Развитие биосферы

    1.4. Биологический круговорот веществ в природе

    Биологический круговорот играет огромную роль в  биосфере - он обеспечивает жизнь. Любая  форма жизни неизбежно включается в этот кругооборот. Общее количество протоплазмы всех живых организмов, населявших Землю в течение многих миллиардов лет, намного превосходит массу нашей планеты. Следовательно, материя использовалась многократно. Химические элементы извлекаются из окружающей среды, входят в состав живой протоплазмы и возвращаются в окружающую среду для повторного использования. Распад, деструкция сложных органических соединений служит источником энергии. Образуемые микроорганизмы, приспособленные практически к любым условиям, эту энергию извлекают.

    Важным  моментом существования биосферы и  круговорота веществ в ней  является получение и преобразование энергии в живых организмах. Рассмотрим здесь возможность получения и использования энергии в биосфере, а затем и роль энергии в эволюции. 

    1.5. Роль энергии в эволюции

    Основным  естественным внешним источником энергии, используемой для поддержания жизни, как мы уже отмечали, является лучистая энергия Солнца. Однако биосфера улавливает лишь небольшую часть всей солнечной энергии, поступающей на Землю. Ультрафиолетовая часть солнечного спектра, составляющая около 30% всей этой энергии, практически полностью задерживается озоновым слоем атмосферы. Половина достигающей Земли энергии превращается в тепло и затем рассеивается в космическое пространство. Около 20% расходуется на испарение воды с огромных пространств океанов и морей и образование облаков в атмосфере Земли, и лишь около 0,02% энергии Солнца используется биосферой.

    Зеленые растения усваивают эту энергию  непосредственно, поглощая ее молекулами хлорофилла в процессе фотосинтеза, преобразуют ее и запасают в виде энергии химической связи различных соединений в объектах живой природы. Это основной первичный процесс усваивания энергии Солнца и от него зависит все существование биосферы. Животные, поедая растения, а хищники - травоядных животных, получают эту энергию, сжигая сахара, другие биологические накопители энергии и питательные вещества с использованием кислорода. Сама переработка пищи в организме также сопровождается выделением энергии, часть ее запасается в форме энергии химических связей и затем может быть использована для совершения работы. Таким образом, животные не получают нужную им энергию непосредственно от Солнца.

    Удовлетворение  в целом энергетических потребностей живых организмов осуществляется в  условиях равновесия, которое возникает  между организмами в рамках возникающих  экосистем. В каждой экосистеме имеются и автотрофы, которые переваривают в пищу вещества из неживой окружающей среды, и гетеротрофы, которые не производят необходимую им пищу и, тем самым, зависят от остальных непосредственных производителей энергии. Заметим еще раз, что все элементы, из которых состоят живые организмы, многократно используются в биосфере, обеспечивая биотический круговорот органических веществ с участием всех образующих биосферу организмов.

    Каждый  вид, популяция, биогеоценоз являются лишь звеньями в этом биотическом круговороте. Непрерывность жизни обеспечивается синтезом и распадом веществ, при этом каждый живой организм выделяет то, что может быть использовано другими организмами. Важную роль в круговороте играют микроорганизмы, превращающие останки животных и растений в минеральные соли и простейшие органические соединения, которые затем снова используются растениями для синтеза новых органических веществ. Энергетический обмен в биосфере отличается от круговорота веществ в ней, поскольку энергия частично рассеивается при переходе от растений к травоядным, а затем и плотоядным животным и вследствие этого требуется постоянная подпитка биосферы солнечной энергией.

    Роль  энергии во всех проявлениях жизни  огромна и несомненна, можно даже сказать, что главным фактором эволюции является энергетический.

    За  все время человеческой истории  способность концентрировать и  целенаправленно высвобождать энергию  увеличилась (от каменного топора до ядерной боеголовки) на 12-13 порядков (в миллион миллионов раз!).

    Все биологические объекты и их эволюция тесно связаны с потоком энергии, пронизывающим все живое. По существу, он является той физической основой, на которой построена биологическая эволюция и которая создает предпосылки для естественного возникновения регуляторных механизмов. Наличие энергетического потока является определяющим в существовании биологических структур и их динамики. Поэтому неудивительно, что в процессе эволюции появляются организмы, выработавшие сложные механизмы превращения и запасания энергии. Огромную роль играют превращения, происходящие в химических связях фосфорных соединений, в которых принимают участие белки и нуклеотиды.

    Результатом появления многоклеточных форм жизни  является потребность живого существовать в условиях избытка энергии как фактора, предохраняющего живое от гибели. Эволюция от прокариотов до эукариотов может рассматриваться как возможная эволюция фосфогенов, поскольку для мышц необходимы легко доступные источники энергии, какими фосфаты и являются. Как отмечал Фокс, организм может легко перемещаться, если его ткани «насыщены» энергией, как раз для этого и нужны фосфогены. Естественный отбор в живых организмах, существующих за счет притока энергии, отдал предпочтение организмам, у которых сформировались ткани с более эффективным энергетическим обменом и способом утилизации энергии, более совершенной регуляцией этих процессов и накоплением энергии.

    Можно считать, что жизнь возникла благодаря  потокам энергии и особым веществам, преобразующим энергию в живом  организме. 

    2. БИОГЕОХИМИЧЕСКИЕ ПРИНЦИПЫ В.И. ВЕРНАДСКОГО И ЖИВОЕ ВЕЩЕСТВО

    2.1. Живое вещество

    Теперь  нам уже стало ясно, что биосфера является единством живого и минеральных  элементов, вовлеченных в сферу  жизни. Большое значение для понимания  эволюции жизни и роли всех процессов, происходящих на Земле, в становлении и функционировании биосферы сыграли работы и идеи нашего выдающегося естествоиспытателя В.И. Вернадского. Им же было введено и понятие живого вещества и сформулированы биогеохимические принципы. Под живым веществом он понимал совокупность всех живых организмов нашей планеты, рассматривая биосферу как некое системное образование на основе внешней геологической оболочки Земли, включающее в себя как живое вещество всей планеты, так и среду обитания, которая преобразуется этим живым веществом.

      Заметим, что с энергетической  точки зрения живое вещество  является наиболее эффективным  способом преодоления роста энтропии.

    Тем самым были показаны роль живого вещества в процессе эволюции Земли и неотделимость  развития биосферы от геологической истории планеты. В этом смысле он даже рассматривал биосферу как самостоятельную часть геосферы, в которой масса живого вещества сравнима с массой горных пород, а его энергия сопоставима с такими геологическими явлениями, как горообразование, извержения или землетрясения. Живое вещество активно участвует в круговороте веществ и энергии в земной коре, причем его энергия значительно больше, чем энергия косного вещества.

    Биосфера, по В.И. Вернадскому, включает в себя следующие элементы:

• живое вещество;
• косное вещество (без наличия живых организмов);
• биогенное, создаваемое и перерабатываемое организмами (газы, каменный уголь, известь, битум и т.д.);
• биокосное, возникающее при совместной деятельности организмов и абиогенных процессов (вода, почва, кора выветривания; таким образом, почву и осадочные породы можно рассматривать как результат преобразования биокосного вещества);
• радиоактивное вещество;
• вещество космического происхождения.

    Вернадский  предположил, что живое вещество биосферы выполняет и биогеохимические функции жизни, формирующие среду для существования живого. Это - газовая (все организмы); кислородная (хлорофилльные растения); окислительная (бактерии, автотрофы); кальциевая (водоросли, бактерии); восстановительная (бактерии); концентрационная (животные и растения); разрушение органических соединений (грибы, бактерии); восстановительное разложение (бактерии); метаболизм и дыхание (все организмы). В результате совместного осуществления этих функций происходят образование различных соединений (карбонатов, сульфидов, фосфатов, соединений азота, железа, марганца и т.д.), их восстановление до других химических форм, концентрация в почвах и осадочных породах, синтез и разрушение органического вещества, т.е. те процессы, которые мы называем круговоротом веществ в природе.

    В этом смысле единство состава и функционирования живой природы, независимо от уровня представляющих их структур, - это биогеохимическое единство. Можно считать, что геохимические процессы в биосфере задаются живым веществом и геохимические процессы - это биогеохимические процессы, и в этом состоит биогеохимическое проявление биосферы. Результатом деятельности живого вещества является формирование осадочных и образовавшихся из них метаморфических пород, полезных ископаемых, ландшафтов Земли и ее атмосферы.³  

    2.2. Биогеохимические принципы В. И. Вернадского

    В соответствии с этими представлениями  В.И. Вернадский сформулировал два биогеохимических принципа:

• биогенная миграция атомов, которая вызвана лучистой энергией Солнца, процессы обмена веществ, рост и размножение организмов стремятся к максимальному проявлению;
• эта же биогенная миграция приводит к выживанию организмов, увеличивающих саму биогенную миграцию атомов биосферы.

    В свете этих идей, подтвержденных современной  наукой, можно также отметить и  пять постулатов В.И. Вернадского, касающихся и структуры функций первичной биосферы:

• первобытная биосфера была функционально разнообразна;
• появление организмов произошло не в единичном порядке, а массово, в совокупности, должны сразу появиться биогеоценозы;
• эти биогеоценозы и есть главная движущая сила геохимических преобразований, морфологические изменения не влияли на глобальные химические функции;
• живые организмы порождают миграцию химических элементов в биосфере;
• все без исключения функции живого организма в биосфере могут быть исполнены простейшими одноклеточными организмами.

    Заметим, что эволюцию Земли и затем  образование и развитие биосферы В.И. Вернадский объединил через три фактора макроэволюции - космический, геологический и геохимический, которые, как мы видим теперь, самым тесным образом связаны с биологической эволюцией, и все они объединяются в энергетических процессах биосферы. Таким образом, можно дать еще одно определение жизни - как могучей геологической силы нашей планеты, формирующей облик Земли и создающей ее в образе живой планеты. Геологическая активность и роль живого вещества проявляются в его геохимических функциях - энергетической, деструктивной, средообразующей и транспортной.

    Совокупность  живых организмов в их совместном осуществлении жизненных процессов  на Земле как раз и дает миграцию химических элементов в биосфере - основу круговорота жизни. Именно с этим обстоятельством связана определяющая роль живого вещества в становлении атмосферы, гидросферы и литосферы Земли. Источником необходимой для этого огромной энергии служит биогеохимическая энергия живого вещества биосферы. Исходя из развитых В.И. Вернадским представлений, можно заключить, что жизнь на Земле существует примерно столько же лет, сколько существует сама Земля. Предполагается, что жизнь возникла в виде примитивной биосферы и связана в целом с эволюцией Земли и влиянием на нее живого вещества. Заметим, что только широчайшее разнообразие животных, растений и других форм жизни, возникшее сначала в виде простейших организмов 3-3,5 млрд. лет тому назад, обусловило выполнение всех функций живого вещества. Именно такая огромная роль живого вещества позволила В.И. Вернадскому образно говорить о вечности жизни на Земле. 

    3. ФИЗИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ЭВОЛЮЦИИ БИОСФЕРЫ И ПЕРЕХОД К НООСФЕРЕ

    3.1. Основные этапы эволюции биосферы

    Все развитие биосферы можно рассматривать  как чередование этапов эволюции, прерываемой бифуркациями при переходе к новым качественным состояниям. В результате создавались все более сложные и упорядоченные формы живого вещества. Мы уже касались в той или иной форме в целом проблем эволюции. Дадим здесь общую схему основных этапов эволюции биосферы:

• появление простейших клеток - прокариотов (без ядра);
• появление более организованных клеток - эукариотов (с ядром);
• объединение клеток - эукариотов - с образованием многоклеточных организмов, функциональная дифференциация клеток в организмах;
• появление организмов с твердыми скелетами и формирование высших животных;
• возникновение у высших животных развитой нервной системы и формирование мозга, в котором происходят сбор, переработка и систематизация информации, ее хранение и управление на ее основе поведением и целенаправленной деятельностью живых организмов;
• формирование разума как высшей формы деятельности мозга;
• образование социальной общности людей - носителей разума.