Биосфера – живая оболочка Земли

Вступив в новое тысячелетие, человечество обнаружило себя в ситуации, подобной которой не было еще никогда. Футурологи и философы, политики и географы начиная с 60-х гг. XX века призывали обратить внимание на угрозу целого ряда кризисов, нависших над нашей планетой. Рост населения, ограниченность традиционных источников энергии (нефть, газ и уголь), ограниченность ресурсов пресной воды и полезных ископаемых, загрязнение почвы, воды и воздуха веществами, многие из которых до ХХ в. вообще не существовали, угрожающие политические тенденции, связанные с «глобализацией», – все эти явления породили то, что мы сегодня определяем как демографический, энергетический, ресурсный, экологический и геополитический кризисы. Появилась специальная наука «глобалистика», предметом которой стали закономерности общепланетных процессов и поиски путей преодоления надвигающихся кризисов. Перед человечеством во весь рост встала огромная задача поиска выхода из надвигающихся кризисов, для решения которой мыслители разных типов, разных научных школ и стран предлагают свои пути.

Один из таких путей представляет нам учение о Ноосфере – сфере Разума, геологической оболочке, возникшей на определенной стадии эволюции Биосферы – сферы жизни. Инициатором создания учения о Ноосфере, как и учения о Биосфере, является великий русский ученый Владимир Иванович Вернадский (1863–1945). Его имя стоит в первых рядах творцов науки ХХ в. Он является основоположником целого комплекса наук: геохимии, биогеохимии, радиогеологии. В 1922 г. он создал Радиевый институт, в 1929-м – Биогеохимическую лабораторию (ныне Институт геохимии и аналитической химии РАН им. В.И.Вернадского). Академик Петербургской академии наук с 1912 г., основатель и первый Президент Украинской академии наук (1918 г.), академик Российской академии наук с 1917 г. и АН СССР с 1925 г.; профессор университетов Москвы, Киева, Парижа (Сорбонна); ректор Таврического университета (1920 г., Симферополь) – это лишь часть научных титулов Вернадского. Имя В.И.Вернадского носят Государственный геологический музей, Таврический национальный университет, Институт геохимии и аналитической химии РАН, Неправительственный экологический фонд РФ, Национальная библиотека Украины, проспекты в Москве и Киеве, малая планета, Вернадовская средняя школа в Тамбовской области, многочисленные клубы, академии, союзы. Призвание естествоиспытателя сочеталось в нем с большими организационными способностями, к тому же, В.И.Вернадский был человеком высочайших нравственных качеств. Вот как писал о нем близко его знавший Н.В.Тимофеев-Ресовский: «Люди бывают очень плохие, плохие, средние, хорошие, очень хорошие, и есть некоторое количество замечательных людей. Среди замечательных попадаются весьма замечательные люди, и, наконец, среди весьма замечательных людей попадаются – очень редко – совершенно замечательные люди. Вот Вернадский, несомненно, был совершенно замечательным человеком». Главным делом его жизни стала разработка целостного учения о биосфере и эволюции биосферы в ноосферу, в которой человеческий разум и научная мысль становятся определяющим фактором развития. Идеи Вернадского о взаимодействии природы и общества оказали большое влияние на формирование современного экологического сознания.

Оценка значения Вернадского в научном мире столь высока, что известные зарубежные ученые Николас Полунин (Великобритания) и Жак Гриневальд (Швейцария) писали: «Возникает вопрос: не следует ли нам очень серьезно задуматься о вернадскианской революции как термине, охватывающем его широкую концепцию, которая может эффективно привести к прогрессу в образовании, касающемся окружающей среды, и в итоге к прогрессу в благополучии мира… Это новый объект для приложения усилий мирового научного сообщества».

Автором термина «биосфера» является профессор Венского университета геолог Эдуард Зюсс (1831–1914), употребивший его в 1875 г. в работе «Происхождение Альп». Он ввел в науку представление о биосфере как особой оболочке земной коры, охваченной жизнью. В таком общем смысле впервые в 1914 г. использовал этот термин и В.И.Вернадский в статье об истории залегания рубидия в земной коре: «На самой поверхностной корке земного шара – в области биосферы – едва ли можно говорить о сохранении химически неизменным какого-нибудь вещества в течение миллионов лет» [6].

Однако существуют и другие версии относительно первого употребления термина «биосфера». Так, в статье «Живое вещество и биосфера в трудах В.И.Вернадского» (1994), её автор А.Л.Яншин пишет о термине «биосфера»: «Его автор, французский естествоиспытатель Жан-Батист Ламарк (1744–1829) впервые употребил его в 1803 г. в труде по гидрогеологии Франции для обозначения совокупности организмов, обитающих на земном шаре. В середине XIX в. термин «биосфера» был основательно забыт, но в 1875 г. его воскресил знаменитый австрийский геолог Эдуард Зюсс (1831–1914) в работе о строении Альп, причем он понимал под ним уже не только органический мир нашей планеты, но и окружающую его среду…» [14].

Авторство Ж.-Б.Ламарка опровергает профессор МГУ А.М.Гиляров в статье «Ламарк и "биосфера". Комментарий к одной академической фантазии» [6]. Он исследовал книгу Ламарка «Hydrogeologie» (1803) на наличие слова «biosphere», но искомого слова не обнаружил. Однако он отмечает, что Ж.-Б.Ламарк вплотную подошёл к понятию «биосфера», задавшись вопросом о влиянии организмов на среду.

В 1926 г. В.И.Вернадский опубликовал книгу «Биосфера», переведенную впоследствии на французский и английский языки [3]. Статьи по этой тематике он публиковал до конца жизни. Изучение геохимической роли живого вещества В.И.Вернадский считал своей основной научной задачей. Естественно, что в своих построениях В.И.Вернадский опирался на эмпирические данные своего времени, которые во многом устарели с позиций современности. Но главные его мысли об уникальной роли «живого вещества», которое неразрывно связано с окружающей материей и космическим пространством, учение о биосфере как развивающейся и самоорганизующейся системе еще долго будут служить науке. Многие затронутые им проблемы остаются до сих пор нерешенными или спорными: возникновение жизни, ноосфера и др. Их актуальность в наши дни свидетельствует о могуществе и гениальности теоретических обобщений В.И.Вернадского, который во многом опередил свое время.

В.И.Вернадский подчеркивал, что не строил никаких гипотез, а пытался описать картину планетного процесса на основе эмпирических обобщений. «Основные физические и химические свойства нашей планеты меняются закономерно в зависимости от их удаления от центра. В концентрических отрезках они идентичны, что может быть установлено исследованием» [3]. Возможно выделить большие концентрические области и дробные внутри них, называемые земными оболочками, или геосферами (гр. gе – земля, sphaira – шар). Можно предполагать, что в глубоких областях Земли имеются достаточно устойчивые равновесные системы: ядро и мантия, а над ними – земная кора. Вещество ядра, мантии и земной коры, вероятно, отделено друг от друга, и если переходит из одной области в другую, то очень медленно.

Геосферы – установленные эмпирическим путем земные оболочки – можно классифицировать по разным признакам. В.И.Вернадский выделил 6 термодинамических оболочек, определяемых независимыми переменными – температурой и давлением; 8 фазовых оболочек, характеризуемых фазовым состоянием веществ, т.е. твёрдым, жидким, газообразным, стекловатым и др.; 10 химических оболочек, различающихся химическим составом [3].

Вне этой схемы остается живая оболочка – биосфера. В биосфере кроме двух независимых переменных – температуры и давления – появляются такие независимые переменные как солнечная энергия и «живое вещество» – совокупность всех живых организмов планеты. Живые организмы, привнося в физико-химические процессы лучистую энергию Солнца, резко отличаются от остальных независимых переменных. Они меняют существовавшие на планете физико-химические равновесия. Организмы представляют собой особые автономные вторичные системы динамических равновесий в первичном термодинамическом поле Земли. Так, например, организмы удерживают свою собственную температуру в среде другой температуры, имеют свое внутреннее давление, отличное от внешнего. С точки зрения химии, их особенность проявляется в том, что вещества, образующиеся в организмах, не могут получиться из тех же элементов в косной, окружающей их среде, а попадая во внешнюю среду, неизбежно в ней разрушаются. При этом выделяется свободная энергия и нарушается термодинамическое равновесие. В организмах происходят такие реакции, которые не могут происходить в абиотической среде. Например, восстановление СО₂ и расщепление Н₂О одновременно возможны только в живых организмах: это основа биохимических процессов. Таким образом, все химические равновесия в биосфере изменяются в присутствии живых организмов, не нарушая при этом общие законы равновесий. Живое вещество может рассматриваться как одна из независимых переменных энергетического поля планеты.

Очень вероятно, что в живом веществе основную роль играют не только состав и форма, но и симметрия атомов и молекул. Поэтому симметрия расположения атомов имеет в формировании оболочек планеты такое же значение, как и другие независимые переменные. В.И.Вернадский считал, что земные оболочки можно классифицировать также и по этому признаку, названному им парагенетическим (гр. paragenesis – закономерность в соотношении элементов). Он выделил 5 парагенетических оболочек. Кроме того, несомненно, что строение биосферы является результатом взаимодействия космических излучений и энергии планеты. Поэтому В.И.Вернадский выделил вокруг Земли еще 5 лучистых оболочек.

Классификация земных оболочек – геосфер, построенная В.И.Вернадским на основе эмпирических данных его времени, должна рассматриваться только как первое приближение к реальности и подлежит изменениям и дополнениям по мере расширения человеческих знаний о природе и строении планеты.

Биосфера – это живая оболочка Земли, совокупность экосистем. Пределы биосферы обусловлены полем возможного существования жизни, которая может проявляться только в определенных энергетических, физических и химических условиях. Обычно биосферу подразделяют на три геосферы в зависимости от их фазового состояния: газовую оболочку – атмосферу (гр. atmos – пар), водную – гидросферу (гр. hydor – вода) и твердую – литосферу (гр. lithos – камень).

Верхняя граница биосферы обусловливается лучистой энергией, убивающей всё живое, т.е. естественной верхней границей является озоновый экран, расположенный на расстоянии около 16 км от поверхности Земли на полюсах и до 25 км над экватором. Но только немногие птицы поднимаются до высочайших горных вершин, т.е. до 7-8 км. Нет ни одного организма, который всегда жил бы в воздушной среде. Лишь тонкий слой тропосферы (менее 100 м над Землей) можно считать наполненным жизнью. Нижняя граница жизни в литосфере теоретически определяется высокой температурой. Температура 100°С представляет непреодолимую преграду. Живые организмы в трещинах и нефтяных скважинах могут встречаться на глубине до 5 км от земной поверхности.

Аксиома иерархичной организации биосферы.

Современная экология исходит из аксиомы иерархической организации, или принципа интегративных уровней – подсистем различного функциоанльного значения.

Общие принципы формирования иерархии: 1. Дублирование относительно разнокачественных структур, составляющих в своей организационной совокупности нечто новое, т.е. наличие свойств эмерджентности (Древние говорили целое больше суммы его частей) и 2. Определенность функциональной цели организации в рамках связей со средой и внутренних возможностей систем.

Жизнь существует в трех выделяемых геосферах: в атмосфере, гидросфере и на и в литосфере. Соответственно подразделение биосферы - аэробиосфера (населенная аэробионтами), гидробиоосфера (с гидробионтами) и геобиосфера с геобинтами. Наиболее продуктивный слой на суше фитосфера вместе с освещенными слоями гидросферы. Аэробиосфера разделена на тропобиосферу и альтобиосферу, гидрорбиосфера – на фотосферу, дисфотосферу и афотосферу. Она включает океанобиосферу и аквабиосферу. Геобиосфера включает террабиосферу и литобиосферу. Структурообразующие факторы здесь, помимо физической среды – энергетика (свет и тепло), а также особые условия формирования и эволюции жизни.

Биоценозы над водой и на ней в пленке поверхностного натяжения практически не существуют. Они либо внутриводные, плейстонные, либо сухопутно-водные, подобно мангровым зарослям.

Модель горизонтальной структуры биосферы Земли.

Лекция 2.

Живое вещество

По мнению В.И.Вернадского, «живой организм» биосферы должен изучаться целиком, как особое тело. Через организмы регулируются все химические процессы на поверхности планеты. Жизнь захватывает значительную часть атомов, составляющих земную кору. Из них организмы создают миллионы разнообразнейших соединений, и этот процесс длится без перерыва сотни миллионов лет. Они меняют течение всех химических реакций, участвуют в круговороте всех химических элементов.

Чем больше изучаются химические явления на земной поверхности, тем больше доказательств того, что нет случаев, где бы они были независимы от жизни. Становится ясным, что прекращение биологической жизни привело бы к прекращению и геохимической жизни. Установилось бы химическое спокойствие, которое временами нарушалось бы лишь привнесением из земных глубин газов, лав и других веществ. Но эти вещества быстро приняли бы формы, характерные для безжизненной планеты. И даже нагревание Солнцем и деятельность воды мало изменили бы картину, ибо с прекращением жизни исчез бы свободный кислород, увеличилось бы содержание углекислого газа в атмосфере. Да и вода, лишенная биогенного кислорода, при температуре и давлении на поверхности Земли, в инертной газовой среде стала бы химически безразличным телом. Так жизнь является великим нарушителем спокойствия, инертности и косности нашей планеты.

Живое вещество в биосфере выполняет особые функции, названные В.И.Вернадским биогеохимическими: энергетическую, деструктивную, концентрационную и средообразующую [4].

Такие элементы называют биофильными. Этими циклами и круговоротом в целом обеспечива­ются важнейшие функции живого вещества в биосфере. В.И. Вернадский выделяет пять таких функций:

— первая функция — газовая — основные газы атмосферы Земли, азот и кислород, биогенного происхождения, как и все подземные газы — продукт разложения отмершей органики;

— вторая функция — концентрационная — организмы накап­ливают в своих телах многие химические элементы, среди которых на первом месте стоит углерод, среди металлов — первый кальций, концентраторами кремния являются диа­томовые водоросли, йода — водоросли (ламинария), фос­фора — скелеты позвоночных животных;

— третья функция — окислительно-восстановительная — ор­ганизмы, обитающие в водоемах, регулируют кислородный режим и создают условия для растворения или же осажде­ния ряда металлов (V, Mn, Fe) и неметаллов (S) с перемен­ной валентностью;

— четвертая функция — биохимическая — размножение, рост и перемещение в пространстве («расползание») живого ве­щества;

— — пятая функция — биогеохимическая деятельность челове­ка — охватывает все разрастающееся количество веществ земной коры, в том числе таких концентраторов углерода, как уголь, нефть, газ и другие, для хозяйственных и быто­вых нужд человека.

Зеленые растения – это та часть единого «живого вещества», которая непосредственно использует солнечные лучи и создает энергетически активные химические соединения, т.е. «живое вещество» первого порядка. Даже по своей морфологии (гр. morphe – форма) зелёные организмы приспособлены к исполнению своей космической функции – улавливанию солнечного луча. Свет как будто лепит формы листа, как из пластичного материала. Условия биосферы обеспечивают встречу луча с зелёным растением [4].

Превращение солнечной энергии в химическую в зелёных, хлорофиллоносных организмах – главное свойство живого вещества, его главная функция.

С зеленой частью биосферы неразрывно связан и весь остальной живой мир. Дальнейшую переработку созданных растениями химических соединений осуществляет живое вещество второго порядка – животные. Их деятельность можно рассматривать как развитие единого процесса превращения солнечной энергии в работающую энергию Земли. После смерти организмы попадают в иное термодинамическое поле среды и разрушаются с выделением энергии. Следовательно, совокупность всех живых организмов, все «живое вещество» – это область превращения световых излучений Солнца и накопления солнечной энергии в виде химической энергии.

Если живое вещество распределить на поверхности Земли ровным слоем, его толщина составит всего 2 см. Вернадский объясняет парадокс: почему, несмотря на то, что общая масса живого вещества – пленка жизни, покрывающая Землю, – ничтожно мала, результаты жизнедеятельности организмов сказываются на составе и литосферы, и гидросферы, и атмосферы?

При такой незначительной массе организмы осуществляют свою планетарную роль за счет весьма быстрого размножения, т.е. весьма энергичного круговорота веществ, связанного с этим размножением.

Размножение организмов, т.е. увеличение их численности идет с определенным темпом во времени. Несмотря на чрезвычайную изменчивость жизни, размножение, рост, т.е. работа по превращению солнечной энергии в земную, – все подчиняется стройным математическим закономерностям, мере и гармонии. Размножение организмов – важнейшее проявление «механизма земной коры», и в нем главное отличие живого от мертвого.

Область жизни – вся поверхность планеты. По выражению В.И.Вернадского, жизнь «всюдна» и стремится охватить всё доступное пространство, расширяясь в геологическом времени. Растекание жизни есть проявление ее внутренней энергии. Эта энергия проявляется в переносе химических элементов и в создании из них новых тел – это геохимическая энергия жизни. Наблюдая за заселением пустых пространств, человек может созерцать движение солнечной энергии, превращенной в земную – биохимическую [4].

Газовый обмен организмов, т.е. дыхание, также имеет важнейшее значение. Газовый режим тоже ставит пределы скорости распространения жизни. Газы биосферы те же, которые образуются при газовом обмене живых организмов: О₂, N₂, СО₂, Н₂О, Н₂, СН₄, NH₃; и это не является случайностью. Свободный кислород образуется только благодаря зеленым организмам.

Тесная связь газов с жизнью указывает на то, что газовый состав биосферы – чисто земное явление, определяемое фотосинтезом и дыханием организмов в масштабе планеты.

Количество организмов, появляющихся путем размножения в единицу времени, не может перейти за пределы, нарушающие свойства газов, т.е. число организмов в 1 см³ среды не может превышать числа газовых молекул в нем (около 2,7×10¹⁹). В биосфере идет борьба не только за пищу, но и за нужный газ, так как последний контролирует размножение.

Лекция 3

Биосфера и космос

Живая оболочка Земли собирает из небесных пространств бесконечное число излучений, из которых видимые нам – световые – являются лишь их ничтожной частью. «Лик Земли становится видным благодаря проникающим в него световым излучениям небесных светил, главным образом Солнца», – писал В.И.Вернадский [3]. Из невидимых излучений, охватывающих всё мыслимое пространство, известны пока немногие; их значение в биосфере едва начинает осознаваться. Исходя из изучения длины волны, различают огромную область космических излучений. Эта область, по оценкам В.И.Вернадского, «охватывает около сорока октав», причем видимая часть солнечного спектра является лишь одной из них. Космические лучи, принимаемые нашей планетой и строящие ее биосферу, лежат в пределах четырех с половиной октав солнечного света: одна октава световых, три – тепловых и половина октавы – ультрафиолетовых лучей.

Однако как ультрафиолетовые, так и инфракрасные лучи Солнца участвуют в биохимических процессах только косвенным путем. Энергия «извлекается» из солнечной радиации «живым веществом» Земли. Биосфера – это область земной коры, занятая трансформаторами, переводящими космические излучения в земную энергию – тепловую, механическую, химическую, электрическую и др.

В процессе фотосинтеза живые организмы трансформируют солнечный луч в энергию новых химических соединений. «Живое вещество» покрывает планету мощной толщей молекулярных систем, дающих новые соединения, богатые свободной энергией. Эти неустойчивые соединения постоянно стремятся перейти в термодинамическом поле биосферы в устойчивое равновесие.

Живые организмы – это трансформаторы лучистой энергии, особый механизм, строящий материю живой оболочки земной коры – биосферы.

В чем бы явления жизни ни состояли, энергия, выделяемая организмами, есть в основном, а может быть, и целиком, энергия Солнца.

Итак, биосфера сочетает как сугубо земные, так и космические процессы, отражает их изменения в истории космоса. Биосферу нельзя понять, изучая явления, происходящие только в ней, без учета связей земных процессов со всем космическим пространством.

В.И. Вернадский создал биогеохимию, изучающую распреде­ление химических элементов по поверхности планеты. Ученый пришел к выводу, что нет практически ни одного элемента из таблицы Менделеева, который не присутствовал бы в живом ве­ществе. Он сформулировал следующие биогеохимические принципы.

— Биогенная миграция химических элементов в биосфере все­гда стремится к максимальному своему проявлению. Этот прин­цип в наши дни нарушен человеком.

— Эволюцйя видов в ходе геологического времени, приводя­щая к созданию устойчивых в биосфере форм жизни, идет в на­правлении усиления биогенной миграции атомов. Этот принцип при антропогенном измельчании средних размеров особей биоты Земли (лес сменяется лугом, крупные животные — мелкими) начинает действовать слишком интенсивно.

— Живое вещество находится в непрерывном химическом об­мене с окружающей его средой, создающейся и поддерживаю­щейся на Земле космической энергией Солнца. Вследствие нару­шения двух первых принципов космические воздействия из под­держивающих биосферу могут превратиться в разрушающие ее факторы.

Данные геохимические принципы соотносятся со следующи­ми важными выводами В. И. Вернадского.

— Каждый организм может существовать только при условии постоянной тесной связи с другими организмами и неживой при­родой.

— Жизнь со всеми ее проявлениями произвела глубокие изме­нения на нашей планете. Совершенствуясь в процессе эволюции, живые организмы все шире распространялись по планете, стиму­лируя перераспределение энергии и вещества.

Эмпирические обобщения В.И. Вернадского.

1. Принцип целостности биосферы: «Можно говорить о всей жизни, о всем живом веществе как о едином целом в механизме биосферы. Строение Земли, согласно В.И.Вернадскому, есть согласованный механизм: «Твари Земли являются созданием слож­ного космического процесса, необходимой и закономерной ча­стью стройного космического механизма»².

2. Живое вещество также не было создано случайно. Узкие преде­лы существования жизни — физические постоянные, уровни ра­диации и т.п. — подтверждают это, как будто кто-то специально создал такую среду, в которой жизнь стала возможна. Гравитаци­онная постоянная, или константа всемирного тяготения, опреде­ляет размеры звезд, температуру и давление в них, влияющие на ход реакций, происходящих в их недрах. Если она будет чуть мень­ше, звезды станут недостаточно горячими для протекания в них термоядерного синтеза; если чуть больше, звезды превзойдут «кри­тическую массу» и превратятся в черные дыры. Константа сильно­го взаимодействия определяет ядерный заряд в звездах. Если ее изменить, цепочки ядерных реакций не дойдут до азота и углеро­да. Постоянная электромагнитного взаимодействия определяет кон­фигурацию электронных оболочек и прочность химических свя­зей: ее изменение делает Вселенную мертвой. Физические кон­станты находятся в соответствии с антропным принципом, со­гласно которому при создании моделей развития мира следует учитывать реальность существования человека.

3. Экология также показала, что живой мир — единая система, сцементированная множеством цепочек питания и иных взаимо­зависимостей. Если погибнет даже небольшая ее часть, разрушил­ся и все остальное.

4. Принцип гармонии биосферы и ее организованности. В био­сфере, согласно В.И.Вернадскому, «все учитывается и все при­способляется с той же точностью, с той же механичностью и с тем же подчинением мере и гармонии, какую мы видим в строй­ных движениях небесных светил и начинаем видеть в системах атомов вещества и атомов энергии»³.

5.Закон биогенной миграции атомов: в биосфере миграция химических элементов происходит при обязательном непосред­ственном участии живых организмов. Биосфера в основных своих чертах представляет химический аппарат, неизмененный с самых древних геологических периодов. «На земной поверхности нет хи­мической силы, более постоянно действующей, а потому и более могущественной по своим конечным последствиям, чем живые организмы, взятые в целом... Все минералы верхних частей зем­ной коры — свободные алюмокремневые кислоты (глины), кар­бонаты (известняки и доломиты), гидраты окиси Fe и А1 (бурые

6. железняки и бокситы) и многие сотни других — непрерывно со­здаются в ней только под влиянием жизни»¹. Лик Земли факти­чески сформирован жизнью.

7. Космическая роль биосферы в трансформации энергии. В.И.Вернадский подчеркивал важное значение энергии и назы­вал живые организмы механизмами превращения энергии. По его мнению, «можно рассматривать всю эту часть живой природы как дальнейшее развитие одного и того же процесса превращения сол­нечной световой энергии в действенную энергию Земли»².

8. Космическая энергия вызывает давление жизни, которое до­стигается размножением. Размножение организмов уменьшается по мере увеличения их количества. Размеры популяции возраста­ют до тех пор, пока среда может выдерживать их дальнейшее уве­личение, по,сле чего устанавливается равновесие. Численность популяции колеблется около равновесного уровня.

9. Растекание жизни есть проявление ее геохимической энер­гии. Живое вещество, подобно газу, растекается по земной поверх­ности в соответствии с правилом инерции. Мелкие организмы размножаются гораздо быстрее, чем крупные. Скорость передачи жизни зависит от плотности живого вещества.

10. Жизнь целиком определяется полем устойчивости зеленой растительности, а пределы жизни — физико-химическими свой­ствами соединений, из которых состоит организм, их неразруши­мостью в определенных условиях среды. Максимальное поле жиз­ни определяется крайними пределами выживания организмов. Верхний предел жизни обусловливается излучением, присутствие которого исключает жизнь и от которого предохраняет озоновый щит. Нижний предел связан с достижением высокой температуры. Интервал в 433 "С (от -252 до +180 °С) является, согласно В.И.Вернадскому, предельным тепловым полем.

11. «Всюдность» жизни в биосфере. Жизнь постепенно, медлен­но приспосабливаясь, захватила биосферу, и захват этот не за­кончился. Поле устойчивости жизни есть результат приспособле­ния в ходе эволюции.

12. Закон бережливости в использовании живым веществом про­стых химических тел: раз вошедший в тело элемент проходит длин­ный ряд состояний, организм вводит в себя только необходимое количество элементов. Формы нахождения химических элементов: 1) горные породы и минералы; 2) магмы; 3) рассеянные элемен­ты; 4) живое вещество.

13. Постоянство количества живого вещества в биосфере: коли­чество свободного кислорода в атмосфере того же порядка, что и количество живого вещества (1,5 • 10²¹ г и 10²⁰—10²¹ г). Это обоб щение справедливо в рамках значительных геологических отрез ков времени. Оно следует из того, что живое вещество являете) посредником между Солнцем и Землей и, стало быть, либо ег< количество должно быть постоянным, либо должны меняться еп энергетические характеристики.

14. Всякая система достигает устойчивого равновесия, когда е) свободная энергия равняется или приближается к нулю, т. е. когд( произведена вся возможная в условиях системы работа.

15. Идея автотрофности человека. Автотрофными называют орган низмы, которые берут-все нужные им для жизни химические эле­менты из окружающей их косной материи и не требуют для по­строения своего тела готовых соединений другого организма. Поля существования зеленых автотрофных организмов определяется областью проникновения солнечных лучей. В. И. Вернадский сфорн мулировал идею автотрофности человека, которая оказалась ваяй ной для создания искусственных экосистем в космических кораб­лях. Простейшей искусственной экосистемой будет система «че4 ловек—один или два автотрофных вида». Но данная система являн ется неустойчивой, и для надежного обеспечения жизненных new требностей человека необходима многовидовая система жизнеобес* печения.

16. При создании искусственной среды в космических корабля* необходимо определить минимум разнообразия, необходимый для заданной временной стабильности. Создание искусственных сис­тем явится важным этапом развития экологии. В их построении; соединяется инженерная нацеленность на создание нового и экей логическая направленность на сохранение имеющегося, творчес* кий подход и разумный консерватизм. Это и будет осуществление ем принципа «проектирования вместе с природой».

17. Пока искусственная биосфера представляет собой очень слож4 ную и громоздкую систему. То, что в природе функционирует само собой, человек может воспроизвести только ценой больших уси­лий. Но ему придется это делать, если он хочет осваивать космос и совершать длительные полеты. Необходимость создания искус­ственной биосферы в космических кораблях поможет лучше по­нять естественную биосферу.

Лекция 4

Эволюция биосферы

Эволюцию биосферы изучает раздел экологии, который назы­вается эволюционной экологией. Следует отличать эволюционную экологию от экодинамики (динамической экологии). Последняя имеет дело с короткими интервалами развития биосферы и эко­систем, в то время как первая рассматривает развитие биосферы на более длительном отрезке времени. Так, изучение биогеохими-

— ческих круговоротов и сукцессии — задача экодинамики, а прин­ципиальных изменений в механизмах круговорота веществ и в ходе сукцессии — задача эволюционной экологии.

— Одним из важнейших направлений в изучении эволюции явля­ется изучение развития форм жизни. Здесь можно от­метить несколько этапов.

— Этап 1. Клетки без ядра, но имеющие нити ДНК, напомина­ют нынешние бактерии и синезеленые водоросли. Возраст этих самых древних организмов — более 3 млрд лет. Они обладают та­кими свойствами, как подвижность, питание и способность запа­сать пищу и энергию, защита от нежелательных воздействий, раз­множение, раздражимость, приспособление к изменяющимся внешним условиям, способность к росту.

— Этап 2., На данном этапе (приблизительно 2 млрд лет тому назад) в клетке появляется ядро. Одноклеточные организмы с яд­ром называются простейшими. Их 25 — 30 тыс. видов. Самые про­стые их них —- амебы. Инфузории имеют еще и реснички. Ядро простейших окружено двухмембранной оболочкой с порами и со­держит хромосомы и нуклеоли. Ископаемые простейшие — ра­диолярии и форами ниферы — являются основной частью осадоч­ных горных пород. Многие простейшие обладают сложным двига­тельным аппаратом.

— Этап 3. На данном этапе (примерно 1 млрд лет тому назад) появляются многоклеточные организмы. В результате раститель­ной деятельности — фотосинтеза — из углекислоты и воды при использовании солнечной энергии, улавливаемой хлорофиллом, возникло органическое вещество. Возникновение и распростране­ние растительности привело к коренному изменению состава ат­мосферы, первоначально имевшей очень мало свободного кисло­рода. Растения, ассимилирующие углерод из углекислого газа, создали атмосферу, содержащую свободный кислород, который представляет собой не только активный химический агент, но и источник озона, преградившего путь коротким ультрафиолетовым лучам к поверхности Земли.

— JI. Пастер выделил два важных момента в эволюции биосферы. Первый момент — достижение определенного уровня со­держания кислорода в атмосфере Земли (примерно 1 % от совре­менного). С этого времени стала возможной аэробная жизнь. Гео- хронологически это архей. Предполагается, что накопление кис­лорода шло скачкообразно и заняло не более 20 тыс. лет. Второй момент — достижение содержания кислорода в атмосфере око­ло 10 % от современного, что привело к возникновению предпо­сылок формирования озоносферы. В результате жизнь стала воз­можной на мелководье, а затем и на суше.

— Палеонтология, занимающаяся изучением ископаемых остат­ков, подтверждает факт возрастания сложности организмов. В самых древних породах встречаются организмы всего нескольких типов, имеющих простое строение. Постепенно их разнообразие и сложность возрастают. Многие виды, появляющиеся на каком-либо стратиграфическом уровне, затем исчезают. Таким образом про­исходит возникновение и вымирание видов.

В соответствии с данными палеонтологии можно считать, что в протерозойскую геологическую эру (700 млн лет назад) появи­лись бактерии* водоросли, примитивные беспозвоночные; в па­леозойскую (365 млн лет назад) — наземные растения, амфибии; в мезозойскую (185 млн лет назад) — млекопитающие, птицы, хвойные растения; в кайнозойскую (70 млн лет назад) — совре­менные группы организмов. Конечно, следует иметь в виду, что палеонтологическая летопись неполна.

Веками накапливавшиеся остатки растений образовали в зем­ной коре грандиозные энергетические запасы органических со­единений (уголь, торф), а развитие жизни в Мировом океане привело к созданию осадочных горных пород, состоящих из ске­летов и других останков морских организмов.

Ниже представлены важные свойства живых систем.

— Компактность — в 5 • 10~¹⁵ г ДНК, содержащейся в оплодо­творенной яйцеклетке кита, заключена информация для подавля­ющего большинства признаков животного, которое весит 5 ■ 10⁷ г (масса возрастает на 22 порядка).

— Способность создавать порядок из хаотического теплового движения молекул и тем самым противодействовать возрастанию энтропии. Живое потребляет отрицательную энтропию и работает против теплового равновесия, увеличивая, однако, энтропию окружающей среды. Чем более сложно устроено живое вещество, тем больше в нем скрытой энергии и энтропии.

— Обмен с окружающей средой веществом, энергией и ин­формацией. Живое способно ассимилировать полученные извне вещества, т.е. перестраивать их, уподобляя собственным мате­риальным структурам, и за счет этого многократно воспроиз­водить их.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском по сайту: