Учение о биосфере и ее революции

УЧЕНИЕ О БИОСФЕРЕ И ЕЕ ЭВОЛЮЦИИ 

Биосфера, как и  атом, Вселенная или ген, недоступна непосредственному восприятию наблюдателя, однако в ее реальности никто не сомневается. Эмпирические данные о  биосфере накапливались географией, биологией, геологией и палеонтологией. Мощным средством познания биосферы становятся космические исследования.

Биосфера представляет собой оболочку Земли, включающую как  область распространения живого вещества, так и само это вещество. Биосфера возникла 3.4-4.5 млрд. лет назад  и есть не просто сочетание абиотической области распространения живого вещества, а тесное их взаимодействие.

На основе наблюдений природных явлений представление  о том, что живые существа взаимодействуют  с внешней средой и влияют на ее изменение, возникло давно. В начале 17 века зачатки представлений о  биосфере встречаются в трудах голландских  ученых Б. Варениуса (1629-1695) и Х. Гюйгенса, а также у знаменитого французского натуралиста-исследователя Ж. Бюффона (1707-1788). Спустя время французский  натуралист Ж. Кювье (1769-1832) заметил, что  живые организмы могут существовать только путем обмена веществ с  внешней средой. Другие исследователи - французские химики Ж.Б. Дюма (1800-1884) и Ж. Бусенго (1802-1887), немецкий химик  Ю. Либих (1803-1873) выяснили значение зеленых  растений в газовом обмене земного  шара и роль почвенных растворов  в питании растений.

Существование биосферы Земли как определенной природной  системы выражается в первую очередь  в круговороте энергии и веществ при участии всех живых организмов. Идея этого круговорота была изложена в книге немецкого натуралиста Я. Молешотта. А предложенное в 80-х годах XIX века подразделение организмов по способам питания на три группы - автотрофные, гетеротрофные и миксотрофные - немецким физиологом В. Пфеффером (1845-1920) было крупным научным обобщением, способствующим пониманию основных процессов обмена веществ в биосфере.

Начало учения о  биосфере связывают с именем знаменитого  французского натуралиста Ж.Б. Ламарка (1744-1829), который предложил термин «биология». В своей книге «Гидрогеология»  Ламарк посвятил целую главу влиянию  живых организмов на земную поверхность. Он писал: « ... в природе существует особая сила, могущественная и непрерывно действующая, которая обладает способностью образовывать сочетания, умножать их, разнообразить их... Влияние живых  организмов на вещества, находящиеся  на поверхности земного шара и  образующие его внешнюю кору, весьма значительно, потому что эти существа, бесконечно разнообразные и многочисленные, с непрерывно меняющимися поколениями, покрывают своими постепенно накапливающимися и все время отлагающимися остатками все участки поверхности земного шара».

Определение же «биосфера» впервые было введено австрийским  геологом Э.Зюссом в 1875 году в его  работе по геологии Альп. Однако подробного освещения роли биосферы у Зюсса  нет. Значительно более широкое  представление о биосфере, а именно общее учение о биосфере создано  в 20-30-х годах академиком В.И. Вернадским. Положив в основу идеи В.В. Докучаева  о комплексном естественноисторическом  анализе взаимодействующих в  природе разнокачественных объектов, формирующих почвы, природные зоны и ландшафты, В.И. Вернадский развил их и дополнил представлениями:

1. О планетарной  геохимической роли живого вещества  как мощного фактора в формировании  и развитии биосферы.

2. Об организованности  биосферы, являющейся продуктом  сложного превращения вещественно-энергетических  и информационных потоков живым  веществом за время геологической  истории Земли.

Фундаментальным общенаучным  вкладом Вернадского В.И. являются его представления об эволюции биосферы. Вернадским В.И. были сделаны обобщения, которые касались всей биосферы в  целом и показывали связь прошлого Земли с настоящим:

1. В течение всех  известных геологических периодов  не было следов непосредственного  создания живого организма из  мертвой, косной материи.

2. Никогда в течение  всего геологического времени  не наблюдались лишенные жизни  геологические эпохи.

3. Из этого следует,  что, во-первых, современное живое  вещество генетически связано  с живым веществом всех прошлых  геологических эпох и что, во-вторых, в течение всего этого времени  условия земной среды были  доступны для его существования,  т.е. непрерывно были близки  к современным.

4. В течение всего  геологического времени не было  резкого изменения в какую-либо  сторону в химическом влиянии  живого вещества на окружающую  среду; все время на земной  поверхности шли одни и те  же процессы выветривания, растворения,  т.е. в общем, наблюдался один  и тот же средний химический  состав живого вещества.

Вернадский стал первым исследовать жизнь как  единое целое, как геологически своеобразное живое вещество, характеризующееся  весом, химическим составом, энергией и геохимической активностью. Вернадский подчеркивал, что за геологическую  историю организмы, по-видимому, осваивали  новые области планеты, приспосабливаясь к многообразным природным условиям, участвуя в их изменениях. Он первым из ученых понял, что мы всецело принадлежим  биосфере - и телом, и духовной жизнью, прошлым и будущим, став органом  ее самопознания и преобразования. Шаг за шагом исследуя геохимические  и биохимические процессы, Вернадский подходит к коренным проблемам энергетики и термодинамики взаимодействия живого и костного вещества планеты  и далее, углубляясь в биологическую  роль человечества, сознания, трудовой деятельности, обращаясь к естественно-историческим закономерностям социально-экономического развития общества. Вернадский рассматривал биосферу как особое геологическое тело, строение и функции которого определяются особенностями Земли и Космоса. А живые организмы, популяции, виды и все живое вещество - это формы, уровни организации биосферы. 

к началу страницы 

Эволюция биосферы 

В течение многих веков для большинства людей  проблемы возникновения живого вообще не существовало. Даже известные ученые допускали возможность постоянного  зарождения живых существ из неживого. Отец наук, греческий философ Аристотель, не сомневался в самозарождении лягушек, мышей, не говоря уже о более мелких животных и растениях. В 17 веке голландский ученый Ван-Гельмонт был автором рецепта получения мышей из пшеницы и загрязненного потом белья. Английский ученый Бэкон считал, что гниение - зачаток нового рождения.

Перелом в представлениях начался примерно в середине 17 века. И только в 1862 г. французский ученый Луи Пастер окончательно опроверг догму  самопроизвольного зарождения, утвердив положение - “все живое из живого”. Опыты Пастера, доказавшие невозможность  самопроизвольного зарождения простейших организмов в современных условиях, привели к тому, что вопрос о  возникновении жизни на Земле  стал важной научной проблемой. Ученые разделились на два лагеря: представители  одного лагеря развивали идею вечности жизни. Согласно этой теории жизнь на нашей планете никогда не зарождалась, а была занесена на Землю из глубин Космоса, где она существует вечно. Представители другого лагеря пытались создать более или менее правдоподобные представления о возникновении  живого из неживого. Сначала это трактовалось как внезапный случайный процесс. И только с помощью исследований таких ученых как Опарин А.И. (1924 г.), Холдейн Дж. (1929 г.) и их многочисленных последователей была выдвинута эволюционная теория зарождения жизни: жизнь на нашей планете не возникла внезапно, а сформировалась в ходе эволюции материи. 

Этапы эволюции биосферы

Около 20 млрд. лет  назад создалась наша планетарная  система: из хаоса к планетам и  Солнцу. На Земле к этому времени  уже в ходе эволюции звездного  вещества образовались необходимые  химические элементы, важнейшие условия - планетарный круговорот воды, атмосферы, минеральных веществ. И хотя примерно такие процессы присуще многим космическим  телам, жизнь зарождается далеко не везде. Таким образом, на Земле  создались космические, планетарные  и химические условия для более  специализированного пути эволюции - развития материи в направлении  жизни.

Поступившие из Космоса  углеродсодержащие соединения (метилцианид, метилацетилен, формальдегид ...) вместе с веществами первичной атмосферы (СН4, Н2, NH3, H2O) подвергались воздействию различных источников энергии (коротковолновое ультрафиолетовое излучение Солнца, грозовые разряды, высокая температура ...). В результате подобных воздействий простейшие органические соединения многообразно изменялись и усложнялись. Возникали молекулы сахаров, аминокислот, азотистых оснований и других углеродсодержащих соединений, из которых построены белки, нуклеиновые кислоты, жиры  и т.д.

Принципиальная возможность  образования сложных соединений из относительно простых была доказана многими исследованиями. Еще в 1861 г. Бутлеров обнаружил, что в растворе формалина в известковой воде при стоянии в теплом месте образуется сахаристое вещество. В 1953 г. американский ученый Миллер показал, что в результате пропускания искрового разряда через смесь СН4, NH3, Н2 и Н2О возникают аминокислоты и органические кислоты (уксусная, молочная и т.д.). Вслед за исследованиями Миллера другие авторы получили такие же результаты, использовав иные источники энергии: облучение УФ лучами, нагревание.

Важнейшим условием синтеза сложных органических соединений было ничтожное содержание в атмосфере  свободного кислорода (0.001%). Содержание кислорода в атмосфере достигло 1% от современного около 1 млрд. лет назад.

Начало эволюции химических соединений в направлении  жизни датируется с момента образования  земной коры, т.е. около 4.5 млрд. лет тому назад.

Возник круговорот органического вещества, причем отличие  его от круговоротов минеральных  веществ было в том, что если в  минеральном круговороте в основном наблюдается перенос веществ  из одной стихии в другую, то в  круговороте органического вещества существенными стали процессы синтеза и разрушения.

В поверхностных  водах водоемов днем под влиянием интенсивного ультрафиолетового излучения  преобладали процессы распада; на глубине, а также ночью в поверхностных  слоях преимущественно шел синтез. По мере обогащения водоемов органическим веществом увеличивалась вероятность  возникновения все новых и  новых, все более и более сложных  органических соединений из относительно простых веществ. Примерно в это  время возник процесс фотосинтеза.

Существенный этап в развитии жизни - формирование отдельных  организмов, различающихся особенностями  обменных процессов. Органические вещества, накапливающиеся в толще водоемов, распределялись в ней, видимо, неравномерно, образуя отдельные сгущения, своеобразные молекулярные рои - “коацерваты” (что означает “накопленный, собранный”). Эти коацерваты использовали различные вещества для синтеза соединений, необходимых для них; часть веществ подвергали распаду. Достигнув определенных размеров, материнская “капля” могла распасться на дочерние. С возникновением самовоспроизведения окончилась предыстория развития жизни. Коацерват превратился в простейший живой организм.

С появлением живых  организмов в полной мере вступил  в свои права мощнейший фактор эволюции - естественный отбор. В коацерватах  сначала все клетки были одинаковы. Затем на основе разделения труда  началась дифференциация на клетки, преимущественно  воспринимающие пищу, клетки, обеспечивающие подвижность, клетки воспроизводительные. Таким образом, осуществился переход  к многоклеточности. Это послужило  огромным стимулом к созданию новых  более сложных организмов. Многоклеточные организмы совершенствовались и  приобретали отличия друг от друга  в течение многих миллионов лет. Именно в этот период произошел переход  на кислородное дыхание, поскольку  его в атмосфере стало достаточно много. Круговорот органического вещества сменился круговоротом биологическим, который заключается в непрерывном  обмене веществом и энергией между  организмом и средой, в процессах  возникновения и разрушения организмов. Выход живых организмов на сушу представлял  собой настоящую революцию в  развитии биосферы: открылись новые  возможности развития - развитие всех форм животных вплоть до млекопитающих.

С возникновением человека начался следующий этап эволюции биосферы - антропогенный. Этот этап характеризуется  высокими темпами эволюции человека. Движущей силой антропогенеза была общественно-трудовая деятельность людей. Человеческое общество со временем превратилось в мощную природную силу, которая  сознательно, целенаправленно, закономерно  и необратимо меняет всю окружающую среду, включая околоземное космическое  пространство.

Естественно возникает  вопрос, каким путем пойдет далее  развитие человека и биосферы в целом, какими средствами избежать необратимых  последствий и предотвратить  распад биосферы.

Предотвратить изменение  среды невозможно, так как невозможно остановить социальный и научно-технический  прогресс человеческого общества. Очевидно, следует так управлять процессами взаимоотношений между человеком  и биосферой, чтобы они были взаимовыгодны и чтобы развитие общества не привело к полной деградации биосферы. Следовательно, следующим этапом эволюции жизни следует считать этап развития разума - должно происходить постепенное превращение биосферы в ноосферу (от греческого noos - разум; сходные понятия выражаются также терминами социосфера, антропосфера, техносфера).

Понятие ноосферы как  облегающей земной шар идеальной, «мыслящей» оболочки, формирование которой связано  с возникновением человеческого  сознания, ввели в начале XX в. П. Тейяр де Шарден и Э. Леруа. В.И. Вернадский, внеся в термин материалистическое содержание, создал стройную теорию формирования ноосферы. По учению Вернадского:

 ноосфера - новая  высшая стадия биосферы, связанная  с возникновением и развитием  человечества;

 познавая законы природы и совершенствуя технику, человечество становится крупнейшей преобразующей силой, сопоставимой с геологическими процессами прошлого;

 становление и  развитие человечества как новой  преобразующей природу силы выражается  в возникновении новых форм  обмена веществ и энергии между  обществом и природой во все  возрастающем биохимическом и  ином воздействии человека на  биосферу;

 зародившись на  планете, ноосфера имеет тенденцию  к постоянному расширению, постепенно  превращаясь в особый структурный  элемент космоса, выделяемый по  социальному охвату природы;

 понятием ноосферы  подчеркивается необходимость разумной  организации взаимодействия общества  и природы в противоположность  стихийному, хищническому отношению  к ней, приводящему к ухудшению  окружающей среды;

 характер отношения  общества к природе определяется  не только научно-техническим  уровнем, но и социальным строем, предопределяющим условия для  разумного использования и превращения  знаний и опыта, накопленных  человечеством, в материальную  силу, рационально преобразующую  природную среду. 

Таким образом, ноосфера - это этап разумного регулирования  взаимоотношений человека и природы, причем человечество рассматривается  как один из основных элементов ноосферы. В целом, в связи с образованием ноосферы, наша планета переходит  в новое качественное состояние. Если биосфера - это сфера Земли, то ноосфера - это сфера Солнечной  системы. Ноосфера в будущем станет особой областью Солнечной системы  в познавательных и производственных целях человеческого общества.

В связи с потребительским  отношением к природным ресурсам и накоплением отходов производства антропогенная нагрузка на биосферу быстро возрастает и приближает биосферу к критическому состоянию. Естественно, что возникает проблема ограничения  антропогенных воздействий, которая в наши дни становится чрезвычайно актуальной. Это осознается научной общественностью и многими политическими деятелями. Об этом свидетельствует Конференция Организации Объединенных Наций в июне 1992 г. в Рио-де-Жаней-ро по окружающей среде и ее развитию, принявшая ряд важных решений.

Конференция констатировала невозможность дальнейшего движения по тому пути, который привел к благополучию развитые страны, оценила его как  стратегически бесперспективный, ведущий  к катастрофе. Поэтому была провозглашена  необходимость перехода мирового сообщества к новой модели цивилизации, к  жизни по принципу «устойчивого развития», т.е. обеспечивающего должный баланс между решением социально-экономических  проблем и сохранением благополучного состояния окружающей среды, между  удовлетворением основных жизненных  потребностей нынешнего поколения  и сохранением таких возможностей для будущих поколений. Для этой модели должны быть более характерны общественные, а не частнособственнические формы развития. Однако решения конференции  осуществляются очень неравномерно и медленно.

В связи с возрастанием антропогенной нагрузки на биосферу возникают многочисленные проблемы, которые предстоит решить в ближайшем  будущем во избежание роковых  последствий. Это чрезвычайно важная задача, решение которой потребует  больших усилий со стороны человеческого  разума, привлечения ученых в области  естественных и гуманитарных наук.  

к началу страницы 

СТРОЕНИЕ БИОСФЕРЫ И ФУНКЦИИ ЖИВОГО ВЕЩЕСТВА 

Биосферу можно  определить как часть планеты, которая  включает совокупность живых существ  и в которой возможна постоянная жизнь. Хотя не вся земная поверхность  одинаково благоприятна для всех живых организмов. В полярных областях и высоко в горах растения существовать не могут - там можно найти лишь редкие споры бактерий и грибов.

По сравнению с  атмосферой биосфера выглядит тонкой поверхностной пленкой. Тем не менее, эта пленка, толщина которой достигает  лишь нескольких километров, представляет собой необыкновенно сложную  систему.

Органическая жизнь  сосредоточена в литосфере (верхняя  часть твердой поверхности земной коры), в гидросфере, а также в  тропосфере (нижние слои газообразной оболочки земного шара - атмосферы).

Нижняя граница  биосферы опускается на 2-3 км на суше и  на 1-2 км ниже дна океана, а верхней  служит так называемый защитный озоновый экран на высоте 20-25 км, выше которого ультрафиолетовая часть солнечного спектра исключает существование  жизни.

Две из многочисленных характеристик биосферы являются основополагающими:

1) всюду всегда  есть вода в жидком состоянии.  Вследствие высокой подвижности,  вода проникает повсеместно в  различные природные образования.  Она находится в виде паров  и облаков в земной атмосфере,  формирует океаны и моря, существует  в замороженном состоянии в  высокогорных районах континентов  и в виде мощных ледяных  панцирей покрывает полярные  участки суши. Атмосферные осадки  проникают в толщи осадочных  пород, образуя подземные воды.

2) в биосферу постоянно  проникает солнечная радиация, представляющая  собой единственный источник  энергии. Благодаря этой энергии  растения, а косвенно и животные, вырабатывают все органические  вещества, в которых они нуждаются  для получения химической, механической, осмотической и других видов  энергии, необходимых для их  роста, воспроизводства и функциональных  взаимодействий.

Таким образом, биосфера есть часть земного пространства, охваченного жизнью с ее активным химическим проявлением. В биосфере возможно существование организмов в любых возможных концентрациях - от единичных бактерий и спор в 1 см3 атмосферного воздуха до мощных тропических лесов экваториальной зоны и следов жизни в пучинах  Мирового океана. По своим требованиям  к условиям внешней среды организмы  расселяются в различных верхних  горизонтах Земли: в нижней атмосфере, в гидросфере, в почвах в глубинах литосферы, пропитанных природными водами и нефтяными месторождениями. Несмотря на различие форм и условий жизни все живые организмы объединены в понятие «живого вещества».  Живое вещество биосферы, в общем, занимает ничтожное пространство в масштабе всего земного шара. Широкое распространение самого термина - «живое вещество» - связано главным образом с работами В.И. Вернадского. Он ясно показал, что все количество живых организмов Земли образует единое целое - живое вещество планеты.

Все живое вещество по своей массе занимает ничтожное  место по сравнению с любой  из верхних геосфер земного шара. По современным вероятным оценкам  общее количество массы живого вещества в современную эпоху равно 2420 млрд. тонн. Эту величину можно сравнить с массой верхних оболочек Земли, в той или иной степени охваченных биосферой:

Масса, в т 

Сравнение 

Живое вещество 

2.4 . 1012 

1 

Атмосфера 

5.15 . 1015 

2 146 

Гидросфера 

1.5 . 1018 

602 500 

Земная кора 

2.8 . 1019 

1 670 000 
 

Таким образом, в  отношении массы живое вещество уступает даже такой легкой оболочке, как атмосфера, в две тысячи раз. Но по своему активному воздействию  на окружающую среду живое вещество занимает особое место и качественно  резко отличается от других неорганических природных образований, входящих в  состав биосферы. Около 99% всего вещества в верхних слоях литосферы  трансформировано живыми организмами. Понятно, что для осуществления  подобной работы организмы должны обладать и значительной массой. Суммарная  биомасса живых организмов Земли  оценивается примерно в 2.4.1012 т. 

Распределение биомассы (по сухому веществу) живых организмов на Земле

Масса, ?1012т 

Масса в % 

Масса в целом, % 

Суша 

Растения 

2.4. 

99.2 

Животные и микроорганизмы  

0.02 

0.8 

99.87 

Океан 

Растения 

0.0002 

6.3 

Животные и микроорганизмы  

0.003 

93.7 

0.13 

2.4232 

100 
 

Как видно из таблицы, биомасса организмов океана ничтожно мала в сравнении с биомассой  наземных растений, животных и микроорганизмов. На поверхности континентов растения резко преобладают по своей массе  над животными. В океане мы наблюдаем  обратное соотношение. 93.7% биомассы моря приходится на долю животных. Это связано  главным образом с тем, что  в морской среде существуют наиболее благоприятные условия для питания  животных. Мельчайшие растительные организмы, составляющие фитопланктон и обитающие в освещенной зоне морей и океанов, быстро поедаются морскими животными, и, таким образом, переход органических веществ из растительной формы в животную резко сдвигает биомассу в сторону преобладания животных.

Живое вещество нашей  планеты существует в виде огромного  множества организмов со своими индивидуальными  признаками, разнообразных форм и  размеров. Среди живых организмов встречаются мельчайшие по форме  микроорганизмы и многоклеточные животные и растения крупных размеров. Размеры  колеблются от микрометров (малые бактерии, инфузории) до десятков метров. Гигантские деревья эвкалипты достигают  высоты до 150 м. Гигантская водоросль Macrocystis имеет в длину 300 м. Наиболее крупные  синие киты имеют длину тела до 30 м, и масса такого кита достигает 150 т.

Согласно современным  оценкам, на Земле существует около 3 млн. видов организмов, из которых  на долю растений приходится 500 тыс. видов, а на долю животных 2.5 млн. видов.

Современный вид  планеты - результат деятельности живых  существ, которая началась более 3 млрд. лет назад в физико-химической среде, характеризующей поверхностные  слои нашей планеты. Благодаря постоянному  взаимодействию организмов с минеральными элементами среды на протяжении всего  этого геологического периода литосфера, гидросфера и атмосфера приняли  современный облик. 

Основные функции  живого вещества биосферы

(Лапо А.В., развивая  учение В.И. Вернадского)

Функция 

Краткая характеристика происходящих процессов 

Энергетическая 

Поглощение солнечной  энергии при фотосинтезе, химической энергии путем разложения энергонасыщенных веществ; передача энергии по пищевым  цепям разнородного живого вещества. 

Концентрационная 

Избирательное накопление в ходе жизнедеятельности определенных видов вещества: а) используемых для  построения тела организма; б) удаляемых  из него при метаболизме. 

Деструктивная 

1) Минерализация  небиогенного органического вещества.

2) Разложение неживого  неорганического вещества.

3) Вовлечение образовавшихся  веществ в биологический круговорот. 

Средообразующая 

Преобразование физико-химических параметров среды (за счет небиогенных  веществ). 

Транспортная  

Перенос вещества против градиента силы тяжести и в  горизонтальном направлении. 
 

Несмотря на огромное разнообразие видов и форм организмов живому веществу нашей планеты присущи следующие общие свойства:

Живые организмы  являются аккумуляторами и трансформаторами солнечной энергии в биосфере. Процессом накопления этой энергии  является фотосинтез зеленых растений.

Живые организмы  содержат вещества, которые не встречаются  в минеральном мире. Весь сложный  комплекс этих веществ создает протоплазму, состоящую из углеводов, липидов (жиров), белков, нуклеиновых кислот и воды. Нигде за пределами живых организмов эти вещества не встречаются вместе.

Живые организмы  характеризуются клеточным строением. Каждая клетка представляет сложную  природную систему, которая обладает относительной самостоятельностью. В процессе своей жизнедеятельности  клетка осуществляет многочисленные реакции  синтеза, ведущие к образованию  ее более мелких структурных единиц.

Разнообразие живых  организмов, выражаемое в существовании  многочисленных их видов, определяется сочетанием относительно небольшого числа  биологических молекул и биохимических  реакций. Одни и те же атомные структуры  существуют во всех организмах, но в  разных комбинациях. Так, все белки  построены из двадцати аминокислот, все нуклеиновые кислоты из четырех  нуклеотидов.

Биохимические процессы в клетках живых организмов происходят с участием органических катализаторов - ферментов и протекают с большой  скоростью. Они отличаются от действия обычных неорганических катализаторов тем, что стимулируют только определенные биохимические реакции.

В организмах происходят сложные превращения энергии  в условиях относительно постоянных температур. Зеленые растения используют энергию солнечной радиации при  фотосинтезе, некоторые бактерии используют химическую энергию при фотосинтезе, животные приобретают энергию путем  окисления своих веществ кислородом атмосферы. Элементарные акты превращения  энергии совершаются на молекулярном уровне.