Экология. Часть I

мыслью область своей жизни, перестраивать коренным образом по сравнению с тем, что было раньше. Ноосфера – последнее из многих состояний эволюции биосферы в геологической истории

– состояние наших дней¡.

Учение о ноосфере намечает пути использования и развития природных сил в интересах человека, роста производительности общественного производства, рационального природопользования, сохранения и развития здоровья населения. Таким образом, интересы человечества легли в основу концепции В.И. Вернадского.

Классические научные представления В.И. Вернадского и их дальнейшее развитие в современном естествознании со всей ясностью указывают, что человечество становится все более мощной геологической силой, кардинальным образом преобразующей биосферу, поверхность планеты околоземное космическое пространство. Но тем самым человечество берет на себя ответственность за продолжение и регулирование многих важнейших биосферных процессов и механизмов.

В.И. Вернадский верил, что разум будет господствовать на планете и преображать ее разумно, предусмотрительно, без ущерба природе и людям. Он верил в человека, в его добрую волю. žВ геологической истории биосферы перед человеком открывается огромное будущее, если он поймет это и не будет употреблять свой разум и свой труд на самоистребление¡ (В.И. Вернадский). žБиосфера... переходит в новое эволюционное состояние – в ноосферу, перерабатывается научной мыслью социального человечества. Можно смотреть поэтому на наше будущее уверенно. Оно в наших руках и мы его не выпустим!

Закон ноосферы В.И. Вернадского – закон, согласно которому на современном уровне развития человеческой цивилизации биосфера неизбежно превращается в ноосферу, т. е. в сферу, где разум человека играет важнейшую роль в развитии природы. Ноосфера имеет свои внутренние законы развития, познание которых не безразлично для дальнейших судеб цивилизации.

В трудах В.И. Вернадского указан ряд конкретных условий, необходимых для становления и существования ноосферы:

1. Заселение человеком всей планеты.

111

2.Резкое преобразование средств связи и обмена между разными странами.

3.Усиление связей, в том числе политических, между всеми государствами Земли.

4.Преобладание геологической роли человека над другими геологическими процессами, протекающими в биосфере.

5.Расширение границ биосферы и выход в Космос.

6.Открытие новых источников энергии.

7.Равенство людей всех рас и религий.

8.Увеличение роли народных масс в решении вопросов внешней и внутренней политики.

9.Свобода научной мысли и научного искания от давления религиозных, философских и политических построений и создание в общественном и государственном строе условий, благоприятных для свободной научной мысли.

10.Подъем благосостояния трудящихся. Создание реальной возможности не допустить недоедания и голода, нищеты и ослабить влияние болезней.

11.Разумное преобразование первичной природы Земли с целью сделать ее способной удовлетворить все материальные, эстетические и духовные потребности численно возрастающего населения.

12.Исключение войн из жизни общества.

Первое условие можно считать выполненным. На земле нет места, где бы не ступала нога человека.

Второе условие тоже выполнено. Например, с помощью телевизора, интернета можно узнать о событиях в любой точке земного шара.

Примером выполнения третьего условия, т. е. усиления связей, в том числе политических, между всеми государствами Земли, может послужить Организация объединенных наций (ООН).

Также можно считать выполненным условие об открытии новых источников энергии.

По поводу выполнения условия равенства всех рас и религий однозначно утверждать нельзя.

Так же трудно говорить и о выполнении условия о свободе научной мысли и научного искания от давления религиозных, философских и политических построений и создание в государ-

112

ственном строе условий, благоприятных для свободной научной мысли.

Невыполненным считается условие о разумном преобразовании первичной природы Земли с целью сделать её способной удовлетворить все материальные, эстетические и духовные потребности численно возрастающего населения. Но первые шаги в направлении разумного преобразования природы во второй половине XX в. несомненно начали осуществляться. В современный период происходит интеграция наук на базе экологических идей.

Последнее условие – отсутствие войн в жизни общества – В.И. Вернадский считал особенно важным для создания и существования ноосферы. Но оно не только не выполнено, но неизвестно, будет ли выполнено когда-либо.

Однако Вернадский предупреждал, что процесс перехода биосферы в ноосферу не может происходить постепенно и однонаправлено, что на этом пути временные отступления неизбежны.

Таким образом, мы видим, что налицо все те конкретные признаки, все или почти все условия, которые указывал В.И. Вернадский для того, чтобы отличить ноосферу от существовавших ранее состояний биосферы. Процесс её образования постепенный, и, вероятно, никогда нельзя будет точно указать год или даже десятилетие, с которого переход биосферы в ноосферу можно будет считать завершённым. Но, конечно, мнения по этому вопросу могут быть разные. Сам В.И. Вернадский, замечая нежелательные, разрушительные последствия хозяйствования человека на Земле, считал их некоторыми издержками. Он верил в человеческий разум, гуманизм научной деятельности, торжество добра и красоты. Что-то он гениально предвидел, в чём-то, возможно, он ошибался. Ноосферу следует принимать как символ веры, как идеал разумного человеческого вмешательства в биосферные процессы под влиянием научных достижений. Надо в неё верить, надеяться на её пришествие, предпринимать соответствующие меры.

113

5.3. Эволюция биосферы

Вопрос о происхождении жизни на Земле вызывает много споров и представлен целым рядом гипотез, которые образуют две большие группы: приверженцы первой считают, что первичные организмы были занесены из космического пространства (теория панспермии); вторые считают местом возникновения первых живых организмов собственно планету Земля. Возникновению жизни предшествовало образование простых органических соединений (аминокислот, азотистых оснований) из метана, аммиака, водорода и паров воды в условиях высоких температур, ультрафиолетового излучения Солнца и повышенной вулканической деятельности. Неравномерное распределение органических молекул в толще воды привело к образованию устойчивых полужидких сгущений или коацерватов (от лат. žкоацерватус¡ – собранный). Коацерваты рассматриваются в качестве первых предбиологических систем. Эти капли по достижении определенного размера могли распадаться на дочерние, т. е. делиться. Сохраняться могли лишь те капли, которые при делении не теряли в дочерних каплях свои признаки, химический состав и структуру, т. е. приобрели способность к самовоспроизведению.

Согласно белково-коацерватной теории Опарина процесс, приведший к возникновению жизни на Земле, может быть разделён на три этапа.

1.Возникновение органических веществ.

2.Возникновение белков.

3.Возникновение белковых тел

Астрономические исследования показывают, что как звёзды, так и планетные системы возникли из газопылевого вещества. Наряду с металлами и их оксидами в нём содержались водород, аммиак, вода и простейший углеводород – метан.

Условия для начала процесса формирования белковых структур установились с момента появления первичного океана. В водной среде производные углеводородов могли подвергаться сложным химическим изменениям и превращениям. В результате такого усложнения молекул могли образоваться более сложные органические вещества, а именно углеводы.

114

Наука доказала, что в результате применения ультрафиолетовых лучей можно искусственно синтезировать не только аминокислоты, но и другие биохимические вещества. Большой победой современной биохимии является первый полный синтез молекулы белков: синтезирован гормон инсулин, управляющий углеводным обменом.

Согласно теории А.И. Опарина (1924 г.), дальнейшим шагом по пути к возникновению белковых тел могло явиться образование коацерватных капель. При определённых условиях водная оболочка органических молекул приобретала чёткие границы и отделяла молекулу от окружающего раствора. Молекулы, окружённые водной оболочкой, объединялись, образуя многомолекулярные комплексы – коацерваты.

Коацерватные капли также могли возникать при простом смешивании разнообразных полимеров. При этом происходила самосборка полимерных молекул в многомолекулярные образования – видимые под оптическим микроскопом капли.

Капли были способны поглощать извне вещества по типу открытых систем. При включении в коацерватные капли различных катализаторов (в том числе и ферментов) в них происходили различные реакции, в частности полимеризация поступающих из внешней среды мономеров. За счёт этого капли могли увеличиваться в объёме и весе, а затем дробиться на дочерние образования. Таким образом, коацерваты могли расти, размножаться, осуществлять обмен веществ.

Далее коацерватные капли подвергались естественному отбору, что обеспечило их эволюцию.

Проверил теорию Стэнли Миллер в 1953 г. в эксперимента Миллера. Он поместил смесь H2O, NH3, CH4, CO2, CO в замкнутый сосуд и стал пропускать через неё электрические разряды. Оказалось, что образуются аминокислоты. Позднее в разных условиях были получены другие сахара и нуклеотиды. Он сделал вывод, что эволюция может произойти при фазовообособленном состоянии из раствора (коацерватов). Однако, такая система не может сама себя воспроизводить.

Теория была обоснована, кроме одной проблемы, на которую долго закрывали глаза почти все специалисты в области происхождения жизни. Если спонтанно, путем случайных без-

115

матричных синтезов в коацервате возникали единичные удачные конструкции белковых молекул (например, эффективные катализаторы, обеспечивающие преимущество данному коацервату в росте и размножении), то как они могли копироваться для распространения внутри коацервата, а тем более для передачи коа- церватам-потомкам? Теория оказалась неспособной предложить решение проблемы точного воспроизведения – внутри коацервата и в поколениях – единичных, случайно появившихся эффективных белковых структур. Однако, было показано, что первые коацерваты могли образоваться самопроизвольно из липидов, синтезированных абиогенным путем, и они могли вступить в симбиоз с žживыми растворами¡ – колониями самовоспроизводящихся молекул РНК, среди которых были и рибозимы, катализирующие синтез липидов, а такое сообщество уже можно назвать организмом.

В табл. 5 представлены основные этапы возникновения жизни.

Гипотеза панспермии.

Согласно гипотезе панспермии, предложенной в 1865 г. немецким ученым Г. Рихтером и окончательно сформулированной шведским ученым Аррениусом в 1895 г., жизнь могла быть занесена на Землю из космоса. Наиболее вероятно попадание живых организмов внеземного происхождения с метеоритами и космической пылью. Это предположение основывается на данных о высокой устойчивости некоторых организмов и их спор к радиации, глубокому вакууму, низким температурам и другим воздействиям. Однако до сих пор нет достоверных фактов, подтверждающих внеземное происхождение микроорганизмов, найденных в метеоритах. Но если бы даже они попали на Землю и дали начало жизни на нашей планете, вопрос об изначальном возникновении жизни оставался бы без ответа.

Фрэнсис Крик и Лесли Оргел предложили в 1973 г. другой вариант – управляемую панспермию, то есть намеренное žзаражение¡ Земли (наряду с другими планетными системами) микроорганизмами, доставленными на непилотируемых космических аппаратах развитой инопланетной цивилизацией, которая, возможно, находилась перед глобальной катастрофой или же просто надеялась произвести терраформирование других планет для бу-

116

дущей колонизации. В пользу своей теории они привели два основных довода – универсальность генетического кода (известные другие вариации кода используются в биосфере гораздо реже и мало отличаются от универсального) и значительную роль молибдена в некоторых ферментах. Молибден – очень редкий элемент для всей солнечной системы. По словам авторов, первоначальная цивилизация, возможно, обитала возле звезды, обогащенной молибденом.

Таблица 5

Этапы возникновения жизни

Против возражения о том, что теория панспермии (в том числе управляемой) не решает вопрос о зарождении жизни, они выдвинули следующий аргумент: на планетах другого неизвестного нам типа вероятность зарождения жизни изначально может

117

быть намного выше, чем на Земле, например, из-за наличия особенных минералов с высокой каталитической активностью.

В1981 г. Ф. Крик написал книгу žLife itself: its origin and nature¡, в которой он более подробно, чем в статье, и в популярной форме излагает гипотезу управляемой панспермии.

Гипотеза самозарождения жизни.

Эта гипотеза была распространена в Древнем Китае, Вавилоне и Древнем Египте в качестве альтернативы креационизму, с которым она сосуществовала. Аристотель (384-322 гг. до н. э.), которого часто провозглашают основателем биологии, придерживался теории спонтанного зарождения жизни. Согласно этой гипотезе, определенные žчастицы¡ вещества содержат некое žактивное начало¡, которое при подходящих условиях может создать живой организм. Аристотель был прав, считая, что это активное начало содержится в оплодотворенном яйце, но ошибочно полагал, что оно присутствует также в солнечном свете, тине и гниющем мясе.

С распространением христианства теория спонтанного зарождения жизни оказалась не в чести, но эта идея все продолжала существовать где-то на заднем плане в течение ещё многих веков.

Известный ученый Ван Гельмонт описал эксперимент, в котором он за три недели якобы создал мышей. Для этого нужны были грязная рубашка, тёмный шкаф и горсть пшеницы. Активным началом в процессе зарождения мыши Ван Гельмонт считал человеческий пот.

В1688 г. итальянский биолог и врач Франческо Реди подошел к проблеме возникновения жизни более строго и подверг сомнению теорию спонтанного зарождения. Реди установил, что маленькие белые червячки, появляющиеся на гниющем мясе, – это личинки мух. Проведя ряд экспериментов, он получил данные, подтверждающие мысль о том, что жизнь может возникнуть только из предшествующей жизни (концепция биогенеза).

Эти эксперименты, однако, не привели к отказу от идеи самозарождения, и хотя эта идея несколько отошла на задний план, она продолжала оставаться главной версией зарождения жизни.

Вто время как эксперименты Реди, казалось бы, опровергли спонтанное зарождение мух, первые микроскопические исследования Антони ван Левенгука усилили эту теорию применительно

118

к микроорганизмам. Сам Левенгук не вступал в споры между сторонниками биогенеза и спонтанного зарождения, однако его наблюдения под микроскопом давали пищу обеим теориям.

В1860 г. проблемой происхождения жизни занялся французский химик Луи Пастер. Своими опытами он доказал, что бактерии вездесущи и что неживые материалы легко могут быть заражены живыми существами, если их не стерилизовать должным образом. Учёный кипятил в воде различные среды, в которых могли бы образоваться микроорганизмы. При дополнительном кипячении микроорганизмы и их споры погибали. Пастер присоединил к S-образной трубке запаянную колбу со свободным концом. Споры микроорганизмов оседали на изогнутой трубке и не могли проникнуть в питательную среду. Хорошо прокипяченная питательная среда оставалась стерильной, в ней не обнаруживалось зарождения жизни, несмотря на то, что доступ воздуха был обеспечен.

Врезультате ряда экспериментов Пастер доказал справедливость теории биогенеза и окончательно опроверг теорию спонтанного зарождения.

Организовываться и эволюционировать биосфера начала с появлением первых живых организмов простейшей структуры. Последние исследования относят момент возникновения биосферы к 3,5-3,8 млрд. лет назад.

Эволюция биосферы формируется под влиянием внешних сил, таких как геологические и климатические изменения; и внутренних процессов, обусловленных активностью живых компонентов экосистемы.

Организмы постоянно изменяют физическую и химическую природу инертных веществ, отдавая в среду новые соединения и источники энергии. Яркий пример того, как организмы изменяют абиотическую среду, – коралловый атолл в южной части Тихого океана: из простого сырья, предоставляемого морем, животные (кораллы) и растения строят целые острова. Организмы контролируют даже состав нашей атмосферы.

Это распределение биологического контроля на глобальный уровень стало основой гипотезы Геи (Гея – древнегреческая богиня Земли), созданной Джеймсом Лавлоком.

119

Физик Лавлок и микробиолог Маргулис пришли к выводу, что состав атмосферы Земли с ее уникально высоким содержанием кислорода и низким содержанием углекислого газа, а также умеренные температурные условия и условия кислотности на поверхности Земли нельзя объяснить, если не учитывать, что основную роль здесь сыграла активность ранних форм жизни. Она продолжалась координированной активностью растений и микроорганизмов, сглаживающей колебания физических факторов, которые проявились бы в отсутствие хорошо организованных живых систем.

Когда свыше 3 млрд. лет назад на Земле зародилась жизнь, атмосфера Земли, подобно современной атмосфере Юпитера, состояла из вулканических газов, в ней были азот, аммиак, водород, окись углерода, метан и водяной пар, но свободный кислород в ней отсутствовал. В атмосфере содержались также хлор, сероводород и др. газы, ядовитые для большинства современных организмов. Состав атмосферы в то время в значительной степени определялся вулканическими газами; вулканы тогда были более активны, чем сейчас. Из-за отсутствия кислорода не существовало и озонового слоя, экранирующего губительное ультрафиолетовое излучение Солнца, которое, таким образом, достигало поверхности суши и воды. Считается, что именно это излучение породило химическую эволюцию, приведшую к возникновению сложных органических молекул, таких как аминокислоты, которые послужили блоками для построения примитивных живых систем. Пока атмосферного кислорода и озона было мало, жизнь могла развиваться только под защитой слоя воды.

Первые экосистемы, существовавшие 3 млрд. лет тому назад, были населены крошечными анаэробными гетеротрофными организмами, существующими за счет органического вещества, синтезировавшегося в абиотических процессах. Одновременно с этими организмами в океане появились организмы, которые расщепляли органическое вещество с выделением свободного кислорода. Возникновение и распространение сине-зеленых водорослей, а затем и зеленых растений привело к коренному изменению состава атмосферы. Растения создали атмосферу, содержащую свободный кислород, который явился источником озона, преградившего путь коротким ультрафиолетовым лучам к по-

120