Важнейшую роль в эволюции биосферы. Принципы эволюции биосферы
Биосфера большой и очень сложный комплекс из множества элементов, взаимодействующих друг с другом миллионы лет. Научные теории, касающиеся возникновения и эволюции биосферы, носят преимущественно гипотетический характер. Выкладки, даже те, которые не противоречат современным физическим, химическим, биохимическим и другим законам, в основном невозможно подтвердить экспериментально.
Рассмотрим наиболее признанные гипотезы, касающиеся ключевых моментов эволюции биосферы.
Теория Большого взрыва как гипотеза зарождения Вселенной
В 1922 г. советский математик и геофизик Александр Александрович Фридман нашел решение уравнений общей теории относительности Альберта Эйнштейна. Оказалось, что решение является нестационарным, то есть Вселенная должна либо расширяться, либо сжиматься. В 1929 г. американский астроном Эдвин Хаббл обнаружил разбегание галактик, что свидетельствовало о расширении Вселенной. Анализируя картину расширения Вселенной, ученые пришли к выводу, что примерно 20 млрд. лет назад Вселенная была сжатой в точку и имела сколько угодно большую плотность. В результате Большого взрыва она начала расширяться, иначе говоря, существовать в привычном нам виде.
Ученые смогли восстановить картину развития Вселенной с малых долей первой секунды после Большого взрыва, но никто не знает ни причин, вызвавших взрыв, ни то, что было до него. «Теория «Большого взрыва» в настоящее время столь надежно установлена и верна, сколько верно то, что вокруг Солнца», — констатировал академик, советский физик-теоретик Зельдович в 1982 г. на международном конгрессе. Спустя 15 млрд. лет после Большого взрыва, то есть примерно 5 млрд. лет назад, сформировалась как космическое тело.
Теория А.И. Опарина как гипотеза возникновения жизни (органических веществ, предбиологических структур) на планете Земля
Теория появления условий для возникновения жизни на Земле принадлежит советскому биохимику академику Александру Ивановичу Опарину, который сформулировал ее в 1922 году. Он предположил, что из молекул водяных паров, метана, аммиака и углекислого газа, составлявших планеты на ранних этапах ее жизни, в результате случайных комбинаций под действием высоких температур от искровых разрядов, пронизывающих тогда еще бурлящую и клокочущую планету, стало возможным образование более сложных соединений, в том числе и образование аминокислот — кирпичиков, из которых строится основа жизни — белок. Их накопление в течение многих миллионов лет привело к образованию «питательного бульона жизни» — раствора молекул различных аминокислот. В некоторой степени эта теория была подтверждена экспериментально.
В 1952 г. молодой американский химик Стенли Миллер сделал смесь, имитирующую предположительный начальный состав атмосферы и океана Земли. Через нее пропускали электрические разряды, имитирующие молнии. Через неделю был произведен химический анализ смеси, и там были обнаружены некоторые аминокислоты.
Позже этот эксперимент был повторен многими исследователями. В соответствии со вторым началом термодинамики большие молекулы не могут быть равномерно распределены в растворе. Под действием электростатических сил они начинают объединяться в отдельные образования типа комочков геля, обрастая все новыми и новыми молекулами и образуя крупные капли с индивидуальной структурой и составом. Каждая сформировавшаяся таким образом капля имеет сугубо индивидуальную структуру, состав которой случаен. Далее начинает работать своеобразный отбор: устойчивые комбинации молекул сохраняются, неустойчивые — распадаются, а из их осколков образуются другие варианты случайных конструкций. Достигнув определенных размеров, капля, не будучи прочной, рассыпалась на две-три части под действием внешних механических сил. Образовавшиеся вновь капли по структуре совпадали с первоначальной.
Они как бы унаследовали от исходной капли ее индивидуальные особенности. Они вновь начинали «расти», дробились и т.д. Однако это еще не было живым веществом, это была так называемая предбиологическая структура, поведение которой описывается законами гидродинамики.
Прошло еще много миллионов лет, прежде чем эти капли превратились в живые клетки. Устойчивая прабелковая молекула, случайным образом «научившаяся» воспроизводить саму себя, получила колоссальное преимущество и расселилась по «питательному бульону». По мнению ученых, уже через каких-нибудь 1,0-1,5 млрд. лет появились многоклеточные организмы. Жизнь из плесневой и слизистой формы стала активной жизнью привычных нам существ. Теория А.И. Опарина завоевал а широкое признание, но она не может четко ответить на вопрос: как именно произошел переход от сложных органических веществ к простым живым организмам.
Большой биологический взрыв как гипотеза перехода от неживой к живой форме организации материи
Великий Луи Пастер в XIX в. первым обратил внимание на то, что в неживой природе молекулы либо зеркально симметричны (вода Н-О-Н, углекислый газ О-С-О), либо одинаково часто встречаются их правые и левые стерео изомеры. В то же время, молекулы, из которых построены живые организмы, зеркально асимметричны, то есть киральны, чаще всего они подобны винтам, а во многих случаях ими и являются (например, двойная спираль молекулы ДНК).
Но, самое главное, эти молекулы встречаются в природе лишь в каком-то одном варианте — либо только левом, либо только правом (так, спираль молекулы ДНК всегда только правая). Пастер, а затем Вернадский сделали предположение, что именно киральная чистота служит индикатором границы между химией живой и неживой природы.
Можно сказать, что в отлично от неорганических объектов живые организмы построены из винтов, причем винты одного типа только левые, другого — только правые.
Человек как живой организм построен из молекул определенной киральности (для одних видов молекул левой, для других — правой). Потребляемая человеком органическая пища также построена из молекул определенной киральности. Ясно, что киральность молекул пищи согласуется с киральностью молекул человеческого организма (подобно тому, как правые гайки согласуются с правыми винтами, а левые — с левыми). А что будет, если киральность молекул пищи вдруг изменится Такая пища будет уже непригодной, и может оказаться биологически ядовитой. Современные технологии позволяют получать зеркально отраженные стереоизомеры, их действие на организм человека оказывается совершенно иным по сравнению с действием природных стереоизомеров. Так «отраженный» стереоизомер витамина. С не воспринимается организмом, добавки в пищу некоторых искусственно полученных «отраженных» стереоизомеров, например фенилаланина, приводят к резкому нарушению обмена веществ, сопровождающемуся умопомешательством.
Для решения вопроса возникновения жизни на Земле необходимо было решить — каким образом зеркально симметричный неживой мир сумел перейти к кирально чистому, асимметричному живому. Современная наука пришла к выводу, что этот переход произошел скачкообразно, революционно, и этот скачок получил название Большого биологического взрыва, в ходе которого в подходящих условиях произошел акт самоорганизации материи (по некоторым оценкам процесс глобального перехода к киральной чистоте значительной части молекул мог произойти всего за 1-10 млн. лет). Появление живого вещества ознаменовало собой переход от геохимической эволюции к биогеохимической. Для осуществления этого перехода разницы были необходимы уникальные условия раннего геологического периода.
После завершения скачкообразного, революционного распространения жизни на Земле начал действовать принцип Реди ( и естествоиспытатель XVII в.): живое происходит только от живого, между живым и неживым веществом существует непроходимая граница, хотя и имеется постоянное взаимодействие.
Сейчас на Земле возникновение какой-либо новой жизни из неживого вещества невозможно — поскольку отсутствуют необходимые условия.
Учение о биосфере
После возникновения живого существа как такового из “прабиотического бульона” начался процесс эволюции жизни, который изменил атмосферу, океаны и поверхность суши. Этот процесс подробно описан В.И. Вернадским и составляет суть его учения о биосфере. Он первый создал единую картину мира и указал в ней роль живого вещества.
Вернадский обосновал, что возникновение биосферы на Земле — это объективный результат развития общего космического процесса, и что нужно рассматривать как целостную геологическую оболочку Земли, состоящую из живого и неживого вещества, а также внешних условий существования жизни (таких как и температура). Вернадский подчеркивал, что для строения биосферы характерны физико-химическая и геометрическая В.И. Вернадский разнородности. Разнородность строения является главным фактором, резко отличающим биосферу от всех других оболочек земного шара. Живое вещество охватывает всю биосферу, ее создает и изменяет.
Живое вещество едва ли составляет одну — две сотых процента от массы Земли. Но в геоформирующих процессах оно является самой большой, действенной силой. В. И. Вернадский показал, что тонкая оболочка Земли — биосфера, состоящая из разнородных структур — живого и неживого вещества, поддерживает в состоянии динамического равновесия все протекающие в ней процессы благодаря непрерывному перетоку (круговороту) атомов из косной материи через живое вещество снова в неживую природу, в котором одни и те же атомы постоянно меняют свои соединения. Он описал роль живых организмов в создании современного газового состава атмосферы, в формировании горных пород, вод . Учение В. И. Вернадского — это философское и естественнонаучное обобщение законов развития нашей планеты с позиций единого космического процесса и исключительной роли, которую выполнило и выполняет на ней живое вещество. В. И. Вернадский создал его в 20-30-е годы XX века. Некоторые его смелые идеи получают экспериментальное подтверждение только сейчас.
С учетом учения Вернадского в настоящее время биосферу определяют как активную оболочку Земли, в которой совокупная деятельность живых организмов проявляется как фактор планетарного масштаба
Учение о ноосфере
Одним из уникальных этапов эволюции биосферы явилось возникновение разума как высшей познавательной способности живого организма.
Истоки и механизмы возникновения разума настолько же туманны, как и происхождение жизни в целом мозг человека и мозг животных (по крайней мере, высших млекопитающих) состоит на одних и тех же нейронов. При этом мозг человека обладает способностью познавать сам себя, видеть себя со стороны, эффективно передавать накопленные знания. Благодаря появлению разума возникает общество — совокупность индивидуумов, способных к совместному труду, к планомерной деятельности, к совместной духовной жизни, которая является большим, чем просто сумма проживающих в нем людей.
Появление интеллекта и закрепление господствующей роли Homo Sapiens (как единственного выжившего носителя разума) радикальным образом ускорило темпы практически всех процессов, протекающих во внешней – биосфере. При этом развитие человека как биологического вида примерно 30-40 тысяч лет назад остановилось.
Механизм генетического развития человека на основе внутривидового отбора перестал функционировать Эволюция, морфологическое совершенствование человека, в том числе и развитие мозга, закончились! Почему это произошло?
Подавлять мощный механизм естественного отбора могут только столь же мощные факторы. Одна из гипотез относительно этого (академика Никиты Николаевича Моисеева) основывается на том, что на определенном этапе эволюции наших предков помимо силы, выносливости и других чисто физических качеств, определяющих выживание прачеловека, стала осознаваться определяющая роль знания, опыта и мастерства.
Знания и опыт повлекли за собой формулирование целого ряда запретов-табу в поведении и действиях членов общества.
Мудрецы и умельцы, которые во все большей степени обеспечивали благосостояние рода или племени, далеко не всегда были самыми сильными и смелыми членами общества, кому обычно естественный внутривидовой отбор давал преимущества. Жизненной необходимостью рода-племени стала защита не только самок и потомства, но и тех, кто оказывался носителем знаний и мастерства.
На этой основе сформировался важнейший из всех запретов — «не убий!».
В силу его исключительной важности для любой человеческой общности он оказался в основе морали и существует в том или ином виде у всех народов, во всех религиях. Возникновение именно этого запрета, вероятно, и поставило предел морфологическому совершенствованию организма человека. Защита слабых — эта дополнительная и весьма обременительная нагрузка, которую по необходимости взяло на себя рождавшееся общество, — прекратила действие естественного отбора, а следовательно, и индивидуальное развитие человека.
Само зарождение жизни на Земле является реализацией одной из возможных форм самоорганизации материи.
То же самое можно сказать и о двух рассматриваемых явлениях эволюции живого вещества на Земле — возникновении разума и норм морали — это тоже формы самоорганизации материи. Это естественная, хотя и не обязательная фаза развития живого.
После прохождения точки бифуркации (пороговая точка любой системы, когда она выводится из равновесия, переживает кардинальные изменения) у любой сложной системы есть много вариантов нового стабильного состояния. Какой из них будет реализован, заранее предсказать невозможно в принципе, поскольку это зависит от тех неизбежно присутствующих случайных воздействий — флуктуации внешней среды, которые в момент перехода через пороговое состояние и будут определять выбор. Поэтому необходимо понимать, что и жизнь как таковая, и человек как биологический вид, обладающий разумом и развивающийся в рамках определенных норм морали, есть явление уникальное. В привычном нам «виде» он больше нигде и никогда не возникнет — что не отрицает существования и возникновения прочих форм самоорганизации материи, «другой» жизни, разума, морали.
У человека, как уникального явления, есть только один путь выживания — это действовать в согласии с планетарными объективными законами эволюции. Иначе он исчезнет, погубив сам себя.
Об этом уже в первые годы XX столетия начал говорить В.И. Вернадский. Он отмечал, что воздействие человека на окружающую природу растет столь быстро, что скоро он превратится в решающую геолого-образующую силу, и окажется ответственным за будущее развитие природы.
Развитие окружающей среды и общества сделаются неразрывными, образовав новую оболочку Земли, ноосферу — сферу разума. В результате этого развитие планеты сделается направленным — направляемым силой разума.
Термин «ноосфера» предложил французский исследователь Леруа в 1924г., впоследствии он был широко популяризован Пьером Тейяр де Шарденом — французским палеонтологом, занимающимся вопросами эволюции. В.И.Вернадский стал употреблять этот термин только в последние годы своей жизни.
Эволюция биосферы обусловлена тесно взаимосвязанными тремя группами факторов: развитием нашей планеты как космического тела и протекающих в ее недрах химических преобразований; биологической эволюцией живых организмов; развитием человеческого общества.
Говоря о первой группе факторов, обусловливающих эволюцию биосферы, следует обратить внимание на формулировку «геохимического принципа сохранения жизни» : планета может быть обитаема, пока активны ее недра. Активность недр важна не меньше, чем активность Солнца. Чтобы продолжалась жизнь, Земля сама должна быть в указанном смысле живой. Следовательно, ученые, серьезно считающие Землю организмом (например, Джеймс Лавлок), заслуживают полного понимания. Для них феномен организованности биосферы - не набор случайностей, а результат ее (Геи-Земли, см. п. 11.6) собственной активности.
В развитии биосферы наблюдались весьма непривычные для нас экосистемы. Эпохи были теплыми и холодными, с большим или меньшим процентом суши, с большим или меньшим разнообразием видов. Переход между эпохами являлся прогрессивной эволюцией экосистем, что понимали еще до рождения экологии.
Сегодня можно говорить про четыре биосферы, последовательно возникавшие в ходе эволюции: хемосферу, прокариотную фотосферу, кариотосферу и антропосферу. Каждая биосфера возникала ввиду появления новой господствующей категории организмов, и первые три из них длились, вероятно, примерно миллиард лет каждая .
Хемосфера произошла из прогеноты (первой системы, в которой обмен веществ отделен от наследственности) и являла собой множество доклеточных зон, в которых развивались прокариоты. Пищевой базой служили литотрофы, а основным путем эволюции было включение органических звеньев в геохимические круговороты. Хемо- сфера сложилась из первых очагов жизни и обрела свойства биосферы тогда, когда разрослась достаточно, чтобы стать планетным явлением , т.е. завладела океаном (суша была безжизненной). Видимо, в ней были обычны предельно короткие круговороты за счет симбиоза.
Хемосфера в гидротермах дна океана осталась до сих пор и очень слабо связана с остальной жизнью, но теперь она состоит из отдельных организмов. Остатки этой сферы распространяются еще и на полкилометра под океанским дном; и некоторые исследователи полагают, что условия жизни там не изменились со времен начала жизни.
В эпоху рождения жизни поток тепла из недр был вчетверо выше нынешнего. По мере охлаждения земной поверхности хемосферу сменяла прокариотная фотосфера. В ней пищевой базой были фото- автотрофы; основной путь эволюции - усложнение биохимии. Она тоже начала с коротких круговоротов (цианобактериальные маты), но затем, наоборот, стала удлинять цепи круговоротов, чем изменила облик планеты, например создала кислородную атмосферу. Как уже указывалось, считается, что нынешнее содержание кислорода в атмосфере (21%) было достигнуто в палеозое 250 млн лет назад, но процесс начался еще в архее.
Кариотосфера - это господство эвкариот. Основной путь эволюции - усложнение структур при прежней биохимии; и прокариоты были отодвинуты на периферию биосферы, где господствуют поныне (например, в земной и океанической коре), а главными продуцентами стали зеленые растения. Длинные круговороты стали преобладать: между продуцентами (производителями) и редуцентами (восстановителями) появились консументы (потребители - животные), поэтому теперь нормальная пищевая цепь имеет до семи звеньев. Ка- риосфера выглядит как собственно биосфера, и Г.А. Заварзин именует ее неосферой , но на ее базе уже вырастает следующая сфера.
Антропосфера - ныне возникающая биосфера будущего. Основные круговороты в ней будут рождены людьми, а основным путем эволюции организмов будет создание искусственных пород при сокращении числа естественных видов. В.И. Вернадский был прав, указывая на то, что человечество становится геологической силой. Человек уже сейчас уничтожает одни виды и создает другие, уничтожает одни ископаемые, создавая другие (свалки отходов), и изменяет круговороты - как удлиняя их в пространстве (глобальные перевозки), так и укорачивая геохимические цепи (сжигая лес и т.п.). Антропосфера - та неприглядная реальность, которая вырастает на месте, где В.И. Вернадский полагали увидеть прекрасную ноосферу.
Каждая следующая биосфера вырастает на базе предыдущей и проявляет новую активность: забирает основную часть тех глобальных функций, какие может исполнить сама.
А.Г. Пономаренко выделяет ряд самых существенных биосферных перестроек :
появление многоклеточности. Хотя многоклеточные прокариоты известны (грибочки, кустики), но у эукариот многоклеточность видна «в качестве генеральной линии».
Известно, что в кембрии наблюдался резкий рост разнообразия, в частности появились организмы с твердым скелетом и первые членистоногие (трилобиты).
К сказанному добавим : геохимически облик биосферы определяют одноклеточные прокариоты; морфологически и поведенчески ее облик создают многоклеточные эукариоты. В самом деле, у прокариот многоклеточные виды составляют около 1%, а среди эвкариот, наоборот, лишь около 1% видов одноклеточны, и самих эукариотных видов более 2 млн - это раз в 500 больше, чем прокариотных;
освоение толщи вод и дна. Раннюю жизнь А. Г. Пономаренко видит в основном в самом поверхностном слое вод (реально такого не могло быть - см. п. 12.2), объясняя это высокой мутностью воды. С появлением в кембрии искуссных фильтраторов мелкий материал быстро отфильтровывается и отправляется на дно, что ухудшает условия жизни на поверхности, но делает воду прозрачнее и снабжает органикой дно. Появились илоеды.
Жизнь до этого времени в основном приурочена к небольшим глубинам; океанские глубины и дно почти пустынны: в первых мало органики, а до дна почти не доходит кислород. Исключение составляют окрестности гидротерм, являющиеся как бы особой биосферой (хемосферой) на дне океанов;
выход жизни на сушу. А. Г. Пономаренко вновь поднял древний вопрос о том, что такое море и суша в архее. Он тоже пришел к выводу, что без наземной растительности ландшафт состоял из почти вертикальных скал и почти горизонтальных низких равнин. Приливные и штормовые волны могли проходить по этим равнинам на большие расстояния, и береговая черта практически отсутствовала. Водорослево-бактериальные маты могли занимать всю эту равнину, при этом они существовали не в море и не на суше.
В ходе протерозоя маты, вероятно, и создали на суше первую почву. Сначала жизнь на суше являла собой тонкую пленку, состоявшую из плесеней и наземных водорослей; сгнивая, они образовали почву, в которой жили черви и членистоногие;
появление вертикальной зональности наземной жизни (рис. 13.4). В середине силура (420 млн лет назад) на суше появились высшие растения (так именуют все, что сложнее водорослей). В нижнем девоне с появлением растений с вертикальными стеблями возникли ярусы: низкие растения могли располагаться под высокими. Вертикальный стебель потребовал новой естественной технологии - способа подачи водного раствора против силы тяжести.
Рис. 13.4.
Риния - первое наземное растение с вертикальным стеблем, нижний девон
Появление листьев, вынесенных в воздушную среду, и корневой системы, способной использовать подземную воду, - крупнейшее событие в истории биосферы.
В карбоне появились многоярусные леса, давшие начало залежам каменного угля. Вертикальные стволы требуют мощных корней, а корни препятствуют размыву почвы. До появления лесов биосфера не могла иметь нынешней биомассы. В наше время больше 90% массы биосферы заключено в наземных растениях - в основном это стволы деревьев. Основной кислород стало производить болото;
катастрофы в океане и на суше. История изобилует примерами массовых вымираний, и некоторые из них носили характер биосферных катастроф; прежде всего это касается катастрофы на границе геологических эр: венд-кембрийское, пермо-триасовое и мел палеоценовое вымирания.
Самым загадочным считают пермо-триасовое вымирание }
