Дополнительный материал для чтения к теме 1.1 «эволюция биосферы»

К настоящему времени накоплено множество доказательств того, что биосфера, да и наша планета в целом, обрела совре­менный вид в результате длительной эволюции. Переход неживой ма­терии в живую требует присутствия не одного природообразующего фактора, а целого комплекса сочетающихся пла­нетарных и даже космогонических усло­вий, которые при своем независимом, длительном и одновременном действии создали на Земле животворящую эко­логическую нишу. Как же проявляют себя эти факторы?

Согласно общепринятой гипотезе Канта — Лапласа, развитой Отто Юльевичем Шмидтом (1891—1956), Земля, другие планеты и Солнце образовались в результате гравитационного сжатия га­зопылевого облака около 4,6 миллиардов лет назад. Солнечная система — относительно молодое образование во Вселенной, возраст которой по современным представлениям составляет 15-25 миллиардов лет. Основой является удивительное поло­жение Солнца в Галактике и движение его по так называемой траектории коротации радиусом 8 тысяч парсек. Млечный Путь имеет радиус 20 тысяч парсек и расчленя­ется при своем круговом движении вокруг галактического ядра на два спиральных рукава — Стрельца и Персея, между ко­торыми в узкой окрестности отсутствует активное звездообразование. Именно в этой «спокойной» области, шириной не более 800 парсек, вдали от вспышек сверхновых звезд и столкновений с други­ми звездными образованиями находится наша Солнечная система. Современная орбита движения Солн­ца в Галактике — это эллипс, плоскость которого практически параллельна плоскости эклиптики. Исключитель­ность этого факта состоит в том, что даже малое наклонение орбиты Солнца к плоскости Галактики привело бы к нарушению стабильности так называ­емого облака Оорта, откуда на Землю обрушился бы уничтожающий все живое кометный град.

Наше Солнце — «желтый карлик» класса G2 — уникально тем, что не имеет аналога среди известных звезд в нашей Галактике и за ее пределами. Не обнаружено ни одной звезды, основные физические характеристики которой полностью бы совпадали с параметра­ми Солнца и способствовали бы в той или иной форме возникновению живой материи. Наша Солнечная система об­разовалась путем конденсации газопы­левой туманности 5 млрд. лет тому назад, при этом масса и химический состав центральной звезды Солнца оказались таковы, что обеспечили ее продолжительное и равномерное свечение в течение всего этого времени. Если масса любой ново­образованной звезды меньше 1,4 массы Солнца, то результатом ее скоротечной эволюции становится горячий и плотный «белый карлик», «быстро» остывающий в течение сотен миллионов лет. Наоборот, звезды с массой от 1,4 до 2,5 масс Солнца не могут перейти в устойчивое состояние «белого карлика» и после сброса оболоч­ки катастрофически быстро сжимаются до нескольких километров в диаметре, разогреваясь при этом до сотен милли­онов градусов, и потом, стремительно остывая, превращаются в «плотно упа­кованные» нейтронные звезды.

На фоне большинства типовых звезд, уникальным и наиболее существенным свойством нашего све­тила является практически постоянное, в течение 4 млрд. лет, излучение с коле­банием энергии в пределах одного-двух процентов, что благотворно сказалось на эволюционных преобразованиях неживой материи на Земле. Казалось бы, в таких же условиях неизменности исходящего от Солнца светового потока находились и другие планеты Солнечной системы, так называемой земной группы: Меркурий, Венера, Марс, однако никакой белковой активности на них пока не обнаружено. Одна из причин этого явления состоит в том, что в отличие от них Земля находится от Солнца на расстоянии, которое обеспечивает поддержание на земной поверхности освещенности мощностью 1370 джоулей на один квадратный метр. Энергетический поток, приходящий от Солнца на Землю, зависит, в боль­шой степени, от расстояния до него, и именно этот параметр земной орбиты поразительным образом создает самые благоприятные условия для зарождения и существования живых организмов. По расчетам астронома Харта, если бы орби­та Земли была ближе к Солнцу всего на 5 процентов, то первичная вода, выделяв­шаяся из недр вулканов в виде горячего пара, никогда бы не сконденсировалась в моря и океаны. Парниковый эффект привел бы к перегреву наружной оболоч­ки Земли, которая стала бы схожа с по­верхностью Венеры. Если бы, наоборот, расстояние от Солнца до Земли возросло всего на 1 процент, то за счет подавления парникового эффекта началось бы разго­няющееся оледенение планеты. Постоянство падающего в течение года на Землю солнечного потока под­держивается еще одним параметром земной орбиты — ее эксцентриситетом, равным 0,02, и обеспечивающим почти круговое движение планеты вокруг Сол­нца. Сезонные изменения климата, чередующиеся для Северного и Южного полушарий, связанны с наклоном экваториальной плоскости Земли по отношению к плоскости ее орбиты. Если бы эксцентриситет был больше, то на существующие на Земле сезонные колебания температуры наложились бы контрастные перепады солнечной энергии, приводящие к похолоданию при нахождении нашей планеты в точках апогея и потеплению при прохождении точек перигея. При таких гипотетических условиях поверх­ность Земли превратилась бы в раскаленную или ледяную пустыню, в которой невозможно было бы развиться сложным органическим структурам.

Наша планета относится к группе внут­ренних, близких к Солнцу и сравнительно небольших планет. Главным процессом в её эволюции, незавершённым до сих пор, является гравитационное разделение веществ в её недрах, при котором тяжёлые вещества опускаются к центру Земли, а лёгкие — поднимаются к поверхности. Так сформировались ядро и оболочки Земли.

Литосфера

Материк Ячейка конвекции

Атмосфера Материк

Гидросфера

Схема строения Земли. Относительные раз­меры не соблюдены

Согласно современным взглядам, в центре Земли образовалось внутреннее твёрдое ядро. Его материал состоит в основном из железа, которое, несмотря на высокую температуру, удерживается в твёрдом состоянии благодаря гигантскому давлению. Радиус твёрдого ядра — около 1300 км. Вокруг него, на глубине от 3000 до 5000 км, располагается жидкое ядро. Мантия прости­рается от твёрдой поверхности Земли до глубины 3000 км и со­стоит главным образом из силикатов, то есть кислородных сое­динений кремния и алюминия. Наружная её часть вместе с зем­ной корой на глубинах до 80 км, называется литосферой. Под литосферой находится слой толщиной около 300 км с пониженной жесткостью и вязкостью, называемый астеносферой. В 1912 г. немецкий геофизик Альфред Вегенер (Wegener, 1880-1930) по­казал, что земная кора состоит из отдельных литосферных плит, медленно двигающихся друг относительно друга («дрейф мате­риков») и как бы «плавающих» поверх астеносферы. Материко­вая кора существенно отличается от океанической коры. Первая сло­жена из менее тяжелых минералов и достигает 75 км в глубину. Океаническая кора гораздо тоньше — порядка 10 км и состоит из тяжелых базальтов.

Первоначально, при образовании, Земля была холодной, но при дальнейшем сжатии потенциальная энергия тяготения, пе­реходя в тепло, и энергия распада долгоживущих радиоактив­ных изотопов урана, калия и тория вызвали разогрев её недр. Главный вклад (не менее 70 %) в нагревание Земли был внесён грави­тацией. За счёт теплового излучения в космос Земля потеряла за всю свою историю примерно 1/3 накопленного тепла. Благодаря нагреву вещество мантии ведёт себя как жидкость с гигантской вязкостью, в которой развиваются медленные конвективные по­токи, образующие замкнутые ячейки. Скорость дви­жения этих потоков составляют 1-10 см/год. Внешне эти, чрез­вычайно медленные по сравнению с человеческой историей, процессы проявляются в движении на поверхности Земли лито­сферных плит и материков относительно друг друга и его след­ствиях — вулканизме и землетрясениях. Литосферные плиты надвигаются друг на друга, и в этих местах растут особо высо­кие горные цепи, такие как Гималаи или Кордильеры. Посреди­ океанических плит находятся срединно-океанические хреб­ты — это как раз области восходящих потоков в мантии. Имен­но здесь происходит наращивание океанической коры, которая раздвигается потом в горизонтальном направлении, образуя на дне океанов абиссальные равнины. Атлантический океан, напри­мер, зародился примерно 200 млн. лет назад и растёт со скоро­стью 1-2 см/год. Глубоководное Красное море — зародыш нового океана, который образуется по мере того, как Аравийский полуостров дрейфует на север от Африки, вызывая землетрясе­ния в Иране и Средней Азии. Океаническая кора, сталкиваясь с материковыми плитами, заглубляется под них, наращивая их толщу. На линиях этого столкновения возникают гигантские глубоководные океанические желоба шириной в десятки и дли­ной в сотни и тысячи километров с глубинами более 6 км. Наи­большая глубина (11 020 м) найдена в Марианском желобе на востоке Филиппинского моря.

Энергия трения плит друг об друга выделяется в виде тепла, а жидкая лава, извергаемая континентальными вулканами, не материал астеносферы или верхней мантии, а результат плавления горных пород за счёт этой энергии.

За последние 1,3 млрд. лет масса Земли, а значит, и сила тяжести на ней были практически неизменны, что благоприятно сказалось на развитии жизни на планете. Отношение времени оборота Земли вокруг своей оси к времени ее обращения вокруг Солнца за последние 1,3 млрд. лет увеличилось с 0,00176 до 0,00275. Для Венеры и Меркурия эти отношения равны 0,68 и 1,1 соответственно, что объясняется изначальным смещением их центров масс относительно собственных осей вращения. Из-за этого угловые скорости планет со временем уравня­ются с их вращением вокруг Солнца, и они станут обращены к нему, как Луна к Земле, всегда одной стороной. Сторона, повернутая к Солнцу, будет раскалена до предела, а на противоположной стороне будет царство космического холода. Землянам эти катаклизмы не грозят, так как жидкостное ядро нашей планеты совпадает с ее осью вращения, что препятствует замедлению вращения и синхронизации ее угловой скорости со скоростью вращения вокруг Солнца.

В дополнение к космогоническим факторам природно-климатические ус­ловия на Земле сложились так «удачно», что из четырех, близких по свойствам, гидридов — кислорода, серы, селена и теллура — только соединение Н₂О в его жидком виде стало местом возникнове­ния жизни. Вероятность подобного со­бытия оказалась в прямой зависимости от другого астрономического фактора: неизменности светимости Солнца за всю историю существования Земли. Если бы за это время, а оно составляет около 3 млрд. лет, светимость Солнца изменилась хотя бы на 10— 15 процентов, вся вода на Земле перешла бы в одно из фазовых состояний — пар или лед, при которых органическая жизнь не смогла бы возникнуть.

Новорожденная Земля не имела ни атмосферы, ни гидросфе­ры. Возможно кратковременное существование газовой оболочки, состоявшей в основном из лёгких газов — водорода и гелия, но эта оболочка быстро улетучилась в окружающий космос и навсегда утеряна Землёй. В первый период её существования, о котором у нас нет ка­ких-либо прямых данных, вероятно, имел место активный вул­канизм с обильным излиянием базальтовой лавы. При этих из­вержениях образовалась первичная атмосфера, океан и земная кора, сходная с современной океанической корой. При дегаза­ции изверженных лав выделялись водяной пар, окиси углерода СО₂ и СО, метан СН₄, азот N₂ (в небольшом объёме), аммиак NH₃, сероводород H₂S, сернистый ангидрид SO₂, хлор С1₂ и хлористый водород НС1 (пары соляной кислоты), а также другие газы в от­носительно малых количествах. Первичная атмосфера была тон­кой и почти не препятствовала потере тепла, поэтому средняя температура на Земле не превышала 5 °С. Благодаря этому, водя­ной пар конденсировался, превращаясь в воду и образуя гидро­сферу. При этом аммиак, хлористый водород, соединения серы и углекислый газ активно растворялись в формировавшемся океане. В результате реакций этих веществ с материалом дна об­разовывались соли, и таким образом мировой океан изначально становился солёным. Рост объёма мирового океана за счёт вул­канизма продолжается и до сих пор.

Изучение молеку­лярной структуры вещества привело к пониманию исключительности воды как активного растворителя, способ­ного образовывать связи с молекулами практически всех веществ. Ближайшие, упомянутые выше, более тяжелые хи­мические аналоги воды при комнатной температуре и нормальном атмосферном давлении являются газами. «Вода» из этих элементов могла бы существовать в жидкой фазе только в интервале тем­ператур — 80-95°С и не смогла бы стать универсальным источником энергии для подпитки неживых и живых форм жизни.

Тепловые свойства воды оказались чрезвычайно полезны для сохранения жизни. Поскольку лед имеет структуру тетраэдра с пятой, «упакованной» в центре, молекулой воды, он, занимая больший объем, плавает на поверхности акватории. Если бы не это свойство льда водоемы промерзали бы от дна до поверхности, и биологическая жизнь в воде прекратилась бы при пониже­нии температуры на несколько десятков градусов ниже нуля.

В летний период, благодаря необы­чайно большой теплоте испарения, в пар переходит незначительное коли­чество воды, предохраняя нижние слои акваторий от чрезмерного нагревания. Слой воды толщиной 1 см поглощает 94 процента падающей на ее поверхность солнечной энергии, при этом суточные изменения температуры над поверхнос­тью океана не превышают 1°С, годовые - не более 10°С.

Органическая материя, как переходная форма от неживой формы к живой, образова­лась там, где слились воедино в своем случайном сочетании многие природно-климатические факторы: особый химический состав воды, состояние береговой полосы — отмель и обилие размывов древних отложений, близость геотермального источника, наличие теневой и освещенной зон, колебания уровня воды при отливах и приливах, частота гидродинамических ударов при сдвигах земной коры. Эти и другие, скрытые для современного знания, факторы среды сложили в комплексе тот экологический зонтик, под кото­рым возникали и распадались первые органические клетки, еще не доказавшие своего права на существование.

Сознанием трудно охватить бесчислен­ное множество мест, где впервые могла образоваться живая структура, ставшая, может быть, прародительницей жизни на всей Земле. Трудно представить одно­моментное появление среди нагроможде­ний мертвой материи клеточных структур с содержащимися в них нуклеиновыми кислотами — высокомолекулярных соединений с количеством молекул до нескольких миллионов.

Однако лабораторные исследования показали, что в тёплом океане могло происходить множество химических реакций, ве­дущих к образованию аминокислот — «кирпичиков», из которых строятся белки, и других органических соединений. Эта эпоха (эон) «химической эволюции» продолжалась примерно миллиард лет и получила название катархея. С конца катархея (архея) начинается история биосферы. Вероятно, важнейшим этапом химической эволюции явилось появление в начале эона архея веществ, способных к ав­токаталитическому синтезу, то есть молекул, способствующих появлению собственных копий. Скорее всего, это происходило путём деления материнской молекулы на дочерние молекулы, и последую­щей достройки этих дочерних молекул. Среди этих органических молекул уже происходил естественный отбор на выживаемость, который и привёл к образованию конгломератов, состоявших из молекул с разными функциями. Так, или примерно так, возникли первые живые организмы около 4 млрд. лет назад.

Белковые организмы в жидкой среде возникали и погибали, но при определенных условиях на планете закрепились только те из них, которые выработали механизм поглощения вне­шней энергии в количествах, достаточ­ных для сохранения вида.

В живой природе, как и во всем материальном мире, практически бесконечное разнооб­разие возникает на основе сочетания немногих элементов. В со­став живых организмов входят те же химические элементы, что и в состав объектов неживой природы, но их количественное соот­ношение неодинаково. Только на шесть элементов — углерод, ки­слород, водород, азот, серу и фосфор — приходится в среднем почти 99% состава всех живых существ, от вирусов до человека. Эти элементы называют биогенными. Их соединения образуют не­сколько десятков природных биомономеров (аминокислот, нуклеотидов, жирных кислот, сахаров) и других органических ве­ществ, различные сочетания которых, в свою очередь, дают уже огромное число индивидуальных биополимеров.

Первые настоящие клетки — прокариоты-автотрофы, предки цианобактерий (сине-зеленых водорослей), жившие около 3,5 млрд. лет тому назад, были необычайно жизнестойки, выживали в любой, даже самой агрессивной среде, и не знали естественной смерти, размножа­ясь простым делением. Появившиеся вслед за ними ядерные фотосинтезирующие клетки приобрели более совершенную энергетику, но за­платили за это утратой бессмертия. Возникновение генетического кода и механизма передачи наследственных программ развития увеличило разнообразие форм и приспособляемость свободных клеток, но зато оказалась резко пониженной их индивидуальная физико-химическая, метаболическая устойчивость. Им понадобилась кооперация.

В первичной атмосфере и гидросфере кислород полностью отсутствовал. И это — очень важное обстоятельство. С одной стороны, в присутствии кислорода — мощнейшего окислителя органические молекулы не могли бы существовать, так как они поч­ти мгновенно превратились бы в воду и углекислый газ. С дру­гой стороны, тонкая бескислородная атмосфера не защищала поверхность Земли от жёсткого ультрафиолетового излучения Солнца, губительного для органического вещества. Поэтому жизнь возникла в океане, под защитой толщи воды. Примерно 3,5 млрд. лет тому назад появляются первые одноклеточные орга­низмы, владеющие фотосинтезом, — сине-зелёные водоросли и бактерии. С этого момента живое вещество становится геохими­ческим фактором, сильно влияющим на облик Земли. Освоившие фотосинтез организмы-продуценты непо­средственно используют солнечную энергию, они захватывают мировой океан и в громадных количествах начинают выделять кислород. Наличие в гидросфере растворённого свободного кис­лорода создаёт возможность для появления организмов, живу­щих за счёт окисления органических и неорганических веществ. Часть этих организмов становится редуцентами, разлагающими аммиак с выделением молекулярного азота N₂, который, будучи практически нерастворим в воде, поступает в атмосферу. Через некоторое время выделяется группа организмов-консументов, потребляющих готовую органику продуцентов. Происходит разделение биологических царств. Продуценты не нуждаются в свобод­ном движении, и от них происходит царство растений, а консументы должны иметь возможность двигаться в поисках пищи, и от них берёт начало царство животных.

Подвижность животных, их гибкое поведение на основе перера­ботки сигнальной информации многократно раздвинули сферу жизни. Появился мозг — живой компьютер, обладающий огромным потенциа­лом самонастройки, увеличения памяти, самообеспечения адаптивными программами. Возникла великолепная периферия — органы чувств и совершенных двигательных реакций. Но за большое число степеней свободы и богатство выбора пришлось заплатить необычайно возрос­шей напряженностью жизни, остротой борьбы за существование, по­стоянным риском гибели.

Благодаря метаболизму живых организмов океана на протя­жении протерозоя происходит постепенная смена первичной ат­мосферы на вторичную, состав которой близок к современному. Уменьшаются концентрации аммиака и углекислого газа, их сменяют свободные азот и кислород. Свободный кислород окисляет СО, СН₄, H₂S и SO₂, и их концентрации в атмосфере становятся ничтожными. В верхних слоях атмосферы молекулы кислорода О₂ расщепляются и образуют озон О₃ согласно реак­циям:

О₂ + {квант ультрафиолета}= 2О^о; О₂ + О^о = О₃

Озоновый слой начинает перехватывать жёсткое ультрафио­летовое излучение Солнца, и у живой материи появляется воз­можность выхода на сушу. Это и происходит примерно 500 мил­лионов лет назад. Судя по всему, в протерозое одновременно росли и плотность атмосферы, и содержание кислорода. И то, и другое резко увеличило её способность защищать поверхность Земли от метеоритного дождя, что также немаловажно.

К этому времени жизнь в океане буквально кипит. Уже поя­вились многочисленные моллюски и ракообразные, прибрежная зона заросла гигантскими водорослями, уже сущест­вуют первые хордовые, от которых произойдут все позвоночные. Переход от внешнего скелета (панциря) к внутреннему скелету носил принципиальный характер. Ослабление пассивной защиты ком­пенсировалось усилением подвижности и ловкости; кроме того, исчезла необходимость в периодической полной линьке при ро­сте организма, что дало большую экономию дефицитных строи­тельных веществ. Головоногие моллюски, осьминоги и кальмары, вовсе отказались от скеле­та, что привело к интенсивному развитию совершенной нервной системы и моз­га и, соответственно, высоких «умственных способностей», за которые они полу­чили прозвище «приматы моря». Рост подвижности привёл к необходимости иметь хорошее устройство управления, то есть к появлению и развитию головного мозга. Первыми сушу стали осваивать рас­тения и насекомые, появились двоякодышащие рыбы, способ­ные жить и на воздухе, и в воде, от которых, по-видимому, про­изошли земноводные (амфибии). В девоне суша полностью засе­ляется, и видообразование происходит всё ускоряющимися темпами. С появлением многоклеточных организмов, образованием царств грибов, растений и животных и выходом их на сушу еще во много раз увеличилось биоразнообразие. Начались освоение экологических ниш и формирование биосферы Земли. Но вместе с многоклеточностъю к живым существам пришли старость и болезни, в том числе инфекции, злокачественные опухоли, паразитизм.

Через 200 млн. лет на Земле уже господствуют динозав­ры — потомки первых пресмыкающихся. Как и почему они практически полностью погибли 70 млн. лет назад, до сих пор идут споры. Господство в животном царстве на суше захватили теплокровные млекопитающие, а в раститель­ном — цветковые растения, и биосфера стала приобретать совре­менный вид.

Важнейший вывод, который можно сделать, прослеживая историю биосферы и анализируя её современный элементный состав, состоит в том, что живые организмы влияют на абио­тические условия на Земле в такой же степени, как эти условия влияют на биоту. И, следовательно, биосфера пред­ставляет собой единую динамическую систему из живых ор­ганизмов и абиотической среды их обитания, пронизанную глубокими обратными связями, изменения в которой проис­ходят в ходе общей эволюции — биологической, химической и физической.

Существование биосферы основано на непрерывном движе­нии вещества и информации внутри живых организмов и между организмами и окружающей их средой. Это движение требует энергии, и каждый организм и биосфера в целом работают как тепловые машины. При этом они, естественно, подчиняются основным законам (началам) термодинамики.

Первое начало термодинамики, или закон сохранения энер­гии, гласит, что «энергия инвариантна по отношению к любым процессам». Это означает, что энергия может переходить из од­ной формы в другую, но её суммарное количество остаётся по­стоянным. Например, свет может перейти в тепло или в потен­циальную химическую энергию, запасённую в органическом ве­ществе растения в процессе фотосинтеза, но общее количество энергии при этом останется тем же. Строго говоря, во Вселенной постоянной остаётся сумма энергии и массы, так как масса превращается в лучистую энергию при ядерных реакциях, напри­мер, в недрах Солнца и других звёзд, или в атомном реакторе. Вместе с тем, квант излучения может превратиться в пару материальных частиц элект­рон — позитрон.

Общность химического состава и молекулярно-структурных свойств живых систем отражена в сформулированном В.И. Вер­надским законе физико-химического единства живого вещества: «Всё живое вещество Земли физико-химически едино и поэтому под­чиняется основным физико-химическим закономерностям». Закон не исключает биохимической специфики видов и индивидуумов, но подчеркивает качественное единство всего живого. Многочисленность и разнообразие природных биологических форм хорошо известны. В настоящее время на основании морфо­логических и биохимических различий надежно зарегистрировано более 1,7 миллиона видов организмов. Существуют основания считать, что за счет большого числа неидентифицированных низ­ших форм фактическое общее число видов может быть в 3-5 раз больше. В литературе часто называют диапазон числа видов на планете от 5 до 30 миллионов.

Теплокровность, термостатирование мозга у высших животных на­много повысили точность нервных процессов, возможность их сложнорефлекторной организации. Появились зачатки рассудочной дея­тельности и предпосылки интеллекта. Умение перерабатывать инфор­мацию, отделенную от инстинктов, открыло нашему предку возмож­ность творчества, умение создавать искусственные предметы, не встре­чающиеся в природе. Материализация информации с помощью речи, изобразительного искусства и письма позволила преодолеть биологи­ческий запрет на наследование приобретенных свойств и обеспечила культурное наследование в виде обучения. Человек распространил эти возможности, постепенно отгораживаясь и от суровых природных условий, и от законов живой природы, но потребляя при этом все больше природ­ных ресурсов. Ему ничто не давалось даром, но он занял ис­ключительное положение в природе, и сегодня еще трудно определить цену, которую за это приходится платить.

Таблица 1