Понятие о биосфере

   Таким образом, все живое вещество нашей планеты составляет ~1/10000000 часть массы земной коры. Однако в качественном отношении живое вещество представляет собой наиболее высокоорганизованную часть материи Земли. По своему активному воздействию на окружающую среду живое вещество занимает особое место и качественно резко отличается от других оболочек земного шара, так же, как живая материя отличается от мертвой. Оценка среднего химического состава живого вещества была произведена А.П. Виноградовым. Главные составные части живого вещества - это элементы, широко распространенные в природе: в атмосфере, гидросфере, литосфере и космосе. Средний элементарный состав живого вещества отличается от состава земной коры высоким содержанием углерода. По содержанию других элементов организмы не повторяют состава среды своего обитания. Они избирательно поглощают элементы, необходимые для построения их тканей. В процессе жизнедеятельности организмы используют наиболее доступные атомы, способные к образованию устойчивых химических связей. Атомы углерода имеют способность создавать длинные цепи соединений с другими атомами, что приводит к построению бесчисленных полимеров и других сложных органических высокомолекулярных соединений.  

   По  оценкам разных источников биосфера возникла 3,5 - 4,5 млрд лет назад. Область  современного обитания живых организмов охватывает в среднем 12 - 17 км - несколько меньше на суше, больше в океане; сфера случайного попадания организмов и биогенных элементов колеблется до 40 - 50 км. Считается, что нижняя граница биосферы в среднем лежит на глубине 3 км от поверхности суши и 0,5 км ниже дна океана, хотя в буровых скважинах живые микроорганизмы обнаружены на глубине 4 км, а микробиологические остатки - до 7 км. В "черных курильщиках" - выходах термальных вод на дне океана на глубинах в 3 км при давлении около 300 атм (3Ч107 Па) обнаружены живые организмы при температуре 250 ЬС (с повышением давления при t > 100 ЬС вода не кипит). Растения поднимаются в горы до высоты ~ 5 км. Дальше царствует вечный холод, но жизнь здесь теплится - обитают некоторые паукообразные и микроорганизмы. Верхняя граница биосферы находится на высоте 20 - 25 км на уровне озонового слоя, защищающего все живое от жесткого ультрафиолетового излучения. Выше случайно залетают только споры бактерий и грибов. Масса биосферы составляет ~0,05 % массы Земли, объем - 0,4 %. Но именно эта незначительная по размерам оболочка планеты есть область зарождения, развития и сохранения на протяжении миллиардов лет жизни в одной из точек Вселенной. 

   Проблема  происхождения жизни  на Земле 

   Среди вопросов, которые интересуют науку, философию, религию, каждого человека, важнейшим есть: что такая жизнь? Как оно появилось на Земле? Традиционно считается, что первые научные теории относительно происхождения живых организмов на Земле создали О. Опарин и Дж. Холдейн. В соответствии с их представлениями, на рассвете геологической истории состоялся абиогенный синтез, то есть в первоначальных земных океанах, насыщенных разными простыми химическими соединениями, “в первичном бульоне” под влиянием вулканического тепла, разрядов молний и других факторов среды начался синтез более сложных органических соединений и биополимеров. Сложные молекулы аминокислот случайно объединялись в пептиды, которые, в свою очередь, создали первоначальные белки. Из этих белков синтезировались первичные живые существа микроскопических размеров.

   У этой и других подобных гипотез есть один существенный недостаток: нет  ни одного факта, который бы подтвердил возможность абиогенного синтеза  на Земле хотя бы простейшего живого организма из безжизненных соединений. В многочисленных лабораториях мира осуществлен тысячи попыток такого синтеза. Например, американский ученый С. Миллер, исходя из предположений относительно состава первичной атмосферы Земли, в специальном приборе пропускал электрические разряды через смесь метана, аммиака, водорода и паров воды. Ему удалось получить молекулы аминокислот - тех основных “кирпичиков”, из которых складывается основа жизни — белки. Эти опыты были многократно повторены, кое-кому с ученых удалось получить довольно длинные цепочки пептидов (простых белков). И только! Ни одного хотя бы простейшего живого организма никому не посчастливилось синтезировать. Ныне среди ученых популярностью пользуется принцип Реди: “Живое - лишь от живого”.

   Но  предположим, что такие попытки когда-то увенчаются успехом. Что докажет такой опыт? Лишь то, что для синтеза жизни нужный ум человека, сложная развитая наука и современная техника. Ничего этого на первоначальной Земле не было. Большее того, синтез сложных органических соединений из простых противоречит второму началу термодинамики, которая запрещает переход материальных систем от состояния большей вероятности к состоянию меньшей, а развитие от простых органических соединений к сложных, потом от бактерий к человеку происходил именно в этом направлении. Здесь мы наблюдаем ничто иное, как творческий процесс.

   В последнее время сокрушительного  удара гипотезе абиогенного синтеза  нанесли математические исследования. Математики подсчитали, что вероятность  самозарождения живого организма из безжизненных блоков практически равняется нулю. Так, Л. Блюменфельд доказал, что вероятность случайного образования за все время существования Земли хотя бы одной молекулы ДНК (дезоксирибонуклеиновой кислоты — одной из важнейших составных частей генетического кода) составляет 10- 800 Вдумайтесь в ничтожно маленькую величину этого числа! Ведь в знаменателе его находится цифра, где после единицы тянется ряд с 800 нулей, а это число в невероятное количество раз больше общего количества всех атомов во Вселенной Современный американский астрофизик Ч. Викрамасингхе так образно высказал невозможность абиогенного синтеза: “Быстрее ураган, который пронесется над кладбищем старых самолетов, соберет новенький суперлайнер из кусков лома, чем в результате случайного процесса возникнет из своих компонентов жизни”.

   Противоречат  теории абиогенного синтеза и  геологические данные. Как бы далеко мы не проникали у глубь геологической  истории, не находим следов “азойской  эры”, то есть периода, когда на Земле  не существовало жизни. Сейчас палеонтологи в породах, век которых достигает 3,8 млрд лет, то есть близкий ко времени образования Земли (4-4,5 млрд лет тому по последним оценкам), нашли ископаемые остатки довольно сложно организованных существ - бактерий, сине-зеленых водорослей, простых грибков. В. Вернадский был уверен, что жизнь геологически вечна, то есть в геологической истории не было эпохи, если наша планета была безжизненной. “Проблема абиогенеза (спонтанного зарождения живых организмов),—писал ученый в 1938 г.,— остается бесплодной и парализует действительно назревшую научную работу”.

   Вернадский  считал, что жизнь — такая же вечная основа космосу, которыми есть материя и энергия. “Мы знаем, и знаем это научно,— твердил  он,— что Космос без материи, без  энергии не может существовать. И достаточно ли материи и без выявления жизни - для построения Космоса, той Вселенной, который доступный человеческому уму?”. На этот вопрос он ответил отрицательно, ссылаясь именно на научные факты, а не на личные симпатии, философские или религиозные убеждения. “...Можно говорить о вечности жизни и проявлений ее организмов, как можно твердить о вечности материального субстрата небесных тел, их тепловых, электрических, магнитных свойств и их проявлений. С этой точки зрения таких же далеким от научных поисков будет вопрос о начале жизни, как и вопрос о начале материи, теплоты, электрики, магнетизма, движения”.

   Исходя  из представления о биосфере как  о земном, но одновременно и космическом  механизм, Вернадский связывал ее образование  и эволюцию с организованностью Космоса. “Для нас становится понятной,— писал он,— что жизнь есть явление космическое, а не сугубо земное”. Эту мысль Вернадский повторял многократно: “...начала жизни в том Космосе, который мы наблюдаем, не было, поскольку не было начала этого Космоса. Жизнь вечна, поскольку вечный Космос”.

   Земная  форма жизни чрезвычайно тесно  связанная с гидросферой. Об этом свидетельствует хотя бы тот факт, что вода есть основной частью массы  любого земного организма (человек, например, большее как на 70 % состоит из воды, а такие организмы, как медуза или на 97-98 %). Очевидно, что жизнь на Земле сформировалось лишь тогда, если на ней появилась гидросфера, а это, за геологическими сведениями, произошло почти с начала существования нашей планеты. Многие из свойств живых организмов обусловленные именно свойствами воды, самая же вода есть феноменальным соединением. Так, за данными П. Привалова, вода — это кооперативная система, в которой всякое действие распространяется “эстафетным” путем на тысячи междуатомных расстояний, то есть имеет место “далекодействие”.

   Некоторые ученые считают, что вся гидросфера Земли, в сущности, есть одна гигантская “молекула” воды. Установлено, что  вода может активироваться естественными  электромагнитными полями земного  и космического происхождения (в частности искусственного). Чрезвычайно интересным было недавнее открытие французскими учеными “памяти воды”. Возможно, то, что биосфера Земли есть единым суперорганизмом, и обусловлено этими свойствами воды? Ведь все организмы — это составные части, “капли” этой супермолекулы земной воды.

   Хотя  нам до сих пор известна лишь земная белково-нуклеиново-водная жизнь, это  не означает, что в безграничном Космосе не могут существовать другие его формы. Некоторые ученые, в  частности американке Г. Файнберг и Р. Шапиро, моделируют такие гипотетично возможные его варианты:

   плазмоиды - жизнь в звездных атмосферах за счет магнитных сил, связанных с группами подвижных электрических зарядов;

   радиобы — жизнь в межзвездных облаках на основе агрегатов атомов, которые находятся в разных состояниях возбуждения;

   лавобы — жизнь на основе соединений кремния, который может существовать в озерах расплавленной лавы на очень горячих планетах;

   водоробы — жизнь, которая может существовать при низких температурах на планетах, покрытых “водоемами” из жидкого метана, и черпать энергию из преобразований ортоводорода на параводород;

   термофаги — разновидность космической жизни, которые получают энергией из градиента температур в атмосфере или океанах планет.

   Конечно, такие экзотические, на наш взгляд, формы жизни пока что существуют лишь в воображении ученых и писателей-фантастов. Тем не менее не исключенная возможность реального существования некоторых из них, в частности плазмоидов. Есть некоторые основания считать, что на Земле параллельно с “нашей” формой жизни существует другой ее разновидность, похожий на упомянутых плазмоидов. К ним относят некоторые виды НЛО (нераспознанных летающих объектов), образование, похожие на шаровые молнии, а также невидимые для глаза, но фиксированные цветной фотопленкой летающие в атмосфере энергетические “сгустки”, что в ряде случаев проявляли разумное поведение.

   Таким образом, сейчас есть основания твердить, что жизнь на Земле появилось  с самого начала ее существования  и возникло, по словам Ч. Викрамасингхе, “от всепроникающей общегалактической живой системы”. 

   Эволюция  биосферы  

   Большинство утверждений и заключений, касающихся возникновения и эволюции биосферы, носит гипотетический характер. Это  предположительные суждения о различных стадиях процесса эволюции, которые не противоречат современным физическим, химическим, биохимическим и другим законам, но которые невозможно полностью, а иногда и частично подтвердить экспериментально. Такие гипотезы касаются следующих ключевых моментов эволюции биосферы. 

   Теория  Большого взрыва как  гипотеза зарождения Вселенной 

   В 1922 г. советский математик и геофизик Александр Александрович Фридман  нашел решение уравнений общей  теории относительности Альберта Эйнштейна. Оказалось, что решение является нестационарным, то есть Вселенная должна либо расширяться, либо сжиматься. В 1929 г. американский астроном Эдвин Хаббл обнаружил разбегание галактик, что свидетельствовало о расширении Вселенной. Обращая мысленно вспять картину расширения Вселенной, ученые пришли к выводу что примерно 20 млрд лет назад Вселенная была сжатой в точку и имела сколько угодно большую плотность. В результате Большого взрыва она начала расширяться, иначе говоря существовать. Ученые смогли восстановить картину развития Вселенной с малых долей первой секунды после Большого взрыва, но никто не знает ни причин, вызвавших взрыв, ни то, что было до него. "Теория Большого взрыва в настоящее время столь надежно установлена и верна, сколько верно то, что Земля вращается вокруг Солнца", - констатировал академик, советский физик-теоретик Зельдович в 1982 г. на международном конгрессе. Спустя 15 млрд лет после Большого взрыва, то есть примерно 5 млрд лет назад, сформировалась планета Земля как космическое тело. 
 
 
 

   Большой биологический взрыв  как гипотеза перехода от неживой к живой форме организации материи 

    Еще Луи Пастер в XIX в. первым обратил  внимание на то, что в неживой  природе молекулы либо зеркально  симметричны (H2O, CO2), либо одинаково  часто встречаются их правые и  левые стереоизомеры. Молекулы, из которых построены живые организмы, зеркально асимметричны, то есть киральны, чаще всего они подобны винтам, а во многих случаях ими и являются (например, двойная спираль молекулы ДНК). Но самое главное, эти молекулы встречаются в природе лишь в каком-то одном варианте - либо только левом, либо только правом: это так называемые кирально чистые молекулы (так, спираль молекулы ДНК всегда только правая). Пастер, а затем Вернадский полагали, что именно здесь проходит граница между химией живой и неживой природы. Можно сказать, что в отличие от неорганических объектов живые организмы построены из винтов, причем винты одного типа только левые, другого - только правые. Специфика живой природы - киральная чистота молекул. Человек как живой организм построен из молекул определенной киральности (для одних видов молекул левой, для других - правой). Потребляемая человеком органическая пища также построена из молекул определенной киральности. Ясно, что киральность молекул пищи согласуется с киральностью молекул человеческого организма (подобно тому, как правые гайки согласуются с правыми винтами, а левые - с левыми). А что будет, если киральность молекул пищи вдруг изменится? Такая пища будет уже непригодной (как непригодны левые гайки для правых болтов), она может оказаться биологически ядовитой. Современная химия в ряде случаев искусственно получает зеркально отраженные стереоизомеры; их действие на организм человека оказывается совершенно иным по сравнению с действием природных стереоизомеров. Так "отраженный" стереоизомер витамина С не воспринимается организмом; добавки в пищу некоторых искусственно полученных "отраженных" стереоизомеров, например фенилаланина, приводят к резкому нарушению обмена веществ, сопровождающемуся умопомешательством. Именно с вопросами зеркальной симметрии-асимметрии на молекулярном уровне тесно связана проблема возникновения жизни на Земле - ведь живая материя возникла в свое время из неживой! Это возникновение обусловлено нарушением существовавшей до того зеркальной симметрии, образованием кирально чистых молекул. Современная наука пришла к выводу, что переход от мира зеркально симметричных соединений к кирально чистому состоянию живого вещества биосферы произошел не в процессе длительной эволюции, а скачком - в виде своеобразного Большого биологического взрыва. Происхождение этого состояния связано с катастрофой, то есть с достижением развивающейся средой критической точки (точки бифуркации), за которой теряется устойчивость прежнего симметричного состояния. Этоакт самоорганизации материи. По некоторым оценкам процесс глобального перехода к киральной чистоте значительной части молекул мог произойти всего за 1 - 10 млн лет. Появление живого вещества ознаменовало собой переход от геохимической эволюции к биогеохимической. Мы отметили принципиальную физико-химическую разницу между живым и неживым веществом: живое - кирально асимметрично, неживое - симметрично. Для возникновения этой разницы были необходимы уникальные и неповторимые условия ранней эволюции Земли как планеты. Но как только появились первые предбиологические формы и праорганизмы, начал действовать принцип Реди: живое происходит только от живого, между живым и неживым веществом существует непроходимая граница, хотя и имеется постоянное взаимодействие. Это обобщение было сделано итальянским естествоиспытателем и врачом Реди еще в XVII веке. Если бы сложились локальные условия для возникновения жизни в наши дни (например, в жерле потухшего вулкана) или она была бы привнесена из космоса, то либо не смогла бы долго существовать, либо стала глобальным бедствием. В первом случае она была бы уничтожена ныне существующими организмами, во втором - подавила бы их. Но второй вариант мало вероятен: живое - достаточно хорошо приспособлено к условиям Земли и потому обладает большой надежностью. В развитой биосфере повторное возникновение живого исключено.