Учение о биосфере и ее революции

УЧЕНИЕ О БИОСФЕРЕ И ЕЕ ЭВОЛЮЦИИ 

Биосфера, как и  атом, Вселенная или ген, недоступна непосредственному восприятию наблюдателя, однако в ее реальности никто не сомневается. Эмпирические данные о  биосфере накапливались географией, биологией, геологией и палеонтологией. Мощным средством познания биосферы становятся космические исследования.

Биосфера представляет собой оболочку Земли, включающую как  область распространения живого вещества, так и само это вещество. Биосфера возникла 3.4-4.5 млрд. лет назад  и есть не просто сочетание абиотической области распространения живого вещества, а тесное их взаимодействие.

На основе наблюдений природных явлений представление  о том, что живые существа взаимодействуют  с внешней средой и влияют на ее изменение, возникло давно. В начале 17 века зачатки представлений о  биосфере встречаются в трудах голландских  ученых Б. Варениуса (1629-1695) и Х. Гюйгенса, а также у знаменитого французского натуралиста-исследователя Ж. Бюффона (1707-1788). Спустя время французский  натуралист Ж. Кювье (1769-1832) заметил, что  живые организмы могут существовать только путем обмена веществ с  внешней средой. Другие исследователи - французские химики Ж.Б. Дюма (1800-1884) и Ж. Бусенго (1802-1887), немецкий химик  Ю. Либих (1803-1873) выяснили значение зеленых  растений в газовом обмене земного  шара и роль почвенных растворов  в питании растений.

Существование биосферы Земли как определенной природной  системы выражается в первую очередь  в круговороте энергии и веществ при участии всех живых организмов. Идея этого круговорота была изложена в книге немецкого натуралиста Я. Молешотта. А предложенное в 80-х годах XIX века подразделение организмов по способам питания на три группы - автотрофные, гетеротрофные и миксотрофные - немецким физиологом В. Пфеффером (1845-1920) было крупным научным обобщением, способствующим пониманию основных процессов обмена веществ в биосфере.

Начало учения о  биосфере связывают с именем знаменитого  французского натуралиста Ж.Б. Ламарка (1744-1829), который предложил термин «биология». В своей книге «Гидрогеология»  Ламарк посвятил целую главу влиянию  живых организмов на земную поверхность. Он писал: « ... в природе существует особая сила, могущественная и непрерывно действующая, которая обладает способностью образовывать сочетания, умножать их, разнообразить их... Влияние живых  организмов на вещества, находящиеся  на поверхности земного шара и  образующие его внешнюю кору, весьма значительно, потому что эти существа, бесконечно разнообразные и многочисленные, с непрерывно меняющимися поколениями, покрывают своими постепенно накапливающимися и все время отлагающимися остатками все участки поверхности земного шара».

Определение же «биосфера» впервые было введено австрийским  геологом Э.Зюссом в 1875 году в его  работе по геологии Альп. Однако подробного освещения роли биосферы у Зюсса  нет. Значительно более широкое  представление о биосфере, а именно общее учение о биосфере создано  в 20-30-х годах академиком В.И. Вернадским. Положив в основу идеи В.В. Докучаева  о комплексном естественноисторическом  анализе взаимодействующих в  природе разнокачественных объектов, формирующих почвы, природные зоны и ландшафты, В.И. Вернадский развил их и дополнил представлениями:

1. О планетарной  геохимической роли живого вещества  как мощного фактора в формировании  и развитии биосферы.

2. Об организованности  биосферы, являющейся продуктом  сложного превращения вещественно-энергетических  и информационных потоков живым  веществом за время геологической  истории Земли.

Фундаментальным общенаучным  вкладом Вернадского В.И. являются его представления об эволюции биосферы. Вернадским В.И. были сделаны обобщения, которые касались всей биосферы в  целом и показывали связь прошлого Земли с настоящим:

1. В течение всех  известных геологических периодов  не было следов непосредственного  создания живого организма из  мертвой, косной материи.

2. Никогда в течение  всего геологического времени  не наблюдались лишенные жизни  геологические эпохи.

3. Из этого следует,  что, во-первых, современное живое  вещество генетически связано  с живым веществом всех прошлых  геологических эпох и что, во-вторых, в течение всего этого времени  условия земной среды были  доступны для его существования,  т.е. непрерывно были близки  к современным.

4. В течение всего  геологического времени не было  резкого изменения в какую-либо  сторону в химическом влиянии  живого вещества на окружающую  среду; все время на земной  поверхности шли одни и те  же процессы выветривания, растворения,  т.е. в общем, наблюдался один  и тот же средний химический  состав живого вещества.

Вернадский стал первым исследовать жизнь как  единое целое, как геологически своеобразное живое вещество, характеризующееся  весом, химическим составом, энергией и геохимической активностью. Вернадский подчеркивал, что за геологическую  историю организмы, по-видимому, осваивали  новые области планеты, приспосабливаясь к многообразным природным условиям, участвуя в их изменениях. Он первым из ученых понял, что мы всецело принадлежим  биосфере - и телом, и духовной жизнью, прошлым и будущим, став органом  ее самопознания и преобразования. Шаг за шагом исследуя геохимические  и биохимические процессы, Вернадский подходит к коренным проблемам энергетики и термодинамики взаимодействия живого и костного вещества планеты  и далее, углубляясь в биологическую  роль человечества, сознания, трудовой деятельности, обращаясь к естественно-историческим закономерностям социально-экономического развития общества. Вернадский рассматривал биосферу как особое геологическое тело, строение и функции которого определяются особенностями Земли и Космоса. А живые организмы, популяции, виды и все живое вещество - это формы, уровни организации биосферы. 

к началу страницы 

Эволюция биосферы 

В течение многих веков для большинства людей  проблемы возникновения живого вообще не существовало. Даже известные ученые допускали возможность постоянного  зарождения живых существ из неживого. Отец наук, греческий философ Аристотель, не сомневался в самозарождении лягушек, мышей, не говоря уже о более мелких животных и растениях. В 17 веке голландский ученый Ван-Гельмонт был автором рецепта получения мышей из пшеницы и загрязненного потом белья. Английский ученый Бэкон считал, что гниение - зачаток нового рождения.

Перелом в представлениях начался примерно в середине 17 века. И только в 1862 г. французский ученый Луи Пастер окончательно опроверг догму  самопроизвольного зарождения, утвердив положение - “все живое из живого”. Опыты Пастера, доказавшие невозможность  самопроизвольного зарождения простейших организмов в современных условиях, привели к тому, что вопрос о  возникновении жизни на Земле  стал важной научной проблемой. Ученые разделились на два лагеря: представители  одного лагеря развивали идею вечности жизни. Согласно этой теории жизнь на нашей планете никогда не зарождалась, а была занесена на Землю из глубин Космоса, где она существует вечно. Представители другого лагеря пытались создать более или менее правдоподобные представления о возникновении  живого из неживого. Сначала это трактовалось как внезапный случайный процесс. И только с помощью исследований таких ученых как Опарин А.И. (1924 г.), Холдейн Дж. (1929 г.) и их многочисленных последователей была выдвинута эволюционная теория зарождения жизни: жизнь на нашей планете не возникла внезапно, а сформировалась в ходе эволюции материи. 

Этапы эволюции биосферы

Около 20 млрд. лет  назад создалась наша планетарная  система: из хаоса к планетам и  Солнцу. На Земле к этому времени  уже в ходе эволюции звездного  вещества образовались необходимые  химические элементы, важнейшие условия - планетарный круговорот воды, атмосферы, минеральных веществ. И хотя примерно такие процессы присуще многим космическим  телам, жизнь зарождается далеко не везде. Таким образом, на Земле  создались космические, планетарные  и химические условия для более  специализированного пути эволюции - развития материи в направлении  жизни.

Поступившие из Космоса  углеродсодержащие соединения (метилцианид, метилацетилен, формальдегид ...) вместе с веществами первичной атмосферы (СН4, Н2, NH3, H2O) подвергались воздействию различных источников энергии (коротковолновое ультрафиолетовое излучение Солнца, грозовые разряды, высокая температура ...). В результате подобных воздействий простейшие органические соединения многообразно изменялись и усложнялись. Возникали молекулы сахаров, аминокислот, азотистых оснований и других углеродсодержащих соединений, из которых построены белки, нуклеиновые кислоты, жиры  и т.д.

Принципиальная возможность  образования сложных соединений из относительно простых была доказана многими исследованиями. Еще в 1861 г. Бутлеров обнаружил, что в растворе формалина в известковой воде при стоянии в теплом месте образуется сахаристое вещество. В 1953 г. американский ученый Миллер показал, что в результате пропускания искрового разряда через смесь СН4, NH3, Н2 и Н2О возникают аминокислоты и органические кислоты (уксусная, молочная и т.д.). Вслед за исследованиями Миллера другие авторы получили такие же результаты, использовав иные источники энергии: облучение УФ лучами, нагревание.

Важнейшим условием синтеза сложных органических соединений было ничтожное содержание в атмосфере  свободного кислорода (0.001%). Содержание кислорода в атмосфере достигло 1% от современного около 1 млрд. лет назад.

Начало эволюции химических соединений в направлении  жизни датируется с момента образования  земной коры, т.е. около 4.5 млрд. лет тому назад.

Возник круговорот органического вещества, причем отличие  его от круговоротов минеральных  веществ было в том, что если в  минеральном круговороте в основном наблюдается перенос веществ  из одной стихии в другую, то в  круговороте органического вещества существенными стали процессы синтеза и разрушения.

В поверхностных  водах водоемов днем под влиянием интенсивного ультрафиолетового излучения  преобладали процессы распада; на глубине, а также ночью в поверхностных  слоях преимущественно шел синтез. По мере обогащения водоемов органическим веществом увеличивалась вероятность  возникновения все новых и  новых, все более и более сложных  органических соединений из относительно простых веществ. Примерно в это  время возник процесс фотосинтеза.

Существенный этап в развитии жизни - формирование отдельных  организмов, различающихся особенностями  обменных процессов. Органические вещества, накапливающиеся в толще водоемов, распределялись в ней, видимо, неравномерно, образуя отдельные сгущения, своеобразные молекулярные рои - “коацерваты” (что означает “накопленный, собранный”). Эти коацерваты использовали различные вещества для синтеза соединений, необходимых для них; часть веществ подвергали распаду. Достигнув определенных размеров, материнская “капля” могла распасться на дочерние. С возникновением самовоспроизведения окончилась предыстория развития жизни. Коацерват превратился в простейший живой организм.

С появлением живых  организмов в полной мере вступил  в свои права мощнейший фактор эволюции - естественный отбор. В коацерватах  сначала все клетки были одинаковы. Затем на основе разделения труда  началась дифференциация на клетки, преимущественно  воспринимающие пищу, клетки, обеспечивающие подвижность, клетки воспроизводительные. Таким образом, осуществился переход  к многоклеточности. Это послужило  огромным стимулом к созданию новых  более сложных организмов. Многоклеточные организмы совершенствовались и  приобретали отличия друг от друга  в течение многих миллионов лет. Именно в этот период произошел переход  на кислородное дыхание, поскольку  его в атмосфере стало достаточно много. Круговорот органического вещества сменился круговоротом биологическим, который заключается в непрерывном  обмене веществом и энергией между  организмом и средой, в процессах  возникновения и разрушения организмов. Выход живых организмов на сушу представлял  собой настоящую революцию в  развитии биосферы: открылись новые  возможности развития - развитие всех форм животных вплоть до млекопитающих.

С возникновением человека начался следующий этап эволюции биосферы - антропогенный. Этот этап характеризуется  высокими темпами эволюции человека. Движущей силой антропогенеза была общественно-трудовая деятельность людей. Человеческое общество со временем превратилось в мощную природную силу, которая  сознательно, целенаправленно, закономерно  и необратимо меняет всю окружающую среду, включая околоземное космическое  пространство.

Естественно возникает  вопрос, каким путем пойдет далее  развитие человека и биосферы в целом, какими средствами избежать необратимых  последствий и предотвратить  распад биосферы.

Предотвратить изменение  среды невозможно, так как невозможно остановить социальный и научно-технический  прогресс человеческого общества. Очевидно, следует так управлять процессами взаимоотношений между человеком  и биосферой, чтобы они были взаимовыгодны и чтобы развитие общества не привело к полной деградации биосферы. Следовательно, следующим этапом эволюции жизни следует считать этап развития разума - должно происходить постепенное превращение биосферы в ноосферу (от греческого noos - разум; сходные понятия выражаются также терминами социосфера, антропосфера, техносфера).

Понятие ноосферы как  облегающей земной шар идеальной, «мыслящей» оболочки, формирование которой связано  с возникновением человеческого  сознания, ввели в начале XX в. П. Тейяр де Шарден и Э. Леруа. В.И. Вернадский, внеся в термин материалистическое содержание, создал стройную теорию формирования ноосферы. По учению Вернадского:

 ноосфера - новая  высшая стадия биосферы, связанная  с возникновением и развитием  человечества;

 познавая законы природы и совершенствуя технику, человечество становится крупнейшей преобразующей силой, сопоставимой с геологическими процессами прошлого;

 становление и  развитие человечества как новой  преобразующей природу силы выражается  в возникновении новых форм  обмена веществ и энергии между  обществом и природой во все  возрастающем биохимическом и  ином воздействии человека на  биосферу;

 зародившись на  планете, ноосфера имеет тенденцию  к постоянному расширению, постепенно  превращаясь в особый структурный  элемент космоса, выделяемый по  социальному охвату природы;

 понятием ноосферы  подчеркивается необходимость разумной  организации взаимодействия общества  и природы в противоположность  стихийному, хищническому отношению  к ней, приводящему к ухудшению  окружающей среды;