1 Общие свойства биосферы

Биосфера – это четвертая оболочка Земли, содержащая все живые организмы и ту часть вещества планеты, которая находится в непрерывном обмене с этими организмами. Биосфера – это область существования живых организмов на Земле. Первые представления о биосфере как о зоне жизни принадлежат французскому натуралисту Ж.Б. Ламарку. Дословно биосфера – это сфера жизни, так как «bios» – жизнь, а “sphaira” – шар, сфера. Впервые этот трермин ввел австрийский геолог Эдуард Зюсс в 1875 году.

Современные представления о биосфере сформулированы украинским ученым В.И. Вернадским сначала в отдельных статьях, а затем в лекциях, прочитанных в Карловском университете (Прага) и в Сорбонне (Париж). Положения, которые развивал Вернадский, были обобщены в книге “Биосфера”, опубликованной в 1926 г.

Сущность учения Вернадского заключается в признании исключительной роли живого вещества, преобразующего облик планеты. Поверхность Земли Вернадский рассматривал как своеобразную оболочку, развитие которой в значительной степени определяется деятельностью живых организмов. Вернадский доказал, что живые организмы оказывают решающее влияние на все геологические процессы, формирующие облик Земли. Жизнедеятельность живых организмов обусловливает химический состав атмосферы, концентрацию солей в гидросфере, образование почв и другие процессы. Живые организмы не только сами приспосабливаются к условиям внешней среды, но и активно их изменяют. Именно живые организмы улавливают и преобразуют лучистую энергию Солнца и создают бесконечное разнообразие нашего мира.

Самой существенной особенностью биосферы является биогенная миграция атомов химических элементов, вызываемая лучистой энергией Солнца и проявляющаяся в процессе обмена веществ, росте и размножении организмов. (Иначе можно сказать, что живое вещество преобразует энергию солнечных лучей в потенциальную, а затем – в кинетическую энергию биохимических процессов.) В основе биогенной миграции атомов в биосфере лежат 2 биохимических принципа: стремление к максимальному проявлению (“всюдности”) жизни (способность живого вещесмтва быстро осваивать свободное пространство) и обеспечение выживания организмов, что обеспечивает саму биогенную миграцию.

Другой главнейший аспект учения Вернадского – разработанное им представление об организованности биосферы, которое проявляется в согласованном взаимодействии живого и неживого вещества, во взаимной приспосабляемости организмов и среды.

Биосфера включает нижнюю часть атмосферы (до озонового слоя – на высоте 20-25 км), всю *гидросферу и верхнюю часть литосферы, то есть ту область, где существует жизнь, живые организмы. В настоящее время принято считать, что верхняя граница биосферы располагается на высоте примерно 85 км над поверхностью Земли, поскольку именно на такой высоте (в стратосфере) обнаружены споры микроорганизмов в латентном (скрытом, спящем) состоянии. Нижняя граница биосферы располагается в глубинах литосферы, где температура достигает 100 0 С и находится на глубине 1,5-2 км и 7-8 км (в зависимости от типа пород). Последние данные свидетельствуют о том, что некоторые бактерии могут существовать при температурах от абсолютного нуля до +180 0 С, в вакууме, в ядерных реакторах.

Общая масса живого вещества биосферы составляет 2,42 триллиона тонн (2,42∙10 12 т; масса биосферы 10 19 т), что в 2 тыс. раз меньше массы самой легкой оболочки Земли – атмосферы (5,15*10 15 т) , в 10 млн. раз меньше массы земной коры, в миллиард – массы Земли (6*10 21 т). Биомасса растений (фитомасса) составляет 2,4*10 12 т, биомасса животных и микроорганизмов (зоомасса и бактериомасса) – 0,02*10 12 т (в пересчете на сухое вещество). При этом видовая дифференциация животных в 5 раз больше видовой дифференциации растений (1,5-1,7 млн. видов животных и 300 тыс. (по Белявскому)-500 тыс. (по Кучерявому) растений).

Характерной особенностью живого вещества по сравнению с неживым веществом является очень высокая активность, высокая скорость реакций (в сотни-тысячи раз больше, чем у неживого вещества), например, очень быстрый обмен веществ. Все живое вещество биосферы обновляется в среднем за 8 лет. Биомасса Мирового океана обновляется за 33 дня, а его фитомасса ежедневно, фитомасса суши – примерно за 14 лет из-за большей продолжительности жизни наземных растений. Гусеницы некоторых насекомых за сутки перерабатывают пищи в 100-200 раз больше собственного веса, дождевые черви за 200 лет пропускают через свой организм весь 1-метровый слой почвы на Земле.

Для живых организмов характерно не только пассивное движение (под действием гравитации), но и активное (против течения воды, движения воздушных масс).

Благодаря живым организмам биосфера осуществляет следующие функции:

энергетическую (накопление и преобразование энергии);

газовую (способность изменять и поддерживать газовый состав среды обитания);

окислительно-восстановительную (интенсификация этих процессов в пространстве под действием живого вещества);

концентрационную (способность собирать в своем теле рассеянные в пространстве атомы химических элементов);

деструктивную (разложение как органических остатков, так и косного вещества);

транспортную (перенесение вещества и энергии в результате активного движения организмов);

средообразующую (изменение физико-химических параметров среды);

информационную (накопление, закрепление в наследственных структурах, передача информации) и др.

Впервые оценку вещества биосферы дал В.И. Вернадский. Основными компонентами биосферы он считал следующие типы вещества (всего 7):

а) живое вещество (растения, животные, микроорганизмы);

б) биогенное вещество – органические и органоминеральные продукты, созданные живыми организмами в течение геологической истории (каменный уголь, горючие сланцы, торф, нефть, газы биосферы – кислород, углекислый газ, вода, аммиак, сероводород и другие), являющиеся источником чрезвычайно мощной потенциальной энергии;

в) косное вещество (тяготеющий к постоянному, неподвижный) – горные породы неорганического происхождения (то есть образовано процессами, в которых живое вещество участия не принимало) и вода; это вещество является субстратом или средой для проживания живых организмов;

г) биокосное вещество – результат взаимодействия живого и неживого веществ (осадочные породы, почвы, илы - подводные грунты, природные воды) причем они представляют значительную биогеохимическую энергию в биосфере; соотношение живого и неживого в биокосном веществе колеблется, например, почва состоит в среднем из 93 % минеральных и 7 % органических веществ.

Кроме перечисленных видов веществ, существуют также вещество в радиоактивном распаде (полоний, радий, радон, уран, нептун, плутоний и др.), вещество рассеянных атомов (рубидий, цезий, ниобий, тантал образуют соединения на большой глубине в земной коре, иод и бром вступают в реакцию только на поверхности Земли) и вещество космического происхождения.

2 Состав и функционирование биосферы

Главным компонентом биосферы является живое вещество, под которым понимают все живые организмы. Организм – это живое существо определенного уровня биологической организации (ген-клетка-орган-организм-популяция-сообщество). Организмы отличаются от неживой природы определенной совокупностью свойств: клеточной организацией (кроме вирусов и фагов, доклеточных организмов); обменом веществ (метаболизмом), с помощью которого поддерживается гомеостаз организма (самовозобновление, постоянство внутренней среды и др.); движение, раздражимость, рост, развитие, размножение, адаптация и др.

Живое вещество биосферы состоит из организмов 3-х основных типов:

продуценты или автотрофы – организмы, которые для своего существования используют неорганические источники, т.е. создают органическое вещество за счет утилизации солнечной энергии, воды, углекислого газа и минеральных солей; к этому типу относятся зеленые растения суши и водной среды, сине-зеленые водоросли, некоторые хемосинтезирующие бактерии;

редуценты или деструкторы (также являются гетеротрофами, поскольку не создают органического вещества, а потребляют готовое) – организмы, которые разлагают органическую продукцию отмерших организмов (и продуцентов, и консументов) до простых соединений – воды, диоксида углерода, диоксида азота, минеральных солей (т.е. преобразуют органическое вещество в неорганическое); это бактерии, низшие грибы; количество видов этой группы наименьшее - их насчитывается 75 тыс. видов общей массой 1,8*10 8 т.

Основным движущим фактором развития процессов в биосфере является биохимическая энергия живого вещества. Рассмотрим общую схему биологического круговорота вещества в биосфере.

Схема переноса вещества и энергии в природных экосистемах

СОЛНЦЕ вещество

энергия

ПРОДУЦЕНТЫ КОНСУМЕНТЫ КОНСУМЕНТЫ

1-го порядка 2-го порядка

РЕДУЦЕНТЫ

ХИМИЧЕСКИЕ ВЕЩЕСТВА

продуценты (растения) с помощью фотосинтеза производят органическое вещество, потребляя углекислый газ, воду и энергию

6СО 2 + 6Н 2 О  С 6 Н 12 О 6 + 6О 2 ;

хемопродуценты используют энергию химических реакций (например, серные продуценты – пурпурные бактерии получают необходимые вещества не из воды, а из сероводорода, и вырабатывают органическое вещество; существуют также нитратные, нитритные бактерии);

консументы 1-го порядка (растительноядные животные) потребляют органическую массу растений; консументы 2-го порядка (плотоядные), 3-го (хищные растения, грибы) употребляют в пищу других консументов;

редуценты получают энергию, потребляя органическое вещество продуцентов и консументов, разлагая мертвые тела растений и животных до простых химических веществ (СО 2 , Н 2 О, минеральные вещества), замыкая круговорот веществ в биосфере.

В целом биосфера очень похожа на гигантский суперорганизм, в котором автоматически поддерживается динамическое постоянство физико-химических и биологических свойств внутренней среды и основных функций. Таким образом, биосфера представляет собой систему взаимодействующих между собой организмов и неживых компонентов природы, а не просто их совокупность.

В современном представлении биосфера – это глобальная экосистема, открытая система со своим “входом” и “выходом”. “Вход” – поток солнечной энергии, поступающий из космоса. “Выход” – созданные в процессе жизнедеятельности организмов вещества, которые по различным причинам “выпали” из биологического круговорота. Это так называемый “выход в геологию” – нефть, каменный уголь, осадочные породы и т.д.

При изучении взаимодействия организмов между собой и с окружающей средой используют понятие “экосистема”. Экосистема – это совокупность совместно обитающих разных видов организмов и условий их существования, находящихся в закономерной связи друг с другом. Термин предложен англ. ученым А. Тенсли (1935). Различают экосистемы 4-х уровней:

микроэкосистемы (ствол гниющего дерева; подушка лишайника: водоросли, грибы, мелкие членистоногие);

мезоэкосистемы (лес, пруд, степь, озеро и др.);

макроэкосистемы (континент, океан);

глобальная экосистема (биосфера Земли).

Синонимом понятию “экосистема” является термин “биогеоценоз”, предложенный советским экологом Сукачевым (Влад. Ник.). Согласно определению, биогеоценоз – это участок земной поверхности с относительно однородной растительностью, животным миром, климатическими и почвенными условиями, которые вместе взятые представляют собой компоненты единого организма, связанные между собой обменом веществ и энергии. Понятие биогеоценоз соответствует мезоэкосистеме.

Взаимосвязи живых существ друг с другом и с неживым веществом очень сложны. Количество возможных связей между членами экосистемы определяется формулой:

А= ------------- ,

где А – число связей, N – число видов в экосистеме. Например, N= 1 тыс., А= 1000*999/2  500 тыс. Среди этих многочисленных связей есть чрезвычайно важные, незаменимые. (Вмешательство людей в биосферные связи, о значении которых они имеют приблизительное представление, часто приводит к нежелательным последствиям. Например, в 30-х годах в Норвегии решили уничтожить хищных птиц (полярных сов, ястребов), которые уменьшали поголовье полярной куропатки; охотникам выдавали премии, льготы за уничтожение хищных птиц; среди куропаток вспыхнула эпидемия, которая почти полностью уничтожила этот вид; в данном случае совы и ястребы играли роль санитаров.)

Важнейшие связи – пищевые, энергетические .

Кроме энергетических, пищевых и химических связей, большую роль в биосфере играют информационные связи. Живые существа Земли освоили различные виды информации: зрительную, звуковую, химическую, электромагнитную.

К сожалению, система связей в биосфере пока расшифрована в общих чертах. С позиций кибернетики биосфера – это гигантская система, которая, как и ее составные части - биогеоценозы, описываются как “черный ящик”. Процессы, происходящие внутри его, закодированы природой. Можно с уверенностью сказать, что экосистема в ее основных чертах является саморегулирующейся, самоорганизованной (см. выше – организованность биосферы – одна из важнейших ее особенностей, по Вернадскому). Экологи объясняют самоорганизацию системы информацией, принизывыающей экосистему. Она содержится в живых организмах, в их генетическом коде и способности адаптироваться к смене условий среды.

Указанные выше особенности биосферы (способность к максимальному проявлению жизни, высокая активность живого вещества, способность к саморегуляции и др.) делают ее устойчивой системой. Обобщая результаты исследований в области геологии, палеонтологии, биологии и других естественных наук, Вернадский делает вывод, что “биосфера – стойкая динамическая система, равновесие в которой установилось в основных своих чертах с археозоя и неизменно действует в течение 1,5-2 млрд. лет”. Вернадский доказал, что устойчивость биосферы в течение этого времени проявилась в постоянстве ее общей массы (10 19 т), массы живого вещества, энергии, связанной с живым веществом (4,21*10 18 кДж), а также в постоянстве среднего химического состава живого вещества.

Устойчивость биосферы Вернадский связывает с ее разнообразием. Все функции живых организмов в биосфере (образование газов, окислительные и восстановительные процессы, концентрирование химических элементов и т.п.) не могут выполняться организмами какого-нибудь одного вида, а только их комплексом. Отсюда следует чрезвычайно важное положение, разработанное Вернадским: биосфера Земли сформировалась с самого начала как сложная система с большим количеством видов организмов, каждый из которых исполнял свою роль в общей системе. Без этого биосфера вообще не могла бы существовать, тот есть устойчивость ее существования была сразу заложена ее сложностью.

В соответствии с законом необходимого разнообразия Виннера-Шеннона-Эшби, который считают основным кибернетическим законом, система только тогда обладает стойкостью для блокирования внешних и внутренних воздействий, когда она имеет достаточное внутреннее разнообразие. Таким образом, разнообразие (видовое разнообразие живых организмов, разнообразие природных зон, климатических условий существования, разнообразие среды обитания и др.) – еще одна важная особенность биосферы. Исходя из экосистемных представлений, видовое разнообразие – это не просто арифметическая величина, ниже которой не должен опускаться живой мир. Это реальная потребность каждого существующего на планете вида в трофических цепях биогеоценозов и биосферы в целом. Видовое разнообразие необходимо сберечь для нормального функционирования биосферы.

3 Происхождение и эволюция биосферы

Первыми научными теориями относительно происхождения живых организмов на Земле стали теории А. Опарина и Дж. Холдейна. (Опарин – российский биохимик – в 1923 г. выдвинул гипотезу о возможности возникновения органических соединений без участия живого вещества.) Согласно этим теориям, на заре геологической истории произошел абиогенный синтез, то есть в первых земных океанах, насыщенных разными простыми химическими соединениями, под действием тепла вулканов, разрядов молний и других факторов окружающей среды начался синтез более сложных органических веществ и биополимеров. Сложные молекулы аминокислот случайно объединялись в полипептиды, которые, в свою очередь, дали первые живые существа микроскопических размеров.

У этой гипотезы есть один существенный недостаток. Нет ни одного факта, который подтвердил бы возможность абиогенного синтеза на Земле хотя бы какого-нибудь простейшего живого организма из неживых соединений. Во многих лабораториях мира проведено тысячи опытов по таким синтезам. Американец С. Миллер (1953), исходя из возможного состава первичной атмосферы Земли (азот, аммиак, водород, вода, метан), в специальном устройстве пропускал электрический разряд через смесь газов. Ему удалось получить молекулы некоторых аминокислот (основы белка). Эти опыты были многократно повторены, некоторым ученым удалось получить довольно длинные цепочки простых белков. И все! Ни одного самого простого живого организма никому получить не посчастливилось. Даже если применить сложное оборудование и определенные условия, чего на самом деле на Земле не было.

В последнее время математики подсчитали, что вероятность зарождения живого организма из неживых блоков равна практически нулю. Л. Блюменфельд доказал, что вероятность случайного образования за все время существования Земли хотя бы одной молекулы ДНК (дезоксирибонуклеиновая кислота) составляет 10 -800 .

Противоречат теории абиогенного синтеза и геологические данные. Как бы мы далеко не проникли в глубь геологической истории, на Земле не найдено следов того периода, когда на ней не существовало жизни. Палеонтологи нашли ископаемые остатки довольно сложно организованных существ – бактерий, сине-зеленых водорослей, простых грибков в породах, возраст которых 3,8 млрд. лет (время образования Земли 4-4,5 млрд. лет назад).

Тем не менее, теории абиогенного синтеза широко распространены и популярны в настоящее время. В основе этих теорий лежат некоторые общие принципы: 1) накопление в океане органических веществ, синтезированных абиогенным путем; 2) в зонах концентрации органических веществ возникли молекулы, способные к самокопированию (к репликации); 3) на основе репликаторов сформировались механизмы матричного синтеза (в том числе биосинтез белков), генетический код, что и обеспечило возникновение клеток живого вещества.

Религия рассматривает возникновение жизни на Земле как акт создания ее богом.

Некоторые ученые, в том числе и Вернадский, считают, что живые организмы занесены на Землю из космоса с метеоритами или космическими цивилизациями.

Вернадский был уверен, что жизнь геологически вечна, то есть в геологической истории не было эпохи, когда наша планета была бы неживой. Он также считал, что жизнь – такая же вечная основа Космоса, какими являются материя и энергия. Исходя из представлений о биосфере как о земном, но одновременно и космическом механизме, Вернадский связывал ее образование и эволюцию с организованностью космоса. “Для нас становится понятным, что жизнь есть явление космическое, а не чисто земное”. “… Начала жизни в том Космосе, который мы наблюдаем, не было, поскольку не было начала этого Космоса. Жизнь вечна, как вечен Космос”. (Это подтверждается способностью организмов воспринимать информацию из космоса, чувствительностью организмов к действию электромагнитных полей и др.)

Все эволюционные теории, начиная с Ч. Дарвина, основываются на положении,что развитие идет от простого к сложному, что генетическую информацию контролирует окружающая среда путем естественного отбора наиболее приспособленных индивидов. Однако при этом совсем не учитывается, что лучше всего приспособлены к разнообразным земным условиям именно простейшие существа – прокариоты. Они существовали на Земле без заметных изменений своего строения 3 млрд. лет и за все время своего существования настолько существенно изменили окружающую среду и биосферу в целом, что с появлением новых, сложно организованных организмов вынуждены были отойти на задний план. В настоящее время они процветают там, где никто другой существовать не может: в концентрированных соленых водах некоторых озер, высокотемпературных гидротермальных источниках, даже в ядерных реакторах. Таким образом, наблюдается эволюционный тупик.

Сам создатель теории естественного отбора Дарвин не мог объяснить такого явления, когда в процессе эволюции часто имеют преимущества не наиболее прогрессивные формы. По Дарвину, какая-либо черта закрепляется в последующих поколениях, если благодаря ей организм лучше приспосабливается к условиям жизни. Природная среда сама осуществляет отбор – поэтому он называется естественным. Лучше приспособленная особь имеет больше шансов выжить и дать потомство. Жизнь демонстрирует много исключений из этого правила, даже на примере эволюции самого человека. К жизни должен лучше приспосабливаться более интеллектуально развитый человек, опытный, образованный, поскольку он лучше знает, как надо ориентироваться в тех или иных обстоятельствах, однако статистические данные свидетельствуют, что именно люди профессий, требующих более высокого интеллекта, имеют меньше потомков.

В «Происхождении видов» Дарвин писал, что любой сложный орган возник в результате многочисленных последовательных незначительных изменений. Однако в настоящее время обнаружены тысячи таких органов, которые не соответствуют данному правилу, то есть отсуствует аналог органа у других видов, например, железа, выделяющая яд у змеи, или «конденсатор» у угря, ударяющего электротоком.

Дарвин считал, что каждому виду должен предшествовать почти идентичный ему родительский вид. Однако находки геологов подтверждают, что все виды сменяли друг друга неожиданно резко, почти не изменяясь в процессе существования, и также неожиданно исчезали.

Если бы эволюция действительно происходила путем постепенного изменения тех или иных черт видов с последующим их закреплением, то среди ископаемых остатков организмов должно было быть большое количество промежуточных форм, однако в определенном слое горных пород мы находим остатки только одного вида, а в соседнем с ним слое – другого вида. Объяснить это неполной палеонтологической картиной нельзя – почему исчезли именно промежуточные формы организмов?

Рассмотрим основные этапы эволюции биосферы.

Первыми живыми организмами на Земле были прокаритоы (~ 3 млрд. лет назад) – простейшие организмы, в клетках которых отсутствует ядро: бактерии, сине-зеленые водоросли; они возникли в гидросфере). Прокариоты были анаэробами, т.е. существовали в бескислородной среде (жили глубоко в морях). Необходимые для жизни вещества и энергию они доставали, в основном, используя органические вещества «первичного бульона». Но одновременно с этим или немного позднее некоторые организмы могли получать необходимую энергию за счет химических реакций (в процессе хемосинтеза) или (уже позднее) в результате поглощения и преобразования солнечной энергии (впроцессе фотосинтеза). Первые хемосинтезирующие организмы окисляли серу в сероводороде до молекулярной серы или железо (+2) до железа (+3). Первые фотосинтезирующие бактерии – цианобактерии (синезеленые водоросли). Они из углекислого газа и воды с помощью солнечного света создавали молекулы простых сахаров, выделяя кислород. Кислород накапливался в атмосфере, замещая постепенно метан и аммиак. В океане появились аэробные организмы, которые использовали кислород для окисления глюкозы (для кислородного расщепления простых сахаров). Живое вещество заселило всю гидросеру, включая поверхностные слои океана и его мелководий. Прокариоты оказали огромное влияние на состав атмосферы, гидросферы, литосферы (на увеличение содержания кислорода в атмосфере, ускорение процессов разрушения горных пород, образования почвы и др.).

После прокариотов на Земле появились эукариоты – организмы, в клетках которых содержится ядро (~ 1,5-2 млрд. лет назад). Сначала они были одноклеточные, а потом появились многоклеточные организмы (~ 700 млн. лет назад). Считается, что около 600 млн. лет назад в биосфере начинается важнейший эволюционный процесс – заселение материков живыми организмами. Первыми из них были низшие автотрофные растения. Около 500 млн. лет назад появились сосудистые растения, насекомые. Голосеменные растения появились примерно 350 млн. лет назад, а цветочные (покрытосеменные) растения и млекопитающие животные – в конце юрского периода – около 100 млн. лет назад (в мезозойской эре). В кайнозойской эре: ~ 50 млн. лет назад появились злаковые, ~ 20 млн. лет назад происходит увеличение видового разнообразия млекопитающих, содержание кислорода в атмосфере становится близким к современному.

Таким образом, биосфера сформировалась на ранних этапах развития жизни на Земле, причем очень быстро и в достаточно сложном виде. К. Циолковский считал, что многочисленные виды простейших организмов зародились на Земле одновременно. Эту же мысль подчеркивал и Вернадский.

Чем же обусловлена изменчивость живых существ вообще? Что является движущей силой эволюции? Открытие генетического кода позволило приблизиться к разгадке этой тайны. Оказалось, что в двойной спирали ДНК зашифрованы все сведения об организме, и согласно этой программе происходит его индивидуальное развитие. (Строение генома* (*геном - совокупность генов, содержащихся в одинарном наборе хромосом данного организма) высокоорганизованных организмов очень сложное – в ДНК человека насчитывается 3 млн. пар нуклеотидов** (**нуклеотид – сложное соединение, составная часть нуклеиновых кислот, высокомолекулярных органических соединений, и других биологически активных соединений).) Следовательно, изменчивость организмов, появление новых видов в процессе эволюции, связаны со сменой записей в генетическом коде. Доказано, что генетическая информация нарушается под действием мутагенных факторов – радиации, активных химических веществ, таких как пестициды, температура и т.д. Окружающая среда все больше загрязняется этими факторами вследствие технологической деятельности людей. Возникает вопрос: не готовим ли мы себе «генетическую» катастрофу?

На основании достижений генетики можно предположить, что эволюция органического мира происходит за счет появления мутаций, то есть случайных отклонений в генетической записи под влиянием мутагенных факторов окружающей среды. В случае, если новые свойства выгодны для организма, они закрепляются естественным отбором.

Но: результаты исследований генетиков свидетельствуют, что большинство мутаций вредно для организма. Особи, которые появляются на свет после мутагенного влияния радиации или химикатов, являются бесплодными, нежизнеспособными. Известно также, что искусственно выведенные путем гибридизации новые виды имеют тенденцию со временем «расщепляться» на своих предшественников (гибрид волка и собаки через несколько поколений расщепляется на волка и собаку). Это свидетельствует о том, что организм сопротивляется накоплению ошибок (мутаций) в генетическом коде – включая и механизм ремонта кода. Следует вывод: возникновение нового вида организмов за счет мутаций является маловероятным.

Если сравнить строение какой-нибудь клетки организма человека и клетки простейшего животного (например, инфузории), то нельзя найти принципиальных различий. Однако каждая из клеток высокоорганизованных существ, кроме своих обычных функций (дыхание, обмен веществ), выполняет также определенные специальные функции, связанные с жизнедеятельностью организма. В изолированном состоянии клетка высокоорганизованного организма жить не может, она функционирует лишь в сотрудничестве и кооперации с другими клетками.

Программа функционирования клетки с самого начала записана в ее хромосомной структуре, содержится в генах.

Изучение эволюции биосферы позволяет сделать вывод, что каждое живое существо рождается, развивается, выполняет свою программу жизни как составная часть огромного сверхорганизма – биосферы. Она, в свою очередь, является порождением космического надорганизма – Галактики. А все галактики являются как-бы клеточками сверх-сверхорганизма - Космоса.

К. Циолковский так подытожил свои размышления о нас и нашем месте в Космосе: «Все порождено Вселенной. Она – начало всех вещей, все от нее зависит. Человек и его воля есть лишь проявление воли Вселенной… ни один атом Вселенной не избегает ощущения высшей разумной жизни. Возможно, что вопрос «Что породило Вселенную?» вообще нельзя ставить». Циолковский считал, что о причине Космоса можно только догадываться.

Как осуществляется программа эволюции биосферы, нам известно лишь в общих чертах. В частности, определено, что в целом, процесс эволюции можно рассматривать как увеличение объема генетической информации. Например, объем информации у млекопитающих в 100 тыс. раз больше, чем у бактерии. Причем большое значение имеют не только размеры генетической цепочки, но и ее структура. Еще эволюция биосферы свидетельствует, что при любом воздействии на биосферу (природном или антропогенном) ее гомеостаз обеспечивается за счет сохранения биологического разнообразия.

Можно констатировать еще одну черту эволюции биосферы – ее нарастающий темп. Так, если условно принять возраст Земли (4,5 млрд. лет) за одни сутки (24 часа), то в таких единицах жизнь на Земле существует примерно 20 часов, первые живые организмы вышли из моря на сушу 6 часов 35 минут назад, млекопитающие существуют 3 часа 46 минут, человек - последние 10 секунд. И наибольшие изменения в составе и характеристике биосферы произошли именно в эти 10 секунд.

4 Эволюция человека. Ноосфера

Появление на Земле Разума, носителем которого является человек, коренным образом изменила ход эволюции биосферы. Как считают некоторые ученые, и в том числе известный биолог и писатель-фантаст И. Ефремов, только человек в земных условиях мог стать носителем разума. (Писатели-фантасты: Саймак – разумные цветы, Стругацкие – собаки, Лем – мыслящий океан протоплазмы. Американский биолог Билински считает, что при определенных условиях на Земле могли появиться разумные рептилии, осьминоги.) Для этого у человека есть все необходимое: могучие органы чувств и, прежде всего, зрение, которое может охватить большое пространство, точно фиксировать предметы; развитые конечности, способные выполнять работу; форма человека, его черты как мыслящего животного не случайны, они больше всего соответствуют организму, который имеет огромный думающий мозг. Что значит «огромный мозг»? Большинство антропологов сегодня считает, что есть определеннный минимум мозга, ниже которого его хозяин не может стать разумным. Это 700-750 см 3 . Однако, с дщругой стороны, масса мозга не является единственным условием для животного стать разумным. Еще большее значение имеет его структура, в частности, внутренняя структура коры мозга.

У современных людей объем мозга колеблется в пределах 1200-2000 см 3 . Ученые установили, что потенциальные возможности человеческого мозга на много порядков превышают физиологические потребности. Развитие мозга первых гомоноидов происходило намного быстрее, чем этого требовали изменения окружающей среды. Современного уровня сложности мозг человека достиг задолго до того, как возникли культура и цивилизация. По некоторым подсчетам, мозг современного человека используется не более чем на 2-3% своих потенциальных возможностей. Похоже на то, что эволюция человека заблаговременно предвидела будущие потребности человека и наделила его таким «компьютером», основные узлы которого заблокированы и будут задействованы когда-либо потом.

С генетической точки зрения ближайшим родственником человека в животном мире являются обезьяны. По строению молекулы ДНК человека и шимпанзе отличаются только на 2%. По подсчетам генетиков человек отделился от человекообразных приматов около 5 млн. лет назад. Но предшественники людей –австралопитеки, а затем – неандертальцы и синантропы – не являются нашими предками. Сейчас ученые считают, что эволюция человека современного вида началась намного ближе к настоящему времени, чем считалось раньше. Около 200 тыс. лет назад, пока еще неизвестно, по какой причине, на юге Африки появилась небольшая группа людей современного типа (кроманьонцы), потомки которых через 100 тыс. лет заселили Африку, а затем расселились по всему миру (через Суэцкий перешеек попав в Евразию). Они отличались от неандертальцев высоким ростом, стройным телом, высоким лбом, но меньшей физической силой. Некоторое время рядом с Гомосапиенс жили неандертальцы, но они не выдержали конкуренции с разумными существами. С течением времени неандертальцы не развивались, а деградировали, так как более поздние неандертальцы стоят дальше от современного человека, чем ранние. Это тупиковая ветвь (так же, как и синантропы и др. формы древних гомоноидов).

Прародина человека установлена на основе изучения ДНК разных расовых групп. Большая часть ДНК сосредоточена в ядрах клеток. В каждом поколении ядерная ДНК меняется, когда перетасовываются наследственные линии отца и матери. Но в клетках есть ДНК метахондрий (специальных образований, которые обеспечивают клетку энергией). ДНК метахондрий наследуются только по материнской линии, т.е. эта ДНК может меняться только в результате случайных мутаций. Американские биологи на основе анализа ДНК метахондрий установили, что у всех современных людей различных регионов предок один, и, кроме этого, в руки специалистов попали также «генетические» часы - вследствие мутаций ДНК меняет структуру на 3% за 1 млн. лет. Таким образом, найдено, что самая старая ДНК у африканок (200 тыс. лет), более молодая – у азиаток (100 тыс. лет), самая молодая – у европеек (50 тыс. лет). Следовательно, миграция людей шла из Африки в Азию, а затем в Европу; расовые отличия людей возникли относительно недавно.

Эволюция человека необычна. В отличие от всех других организмов, человек использует огонь, орудия труда, жилища, одежду, другие средства и приемы, чтобы создавать собственную стабильную среду. Человеку не нужно изменять свою организацию под воздействием изменений в окружающей среде. Поэтому его физическая эволюция практически остановилась. Сохраняя свою внутреннюю среду, человек дальше все в больших масштабах изменяет окружающую среду. Учитывая потенциальные возможности человеческого мозга, можно представить возможности человека для самоусовершенствования и развития интеллекта.

Человек в биосфере Земли является новым фактором. Человек не просто влияет на окружающую среду, но изменяет и с большой скоростью структуру самих основ биосферы. В связи с этим возникает понятие ноосфера. Понятие «ноосфера» появилось в связи с оценкой роли человека в эволюции биосферы.

С появлением человека в биосфере и его эволюцией связано понятие «ноосфера».

Впервые термин ноосфера был предложен в 30-е годы французскими философами и естествоиспытателями (Тейяр де Шарден, Ле-Руа). В буквальном смысле термин означает «сфера разума» (ноос – разум).

Ноосфера – это высшая стадия развития биосферы, связанная с возникновением и становлением в ней цивилизованного общества, с периодом, когда разумная деятельность человека становится главным, определяющим фактором развития. Научная мысль и деятельность человека изменили структуру биосферы, обусловили физические и химические изменения всех ее оболочек (атмосферы, литосферы, гидросферы).

Понятие «ноосфера» наполнил смыслом и развил Вернадский, в частности, в 1944 г. в статье «несколько слов о ноосфере», опубликованной перед его смертью, ученый приводит свои мысли о дальнейшем развитии биосферы и ее переходе в новое качество – ноосферу. Вернадский подчеркивал особую роль живого вещества в планетарных процессах, в создании и развитии биосферы. Среди всех живых существ он выделил человека как мощную гелогическую силу, способную оказывать влияние на ход различных процессов в охваченной ее воздействием среде Земли и околоземном пространстве. Человек способен перестраивать эту среду согласно своим представлениям и потребностям (благодаря человеческому труду, интеллекту).

Действительно, за последние 500 лет человечество освоило новые формы энергии – паровую, электрическую, атомную; научилось использовать почти все химические элементы. Человек проник в глубь земли и поднялся на десятки километров над ее поверхностью, вышел в открытый космос, построил космические станции.

Человечество освоило всю биосферу и получило значительно большую, чем другие организмы, независимость от окружающей среды. Согласно Вернадскому, ноосфера – окружающая человека среда, в которой природные процессы обмена веществ и энергии контролируются обществом. Человек, по мнению Вернадского, является частью биосферы, ее определенной функцией. Вместе с тем, воздействие человека на природу по своему характеру резко отличается от других форм живого вещества. Поскольку некоторые изменения в биосфере, произошедшие под влиянием деятельности человека, являются нежелательными для людей, Вернадский считает, что они должны приложить определенные усилия, чтобы, например, сберечь некоторые виды растений и животных. Причем, сохранить в биосфере следует только то, что является полезным и выгодным людям. В целом среда является чужой для человека и его культуры, оказывает на человека давление. Биосфера рассматривается как строительный материал для создания ноосферы. Разум человека в будущем будет основной руководящей силой развития ноосферы.

Подход Вернадского к этой проблеме является по сути рационалистическим. Ноосфера в представлении Вернадского является фактически синонимом той техносферы, которая сегодня создается на Земле. Сейчас в пределах ноосферы выделяют: техносферу – совокупность искусственных объектов, созданных антропогенной деятельностью, и природных объектов, измененных этой деятельностью; антропосферу – совокупность людей как организмов; социосферу – сферу общественной производственной деятельности, общественных отношений.

Вернадский полагал, что человек с помощью разума может управлять процессами в биосфере. «На определенном этапе своего развития человек вынужден взять на себя ответственность за дальнейшую эволюцию планеты, иначе у него не будет будущего». Действительно, человек достиг больших достижений: вышел в космос, овладел тайнами термоядерной энергии, научился клонировать животных. Однако 50 лет спустя после выхода работ Вернадского оказалось, что развитие техносферы способствует разрушению биосферы, в частности ее основных, жизненно важных для существования человека участков. И теперь очевидно, что эволюция человеческого общества должна быть направлена не на завоевание природной среды, а на ее гармонизацию. (Гирусов: ломка развития человеческой деятельности должна идти не вопреки, а в унисон с организованностью биосферы, ибо человечество, образуя ноосферу, всеми своими корнями связано с биосферой.)

По современным представлениям, ноосфера – сфера гармонического взаимодействия природы и общества. Это идеальный вариант будущего. Определяющим фактором функционирования ноосферы является не стихийное природное развитие, а высокий интеллект человека, разум, мудрость. Основой ноосферного процесса должен стать переход человечества к социальной автотрофности (обеспечение энергетическими ресурсами и сырьем на основе целостности общественного производства и биотехнологии – многократное повторное использование природных и синтезированных веществ и материалов). Для перехода к ноосфере необходимо преодолеть конфликт между циклическим и безотходным характером биогенных процессов обмена веществ и энергии. Необходимо преодолеть потребительский подход к природе, консерватизм мышления, создать более совершенные технологии производства, перейти к разумному, рациональному хозяйствованию.

Ноосфера подразумевает также жизнь людей в мире без войн и социальных катаклизмов, в мире материального достатка, экологически безопасных продуктов, незагрязненной окружающей среде.

Сегодня абсолютно нереальной выглядит идея Вернадского, в соответствии с которой разум человека может управлять всеми процессами в биосфере. Ю. Одум считает (1986), что несмотря на возможности и способности человеческого разума к управлению природными процессами, тем не менее, еще рано говорить о ноосфере, так как человек не может предугадать все последствия своих действий. Об этом свидетельствует множество возникших экологических проблем на нашей планете.

Ряд ученых (Куражковский, 1992) полагают, что правильно говорить в настоящее время о сущетсвовании начальных стадий развития ноосферы, имеющих принципиальные отличия от ее будущего состояния. Современный русский философ В. Кутирев считает, что ноосфера как гармония – это типичный пример утопии.

Дайте определение науке «экология».

Назовите основные разделы традиционной экологии.

Кто и когда ввел термин «экология» ?

Когда экология сформировалась как самостоятельная дисциплина?

На какие периоды можно разделить историю развития экологии?

Что изучает современная экология?

Что такое «глобальный экологический кризис» ?

Какими основными явлениями отмечен современный глобальный экологический кризис?

Что включает понятие «природная среда» ?

Из каких сфер состоит атмосфера?

Назовите характерные особенности тропосферы и стратосферы.

В какой сфере располагается озоновый слой?

Каков химический состав атмосферы?

Каковы основные экологические функции атмосферы?

Что такое «литосфера» ?

Как образуется почва?

Из каких компонентов состоит почва?

Каковы основные экологические функции литосферы в целом и почвы в частности?

Что включает «гидросфера» ?

Каковы запасы пресной воды на Земле?

Назовите основные экологические функции гидросферы.

Дайте понятие «биосферы».

Каковы основные особенности биосферы (по Вернадскому) ?

Назовите основные количественные характеристики биосферы.

Что является основным компонентом биосферы?

Каковы особенности живого вещества?

Назовите основные типы вещества биосферы, приведите примеры.

Каковы границы биосферы?

Дайте определение понятиям «продуценты», «консументы», «редуценты».

Что представляет собой общая схема переноса вещества и энергии в биосфере?

Приведите основные характеристики продуцентов, консументов, редуцентов.

Какие существуют гипотезы о происхождении жизни на Земле?

Дайте краткую характеристику основных этапов эволюции биосферы.

Чем эволюция человека отличается от эволюции других живых организмов?

Что такое «ноосфера» ?

Кто и когда ввел понятие «ноосфера» ?

Биосфера – это оболочка земли, которая охватывает все живые организмы, среду их обитания, а также продукты жизнедеятельности. Впервые определение биосферы ввел австрийский ученый Зюсс в 1875 году. Однако содержание этого понятия было раскрыто только через пятьдесят лет академиком Вернадским.

Биосфера хоть и кажется чем-то необъятным, но все же имеет свои границы. Верхняя граница биосферы проходит в атмосфере, а если еще конкретнее – то в тропосфере и достигает озонового слоя Земли. Нижняя граница определена в слое литосферы и включает в себя всю гидросферу, а также небольшую часть литосферы. Общая толщина вертикального слоя биосферы составляет почти 20 км. Структура биосферы включает в себя четыре основных вида веществ. Одним из наиболее важных считают живое вещество – это все тела, которые населяют Землю, независимо от того, к какой системе они принадлежат (микроорганизмы, животные, растения). Вещества, которые живые организмы создают и перерабатывают в процессе их жизни, называют биогенным веществом. Это нефть, горючие сланцы, известняки и прочие. Существует также косное вещество. Оно, в отличие от биогенного, происходит без участия живых организмов. Вещество, которое создается как живыми организмами, так и косвенными процессами, называется биокосное вещество. Живое вещество выполняет в биосфере важные биохимические функции, благодаря которым обеспечивается постоянный круговорот веществ, энергии, целостность биосферы и ее существование. Газовая функция характеризируется постоянным газообменом между живыми и неживыми организмами. Живые организмы выполняют этот газообмен за счет дыхания, а растения – за счет фотосинтеза. Концентрационная функция живого вещества отображает умение живых организмов накапливать в себе химические элементы. Благодаря этой функции, образовались скопления угля, торфа, нефти. Окислительно-восстановительная функция связана с химическими обменами веществ. Она служит основой для метаболизма, а также пластического и энергетического обменов. Энергетическую функцию живого вещества в первую очередь выполняют растения. Для существования биосферы ей нужна энергия. Зеленые растения улавливают солнечный свет и благодаря фотосинтезу создают химические тела – своеобразные накопители, которые становятся источником энергии для биосферы.

Биосфера – это земная оболочка, на которой живут и взаимодействуют живые организмы. Она представляет собой совокупность растений, животных, грибов и бактерий и результатов их жизнедеятельности. Биосфера способна самостоятельно регулировать природные процессы, исключая объекты, которые противоречат процессам ее развития. Это активная оболочка земной поверхности, которая является геохимической силой всемирного масштаба.

Биосфера Земли - это сложная глобальная совокупность, объединяющая все живые организмы и ту часть неживой природы, которая обменивается энергией с живым веществом, влияет на него и сама подвергается его влиянию. Термин «биосфера» появился в науке благодаря Ж. Ламарку и Э. Зюссу еще в XIX веке. Однако учение о биосфере было создано только в начале XX века, и огромный вклад в его разработку принадлежит выдающемуся советскому ученому В. И. Вернадскому. Он впервые рассмотрел функционирование всего живого и взаимодействие его с планетой как комплексный динамический процесс.

Вернадский также уделил внимание эпохе, когда возникла биосфера, то есть наиболее ранним этапам истории Земли.

Границы распространения жизни на Земле

Границы биосферы определяются пригодностью физико-химических условий для существования живых организмов. Нижней границей распространения жизни принято считать изотерму 100 °C в литосфере, расположенную на глубине около 6 км, либо дно океана (около 11 км). Однако эти оценки могут оказаться заниженными, поскольку существуют глубоководные организмы-экстремофилы, переносящие температуры свыше 200 °C (при высоком давлении вода там не кипит). Так что литосфера теоретически может быть населена значительно глубже, но в целом ниже 3-4 км вряд ли возможна активная жизнедеятельность.

Верхние границы биосферы определяются высотой озонового слоя и не поднимаются выше 15-20 км. Фактически же живые организмы могут быть активны на высотах до 8-9 км. В общем, жизнь весьма разнообразна и умеет приспосабливаться к самым разным условиям. Но когда и как возникло все это богатство?

Лаборатория на молодой планете

Первичный органический синтез вполне мог идти в газопылевом протопланетном облаке на ранних этапах формирования Солнечной системы. Так что новорожденная Земля, вероятно, уже имела в своем составе достаточное количество простой органики.

Есть также геологические свидетельства того, что температурный режим Земли с самого начала (возраст нашей планеты составляет 4,5-4,6 млрд лет) позволял существование воды в жидкой фазе. Дегазация недр должна была проходить достаточно активно, поскольку мощной коры планета еще не имела. Вулканы создавали первичную атмосферу и гидросферу, поставляли химически активные вещества. На поверхность выпадали метеориты и кометы. В геохимический круговорот было вовлечено множество веществ, которые непрерывно вступали в реакции, превращались в новые соединения, а те, в свою очередь, реагировали друг с другом.

Автокатализ - двигатель прогресса

Но как все-таки из подобной смеси ингредиентов могла получиться хотя бы самая примитивная живая система? Долгое время поиски ответа на этот вопрос многие ученые вообще считали бесперспективными. Проблема сдвинулась с мертвой точки только в начале 1980-х годов, когда к решению ее подключили теорию самоорганизующихся систем.

Пусть на одном субстрате идет несколько реакций. Тогда более медленные из них станут затухать и прекратятся, то есть будут вытеснены быстротекущими. Так, уже на самых ранних стадиях предбиологической эволюции начинает действовать естественный отбор. Преимущество получают цепные (автокаталитические) реакции, ускоряемые собственными продуктами. На следующих уровнях организации - автокаталитических циклах и гиперциклах - процессы также отбираются на эффективность и сложность, поскольку по достижении определенного уровня сложность системы становится самоподдерживающейся и может возрастать.

Следует заметить, что классическая термодинамика бессильна помочь в вопросе о том, как и когда возникла биосфера, и все эти выводы сделаны учеными в рамках неравновесной, пригожинской термодинамики. В этом контексте жизнь определяется как процесс химической самоорганизации на основе автокатализа высокомолекулярных соединений углерода в неравновесных условиях, и можно считать живой первобытную среду - лужу, в которой протекают упомянутые реакции. Это в буквальном смысле живое вещество - без существ. Такая первичная биосфера - практически ровесница Земли. Во всяком случае, если она моложе нашей планеты, то не намного.

Мир РНК и первые живые существа

Согласно очень перспективной и успешно развиваемой в последнее время теории, первые организмы, обособленные от внешней среды, появились на основе РНК-циклов. Ни ДНК, ни белков они еще не имели.

ДНК в современных организмах хранит наследственную информацию, белки выполняют в клетке активную работу, РНК в общем случае служит неким посредником - считывает информацию и обеспечивает синтез белка. И ДНК, и белок беспомощны друг без друга и без РНК, а вот она умеет делать все - правда, похуже, чем «узкие специалисты», но поначалу это могло и не быть критическим недостатком. В противном случае придется признать, что на каком-то этапе химическая эволюция создала сразу ДНК, РНК, белки, заключила их в первые клетки и строго распределила функции - вероятность этого действительно исчезающе мала.

Первые примитивные РНК, во всяком случае, гораздо эффективнее синтезировались из низкомолекулярной органики, чем сложная «двойная спираль». Параллельно шел процесс образования коацерватов - водно-липидных капель, предшественников клеточной мембраны. И как только «живой раствор» РНК обернулся коацерватной оболочкой, возник первый автономный организм. Пленка мембраны сохраняла химический градиент между внутренней полостью и средой, не давала живому веществу рассеяться - это стало огромным преимуществом.

В ходе дальнейшего развития биосферы эстафету в деле хранения наследственной информации перехватила ДНК, обеспечивающая большую точность, каталитическую активность взяли на себя белки, наштампованные той же РНК, но последняя без дела не осталась. Ведь без нее клетка мертва.

Следы древней жизни в камне и генах

Ответы на вопросы о том, как и когда возникла биосфера, какова ее ранняя история, ученые вынуждены искать в теоретических моделях и лабораторных экспериментах, поскольку первичная поверхность Земли давно уничтожена последующими геологическими процессами.

Древнейшие на сегодняшний день следы жизни обнаружены в Гренландии, Канаде, Австралии. Наиболее достоверные из них датируются временем 3,7 млрд лет назад и свидетельствуют о том, что уже тогда существовали сложные сообщества микроорганизмов, некоторые из них были фотосинтезирующими (цианобактерии или их предшественники).

Другое направление исследований лежит в области молекулярной биологии. Поскольку все ныне существующие виды - родственники, можно, построив филогенетическое дерево видов, приблизительно установить время, когда существовал «последний универсальный общий предок» (англ. Last Universal Common Ancestor, LUCA). Это не первый организм на Земле, но жил он очень давно - по оценкам ученых, около 4 млрд лет назад. Для этого организма определен набор точно имевшихся у него генов, но не известно, был ли «Лука» отдельным видом микроорганизмов или же сообществом видов, обменивающихся наследственным материалом.

Жизнь преобразует планету

Биосфера и на ранних этапах своего существования активнейшим образом участвовала в эволюции Земли. Самой главной заслугой древних докембрийских одноклеточных является, конечно, создание устойчиво-окислительной атмосферы. Но жизнь оказала огромное влияние также на характер осадконакопления и рудообразования. Например, важнейшие железорудные месторождения, такие как Курская магнитная аномалия, образовались благодаря деятельности фотосинтезирующих бактерий в океанах палеопротерозойской эры 2,5-2 млрд лет назад.

Выйдя на сушу, жизнь принялась за работу над ландшафтами. Собственно, сушу как таковую создала именно биосфера. Ведь пока не возникли почвы и не распространились высшие растения, не существовало четкой границы «суша-водоем», сток воды в океаны был площадным, не было устойчивых русел рек.

Про нефть и уголь знают все. Но вот горные цепи Гималаев, Альп, Кавказа - они сложены известняками, а большая часть этой породы имеет биогенное происхождение. Эти горы когда-то были морскими животными. Их раковины, от мельчайших до крупных, образовали одну из самых распространенных осадочных пород.

Функции биосферы

Мы рассмотрели несколько примеров того, как жизнь меняет лик планеты. Обобщим то, что известно о функциях биосферы.

В-первых, она участвует в изменении и поддержании состава атмосферы и природных вод. Во-вторых, переносит, а также накапливает или рассеивает, то есть перераспределяет различные вещества. В-третьих, исполняет средообразующую функцию. Все это можно суммировать как процесс упорядочения и стабилизации геохимических циклов Земли. Осуществляется он за счет поглощения, преобразования, аккумуляции и высвобождения солнечной энергии структурными составляющими, выделенными еще Вернадским в его учении о биосфере: совокупностью живых организмов, биогенным, биокосным и косным веществом.

Неотделима от Земли

С момента, когда возникла биосфера (хотя точного момента, скорее всего, не было), все компоненты ее тесно взаимодействуют между собой и с остальными геологическими оболочками планеты - атмосферой, гидросферой, литосферой. Система «Земля - биосфера» охвачена множеством положительных и отрицательных обратных связей на самых разных уровнях - от отдельных биогеоценозов до глобальных процессов в масштабах геологического времени.

Биосфера — оболочка Земли, заселённая живыми организмами, находящаяся под их воздействием и занятая продуктами их жизнедеятельности; «пленка жизни»; глобальная экосистема Земли.

Биосфера - оболочка Земли, заселённая живыми организмами и преобразованная ими. Биосфера начала формироваться не позднее, чем 3,8 млрд лет назад, когда на нашей планете стали зарождаться первые организмы. Она проникает во всю гидросферу, верхнюю часть литосферы и нижнюю часть атмосферы, то есть населяет экосферу. Биосфера представляет собой совокупность всех живых организмов. В ней обитает более 3 000 000 видов растений, животных, грибов и бактерий. Человек тоже является частью биосферы, его деятельность превосходит многие природные процессы и, как сказал В. И. Вернадский: «Человек становится могучей геологической силой».

Французский учёный-естествоиспытатель Жан Батист Ламарк в начале XIX в. впервые предложил по сути дела концепцию биосферы, ещё не введя даже самого термина. Термин «биосфера» был предложен австрийским геологом и палеонтологом Эдуардом Зюссом в 1875 году.

Целостное учение о биосфере создал биогеохимик и философ В. И. Вернадский. Он впервые отвёл живым организмам роль главнейшей преобразующей силы планеты Земля, учитывая их деятельность не только в настоящее время, но и в прошлом.

Существует и другое, более широкое определение: Биосфера - область распространения жизни на космическом теле. При том, что существование жизни на других космических объектах, помимо Земли пока неизвестно, считается, что биосфера может распространяться на них в более скрытых областях, например, в литосферных полостях или в подлёдных океанах. Так, например, рассматривается возможность существования жизни в океане спутника Юпитера Европы.

Местоположение биосферы

Биосфера включает в себя верхние слои литосферы, в которых ещё живут организмы, гидросферу и нижние слои атмосферы.

Границы биосферы

• Верхняя граница в атмосфере: 15-20 км. Она определяется озоновым слоем, задерживающим коротковолновое ультрафиолетовое излучение, губительное для живых организмов.
• Нижняя граница в литосфере: 3,5-7,5 км. Она определяется температурой перехода воды в пар и температурой денатурации белков, однако в основном распространение живых организмов ограничивается вглубь несколькими метрами.
• Граница между атмосферой и литосферой в гидросфере: 10-11 км. Определяется дном Мирового Океана, включая донные отложения.

Состав биосферы

Структура биосферы:

• Живое вещество - вся совокупность тел живых организмов, населяющих Землю, физико-химически едина, вне зависимости от их систематической принадлежности. Масса живого вещества сравнительно мала и оценивается величиной 2,4…3,6·1012 т (в сухом весе) и составляет менее одной миллионной части всей биосферы (ок. 3·1018 т), которая, в свою очередь, представляет собой менее одной тысячной массы Земли. Но это одна «из самых могущественных геохимических сил нашей планеты», поскольку живые организмы не просто населяют земную кору, а преобразуют облик Земли. Живые организмы населяют земную поверхность очень неравномерно. Их распространение зависит от географической широты.
• Биогенное вещество - вещество, создаваемое и перерабатываемое живым организмом. На протяжении органической эволюции живые организмы тысячекратно пропустили через свои органы, ткани, клетки, кровь большую часть атмосферы, весь объём мирового океана, огромную массу минеральных веществ. Эту геологическую роль живого вещества можно представить себе по месторождениям угля, нефти, карбонатных пород и т. д.
• Косное вещество - продукты, образующиеся без участия живых организмов.
• Биокосное вещество - вещество, которое создается одновременно живыми организмами и косными процессами, представляя динамически равновесные системы тех и других. Таковы почва, ил, кора выветривания и т. д. Организмы в них играют ведущую роль.
• Вещество, находящееся в радиоактивном распаде.
• Рассеянные атомы, непрерывно создающиеся из всякого рода земного вещества под влиянием космических излучений.
• Вещество космического происхождения.

Слои биосферы

Весь слой воздействия жизни на неживую природу называется мегабиосферой, а вместе с артебиосферой - пространством человекообразной экспансии в околоземном пространстве - панбиосферой.

Аэробиосфера

Субстратом для жизни в атмосфере микроорганизмов (аэробионтов) служат водные капельки - атмосферная влага, источником энергии - солнечная энергия и аэрозоли. Примерно от верхушек деревьев до высоты наиболее частого расположения кучевых облаков простирается тропобиосфера (с тропобионтами; это пространство - более тонкий слой, чем тропосфера). Выше простирается слой крайне разреженной микробиоты - альтобиосфера (с альтобионтами). Выше простирается пространство, куда организмы проникают случайно и не часто и не размножаются - парабиосфера. Выше расположена апобиосфера.

Геобиосфера

Геобиосферу населяют геобионты, субстратом, а отчасти и средой жизни для которых служит земная твердь. Геобиосфера состоит из области жизни на поверхности суши - террабиосфера (с террабионтами), разделяемую на фитосферу (от поверхности земли до верхушек деревьев) и педосферу (почвы и подпочвы; иногда сюда включают всю кору выветривания) и жизнь в глубинах Земли - литобиосфера (с литобионтами, живущими в порах горных пород, главным образом в подземных водах). На больших высотах в горах, где уже невозможна жизнь высших растений, расположена высотная часть террабиосферы - эоловая зона (с эолобионтами). Литобиосфера распадается на слой, где возможна жизнь аэробов - гипотеррабиосфера и слой, где возможно лишь обитание анаэробов - теллуробиосфера. Жизнь в неактивной форме может проникать глубже - в гипобиосферу. Метабиосфера - все биогенные и биокосные породы. Глубже расположена абиосфера.

В глубинах литосферы есть 2 теоретических уровня распространения жизни - изотерма 100 °C, ниже которой вода при нормальном атмосферном давлении кипит, и изотерма 460 °C, где при любом давлении вода превращается в пар, то есть в жидком состоянии быть не может.

Гидробиосфера

Гидробиосфера - весь глобальный слой воды (без подземных вод), населённый гидробионтами - распадается на слой континентальных вод - аквабиосфера (с аквабионтами) и область морей и океанов - маринобиосфера (с маринобионтами). Выделяют 3 слоя - относительно ярко освещённую фотосферу, всегда очень сумеречную дисфотосферу (до 1 % солнечной инсоляции) и слой абсолютной темноты - афотосфера.

Между верхней границей гипобиосферы и нижней парабиосферы лежит собственно биосфера - эубиосфера.

История развития биосферы

Развитие наблюдается лишь в живом веществе и связанным с ним биокосном. В косном веществе нашей планеты эволюционный процесс не проявляется.

Зарождение жизни

Жизнь на Земле зародилась ещё в архее - примерно 3,5 млрд лет назад в гидросфере. Такой возраст имеют найденные палеонтологами древнейшие органические остатки. Возраст Земли как самостоятельной планеты Солнечной системы оценивается в 4,5 млрд лет. Таким образом, можно считать, что жизнь зародилась ещё в юношескую стадию жизни планеты. В архее появляются первые эукариоты - одноклеточные водоросли и простейшие организмы. Начался процесс почвообразования на суше. В конце архея появился половой процесс и многоклеточность у животных организмов.

Будущее биосферы

С течением времени биосфера становится всё более неустойчивой. Существует несколько трагичных для человечества преждевременных изменений состояния биосферы, некоторые из них связаны с деятельностью человечества.

Некоторые философы, например, Дэвид Пирс, выступают за модификацию биосферы с целью избавления от страданий всех живых существ и создание в буквальном смысле рая на земле (см. одно из значений слова аболиционизм).

Искусственная биосфера

Человек не может существовать вне биосферы, однако стремится исследовать космическое пространство. Ещё К. Э. Циолковский связывал освоение космоса с созданием искусственной биосферы.

В настоящее время идея её создания вновь становится актуальной в связи с планами освоения Луны и Марса. Однако на данный момент попытка создания полностью автономной искусственной биосферы не увенчалась успехом.

Рассматривается возможность создания (пока в далёком будущем) внеземной биосферы на других планетах при помощи терраформирования.

(Visited 80 times, 1 visits today)