Семинар 7 Геосферные и биологические знания.

Вопросы для обсуждения:

1. Геосфера и ее составляющие.

2. Влияние знания о геосфере на принятие юридических и управленческих решений..

3. Биосферный уровень познания.

4. Основные проблемы современного биологического знания.

Геосферой называется концентрическая (сплошная или непрерывная) оболочка Земли, обладающая специфическим химическим составом, агрегатным состоянием и физическими свойствами. В настоящее время при изучении Земли принято говорить о совокупности наук о Земле, изучающих различные геосферы.

В направлении от периферии к центру Земли выделяют магнитосферу, атмосферу, гидросферу, литосферу, мантию и ядро. Некоторые геосферы (например атмосфера) подразделяются на сферы 2-го порядка.

Такие геосферы как географическая оболочка и биосфера выделяются в связи с учетом специфики условий и процессов, происходящих в области соприкосновения и взаимодействия атмосферы, гидросферы, литосферы и живого вещества.

Прежде чем перейти к обзору знаний наук о Земле, необходимо рассмотреть происхождение Солнечной системы, ее состав и перспективы эволюции, так как изучение Солнечной системы имеет не только естественно-научное, но мировоззренческое, философское значение. Изучение Солнечной системы связано с изучением мегамира (космоса) как взаимодействующей и эволюционно развивающейся системы, причем космология⁵ изучает системную организацию материи во Вселенной и в Солнечной системе (как частный случай). Принято различать космические тела (системы галактик, галактики (звездные системы), звезды (составляют 99,9% массы галактик), планетные системы, планеты, астероиды и кометы) и диффузную материю (газово-пылевые туманности, разобщенные молекулы и атомы, различные виды излучения).

С развитием экспериментальной практики возможности планетной космологии возрастали, накапливался определенный опыт, связанный с лабораторными исследованиями метеоритов, лунной породы. Большой космологический прорыв связан с развитием пилотируемой и беспилотной космонавтики и проведением разнообразных по качеству наблюдений из открытого космоса.

Гипотезы об образовании Солнечной системы отражали историческое состояние современной для того времени науки. Р. Декарт настаивал на вихревой природе ее возникновения, И. Кант и П. Лаплас выдвигали гипотезу о конденсации вращающегося облака межзвездного газа и т.д.

Согласно современным гипотезам (гипотеза О.Ю. Шмидта (1891-1956)) не менее 5 млрд. лет назад (возраст Земли, а Солнце образовалось еще раньше) планеты Солнечной системы образовались из холодного газопылевого облака, которое было встречено Солнцем, состоявшего на 98% из водорода и гелия (остальные элементы облака «конденсировались» в пылевые частицы). В результате «захвата Солнцем» беспорядочное движение газа в облаке сменилось упорядоченным, а пылевые частицы сконцентрировались в центральной плоскости, образовав слой с повышенной плотностью, из которого в последствии образовались две группы планет.

Существует еще несколько гипотез, согласно которым планеты образовались из вихрей во внешних слоях сжимающегося протосолнца; из вспыхнувшего сверхновой звездой, выбросившего газовое облако и покинувшего систему второго компонента двойной звезды, каковой являлось протосолнце; из газового облака, окружавшего протосолнце в результате гравитационных возмущений и т.д.

В настоящее время Солнце характеризуется как малая звезда главной последовательности, представляющая собой массу раскаленной материи радиусом 6,959910⁸ м. Темпе-ратура в ее центре составляет 1510⁶ К, а масса 1,98910³⁰ кг.

Химический состав Солнца: 71% водорода, 26,5% гелия и 2,5% других элементов. Водород, составляющий большую часть Солнца, в цепочке ядерных реакций превращается в гелий, а прекращение жизни Солнца как звезды произойдет приблизительно через 5,5 млрд. лет, когда оно израсходует весь запас водорода (уменьшение массы солнца в результате его излучения составляет 4,3 млн. т/с). При этом наиболее вероятен исход, при котором Солнце эволюционирует к белому карлику, который, остывая, превратится в черного карлика.

Многие исследования в науках о Земле связаны с ведущей ролью Солнца как источника свет, тепла, ультрафиолетовых и рентгеновских лучей, а также элементарных частиц. Можно говорить о том, что энергия Солнца запасается на Земле, в т.ч. в виде нефти, природного газа, каменного угля и т.д. Также исследуется и зависимость состояния геосфер от интенсивности солнечного излучения, которая меняется в зависимости от уровня солнечной активности, имеющей ярко выраженные циклы, периодичность которых составляет 11 лет.

В годы наибольшей солнечной активности увеличивается число пятен и вспышек на поверхности Солнца, что приводит к изменению природных процессов на Земле (усиление ионизации верхних слоев атмосферы, магнитные бури и т.д.) и усилению влияния на биосферу, в том числе на человека⁶.

Поскольку Солнце как звезда главной последовательности находится в середине своего жизненного пути, то можно говорить об установившихся параметрах Солнечной системы, которые, однако, могут быть в любой момент (по меркам космического времени) нарушены внешним возмущением. Диаметр Солнечной системы составляет около 10 млрд. км, что приблизительно в 1 млн. раз больше диаметра Земли. Большие планеты, большинство из которых имеют спутники (у Юпитера и Сатурна их по 16), в системе делятся на планеты земной группы (Меркурий, Венера, Земля, Марс) с относительно высокой плотностью составляющего их вещества (5,5 г/см³) и планеты-гиганты (Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун), обладающие большими массами и плотностями, близкими к плотности воды.

Особые дискуссии идут о девятой планете Солнечной системы – Плутоне, открытом только в 1930 г. В последние пять лет в Солнечной системе был обнаружен крупный астероидный пояс (пояс Койпера⁷) между орбитами Нептуна и Плутона, в котором насчитывается более 300 малых планет. Обнаружение пояса Койпера определило новые взгляды на историю Солнечной системы, согласно которым пояс астероидов на окраине Солнечной системы сформировался из того же протовещества, что и Солнце вместе с крупными планетами, однако, в отличие от них, не стал планетой и не претерпел существенных изменений за время существования системы. Плутон же (его диаметр составляет чуть более 1000 км) в марте 2001 г. был лишен ранее присвоенного ему статуса большой планеты, так как большинство из входящих в пояс Койпера тел имеют сопоставимый с Плутоном диаметр (100 – 700 км).

Одним из направлений дальнейшего исследования Солнечной системы должно стать именно исследование тел в поясе Койпера (например, спектральный анализ и т.п.). Другое направление исследований связано с исследованием удаленных планет-гигантов и их спутников, например спутника Юпитера Европы, к которому в 1997 – 99 г.г. приблизился американский космический аппарат «Галилео». В связи с тем, что на Европе по предположительным данным под ледяной коркой находится жидкий океан (а водные растворы, как известно, являются основой белковой жизни), в 2003 г. будет предпринята ее обсервация с беспилотных космических кораблей «Стардаст» и «Айс-клиппер», которые должны дать дополнительные материалы по планете и пролить свет на возможность существования жизни на ней.

Планета Земля, относительно которой изучаются геосферы вращается вокруг Солнца по эллиптической орбите с перигилием (3 января) в 1,4710⁸ км и афелием (5 июля) в 1,5210⁸ км. Период ее вращения на экваторе составляет 23 ч 53 мин, а период обращения вокруг Солнца 365,26 суток.

Формирование Земли как планеты соответствовало общему механизму формирования Солнечной системы, однако до сих пор остается неясным, почему в составе планеты имеется в наличии полный набор химических элементов таблицы Менделеева. Это могло произойти из-за близкого взрыва Сверхновой звезды или из-за наличия других внешних факторов. Такой сценарий образования называется катастрофическим.

В середине ХХ века господствующей гипотезой развития Земли стала гипотеза о разогреве Земли до температуры плавления ее вещества на стадии аккреции (наращивания толщи планеты под действием соударения тел при ее образовании), вследствие чего в толще планеты стали дифференцироваться оболочки (прежде всего мантия и ядро).

Исследования, проводимые в настоящее время и связанные с исследованием мантии и ядра Земли, привели к формированию следующей картины: объем мантии составляет 83% от объема Земли, ее температура – 2000 – 2500С; внешнее ядро содержит 52% железа и 48% смеси железа с серой; внутреннее ядро состоит из железа (80%) и никеля (20%), его температура – 4500 – 6000 С.

Процессы, происходящие внутри планеты, представляют собой обширное поле для научных исследований. Например, последние данные, полученные в Институте физики высоких давлений (ИФВД) РАН, демонстрируют⁸, что вязкость расплава железа во внешнем ядре Земли меняется от 10² Пас на внешней его стороне до 10⁸ Пас на внутренней. Предполагается, что во внутренне ядре значения вязкости еще больше, так как в нем значения давления составляют миллионы атмосфер. Поэтому внешнее жидкое ядро Земли находится в высоковязком состоянии с ламинарной циркуляцией расплава, а внутреннее ядро находится не в кристаллическом (как это утверждалось ранее), а в стеклообразном состоянии, в котором расплав железа структурируется в твердое состояние не с помощью кристаллической решетки, как все металлы при атмосферном давлении, а в виде застывшего высоковязкого расплава.

Разработанная в ИФВД модель внутреннего строения Земли, когда ядро Земли представляется не разделенным на две части, а как высокоупругое тело с непрерывно и плавно нарастающей вязкостью вплоть до стекольных значений, позволяет объяснить результаты многих экспериментальных исследований строения планеты. Высокая вязкость должна учитываться при создании модели магнитного поля планеты, при рассмотрении тепло- и массопереноса внутри Земли и т.д.

Мантия Земли, состоящая, по-видимому, из тяжелых минералов, богатых магнием и железом, находится в основном в твердом кристаллическом состоянии. В мантии происходит дифференциация вещества, а также с ней связаны процессы тектонического движения, магнетизма, вулканизма и др. В то же время в мантии расположен слой пониженной вязкости – астеносфера (на глубине от 50-100 до 200-300 км, причем под дном океана она расположена ближе к поверхности Земли). Астеносфера является основным источником магмы, именно в ней формируются очаги землятресений, а также происходит перетекание вещества, которое вызывает вертикальное и горизонтальное перемещения в литосфере.

Верхняя часть мантии вместе с земной корой образует литосферу – внешнюю сферу твердой части Земли. Литосфера находится в постоянном движении, которое описывается различными гипотезами.

Согласно гипотезе мобилизма А. Вагнера на основании сходства очертаний материков, эмпирического обнаружения в конце 50-х годов расширения дна океана, а также сходства геологического строения, верхнепалеозойской флоры и фауны Африки и Южной Америки, делается предположения о существовании в Карбонском периоде Палеозойской эпохи (320 – 270 млн. лет назад) единого массива суши – Пангеи. Пангея раскололась на Гондвану и Лавразию; 135 млн. лет назад Африка отделилась от Южной Америки; 85 млн. лет назад Северная Америка отделилась от Европы; 40 млн. лет назад Индийский материк столкнулся с Азией, в результате чего появились Тибет и Гималаи.

В соответствии с гипотезой новой глобальной тектоники (вторая гипотеза мобилизма) крупные жесткие блоки литосферы Земли, ограниченные сейсмически и тектонически активными зонами разломов, находятся в постоянном движении в горизонтальной плоскости по астеносфере. Литосферные блоки перемещаются от зон растяжения (серединно-океанических хребтов) к зонам сжатия (зонам всасывания/Беньоффа). Литосферные плиты, сталкиваясь между собой, испытывают субдукцию (поддвигание) и обдукцию (надвигание) относительно края континента; они смещаются относительно друг друга вдоль трансформных разломов.

Деятельность человека во многом зависит от качества использования полезных ископаемых, особенно органического происхождения, содержащихся в земной коре. В зависимости от времени их образования, в том числе, различают геологические периоды.

Однако, с точки зрения анализа глобальных изменений, важно учитывать процессы, происходящие в мантии и ядре (магнетизм, геотермальные процессы и т.п.).

В различных науках о Земле активно изучаются геологические циклы веществ. Чередующиеся циклы плавления и затвердевания магмы привели к рас­слоению земной коры. Континентальная земная кора в своей верхней части сложена из гранитов, а океаническая состоит в ос­новном из тяжелых базальтовых пород с большим содержанием железа. Поднятие массивов суши, образование гор и извержения вулканов завершают круговорот осадочного вещества, период которого составляет десятки и сотни миллионов лет.

Геологические циклы осуществляются за счет двух основных источников энергии различного происхождения. Геофизические процессы (извержение магмы, вулканическая активность и под­нятие крупных блоков земной коры) осуществляются за счет те­пла, выделяющегося в результате распада в недрах Земли изо­топов калия, урана и тория. Процессы, протекающие на земной поверхности — эрозия, выветривание и перенос осадков, — проис­ходят за счет энергии Солнца, трансформированной в кинетиче­скую энергию ветра и водных потоков, а также тепловую энергию.

Заметим, что в геологических циклах отражается и круговорот осадочного вещества, в т.ч. и органического происхождения. Причем часто осадочное вещество и минералы могут выводиться в экологическом и другом смыслах из круговорота на десятки тысяч и миллионы лет. Активно развивающаяся хозяйственная деятельность человека вновь включает их уже в антропогенно обусловленный круговорот, почти всегда входящий в противоречие с естественным.

Формирование внутренней структуры геосфер Земли сопровождалось также формированием гидросферы и атмосферы, которые в своем развитии также прошли длительный эволюционный путь.

Согласно модели А.П. Виноградова атмосфера и гидросфера являются продуктами дегазации вулканической лавы, выплавлявшейся из верхней мантии Земли и сформировавшей в конечном итоге земную кору. В расплаве вещество разделялось на легкоплавкую и тугоплавкую фракции, причем именно легкоплавкая фракция поднималась к поверхности Земли и изливалась в результате активных вулканических процессов. Поскольку легкоплавкая фракция представлена в основном базальтами с растворенными в них газами и водой, то в результате вулканической деятельности образовывались пары воды и свободные газы, сформировавшие первичную атмосферу.

Указанная модель базируется на расчетах и экспериментах, согласно которым в верхней мантии Земли в расплавленном базальте (t = 1000С и повышенное давление) содержится 7-8% воды и 1% газов. За всю геологическую историю Земли вулканы выбросили на поверхность 2,8610²² т вещества, которое должно было выделить 210²¹ т воды и 2,510²⁰ т газов (сейчас же в мировом океане содержится 1,3710²⁰ т воды, а масса атмосферы составляет 5,310¹⁸ тонн).

Естественно, что параметры атмосферы Земли находятся в прямой зависимости от расположения последней относительно Солнца в его системе, ведь зона, в которой вода может существовать сразу в трех состояниях - жидком, твердом и газообразном, составляет очень узкую полосу вокруг Солнца. Ширина ее равна всего 0,06 расстояния Земли от Солнца, а граница полосы лежит в пределах 0,95 и 1,01 этого расстояния, т.е. смещение орбиты всего на 1% может погрузить Землю в вечную спячку под толстым слоем льда, а смещение на 5% - вызвать смертоносный для биосферы разогрев утяжеляющейся углекислой атмосферы.

Можно представить два варианта развития событий при изменении расстояния между Землей и Солнцем:

1. Если бы Земля оказалась ближе к Солнцу, то при повышенной массе атмосферы и значительном парниковом эффекте за счет накопления термодинамически активных газов (метан, углекислый газ и т.п.) мог бы создаться «разгоняющийся» в сторону разогревания тип атмосферы (пример планета Венера: быстрое накопление углекислого газа привело к сильному парниковому эффекту, это вызвало прекращение конденсации водяного пара в атмосфере, дождей и испарению первичного океана; в результате - сильный разогрев поверхности, безводная суша и тяжелая углекислая атмосфера).

2. Если бы Земля находилась чуть дальше от Солнца, то на ранних стадиях формирования атмосферы и гидросферы проявился бы эффект «разгоняющегося» похолодания. При меньшем потоке солнечного тепла в сравнительно тонкой атмосфере водяной пар замерзал бы и выпадал в виде снега: в результате планета бы оледенела (температура на поверхности упала бы до - 90° С). Предполагается, что таким путем развивался Марс с его тонкой атмосферой и шапками оледенений на полюсах.

Атмосферные сферы 2-го порядка играют важную роль в обеспечении условий земной жизни, соответствующих дан-ному историческому и геологическому периоду. Основными функциями атмосферы являются: защита от жесткого солнечного излучения, защита от перегрева и переохлаждения земной поверхности, накопление воздуха⁹, поддержание его постоянного состава и т.п.

Основная масса воздуха, имеющего на малых высотах параметры, пригодные для дыхания, содержится в тропосфере (около 80%). Тропосфера – это самый нижний слой атмосферы, имеющий толщину 8-10 км в полярных широтах, 10-12 км в умеренных широтах и 16-18 км в тропических широтах.

В тропосфере формируются воздушные массы, определяющие смену погоды на поверхности Земли. Воздушные массы характеризуются как относительно однородные части тропосферы, площадь формирования которых соизмерима с площадью материков и океанов. Воздушные массы¹⁰ формируются над однородной подстилающей поверхностью и однородных радиационных условиях, перемещаются как единое целое в одном из течений общей циркуляции атмосферы и отделяются друг от друга атмосферными фронтами. Во фронтальной зоне развиваются облачные системы, выпадают осадки, формируются циклоны и антициклоны. Температура воздуха в тропосфере уменьшается в среднем на 6С на один километр подъема.

Выше тропосферы и тропопаузы (переходного слоя между тропосферой и стратосферой, имеющего толщину до 2-3 км) располагается стратосфера, называемая часто «кладовой погоды», так как между ней и тропосферой происходит постоянный обмен воздушными массами, в ней существуют сезонные и климатические изменения, дуют ураганные ветры и т.п. Стратосфера простирается до высоты 50-55 км и имеет серьезный температурный перепад по своей толщине (от –40 до -80 на нижней границе до близкой к 0С на верхней границе), в ней содержится воздух, близкий по своему составу к тропосферному, здесь меньше водяного пара, но больше озона.

Большое значение придается ионосфере (расположена на высоте от 50-80 км до нескольких тысяч км), верхняя часть которой является внешней частью магнитосферы Земли. Ионосфера характеризуется высоким содержанием молекулярных и атомных ионов, а также свободных электронов. В ионосфере возникают полярные сияния и магнитные бури, благодаря ей возможна коротковолновая радиосвязь.

В последнее время, в связи с изучением возникших глобальных экологических проблем, большое внимание уделяется изучению озоносферы - слоя в пределах стратосферы (на высоте 10-50 км), отличающегося повышенной концентрацией озона. Сам озоновый слой, имеющий тенденцию к утончению¹¹, в котором возникают озоновые дыры, находится на высоте 20-25 км. Плотность озона в нем в 10 раз больше, чем у поверхности Земли. Слой озона (озоновый экран) задерживает большую часть космического излучения, гибельного для всего живого.

Следы атмосферы обнаруживаются на высоте более 10 тыс. км, химический состав ее значительно меняется в зависимости от высоты, а внешняя форма атмосферы вытянута с ночной стороны наподобие хвоста кометы длиной около 100 тыс. км.

Совокупность всех водных объектов Земли составляет гидросферу, причем пресной воды (воды суши) меньше 0,001% от всех ее запасов. Основная масса воды содержится в мировом океане и около 2% - в ледниках.

Мировой океан выполняет роль своеобразного теплового аккумулятора. Средняя его температура составляет 5,7С, средняя температура поверхности – 17,8С. Самым теплым океаном является Тихий (средняя температура 19,4С), а самым холодным – Северный Ледовитый (средняя температура 0,75С). Основная доля солнечного тепла поглощается именно мировым океаном.

Относительно гидросферы рассматривается гидрологический круговорот, основными звеньями которого являются: испарение воды с суши и моря (45610¹² тгод^-1); сток воды с континентов (4510¹² тгод^-1); конденсация и выпадение осадков (41010¹² тгод^-1). Отметим, что период возобновление воды составляет: в атмосфере – 9 суток; почвенной влаги – до года; моря и океаны – от 120 до 3000 лет. Характеристики гидрологического круговорота зависят от характеристик процесса естественной дистилляции и совместного стока растворенных ( 2,7310⁹ тгод^-1) и взвешенных ( 2410⁹ тгод^-1) веществ с суши в океан.

Распределение осадков по поверхности Земли неравномерно и зависит от энергетического баланса и водообмена между атмосферой, литосферой и геосферой, а сама вода активно участвует в обратных связях, регулирующих глобальный климат.

В геологической истории Земли изучаются процессы трансгрессии (наступления) и регрессии (отступления) океана, в результате которых меняется конфигурация береговой линии, а также соотношение размеров суши и океана. В основном эти процессы зависят от температурного фактора, движения литосферных плит, наступлением и отступлением ледниковых периодов и т.п. Уменьшение поверхности океана приводит к понижению средней температуры на планете.

В гляциализме этот факт связывается с ледниковыми эпохами, сменявшими друг друга на всем протяжении геологической истории Земли. Ледниковой эпохой называется отрезок времени в геологической истории Земли, характеризующийся сильным похолоданием и развитием обширных материковых ледников. Ледниковые эпохи разделялись эпохами почти полного исчезновения льдов – межледниковыми эпохами. Последние исследования показали, что амплитуда температур в критических точках этих эпох (наивысшей и низшей) была максимальной вначале геологической истории, а затем начала уменьшаться, что позволило выжить на протяжении последних ледниковых циклов биологическим формам жизни в близких к современным видах и соотношениях.

Астрономические концепции возникновения ледниковых эпох связаны с изменениями активности Солнца (пульсации его размеров, конвекция вещества, внешнее гравитационное воздействие на Солнце и т.д.). Земные гипотезы возникновения ледниковых эпох связаны с перестройкой активности недр Земли, которая проявляется в виде движения литосферных плит, развития вулканических процессов и горообразования, изменения состава атмосферы, изменения площадей суши и океана и т.д.

Последним ледниковым периодом является валдайский (Россия), вюрмский (Европа) и висконсинский (США), начавшийся около 120 тыс. лет назад. Уровень океана из-за переместившейся на сушу в виде льда огромной массы воды понизился на 60 – 100 м. Своего максимума ледниковые покровы достигли 18 тыс. лет назад.

Процесс изменения климата (в результате ли оледенения, внешних или др. факторов) существенно влияет на характеристики человеческой деятельности, а следовательно социальные и политические процессы.

В качестве примера можно привести похолодание, известное как «малый ледниковый период», начавшееся в первой четверти второго тысячелетия и продолжавшегося до XIX века. На Руси с XI по XVII век было 200 голодных лет (каждые 3 – 4 года), как и в Западной Европе. Самым тяжелым оказался XV век, на протяжении которого засухи сменялись годами с сильными грозами, дождями и наводнениями, что повлекло за собой почти повсеместный голод и эпидемии.

В современный период времени заговорили о глобальном потеплении. Хотя данный процесс является естественным, антропогенное его ускорение уже является серьезным факто-ром, анализируемым мировой научной общественностью с точки зрения характеристик, определяющих качество жизни и выживание человечества. Также для современного периода характерным является возрастание погодных аномалий, воздействующих как правило отрицательно на различные геосферы.

Деление Земли на геосферы весьма условно, так как нельзя провести четкой границы между ними. Например, поверхность суши может располагаться много выше или много ниже уровня мирового океана, который также имеет переменную глубину, а следовательно от этого зависит толщина земной коры. Все геосферы тесно взаимосвязаны. Особенно ярко эта связь проявляется между верхней частью литосферы, гидросферы и нижней частью атмосферы, которые образуют сферу активных жизненных процессов – биосферу, которой будет посвящена следующая лекция.

Некоторое время назад биология определялась как наука, изучающая живые объекты. Современное понятие биологии является более широким и включает в себя уже совокупность знания наук о живой природе. Предметом изучения биологии являются: происхождение, строение, функции и развитие живых организмов, а также их взаимоотношение друг с другом и с окружающей средой (живой и неживой природой).

В ХХ веке закончилась трансформация предмета биологии, проявившаяся в расширении области исследований от органи-зменного до биосферного уровня. Саму же биосферу можно определить как оболочку Земли, состав, структура и энергети-ческие процессы в которой существенным образом зависят от прошлой или современной деятельности живых организмов.

Как уже было сказано в конце предыдущей лекции, биосфера охватывает часть атмосферы, гидросферы и верхнюю часть литосферы, которые взаимосвязаны между собой сложными биогеохимическими циклами миграции веществ и энергии.

Термин «биосфера» был впервые использован австрийским геологом Э.Зюссом в 1875 г., а общее учение о биосфере было создано В.И.Вернадским в 20-30-х годах ХХ века. Основными идеями В.И.Вернадского являлись: идея о планетарной геохимической роли живого вещества и идея об организованности биосферы, являющейся продуктом сложного превращения естественно-энергетических и информационных потоков живым веществом за время геологической истории Земли.

Общая масса биосферы составляет примерно 1,810¹² т живого вещества. Основной составляющей биосферы являются органогены (водород, углерод и кислород). Органическое вещество в среднем на 75% состоит из воды, а в сухом органическом веществе преобладают полимеры. Синтез углеводородов в ходе фотосинтеза и их разложение в процессе дыхания тесно связывают между собой биологический и геологический циклы органогенов.

Так называемые макроэлементы, прежде всего азот, который по распространенности в биосфере находится на четвертом месте (2% от общего числа атомов), составляют группу, необходимую для формирования составляющих жизненного цикла организмов. Микроэлементы потребляются живыми организмами в чрезвычайно малых количествах, однако их избыточное присутствие или полное отсутствие могут оказаться пагубными.

Все перечисленные элементы участвуют в различных биогеохимических циклах. Циклы углерода, водорода и кислорода (газовые циклы) тесно взаимосвязаны, причем потоки углерода, водорода и кислорода представляют собой главное связующее звено между биосферой и окружающей средой. Цикл азота является наиболее сложным из всех циклов биогенных элементов, так как азот с одной стороны существует в природе в различных формах, а с другой на разных стадиях его цикла участвуют различные микроорганизмы. Существуют также осадочные циклы (фосфор), которые отличаются наличием составляющей, накапливающейся в осадочных породах.

Элементарной структурой активной части современной биосферы является биогеоценоз – взаимообусловленный комп-лекс живых и косных компонетов, связанных между собой обменом веществ и энергии. Биогеоценоз – это одна из слож-нейших природных систем, в которой в качестве живых компонентов выступают автотрофные (фотосинтезирующие зеленые растения и хемосинтезирующие микроорганизмы) и гетеротрофные организмы (животные, грибы, вирусы и т.д.).

В заключении разговора о биосфере выделим основные аспекты ее изучения:

1. Энергетический, изучающий связь глобальных биосферных явлений с притоком энергии извне (космическое и солнечное излучения) и из недр Земли (радиоактивные процессы в земных недрах).

2. Биогеохимический, отражающий роль живого вещества в распределении его в биосфере и ее структурах. При этом живое вещество выполняет следующие биогеохимические функции: газовую (миграция газов и их превращения), аккумулирующую (накопление живыми организмами химических элементов из окружающей среды), а также биохимическую и биогеохимическую функции, связанные с деятельностью человека.

3. Информационный, изучающий принципы организации и управления, осуществляемые в живой природе (см. раздел, связанный с кибернетикой).

4. Пространственно-временной, изучающий формирование и эволюцию различных структур биосферы в геологическом времени в связи с особенностями пространственно-временной организации вещества.

5. Ноосферный, который будет подробно рассмотрен в соответствующей лекции.

Итак, биология изучает живые организмы, населяющие биосферу.

Жизнь - это высшая из природных форм движения материи, характеризующаяся самообновлением, саморегуляцией и самовоспроизведением разноуровневых открытых систем, вещественную основу которых составляют биополимеры (белки, нуклеиновые кислоты и фосфороорганические соединения).

Основными свойствами живого являются:

• сложная и упорядоченная структура на биополимерной основе;

• получение энергии из внешней среды и использование ее на поддержание собственной упорядоченности;

• изменение структуры, сопровождаемое ее усложнением;

• активная реакция на внешнюю среду и высокая приспособляемость к ней;

• способность самовоспроизводства на основе генетического кода;

• способность сохранять и передавать информацию на различных уровнях и различными способами;

• молекулярная диссимметрия.

Первые систематические попытки познания живых объектов связываются с античной эпохой. Именно в этот период формируются описательная зоология и ботаника, прикладные медицина и агрономия, но особенно интенсивно становление биологического знания происходило в XVI – XVII веках. Данный период характеризуется формированием первых естественно-научных концепций объяснения специфики биоло-гических объектов, базой которых служили: накопление эмпирического материала о строении живых объектов, их структуре и анатомии; выявление реального многообразия и выработка принципов систематизации животного (фауна) и растительного (флора) мира; формирование методов исследования живых объектов.

В XVII – XVIII веках существенные результаты были получены в сфере классификации (систематики) живых организмов (например, система шведского естествоиспытателя К.Линнея (1707– 788), в которой было описано более 10 тыс. видов растений и 4 тыс. видов животных), что создало основы для последующей классификации биологических объектов и дальнейшего углубления изучения живого.

В конце XVIII – начале XIХ веков научный прорыв произошел в области морфологии – раздела биологии, изучающего форму и строение живых организмов. Так, в 30-х годах XIХ века немцы М.Шлейден (1804-1881) и Т.Шванн (1810-1882) создали клеточную теорию, в рамках которой именно клетка стала рассматриваться в качестве элементарного носителя живого¹², при этом теория рассматривала единство происхождения и развития всех видов живых организмов. В этот же период времени произошел серьезный переворот в направленности биологических исследований на исследование эволюционных процессов (эволюционным воззрениям в биологических науках посвящена следующая лекция).

В ХХ веке все биологические науки стали эволюционными. Это отразилось как на исторически сложившейся совокупности основных направлений биологических исследо-ваний, так и на формировании основополагающих биологи-ческих принципов. В связи с этим биологическая картина мира, несмотря на ярко выраженную потребность в синтезе биологических знаний и неоднократные попытки создать теоретическую биологию, до сих пор не сформирована в том виде, какой существует для физической и химической картин мира. Сама теоретическая биология из-за комплексности, многоплановости и чрезвычайной сложности декларируемых задач также пока не создана.

Создание теоретической биологии – одна из важнейших задач современной науки. Многие ученые излагали свои взгляды на то, какой она должна быть. Например, Л.Барталанфи рассматривал биологические объекты как открытые системы, находящиеся в состоянии динамического равновесия; Э.Шредингер, Б.П.Астауров, М.Эйген представляли создание теоретической биологии по образцу классической физики; С.Лем отстаивал кибернетическую интерпретацию в сочетании с аксиологическим подхлодом; А.А.Малиновский предлагал заложить в основу теоретической биологии математические и системно-структурные методы. В современный период многие из этих подходов активно используются в различных биологических исследованиях (например, математические методы при расшифровке генома человека), но ни один из них по отдельности не используется как базисный.

В настоящее время все более явственно проявляется тенденция проведения все большего числа исследований на микроуровне (по аналогии, например, с физикой). С этим связано формирование основных обобщений и аксиом биологических наук.

Основными обобщениями биологических наук являются следующие:

1. Живые организмы подчиняются законам физики и химии и могут быть объяснены с помощью этих законов.

2. Клеточная теория - все живые организмы (животные, растения и бактерии) состоят из клеток и из продуктов их жизнедеятельности.

3. Многообразие живой и неживой природы является результатом действия трех взаимосвязанных факторов: наследственности, изменчивости и естественного отбора.

4. Наследственный фактор живого - ген (функционально неделимая единица наследственной информации).

5. Генная информация сохраняется в форме ДНК - дезоксирибонуклеиновой кислоты.

6. Биохимические реакции находятся под контролем генов.

7. Процессы обмена веществ (метаболизма) проходят с участием специфических органических катализаторов, синтезируемых живыми клетками (ферментов).

8. Функции клеток регулируются гормонами.

9. Все живые организмы в определенной области находятся в тесных взаимоотношениях друг с другом и с окружающей средой.

Для примера приведем некоторые из основных аксиом биологии, определяющих в т.ч. специфику биологии как науки:

1. Аксиома Д.Неймана и Н.Винера. Все живые организмы должны состоять из фенотипа и программы для его построения – генотипа, передающейся по наследству из поколения в поколение. Наследуется не структура, а описание структуры и инструкция по ее изготовлению. Жизнь на основе только одного фенотипа или только одного генотипа невозможна, так как при этом нельзя обеспечить ни самовоспроизведения структуры, ни ее самоподдержания.

Фенотип – это особенности строения и жизнедеятельности организма, обусловленные взаимодействием его генотипа с условиями окружающей среды. Взаимосвязь же генотипа и фенотипа вполне однозначна на уровне первичного действия генов, но усложняется с переходом на более высокий уровень организации живого (клетки, ткани и т.д.).

2. Аксиома Н.К.Кольцова. Генетические программы не возникают заново, а реплицируются матричным способом. В качестве матрицы, на которой строится ген будущего поколе-ния. Используется ген предыдущего поколения. Жизнь – это матричное копирование с последующей самосборкой копий.

3. Аксиома, основанная на принципах статистической физики и принципе неопределенности В.Гейзенберга. В процессе передачи из поколения в поколение генетические программы в силу многих причин изменяются случайно и ненаправленно, и лишб случайно эти изменения оказываются приспособительными. Отбор случайных изменений является не только основой эволюции жизни, но и причиной ее становления, потому что без мутаций отбор не действует.

4. Аксиома Н.В.Тимофеева-Ресовского. В процессе формирования фенотипа случайные изменения генетических программ многократно усиливаются, что делает возможным их селекцию со стороны факторов внешней среды. Из-за усиления в фенотипах случайных изменений эволюция живой природы принципиально непредсказуема.

К вышесказанному необходимо сделать несколько замечаний, касающихся определений некоторых терминов.

Равновесие биохимических процессов в любом живом организме обеспечивается системой обмена веществ, благодаря которой жизнь поддерживает сове существование. В организме тесно взаимосвязаны химические и энергетические процессы, причем преодоление энергетического барьера в химических реакциях, происходящих в организме, происходит за счет специальных «живых» катализаторов – ферментов, которые определяют, какие реакции при данном состоянии организма должны идти с повышенной скоростью, а какие нет. Химическая природа ферментов впервые была определена в 1926 г. американским биохимиком Д.Самнером (1887–1955). Он доказал их белковую природу. Дальнейшие исследования показали, что, действительно, подавляющее число белков – это ферменты, хотя есть структурные белки, выполняющие в организме другие функции. Кроме того, некоторые ферменты имеют небелковую природу (например, некоторые рибонук-леиновые кислоты (РНК) способны катализировать изменения в собственной структуре).

Сами белки представляют собой высокомолекулярные органические соединения (полимеры), построенные из остатков 20 аминокислот. Последовательность расположения аминокис-лот в белке определяет его пространственную структуру.

Кроме ферментативной функции белки выполняют функции переносчиков (например, гемоглобин переносит кислород от легких к тканям), координаторов мышечных сокращений и внутриклеточного движения и др. Антитела (группа белковых молекул) защищает организм от вирусов и бактерий. Другая группа белковых молекул – гормоны - управляет ростом клеток и их активностью.

Система воспроизведения живого организма содержит в закодированном виде полную информацию для построения из запасенного клеткой органического вещества нужного в данный момент белка. Свои функции система воспроизведения осуществляет посредством полимерных соединений – полинук-леотидов, к которым относятся ДНК (хранит генетическую информацию) и РНК (воспроизводит генетическую информацию и переносит ее в среду, содержащую необходимые для синтеза белка вещества). Молекулы ДНК совместно с белками-гистонами образуют вещество хромосом.

ДНК имеет спиральную симметрию и состоит из двух полинуклеотидных цепей. Нуклеотиды – это мономеры четырех типов, специфичность которых определяется одним из азотистых оснований (аденин (А), тимин (Т), цитозин (С) и гуанин (G)). Сочетание трех рядом находящихся нуклеотидов в цепи ДНК образует генетический код. Нарушение последовательности нуклеотидов в цепи ДНК приводит к мутациям (наследственным изменениям в организме).

Молекула ДНК может копироваться в процессе катализируемой ферментами репликации, заключающейся в ее удвоении (при этом в ней происходит разрыв старых и формирование новых водородных связей).

Расшифровка генетического кода является одним из основных достижений науки конца ХХ – начала XXI веков. В ходе расшифровки выяснилось, что генетический код всего живого одинаков. Этот факт вместе со сходством аминокислотного состава всех белков свидетельствует о биохимическом единстве жизни.

В 2001 г. американская государственная лаборатория Human Genome Project (HGP) совместно с частной компанией Celera объявили о полной расшифровке человеческого генома, что повлекло за собой провозглашение многими учеными новой эры во многих науках (например, медики заявили о начале эры «ремонта» человека на генном уровне). Однако, по последним данным выяснилось, что число генов в человеческом геноме 24847.

Следует отметить, что для определения своей неполной «книги генома» HGP и Celera расшифровали свыше 3 млрд. элементов молекулы ДНК при помощи суперкомпьютеров и специальных программ. Кроме того, последние исследования показывают, что существует сомнение по поводу того, что геном человека по своей величине и функциям не отличается от генома животных, а также существует совершенно новая проблема определения величины гена и его функций.

Подводя итог обзору биологического знания отметим, что все биологические системы принято классифицировать на три иерархических уровня:

1. Клеточный и молекулярный уровень (исследование элементарных основ живого).

2. Организм, популяция и биогеоценоз (исследование динамики развития живых макросистем).

3. Биосферный уровень (исследование общепланетарных масштабов взаимодействия сложных биосистем с биотической и абиотической средой, в т.ч. с учетом влияния антропогенной деятельности).

На всех уровнях можно выделить различные аспекты рассмотрения. Например, по информационному аспекту на первом уровне изучаются основные носители наследственной информации, на втором – рассматривается процесс передачи информации от видов к совокупности организмов и т.д., а на третьем – информационные потоки, связанные с активной преобразующей деятельностью человека, а также обратные связи).

Все направления биологических исследований можно соотнести с современной классификацией биологических наук:

1. По объектам исследования (вирусология, микробиология, зоология, ботаника, антропология).

2. По структуре исследования (морфология, физиология, генетика, эволюционное учение, экология).

3. По уровню организации (эмбриология, анатомия, гистология, молекулярная биология, биогеноценология, экология человека, глобальная экология, социальная экология).

4. Относительно взаимосвязи с другими науками (биофизика, биохимия, биологическая математика, биоэтика).

5. По степени практической направленности (охрана, в т.ч. заповедная, природы, бионика, биотехнология, генная инженерия).

Многие из приведенных наук имеют преимущественное развитие, во многом определяющее качество жизни. В этой связи рассмотрим две проблемы:

1. Проблема клонирования. Под термином «клон» в биологии понимается потомство растительного или животного организма, возникшее путем вегетативного (бесполового) размножения.

В 1997 г. появились первые публикации, посвященные успеху группы Йена Вилмута, получившей в Великобритании первое в мире млекопитающее методом клонирования. Однако, мало кто знает, что несмотря на примененные группой новаторские методики и технологические достижения, из 433 попыток переноса полученных в результате экспериментов эмбрионов в овцу-носителя удачно прошла лишь одна, приведшая к появлению овечки Долли.

Однако, приоритет в данном случае не принадлежит англичанам. Еще в 1987 г. в нескольких академических институтах бывшего СССР проводились аналогичные экспери-менты, в которых были использованы те же методы, что и у группы Вилмута. В результате экспериментов появилась клонированная мышь-альбинос Машка. К сожалению, данный пример показателен для развития науки, на протяжении которого было неоднократно отмечено присвоение каким-либо ученым результатов исследования другого ученого. В данном случае, статья, разосланная советскими учеными в некоторые научно-популярные зарубежные журналы, не вышла из печати, зато аналогичная описанной в ней технология была использована группой Вилмута, запатентована, а результат был преподнесен в средствах массовой информации как выдаю-щийся и уникальный.

Недостатком первых опытов по клонированию были преждевременное старение организма клонированного животного и др.

В это же время серьезно заговорили о клонировании человека. Нужно отметить, что проблема клонирования человека достаточно сложна с любой точки рассмотрения, в т.ч. и с этической. Однако уже сейчас клонирование может помочь решить многие медицинские проблемы. Например клонирование стволовых клеток (базовых яйцеклеток, из которых развиваются новые клетки) рассматривается с точки зрения использования для заживления ран, восстановления поврежденных или утраченных частей органов, тканей и т.д. Уже накоплен определенный опыт по выращиванию в лабораторных условиях и трансплантации кожных покровов ожоговым больным, ведутся работы по клеткам сердца.

Этическая и правовая (запрет на клонирование человека введен например в США) проблемы связана с выделением и культивированием эмбриональных стволовых клеток человека, которые в организме дифференцируются в различные типы клеток, формирующих ткани и органы.

Перспективы клонирования достаточно обширны. Они касаются воспроизведения как относительно недавно исчезнувших видов животных, ткани которых хранятся в криобанке, так и давно исчезнувших с поверхности Земли (мамонтов, динозавров и др.). В Японии сотрудники Института племенного животноводства получили клон клонированного бычка, причем теленок получился здоровым. По результатам этого эксперимента ведутся исследования степени сохранности ДНК при повторных клонированиях.

Перспективы клонирования для «улучшения» человека являются малоизученными и опасными, так как риск получения в результате клона со значительными отклонениями от общепринятых «нормальных» параметров достаточно велик. В то же время социальный статус человека, пусть даже и клонированного, не даст возможности безболезненно избавиться от неудачного результата.

2. Генная инженерия и трансгенные мутации. Генная инженерия связана с изменением строения ДНК конкретного вида животных и растений.

Известен ряд фармацевтических продуктов, созданных с помощью генной инженерии: инсулин, интерферон, вакцина от гепатита В, гормоны роста человека, витамины и т.д.

В последнее время широко используются в пищевых цепочках трансгенная (гинетически модифицированная пища). В настоящее время создан целый ряд трансгенных растений, стойких к гербицидам и инсектицидам, вирусам, непривлекательных для сельскохозяйственных вредителей, обладающих повышенным содержанием определенных полезных веществ и т.п. К ним относятся: соя, кукуруза, тыква, хлопок, огурец, рапс, перец, томат, картофель и др. Например в трансгенный картофель введен ген бактерии, смертельной для колорадского жука, но «безопасной» для человека.

Почему слово «безопасной» взято в кавычки? Дело в том, что существует два основных способа генетической трансформации клеток: временная (транзитная) и постоянная. В первом случае не происходит модификации генетического аппарата клетки , так как введенная молекула не встраивается в хромосому и со временем удаляется из клетки (механизм действия генетической вакцины). При постоянной трансформации происходит полноценная интеграция введенной молекулы в хромосомы трансформируемой клетки, в результате чего, в т.ч. из-за случайного механизма встраивания модифицирующей молекулы ДНК в генетический аппарат, велика вероятность перестройки генома как в подвергшихся модификации клетках, так и у их потомков. Учесть все варианты генетических перестроек и гарантировать их безопасность как для человека, так и для отдельных элементов окружающей среды не представляется возможным (нестабильность, появление белков с новыми опасными свойствами, например аллергенными, и т.п.)

Несмотря на то, что объем продаж генетически модифицированной продукции во всем мире достигнет в 2005 г. $8 млрд. (в 2000 г. он составлял $3,2 млрд.), никто не может сказать, как отразится потребление генетически модифицированных продуктов питания на здоровье животных и человека. Но и без того уже существует угроза сохранению естественного видового биоразнообразия.