный вулканизм. Напряжения, возникающие в горных породах, снимаются при помощи землетрясений. Поднятие горных пород над поверхностью суши в результате горообразования и вулканизма приводит к тому, что они подвергаются выветриванию и содержащиеся в них элементы становятся доступными для земных организмов (рис. 2.5.3).

Итак, осадочный цикл —это перемещение биогенов из живого вещества в осадочные породы, образующиеся на дне океанов, с их последующим подъемом над поверхностью океана благодаря тектонике плит и вулканизму, а также дальнейшим выветриванием биогенов и их повторным попаданием в состав живого вещества.

2.6. Биогеохимический цикл углерода

Рассмотрение характеристик БГХ-циклов нескольких важнейших элементов следует начать, естественно, с углерода (рис. 2.6.1). Углерод является основой органических соединений, и поэтому цикл углерода имеет особое значение для живых организмов. Важнейшей особенностью этого цикла является наличие запасов С02, углекислого газа, в атмосфере, откуда его могут черпать живые организмы. Перемещение углерода через живые организмы тесно связано с перемещением иных биогенов. Например, соотношение потоков углерода и азота через живые организмы составляет примерно 6:1 (шесть атомов углерода на один атом азота), а соотношение потоков углерода и фосфора —примерно 100:1. Естественно, эти соотношения отражают соотношения самих элементов в составе живого вещества.

Особое значение цикла углерода связано с его влиянием на климат: углекислый газ и метан являются важнейшими парниковыми газами. Метан выделяется болотами и мелководьями, а также кишечными эндосимбионтами жвачных. СН4 стабилизирует озоновый слой, является важным парниковым газом. Сейчас разрабатываются методы борьбы с метанообразующими кишечными эндосимбионтами жвачных с использованием антибиотиков. Результат такой борьбы — увеличение прироста живой массы и снижение парникового эффекта в атмосфере (т.е., в некоторой степени —торможение глобального потепления).


42


Глава 2. Биосферология


2.8. Биогеохимический цикл серы


43



2.7. Биогеохимический цикл азота

БГХ-цикл азота (рис. 2.7.1) сложнее углеродного. Он тоже чрезвычайно важен для живых организмов. Хотя азота в атмосфере больше, чем других газов, его включение в состав живого вещества является намного более сложной задачей, чем фиксация углерода при фотосинтезе. Наиболее доступен для растений азот в форме аммиака и нитратов, но аммиак в больших количествах токсичен, а нитраты —нет. Формы, в которых азот используется в органических соединениях— восстановленные, поэтому ассимиляция аммиака требует меньших перестроек. И та, и другая формы оченьлегко вымываются из почв, особенно нитраты, потому что в нейтральных и щелочных условиях аммоний связывается с некоторыми глинистыми веществами. При разрушении детрита выделяется восстановленный азот. Мочевина также гидролизуется до аммиака почвенными бактериями. Нитрификация осуществляется такими бактериями, как/Vrtrosomonas, которые переводят аммоний в нитрит; напротив, такие бактерии, как Nitrobacter, переводят: нитриты в нитраты.

^______________ Состояние азота:__________

^восстановленное                                        окисленное

Рис. 2.7.1. Глобальный цикл азота


Нитрит— частый промежуточный этап в переходах из восстановленной формы в окисленную и обратно. Избыток нитратов в пище (которые при ассимиляции восстанавливаются, проходя через стадию токсичных нитритов)—опасное следствие избыточного азотного удобрения почв.

Денитрификация— многоэтапный процесс, проходящий через нитрит и закись азота (NjO) к молекулярному азоту. Бактерия Pseudomonasдобывает необходимый ей кислород с помощью этого процесса, если в почве кислорода нет! Дентирификация может идти и без участия живых организмов. К азотфиксаторам относятся свободноживущие бактерии Azotobacter(аэроб) и Clostridium(анаэроб), симбионты бобовых бактерии Rhizobium, симбионты многих групп растений (например, ольхи) актиномицеты, цианобактерии Anabaenaи Nostoc. Ферментом, фиксирующим азот, является нитрогеназа. Ее работа требует больших энергетических затрат: около 10 г глюкозы на 1 г фиксированного азота.

Азот может фиксироваться и абиогенно (вне связи с организмами). Например, во время удара молнии в ее канале достигается такая температура, что в атмосферном воздухе, через который прошел электрический разряд, происходит окисление азота кислородом.

Поскольку на многих почвах сельскохозяйственные растения испытывают азотное голодание, человек интенсивно производит азотные удобрения, осуществляя промышленную фиксацию атмосферного азота. Промышленная фиксация азота примерно равна природной абиогенной фиксации.

2.8. Биогеохимический цикл серы

Сера—довольно обильный (пятнадцатый по химической распространенности) в земной коре элемент, встречающийся в различных степенях окисления. Она является необходимым компонентом белков (0,8-2,4%), в которые входит в составе сульфогидрильных (-SH) и дисульфидных (-S-S-) групп.

Потребляется сера (автотрофами и большинством гетеротрофных микроорганизмов) в окисленной форме, в виде сульфатов. Этот процесс называется ассимиляционной сульфатредукцией. В отличие от двух ранее рассмотренных элементов, сера почти не представлена в атмосфере. Сероводород в атмосфере быстро окисляется кислородом, а оксид серы выпадает на поверхность земли вместе с дождями.

При разрушении органических веществ сера выделяется в восстановленной форме с выделением газа, имеющего неприятный запах,—сероводорода. Кроме сероводорода в ходе этого процесса могут образовываться и другие дурнопахнущие вещества, например, меркаптаны, которые со временем тоже превращаются в сероводород. То, что запах этих веществ кажется нам отвратительным, — следствие того, что эти газы выступают в качестве свидетельства разрушения органического вещества в бескислородных условиях.

Ряд организмов проводит и диссимиляционную сульфатредукцию. При этом в бескислородной среде в качестве окислителей используется не кислород, а сульфаты (и в этой связи такой процесс называют еще сульфатным дыханием). Результат деятельности таких организмов хорошо виден в иловых отложениях. Слой ила (детрита), в который проникает кислород, обычно имеет коричневый цвет и не обладает неприятным запахом. Там, куда кислород не


44


Глава 2. Биосферология


2.10. (дополнение) Эволюция Вселенной, Солнечной системы и Земли       45



13,7

проникает, ил имеет черный цвет (из-за сульфида железа II) и отвратительный запах. Это результат активности, например, вибрионов Desulfovibrio. В гидротермальных местообитаниях, где в восстановительной среде имеются запасы вулканической серы, обитают(притемпературах40-100° С)термофильные сероредуцирующие археи и бактерии.

В окислительной среде сероводород окисляется до серы и сульфатов. Это связано с деятельностью различных групп организмов. Анаэробные фото-трофные бактерии проводят анаэробный фотосинтез, окисляя сероводород до серы и сульфатов. Эти бактерии окрашены и имеют коричневый, зеленый или пурпурный цвет. Нейтральная сера может накапливаться в теле таких бактерий (как пурпурные серные бактерии Chromatium) в виде отдельных гранул. Для литотрофныхсероокисляющихбактерий и архебактерий источником энергии служит не свет, а именно окисление сероводорода. Представителями этой группы являются тионовые бактерии и экстремально термоацидофильные сероза-висимые археи. Замечательный пример активности тионовыхбактерий дают «черные курильщики» — выходы сероводорода на дне океана, где тионовые бактерии существуют в эндосимбиозе с вестиментиферами и моллюсками. К этой же группе принадлежат нитевидные бесцветные серобактерии Begg/atoa, населяющие очистные сооружения. Наконец, к окислению сероводорода способны многие другие гетеротрофы, в частности, многие грибы.

Запасы серы и сульфатов являются как результатом активности живых организмов, так и имеют неорганическое происхождение. Цикл серы испытывает серьезное влияние со стороны человека. Сжигание содержащих серу веществ (например, бурого угля) приводит к выбросу в атмосферу оксида серы S02. Это соединение токсично само по себе и является одной из причин ки слотн ых дожде й.

2.9. Биогеохимический цикл фосфора

БГХ-цикл фосфора (рис. 2.9.1) значительно хуже зарегулирован, чем только что рассмотренные циклы углерода и азота, потому что у фосфора отсутствует обменный фонд в атмосфере. Фосфор — главный элемент, контролирующий

Ассимиляция

Фосфаты в растворе

Живое вещество

Экскреция и фосфатредукция

Эрозия

Кости и зубы

Отложения гуано и ископаемых костей

1

Геологический

подъем (тектоника

и вулканизм)

Глубоководные осадки

Мелководные {|      осадки

Биогенный круговорот


продуктивность водных сообществ. На примере эксперимента с половинами пруда, где в одну его часть, отделенную пластмассовой перегородкой, вносили сахарозу и нитраты, а в другую — еще и фосфаты, показана роль фосфатов в этих сообществах. Вторая половина зацвела, первая нет. Снос фосфатов с полей в водоемы приводит к их эвтрофикации (повышению «кормности» в противоположность олиготрофности —«малокормности»), что может приводить к их заболачиванию. В естественно эвтрофных водоемах (в которых большая часть биогенов и органики автохтонные) сообщество эффективно утилизирует продукцию. При эвтрофикации в результате внешнего вмешательства (когда биогены и органика аллохтонны) может возникнуть избыток органики, разложение которой приведет к созданию анаэробных условий, выделению токсических продуктов распада (сероводорода, аммиака), разрушению сообщества и стремительному заболачиванию.

2.10. (дополнение) Эволюция Вселенной, Солнечной системы и Земли

Пока ты чувствуешь звезды как нечто «над тобою», ты еще не обладаешь взором познающего. Фридрих Ницше

В описании возникновения и развития Вселенной наука проявила одновременно и силу, и слабость. Мы имеем детальные описания эволюции Вселенной, соответствующие разным теориям. В этих теориях используется сложнейший математический аппарат; события, которые в них описываются, совершенно противоречат здравому смыслу. Тем не менее, никакая изтеорий не является общеубедительной; дальнейшее исследования нашей Вселенной приводят к новым, зачастую парадоксальным открытиям.

Возраст Вселенной составляет примерно 13,7 миллиарда лет (рис. 2.10.1). Она возникла в результате так называемого «Большого взрыва» - события, которое не укладывается в рамки здравого смысла. Результатами этого события стало не только возникновение Вселенной, но и появление пространства и времени (поэтому вопросы, что находится снаружи Вселенной, или что было до ее возникновения, логически противоречивы).

До сих пор открыт вопрос, что ожидает Вселенную в будущем. Впрочем, со временем (очень разным в разных моделях) Вселенная перестанет быть местом, пригодным для жизни. Она может «схлопнуться», деградировать в бесконечном расширении или переродиться - пока выбор отражает скорее вкусы и интуицию ученых, чем точные данные.

Глава 2. Биосферология


2.11. (дополнение) Что такое жизнь?


47



По крайней мере, ясно одно - «соль» нынешнего этапа развития Вселенной заключается в существовании в ней звезд и галактик.

Вся известная нам история Вселенной - это история ее расширения. В ходе этого расширения в ней возникли элементарные частицы, атомы (водорода) и собранные силой гравитации звезды. В звездах вещество достигает такой степени сжатия и нагрева, что в них начинаются термоядерные реакции - слияние ядер легких элементов. Так, самая распространенная термоядерная реакция во Вселенной - образование ядер гелия в результате слияния ядер водорода (проходящего в несколько этапов). При слиянии ядер элементов первой половины таблицы Менделеева (дожелеза) происходит выделение энергии. Эта выделяющаяся энергия не дает звездам сжаться. Любая звезда (и наше Солнце) балансирует между двумя процессами - гравитационным сжатием и расширением из-за выделения термоядерной энергии.

Звезды, в которых «выгорает» весь водород, сжимаются сильнее, и в них могут начаться термоядерные реакции слияния ядер гелия.

Итак, элементы, стоящие в таблице Менделеева до железа, могут образовываться при термоядерных реакциях. А как возникают элементы второй половины этой таблицы? Иногда при сжатии звезды в ней начинают идти реакции, в результате которых количество выделяющейся энергии резко увеличивается. Такая звезда взрывается как термоядерная бомба, превращаясь в сверхновую. Вещество сверхновой с колоссальной энергией разбрасывается в космосе. Как получают тяжелые элементы в ускорителях? Разгоняют одни ядра и бомбардируют ими другие. При очень высокой скорости соударения ядра могут слиться в одно. То же самое происходит при взрывах сверхновых.

«Звезды - это механизм, средство эволюции, результатом которой являются тяжелые элементы» (В. Снытников, В. Пармон, 2004)

...Когда человечество получает энергию, проводя ядерную реакцию распада урана, оно извлекает энергию, накопленную при взрывах сверхновых.

Итак, чтобы во Вселенной появились разнообразные элементы, должен был пройти определенный срок, достаточный для рождения и гибели звезд. Солнечная система, Земля, и даже наши тела содержат элементы, прошедшие через погибшие звезды...

Возраст Земли (и Солнечной системы) - 4,6 миллиардов лет. Солнце и планеты образовались из газопылевого облака, результата разрушения предшествовавших звезд. Ядерные превращения в прежних звездах - причина разнообразия химических элементов на Земле, делающего возможным существование жизни.

Сейчас Солнце находится на середине срока своего существования. Примерно через 5 миллиардов лет оно вначале увеличится в размерах до орбиты Земли, а потом сожмется и, наконец, взорвется. Из получившегося вещества возникнут новые звезды.

На Земле недоступны горные породы, сохранившиеся с периода ее возникновения. Однако о ее возрасте можно судить по возрасту метеоритов. Это фрагменты «материала» Солнечной системы, которые не вошли в состав планет. Они до сих пор движутся в Солнечной системе и периодически падают на поверхность Земли. Самые распространенные метеориты - железокаменные. Очень упрощая, можно сказать, что они состоят из силикатов («камня») и металлов («железа»). Плотность «железа» выше. Земля образовалась как комок из такого материала. При соударениях он нагревался, и более плотное вещество («железо») перемещалось вглубь, к центру планеты. Легкие вещества («камень»), напротив, вытеснились на поверхность. От этого выделилось значительное количество энергии, и Земля сильно разогрелась. В результате планета приобрела структуру, похожую на современную: ядро окружено вязкой мантией, на поверхности


которой плавает кора. Началось движение литосферных плит - фрагментов коры. От их столкновения образовались горы. Результатом разрушения гор, а также переноса вещества водой и воздухом, стало образование осадочных пород.

Земная поверхность охладилась до температуры ниже 100° С около 4 млрд. лет назад. С этим было связано возникновение океана. Еще около 800 млн. лет после этого океан был очень горячим - более 90°С. Самые древние известные нам минералы на Земле имеют возраст 4,2 млрд. лет, но не являются осадочными. Древнейшие осадочные породы из формации Исуа в Гренландии имеют возраст 3,8 млрд. лет. В них уже есть следы жизни (углеродистые частицы биологического происхождения). Это означает, что жизнь появилась на Земле сразу, как сложились хоть сколько-то пригодные для нее условия. История земной жизни началась в кипятке!

2.11. (дополнение) Что такое жизнь?

Для представителей точных наук кажется невозможным, что в биологии ключевые понятия не имеют однозначныхопределений. К их числу относятся понятия «вид», «организм», «адаптация», «экологическая ниша», «эволюция» и другие, в том числе «жизнь». Вопрос о сущности жизни относится к числу вечных и не имеющих исчерпывающего ответа. Некоторые из определений жизни являются скорее афоризмами:

-жизнью мы называем любое питание, рост и упадок тела, имеющие основание в самих себе (Аристотель);

- жизнь- это экспансия (Андрей Дмитриевич Сахаров, советский физик, создатель

водородной бомбы).

Распространенный подход к разработке определения жизни заключается в поиске наиболее характерных особенностей известных нам живых систем. Например, Фридрих Энгельс, классик научного коммунизма, в XIX веке сформулировал известное определение, вполне соответствующее уровню знаний того времени. Жизнь есть способ существования белковых тел, существенным моментом которого является постоянный обмен веществ с внешней природой.

Современным представлениям более соответствует такие определения:

  1. живыми называются системы, имеющие в своем составе нуклеиновые кислоты и белки и способные сами синтезировать эти вещества;
  2. живыми называются системы, имеющие генотип, записанный в нуклеиновых кислотах.

Первому из этих определений не соответствуют вирусы и вироиды, а и первому, и второму - прионы, если считать их живыми системами. А вдруг возможна жизнь на иной химической основе, чем та, которая нам известна? Непонятно, пригодны ли эти определения для биологических систем на ранних этапах возникновения жизни и внеземных живых систем, организация которых нам неизвестна.

Можно дать еще немало иных определений жизни. Они будут лучше или хуже указывать на какую-то особенность биосистем, но при этом касаться ее частных, не главных качеств, и, кроме того, могут иметь немало исключений. Среди признаков живых систем нет ни одного, по которому можно было бы четко разграничить живую и неживую природу.

К примеру, смесь белков и нуклеиновых кислот не является живой. Осуществление в химическом реакторе любой из реакций, идущих в клетке (или даже всего их комплекса), не сделает этот реактор живым. Процессы в обычной луже или пламени горящей свечи имеют много общего с обменом веществ в организме. Умерший организм обладает характерной структурой, является результатом онто- и филогенеза, даже осуществляет


48


Глава 2. Биосферология


2.12. (дополнение) Возникновение жизни. Предживые системы


49



определенный обмен веществ, но все же не является живым. К воспроизводству себе подобных способны не только живые организмы, но ядра кристаллизации соли в ее насыщенном растворе, а также компьютерные вирусы в операционной системе персонального компьютера.

То, что биологические вирусы (и тем более вироиды и прионы) традиционно рассматриваются как часть живой природы, существенно затрудняет разграничение живого и неживого. В клетках других организмов вирусы проявляют многие свойства живого, но вне клеток онилишены этих свойств.Логичным было бы решение рассматривать вирусы, вироиды и прионы как молекулярно-генетические инфекционные системы и не считать их живыми. Жизнь при этом оказалась бы связана с клетками - структурами, которые обладают целым комплексом общих черт. Однако этому решению противоречит не только научная традиция, но и наличие форм жизни, носящих переходный между вирусами и клетками характер (очень сложных вирусов и очень простых бактерий).

Самый общий подход к поиску определения жизни связан с термодинамическими свойствами живых систем. Прежде всего, это связано стем, что живые организмы являются диссипативными структурами (лат. dissipatioрассеивание), увеличивающими собственную упорядоченность за счет роста неупорядоченности окружающей среды.

Жизнь — это поддержание и воспроизводство характерных высокоупорядо-ченных структур, которое совершенствуется в ходе эволюции и осуществляется в соответствии с внутренней программой благодаря внешним источникам вещества и энергии.

В данном определении акцент сделан на особенностях структуры (но без их детализации: мы не знаем, с какими структурами может, а с какими не может быть связана жизнь), наличии внутренней программы (без конкретизации благодаря каким веществам и как именно она функционирует), способности к эволюции и использованию вещества и энергии. Приняв такое определение жизни, можно понять, почему к живым системам можно относить молекулярно-генетические инфекционные системы, для которых не характерна жизнь в тех ее проявлениях, которые нам известны на организменном уровне. Существенной особенностью этих систем является их способность к эволюции. Как ни прост вирус, он является результатом выработки адаптации, зависящих от особенностей среды и результатов взаимодействия с ней этой молекулярно-генетической системы. Чтобы объяснить вирус, необходимо рассмотреть всю его предысторию, и все равно при этом его нельзя будет исчерпывающе, детерминировано предсказать.

В отличие от этого искусственная жизнь, когда она будет создана в лаборатории, окажется поддающейся детерминистскому описанию. Она будет обладать такими свойствами, какие в силу тех или иных закономерностей сочтут необходимым придать ей ее создатели.

2.12. (дополнение) Возникновение жизни. Предживые системы

Существует ли множество других миров, или есть только один мир? Это один из самых великих вопросов, побуждающих к изучению Природы. Альберт Великий.XIII в.

Мифологическое сознание рассматривало возникновение жизни как результат работы различных творцов. Различные религии развили эти представления, которые можно назвать креационизмом - учением о сотворении жизни Творцом. В то же время


в античности и средневековье казалось, что самозарождение живых организмов -обычное дело. С развитием биологии трудами Ф. Реди (середина XVII в.) и Л. Пастера (середина XIX в.) было показано, что живые организмы возникают только от себе подобных. Возникли представления, что неорганические и органические вещества разделяет пропасть, для преодоления которой необходимо действие «visvitalis» -жизненной силы. Искусственный синтез мочевины, который осуществилв 1828 г. Ф. Велер, положил начало опровержению таких взглядов.

В XX веке развитие получили научные (отличающиеся от наивных, характерных для древности) представления о возможности возникновения органических веществ из неорганических. Они легли в основу различных теорий абиогенеза, рассматривающих возможные пути возникновения первых живых организмов из неживого вещества. К сожалению, среди широкой публики и даже среди специалистов в других отраслях биологии распространились неверные представления о том, что жизнь возникла благодаря невероятной случайности.

В возникновении жизни важна роль случайных событий, однако это не означает, что из неживой материи может случайно возникнуть живая. Вероятность такого события астрономически мала. Чтобы случайность могла привести к самоорганизации, нужен механизм отбора определенных случайных отклонений. Представим себе мяч (например, футбольный), который подпрыгивает на месте, используя энергию из какого-то источника. Его перемещения - аналог случайных изменений развивающихся систем. Можно ли в результате небольших прыжков в случайном направлении оказаться на крыше 16-ти этажного дома? Напрашивается ответ «нет», однако он не верен. В один прыжок взлететь на крышу невозможно. Однако если на крышу ведет лестница, состоящая из множества небольших ступенек, такой подъем становится возможным. Но, заскочив на одну ступеньку, мяч может спуститься с нее! Значит, нужен механизм, «фильтрующий» изменения, ведущие в определенном направлении. Такой фильтрующий механизм -естественный отбор.

С помощью рассмотренной аналогии можно сделать вывод, что для возникновения жизни достаточно трехусловий. Это:

  1. возможность полного спектра переходов между неживыми и живыми системами;
  2. возможность переходить из одних состояний в другие, близкие, в силу случайных или закономерных причин;
  3. действие естественного отбора, преимущественно сохраняющего и воспроизводящего «более живые» системы.

Насколько можно судить на основании современных научных данных, все три эти условия выполняются. Разговор о случайном возникновении жизни относится к области научной мифологии; сейчас следует исследовать возможность перехода химической эволюции в биологическую.

Одна из важных с этой точки зрения проблем - выяснение механизма синтеза органических веществ. Не вдаваясь в излишние делали, укажем, что разнообразные органические молекулы появляются естественным путем в условиях, соответствующих ранней Земле и даже открытому космосу!

Земля - планета, обладающая активными и подвижными оболочками: литосферой, гидросферой и атмосферой. Совокупно с деятельностью живых организмов их активность поддерживает биогеохимические циклы в биосфере. Может показаться, что эти циклы -результат существования жизни, хотя на самом деле они являются ее причиной.

Температура открытого космоса на 4 ° выше абсолютного ноля, а поверхности такой звезды, как Солнце- 6 000°. Планеты находятся в потоке энергии, рассеиваемой цен-


50


Глава 2. Биосферология


2.13. (дополнение) Геохронологическая шкала


51



тральным светилом. Из-за формы планет их поверхность нагревается неравномерно; если они вращаются, это приводит к циклическим изменениям количества энергии, падающего на их участки. Если на планете есть атмосфера или гидросфера, неравномерность нагрева приводит к их циркуляции. Если диапазон изменений температур таков, что при нем происходят агрегатные переходы распространенных веществ (как воды на Земле или метана на Титане, спутнике Юпитера), круговороты на поверхности такого небесного тела становятся особенно сложными. Движение атмосферы и гидросферы вовлекает в себя поверхность литосферы. На крупных планетах, имеющих горячее ядро, мантию и кору, процессы в литосфере усложняются благодаря тектонике плит.

Кроме перемещения веществ, на поверхности таких планет начинают идти разнообразные химические реакции. Их предпосылка -химическая сложность планетарной поверхности, наличие на ней органических соединений. Циклическая смена условий обеспечивает циклический характер химических реакций. Одни и те же превращения веществ могут обеспечиваться различными конкурирующими реакциями. Те из реакций, которые оказываются самыми эффективными и устойчивыми (например, благодаря автокаталитическому эффекту), преобразуют большую часть имеющихся ресурсов и вытесняют менее эффективные реакции. Такеще на уровне химических реакций включается механизм естественного отбора.

Благодаря естественному отбору на уровне автокаталитическиххимических реакций происходило их совершенствование, появление механизмов запасания энергии.

В ходе возникновения жизни на Земле или на другой планете должны были существовать системы, носящие промежуточный характер между живыми и неживыми. По мере появления более эффективных механизмов преобразования вещества и энергии и, в конце концов, современной жизни, такие системы должны были исчезать. Наши сегодняшние знания о них носят в большой мере гипотетический характер, но постоянно пополняются благодаря изучению способности неживых систем к самоорганизации.

Например, можно предположить, что современной биосфере предшествовал так называемый «Мир РНК». Как известно, белки (благодаря ферментативной активности) выполняют все основные биологические функции, за исключением кодирования наследственной информации - функции ДНК. В известных нам организмах эти два класса полимеров (ДНК и белки) неразрывно связаны друг с другом. Однако полимер, обеспечивающий их взаимодействие (РНК), способен выполнять обе функции. Каталитический центр рибосом, отвечающий за синтез белка, полностью построен из РНК. Сейчас известно немало молекул РНК, обладающих ферментативной активностью - рибозимов. В то же время в растворе, содержащем необходимые нуклеотиды, копии РНК могут образовываться и при отсутствии белков. Это дает основания предполагать, что одним из этапов возникновения жизни был «Мир РНК» - мир примитивных живых (или пред-живых) систем, основой которых была РНК. Если жизнь возникла на Земле, «Мир РНК» существовал на ней, а если занесена на Землю из космоса, - где-то в другом месте. По мере совершенствования предживыхсистем «Мира РНК» каталитические функции могли переходить к белкам, а функции хранения генетической информации - к ДНК, более устойчивому и менее химически активному полимеру.

 



© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.