<<
>>

УЧЕНИЕ О БИОСФЕРЕ И ЕЕ ЭВОЛЮЦИИ


              Согласно воззрениям основоположника совре-
              менного учения о биосфере — выдающегося рус-
              ского геохимика Владимира Ивановича Вернад
ского (1868—1945), с момента возникновения жизни на нашей планете (ориентировочно 3,4—4,0 млрд лет назад) происходил процесс длительного формирования определенного единства живой и косной материи, т.
е. биосферы (от греч. биос — жизнь, сфера — шар).
Биосфера — это наружная оболочка Земли, область распространения жизни, которая включает все живые организмы и все элементы неживой природы, образующие среду обитания живых.
Согласно В. И. Вернадскому, жизнь подчиняет себе другие планетарные процессы, определяет химическое состояние наружной коры нашей планеты. Живые организмы, существующие, стареющие и умирающие в течение сотен миллионов лет, порождают всеобщий планетарный процесс — миграцию химических элементов, движение земных атомов. Живое вещество рассматривается В. И. Вернадским в качестве носителя свободной энергии в биосфере.
Биосфера (рис. 2.1) включает нижнюю часть атмосферы (аэробиосферу), всю гидросферу (гидробиосферу) —океаны, моря, поверхностные воды суши, террабиосферу — поверхность самой суши, а также литосферу (литобиосферу) — верхние горизонты твердой земной оболочки. В пределах биосферы выделяют две категории слоев: собственно биосферу, где живое вещество локализовано постоянно (эубиосфера), а также расположенные выше (парабиосфера) и ниже ее (метабиосфера). В эти слои живые организмы могут попадать лишь случайно. Общая протяженность эубиосферы по вертикали—12—17 км, хотя у разных авторов эти оценки несколько варьируют.
Верхней границей биосферы (включая парабиосферу) является так называемый озоновый экран (или слой).
Озоновый экран (озоносфера)—это слой атмосферы в пределах стратосферы, расположенный на разной высоте от поверхности Земли и имеющий наибольшую плотность (концентрацию молекул) озона на высоте 22—26 км.
Высота озонового слоя у полюсов оценивается в 7—8 км, у экватора—17—18 км, а максимальная высота присутствия озона — 45—50 км. Выше озонового экрана существование

Рис. 2.1. Строение биосферы

I
I

Рис. 2.1. Строение биосферы



жизни без специальной защиты невозможно из-за жесткого ультрафиолетового излучения Солнца.
Метабиосфера не опускается ниже 10—15 км, а нижней границей эубиосферы считаются донные отложения океана и верхние горизонты литосферы, подвергающиеся ныне (или подвергавшиеся в прошлом) воздействию живых организмов. К биосфере, например, относятся некоторые полезные ископаемые, в частности каменный уголь — продукт фотосинтеза растений в прошлые геологические эпохи. С учетом протяженности всех названных слоев по вертикали общая мощность биосферы оценивается в 33—35 км.
Биотические компоненты биосферы включают растения (фитосфера), животных (зоосфера) и микроорганизмы (микро- босфера). К биосфере относится человеческое общество.
Более 99 % всего вещества в верхних слоях литосферы (в литобиосфере) трансформировано живыми организмами.
Понятно, что для осуществления подобной работы организмы должны обладать значительной энергией и биомассой, суммарная величина которой оценивается примерно в 4,4-IO12 т, причем биомасса обитателей океана (0,0032-IO12 т) значительно меньше, чем биомасса обитателей суши (4,42-1012 т). Существуют и иные оценки. Например, Н. Ф. Реймерс (1990) называет биомассу живых организмов материковых систем 1,8-IO12 т, а морских— 1,0- IO9 т.
Понятие биосферы как сферы обитания живых организмов или сферы, занятой жизнью, было предложено в 1875 г. австрийским ученым Э. Зюссом. Позднее В. И. Вернадский подошел к биосфере как к планетной среде, в которой распространено живое вещество. В отличие от ряда ученых, которые рассматривали биосферу только как совокупность живых организмов и продуктов их жизнедеятельности, В. И. Вернадский считал, что живое вещество (в биохимическом понимании) не может быть оторвано от биосферы, функцией которой оно является. Кроме того, биосфера есть область превращения космической энергии, ибо космические излучения, идущие от небесных тел, охватывают биосферу, проникают сквозь всю нее и все в ней. Таким образом, согласно В. И. Вернадскому, биосфера есть «планетное явление космического характера» [****].
Живое вещество рассматривается как особое проявление . термодинамических, физических и химических условий планеты, способное организовать их таким образом, чтобы иметь максимальную во времени и пространстве устойчивость своей структуры. Иначе говоря, биосфера — это геологическая земная оболочка, не только охваченная жизнью, но и структурно ею орга-
низованная. При этом биосфера как планетная система входит в более крупную надсистему Земли, обладающую единством взаимодействия земных и космических процессов *.
Таким образом, важнейшими особенностями биосферы являются ее организованность и устойчивое динамическое равновесие. Организованность означает, что биосфера — не хаос разрозненных составляющих, а некоторое единое и связное целое.
Например, можно говорить о термодинамическом уровне организованности биосферы, выражающемся в наличии двух взаимосвязанных «слоев»: верхнем, освещенном (фотобиосфера), где существуют фотосинтезирующие организмы, и нижнем, почвенном (афотобиосфера), где расположена зона подземной жизни. Термодинамический уровень организованности биосферы проявляется в специфике градиентов температуры в гидросфере, атмосфере и литосфере. Выделяют также физический, или агрегатный, уровень организованности, т. е. наличие разных фазовых состояний вещества (твердого, жидкого, газообразного), одновременно характеризующих и его разное химическое состояние.
На химическом уровне организованности гидросферы, атмосферы и литосферы эти сферы рассматриваются как сложные химические тела, имеющие свою горизонтальную, вертикальную (пространственную), а также временную структуру**.
Происхождение              Первым этапом эволюции биосферы было возникновение
и эволюция              жизни из неживой материи. Этому предшествовало обра-
биосферы              зование простых органических соединений из метана, ам
миака, водорода в условиях высоких температур, повышенной вулканической деятельности, солнечного излучения. Первый этап возникновения жизни рассматривается как этап химической эволюции (рис. 2.2).
Первыми органическими соединениями были аминокислоты, образовавшиеся в первичном океаническом «бульоне» в результате взаимодействия циановодорода (HCN) и альдегидов в присутствии аммиака. Заметим, что, по некоторым данным, аминокислоты могут синтезироваться и в газовой фазе. Одновременно происходило образование простых сахаров (рибозы, дезоксирибозы).
Тем самым в водной среде образовывались основные компоненты нуклеиновых кислот (ДНК и РНК). В частности, из циановодорода (нитрила), которым, как считают, была обогащена первичная атмосфера, могли возникнуть, по крайней мере два из четырех оснований нуклеиновых кислот: аде- нин и гуанин. Например, эмпирическую формулу молекулы аденина (C5H5N5) можно представить в виде пяти объединенных Молекул циановодорода.
Рибоза и дезоксирибоза в сочетании с основаниями нуклеиновых кислот (аденин, гуанин, цитозин, тимин) образовывали нуклеозиды, а последние, в свою очередь, в сочетании с фосфатами — нуклеотиды — простейшие составляющие нуклеиновых кислот.
Рис. 2.2. Схема образования простейших органических соединений из газов первичной атмосферы под воздействием ультрафиолетового излучения Солнца По М. М. Камшилову, 1974
Рис. 2.2. Схема образования простейших органических соединений из газов первичной атмосферы под воздействием ультрафиолетового излучения Солнца По М. М. Камшилову, 1974


Следующий этап химической эволюции — полимеризация «малых» молекул в более крупные, т. е. образование собственно нуклеиновых кислот и белков. При объединении отдельных молекул аминокислот происходит выделение воды (дегидратация). Полагают, однако, что процесс преобразования нуклеозидов в нуклеотиды происходил уже не в водной среде, а в пересыхающих морских лагунах, в условиях илистого дна которых и осуществлялась дегидратация под воздействием солнечного излучения.
.Существуют и другие гипотезы, объясняющие этот механизм (например, гипотеза об адсорбировании нитрилов поверхностью глинистых частиц с последующим образованием характерных для белковых молекул карбоксильных групп).
Однако вое эти процессы не были жизнью в полном смысле этого слова. Собственно биологическая эволюция началась е образования клеток а далее — одноклеточных организмов.
До настоящего времени широко распространена гипотеза А. Н. Опарина об образовании в толще воды более или менее устойчивых полужидких (коллоидных) сгущений — коацерватов (от лат. коацерватус — собранный), которые имели некоторую границу раздела с окружающим менее концентрированным «бульоном». Коацерваты могли разрушаться, создаваться вновь, а по достижении определенного размера распадаться на дочерние образования, т. е. делиться. Отдельные капли могли образовывать группы (колонии). В итоге произошел качественный скач-ок: сохранялись лишь те капли, которые сохраняли материнские признаки и приобрели способность к воспроизводству. Важно и то, что эти капли приобрели способность избирательно погло

щать эещества из окружающего раствора и избавляться от ненужных соединений. Это стало началом обмена веществ и в дальнейшей привело к функциональной специализации отдельных частей коацерватов. С этого начался биотический круговорот вещества. Считается, что с возникновением самовос- производства коацерватная капля превратилась в простейшее живое образование, т. е. в одноклеточный организм.
Коацерватная гипотеза — не единственная из существующих ныне. Другая гипотеза состоит в том, что при наличии на поверхности морей и океанов липидной пленки и углеводородов от воды могли под воздействием ветра и волн отделяться небольшие двухфазные пузырьки, содержавшие органическое вещество. В целом же законченной теории происхождения живых организмов из предбиологических химических структур пока нет.
Первые остатки жизни найдены в слоях литосферы, образовавшихся околКШмлрп лет назад              гг^р^ск^^рыГ^Дяльнейшеё усложнение
жизни связано с развитием многоклеточности. Одна из гипотез о ее происхождении— колониальная. Полагают, что колониальность возникла в результате не вполне законченного бесполого размножения: клетка разделилась, но дочерние образования не разошлись. В их химическом составе появились различия, повлекшие за собой функциональную специализацию: одни клеткйч обеспечивали ассимиляцию, другие — выделение, третьи — подвижность, четвертые — воспроизводство и т. д.
Проникновение жизни в разные области Земли с разными физико-химическими условиями, в частности выход организмов' из воды на сушу, потребовали приспособления (адаптации) к новым, более динамичным условиям, что, в свою очередь, было связано с избирательным отпадом части организмов, появлением процессов естественней птАора—
Из 6 эр и 17 периодов общей продолжительностью около 3,5 млрд лет лишь небольшой отрезок времени (около I млн лет) отделяет нас от начала последнего периода кайнозойской эры — антропогена. Человеческое об-
общество превратилось в мощную природную силу, целенаправленно и необратимо преобразующую окружающую среду, включая теперь и космическое пространство, возникает вопрос, как далее будут развиваться человечество и биосфера.
Биосфера является единственным ^местом обитания человека и других живых организмов, причем из построений В. И. Вернадского и ряда других ученых следует закон незаменимости биосферы.
Биосфера — это единственная система, обеспечивающая устойчивость среды обитания при любых возникающих возмущениях. Нет никаких оснований надеяться на построение искусственных сообществ, обеспечивающих стабилизацию окружающей среды в той же степени, что и естественные сообщества *.
Из этого закона следует, что конечная задача так называемой охраны природы — это сохранение биосферы как естественного и единственного места обитания человеческого общества.
Современные философские концепции сводятся к тому, что процесс взаимодействия общества и биосферы должен быть управляем во взаимных интересах, с тем чтобы неизбежный научно-технический прогресс не привел к деградации биосферы как среды обитания общества. В отличие от биогенеза, данный этап эволюции биосферы рассматривают в качестве этапа разумного развития, т. е. ноогенеза (от греч. ноос — разум). Соответственно происходит постепенное превращение биосферы в ноосферу. Понятие «ноосфера» введено в прошлом веке французским ученым JTe Pya и развито далее Тейяр де Шарденом (1881—1955) [††††].
Под этим термином они понимали особую оболочку Земли, включающую общество с индустрией, языком, хозяйственной деятельностью, религией и всеми иными атрибутами. Ноосфера рассматривалась в качестве некоего «мыслящего пласта», разворачивающегося над биосферой, вне ее.
В. И. Вернадский считал, что ноосфера — это новое геологическое явление на Земле. В ней впервые человек становится мощной геологической силой. Ho мыслить и действовать человек, как и все живое, может только в области распространения жизни, т. е. в биосфере, с которой он неразрывно связан и из которой не может уйти[‡‡‡‡].
С позиций В. И. Вернадского на данном этапе эволюции жизни развитие пойдет по пути ноогенеза, являющегося этапом разумного регулирования взаимоотношений человека и природы. На этом этапе предстоит не только исправить уже имеющиеся нарушения в природе, отклонения от разумных и целесообразных отношений между обществом и природой, но и предотвращать подобные нарушения и отклонения в будущем.
Таким образом, закон ноосферы В. И. Вернадского имеет следующую формулировку:
Биосфера неизбежно превратится в ноосферу, т. е. в сферу, где разум человека будет играть доминирующую роль в развитии системы человек — природа.
Этот закон справедлив, хотя некоторые современные ученые рассматривают его как социальную утопию. Ho совершенно очевидно, что если человечество не начнет регулировать свою численность, управлять собственным воздействием на природу, опираясь на ее законы, то оно обречено на гибель. Поэтому смысл закона ноосферы видится в том, что люди будут управлять не природой, а прежде всего собой3*.
Понятие об              Развитие идеи автотрофности человечества также связано
автотрофности              с именем В. И. Вернадского. Автотрофными (от
человечества              греч. аутос — сам, трофе — питалось) являются такие ор
ганизмы, которые способны брать все нужные для их жизнедеятельности химические элементы непосредственно от косной материи и не требуют для построения своего тела готовых органических соединений другого организма. Примером автотрофных организмов являются растения, осуществляющие фотосинтез. В. И. Вернадский высказал идею о том, что, поскольку человеческое общество функционирует и развивается все более и более независимо от других форм жизни, возможно его превращение из гетеротрофной (т. е. питаемой другими) категории в социально автотроф- ную. Таким образом, понятие «автотрофность» в данном случае означает относительную независимость человека от продуктов, создаваемых биосферой.
По аналогии с природными автотрофными организмами общество должно поставить между собой и окружающей средой (источником пищи) соответствующие орудия производства, при помощи которых органическим и неорганическим соединениям придается форма, пригодная для потребления. Человек, как живой организм, в силу своих биологических особенностей не может перейти к автотрофной ассимиляции, но общество в целом способно перейти к так называемому автотрофному способу производственной деятельности. Автотрофный способ производства подразумевает закономерный объективный характер замены высокомолекулярных природных соединений (белков, жиров, углеводов) низкомолекулярными — вплоть до химических элементов.
Подобный путь позволяет осуществить экологически замкнутую систему производства, при которой использованные продукты в максимально возможной степени окажутся сырьем для других производственных циклов. Иными словами, необходимо производство, способное создавать высокомолекулярные соединения из низкомолекулярных. Разумеется, автотрофность человечества нельзя отождествлять с созданием «технической биосферы», ибо ничто не освобождает человека от его собственной природы.
Идея автотрофности, находящаяся пока в стадии осмысления, привлекает внимание в первую очередь тем, что природопользование может быть не связано или минимально связано с нарушением природных условий, т. е. качества окружающей среды. Считается, что именно автотрофный характер производства — одно              из условий гармонизации отношений в системе при
рода — человек при переходе биосферы в ноосферу.
              В процессе фотосинтеза              солнечная энергия
преобразуется в энергию              химических связей
              созданного (автотрофно)              . вещества, которое
овательно переходит от- автотрофов к гетеротрофам — растениеядным, а далее — плотоядным животным. Этот процесс и рассматривается в качестве последовательного упорядоченного потока вещества и энергии. Однако и вещество и энергия в такой пищевой цепи постепенно рассеиваются. Известно, что если температура того или иного тела выше, чем температура окружающей среды, т. е. имеет место некоторый градиент (перепад) температур, то общая температура системы тело — среда стремится к равновесию. Тело будет отдавать энергию до тех пор, пока его температура и температура окружающей среды не сравняются. В конечном счете энергия любого живого тела может быть рассеяна в тепловой форме, после чего наступает состояние термодинамического равновесия и дальнейшие энергетические процессы оказываются невозможными. В данном случае «работает» второй закон термодинамики. О такой системе говорят, что она находится в состоянии максимальной энтропии. Энтропия, таким образом, отражает возможности превращения энергии и рассматривается как мера неупорядоченности системы. Если бы поток солнечного излучения, поступающего к Земле, только рассеивался, то жизнь была бы невозможной. Для того чтобы энтропия системы не возрастала, система должна извлекать «упорядоченность организации» откуда-то извне, т. е. непрерывно поддерживать, накапливать ее, как принято говорить, против градиента энергии.
Иными словами, организм должен извлечь из окружающей среды отрицательную энтропию, или негэнтропию.
Живые организмы способны выполнять работу именно против уравновешивания с окружающей средой за счет образования сложно организованных упорядоченных молекулярных структур. Вполне понятно, что для производства работы экологическая система должна получать соответствующую энергетическую дотацию. Она и получает ее от Солнца, являясь по существу открытой системой. Живой организм (например, животное) извлекает негэнтропию из растительной или животной пищи, используя упорядоченность ее химических связей. Часть энергии теряется, расходуясь, например, на поддержание жизненных процессов, часть — передается организмам последующих пищевых уровней. Началом всего этого потока является процесс автотрофного питания растений — фотосинтез, при котором происходит повышение упорядоченности деградировавших органических и минеральных веществ. Используя солнечную энергию, растение трансформирует энергию фотона в энергию химических связей органического вещества.
Общество радикально изменяет эти процессы, преобразуя биосферу. В связи с этим формулируется закон компенсации энтропии и негэнтропии биосферы.
Повышение упорядоченности антропогенных систем биосферы за счет извлечения негэнтропии из природных систем сопровождается повышением неупорядоченности (энтропии) последних.
Суть этого закона в следующем. Природные системы, в основе суще- ствования которых находятся растения-фотосинтетики и заключённая в продуктах их жизнедеятельности энергия, характеризуются высоким уровнем упорядоченности, сбалансированности происходящих в них энергетических и биологических процессов. Растения могут усвоить строго определенное количество энергии и использовать его для создания определенного количества вещества. Процессы фотосинтеза уравновешиваются процессами дыхания, а избыточное органическое вещество исключается из круговорота и надолго депонируется в виде запаса (например, каменный уголь, донные отложения океана и др.).
Антропогенные системы (промышленные и селитебные агломерации, агроэкосистемы) не могут стабильно существовать за счет только приходящей солнечной энергии и для обеспечения собственной упорядоченности требуют колоссальных энергетических и материальных дотаций извне: сырьевых полезных ископаемых, древесины, запасенных в недрах энергоносителей. Получение этих дотаций возможно только из природных систем биосферы, что ведет к глобальному разрушению последних на огромных территориях: отходы производства вызывают загрязнение среды, оазисы и леса замещаются пустынями, реки и озера пересыхают и жизнь в них прекращается, образуются полностью нарушенные (например, «лунные» — брошенные карьеры) пейзажи. Характерный пример последних лет — Аральское море. Кроме того, любая созданная человеком система так или иначе замещает природную, формируясь на занятой ею в прошлом территории.
В результате нарастает неупорядоченность (энтропия) природных систем, что ведет к разрушению биосферы в целом, которая, как показано выше, является в принципе незаменимым местом обитания человечества.
Возможен случай, когда вся накопленная (аккумулированная) энергия организма или системы полностью превратится в тепловую форму и рассеется. Это произойдет, например, при гибели организма. При этом упорядоченный поток энергии прекращается, химические связи между молекулами разрушаются.
Согласно второму закону термодинамики, энергия любой системы стремится к состоянию, называемому термодинамическим равновесием, что равнозначно максимальной энтропии. В такое состояние перейдет и живой организм, если тем или иным путем лишить его возможности извлекать энергию из окружающей среды. То же может произойти, если в сообществе,живых организмов, например в лесу, прервать приход и исключить возможность превращения и аккумуляции энергии, уничтожив ассимиляционный аппарат деревьев загрязняющими воздух веществами.
Таким образом, жизнь может рассматриваться как процесс непрерывного извлечения некоторой системой энергии из окружающей среды, преобразования и рассеивания этой энергии при передаче ее по пищевым цепям. 
<< | >>
Источник: Стадницкий Г. В., Родионов А. И.. Экология: Учеб. пособие для вузов - 3-е изд. 1997 {original}

Еще по теме УЧЕНИЕ О БИОСФЕРЕ И ЕЕ ЭВОЛЮЦИИ:

  1. 7. Применимость теории развития экосистемы и эволюции биосферы к экологии человека
  2. Глава 10 ПЕРВАЯ ПОПЫТКА СОЗДАНИЯ КОНЦЕПЦИИ ЭВОЛЮЦИИ ОРГАНИЧЕСКОГО МИРА (ЛАМАРК И ЕГО УЧЕНИЕ)
  3. Глава 4 Теории эволюции живых организмов. Эволюция и психика
  4. 3.2 Учение Евтихия и учение Диоскора
  5. III. БИОСФЕРА
  6. Глава 17 ФУНДАМЕНТАЛЬНАЯ БИОСФЕРА
  7. ГЛАВА СЕДЬМАЯ МОЛОДОСТЬ БИОСФЕРЫ
  8. 13.3. БИОСФЕРА
  9. Эволюцдя биосферы
  10. Биосфера. Экосфера
  11. III.1. Биосфера как глобальная экосистема
  12. III.3. Основные свойства биосферы
  13. Теория происхождения биосферы