Биосферный уровень жизни

Учение о биосфере
Понятие биосферы. Биосферой (греч. sphaira — «шар») именуют область существования ныне живущих организмов, охватывающую часть атмосферы до высоты озонового слоя (20— 25 км), всю гидросферу и часть литосферы. Ее нижняя граница опускается примерно на 2 — 3 км на суше и на 1 — 2 км ниже дна океана. Границы биосферы являются одновременно и границами распространения жизни на Земле. Биосфера включает в себя как вещество и пространство, так и все живые организмы (рис. 4).

Впервые термин «биосфера» встречается в 1802 г. в трудах Ж.Б. Ламарка применительно к живым организмам Земли. В 1875 г. термин «биосфера» в значении «лик Земли» использовал австрийский геолог Эдвард Зюсс при описании геологии Альп: так он назвал тонкую пленку земной поверхности, населенную жизнью. Однако ни Ламарк, ни Зюсс не развили представлений о биосфере и не дали какого-либо определения этому термину. В 1919 г. в лекциях студентам Сорбонны В.И. Вернадский, используя термин «биосфера», фактически переоткрыл его, вложив в него новое, общебиологическое содержание.

Заслуга создания целостного учения о биосфере принадлежит нашему отечественному ученому Владимиру Ивановичу Вернадскому.

Основы учения о биосфере Вернадский изложил в книге «Биосфера» в 1926 г. В последующем, в работах 30—40-х гг. XX в., он развил свои идеи, рассматривая биосферу как систему, состояние которой в значительной мере определяется деятельностью живых организмов. Стратегией развития биосферы В.И. Вернадский считал ее переход к качественно новому состоянию — ноосфере как «сфере человеческого разума». Согласно идеям Вернадского, биосфера — особая оболочка Земли, отличающаяся от других сфер тем, что в ее пределах проявляется геологическая деятельность живого населения планеты. Биосферу ученый также определял как область жизни, включающую и живые организмы, и среду их обитания. При этом он подчеркивал, что биосфера не только среда жизни, но и производное жизни, что в своих основных свойствах она преобразована жизнью и определенным образом организована ею. Он писал: «Биосфера — это планетарное явление космического характера, ее важной особенностью, главной геологической силой является жизнь — „живое вещество“, не просто населяющее биосферу, а преобразующее облик Земли».

В своем учении о биосфере Вернадский придает особое значение живым организмам. Их он рассматривает как функцию биосферы. Преобразуя солнечную энергию, живые организмы выступают чрезвычайно мощной геохимической силой, влияющей на геологические процессы и поверхность (облик) Земли.

Совокупность всех земных живых организмов он назвал живым веществом, которое как нечто единое целое можно выразить численно в элементарном химическом составе, в единицах величин массы и энергии.

Центральное место в учении Вернадского о биосфере занимает понятие живого вещества.

Структура биосферы. В структуре биосферы В.И. Вернадский выделял три разных, но геологически значимых и взаимосвязанных компонента: живое вещество, косное вещество и биокосное вещество. Живое вещество — совокупность всех живых организмов, т. е. биомасса. Косное вещество — все тела и свойства неживой природы, сформированные без участия живых организмов (химические элементы оболочек Земли, вода, воздух, солнечная энергия). Биокосное вещество — результат совместной деятельности живого и косного вещества (например, почва, каменный уголь, горючие сланцы, битумы, нефть, известняки).

Первоначально В.И. Вернадский выделил 7 геологически взаимосвязанных типов веществ: живое вещество («оно рассеяно в мириадах особей, непрерывно умирающих и рождающихся, обладающих колоссальной действенной энергией — биогеохимической энергией»); биокосное вещество — создаваемое и перерабатываемое живыми существами (горючие ископаемые, известняки, почва и др.); косное вещество (неживая природа); биогенное вещество (скопления живых организмов: леса, поля, планктон, — чьи остатки после гибели организмов, входящих в них, образуют биогенные породы); радиоактивное вещество; рассеянные атомы; космическое вещество (метеориты, космическая пыль). Но в более поздних работах называл преимущественно только три типа веществ биосферы: живое, косное и биокосное, иногда еще выделяя и четвертое — биогенное.

Свойства биосферы. Особо важным свойством биосферы Вернадский считал непрерывно идущие в ней круговорот веществ и поток энергии, регулируемые деятельностью живых организмов. Миграция химических веществ и поток энергии в биосфере начинаются с помощью совместно существующих организмов — автотрофов и гетеротрофов. Автотрофы (зеленые растения) создают в процессе фотосинтеза органические вещества из неорганических и осуществляют преобразование энергии солнечного света в химическую энергию, а гетеротрофы потребляют готовую энергию с пищей и разрушают органические вещества до минеральных соединений. Из минеральных веществ, образовавшихся при распаде органических соединений, автотрофы строят новые органические вещества, и так движение веществ идет без конца, как бы по кругу, циклично. Этот процесс длится сотни миллионов лет, с тех пор как возникла жизнь. Огромную роль в нем играет солнечная энергия.

Биосфера представляет собой единство живого и минеральных веществ, вовлеченных в процесс жизни. На взаимодействии организмов, создающих (автотрофы) и разрушающих органическое вещество (гетеротрофы), основан круговорот веществ, обеспечивающий единство и организованность биосферы. Этот круговорот позднее был назван биотическим, или биологическим, круговоротом.

Биологический круговорот как непрерывно идущая циркуляция хи-мических элементов между живыми организмами, атмосферой, гидросферой и почвой выступает главной силой, организующей биосферу в единую самоподдерживающуюся биосистему.

Процессы синтеза и распада живого вещества на нашей планете взаимосвязаны и идут только при наличии единого биотического круговорота атомов. Каждый новый цикл круговорота того или иного элемента (например, азота, фосфора) или соединения (углекислого газа, воды) не является точным повторением предыдущего. В ходе эволюции биосферы часть процессов имела необратимый характер, поэтому происходило образование и накопление биогенных осадков, увеличение количества кислорода в атмосфере, изменение количественных соотношений изотопов ряда элементов и т. д.

В.И. Вернадский первым еще в 1919 г. отметил замечательную черту в строении нашей планеты: газы, образующиеся в биосфере (кислород, углекислый газ), и их соотношение — результат процессов жизни. Ученый писал: «Можно сказать, что свободный кислород на нашей планете в своей подавляющей массе создается кислородно-углекислотной функцией живого хлорофильного вещества».

Учение В.И. Вернадского о биосфере и роли живого вещества в ней получило широкое распространение во всем мире. Понятие «биосфера» проникло в экологию, географию, стало основой охраны природы. В настоящее время в связи с весьма ощутимыми негативными сдвигами в окружающей среде, ставящими под угрозу существование человечества и самой жизни, во всех странах мира, в том числе и в России, обозначилась потребность в осознании процессов функционирования биосферы для обеспечения ее устойчивого развития.

С развитием идей о системном характере жизни биосфера стала рассматриваться как глобальная биосистема, свойством которой является взаимодействие неживой природы и живого вещества. В существовании биосферы Вернадский особенно большое значение придавал живому населению планеты, т. е. живому веществу.

Вопросы
1. Обоснуйте, почему биосферу относят к биосистемам.
2. На каком основании В.И. Вернадский все живое население планеты Земля назвал живым веществом?
3. Закончите высказывание, выбрав главное условие.
• Главной силой, обеспечивающей единство биосферы, выступает...
а) взаимодействие разнообразных организмов;
б) озоновый слой в атмосфере;
в) биологический круговорот веществ;
г) живое вещество и неживая природа.

Ответы: Функции живого вещества в биосфере
Особенности живого вещества. Живое вещество — это уникальное явление биосферы. Живым веществом В.И. Вернадский именует в обобщенном виде все огромное разнообразие живого, представленного «в мириадах особей, непрерывно умирающих и рождающихся». По Вернадскому, особенности живого вещества в биосфере заключаются в том, что, несмотря на удивительное разнообразие форм и размеров живых организмов, живое обладает одним общим свойством — физико-химическим единством. Все химические реакции в живом веществе характеризуются исключительной упорядоченностью и благодаря участию ферментов протекают значительно быстрее, чем в других веществах планеты. В возникающих химических связях живого вещества заключено огромное количество свободной энергии. Поэтому живое вещество выступает как «накопитель и трансформатор» лучистой энергии космического пространства.

Живому веществу свойственна подвижность, обеспечивающая перенос вещества против силы тяжести (подъем воды с веществами по стволам деревьев высоко над землей) и в горизонтальном направлении (перелет птиц, миграция рыб на нерест). С помощью движения живое вещество способно заполнить собой все возможное пространство путем «растекания» («давления жизни»). Растекаясь по земной поверхности, живое вещество переносит вместе с собой органические вещества и энергию, полученную от Солнца.

Живое вещество характеризуется значительно большим морфологическим и химическим разнообразием, чем любое косное вещество. Притом оно постоянно обновляется, поскольку благодаря размножению существует на Земле в форме непрерывного чередования поколений.

Живое вещество представлено в биосфере в виде дискретных тел — отдельных особей. В то же время, будучи дисперсным (рассеянным), живое вещество на Земле никогда не существует в виде обособленных организмов, но всегда представлено сообществами популяций разных видов (биоценозами), между которыми устанавливаются различные взаимосвязи, и важнейшими среди них выступают пищевые цепи. Биоценозы на Земле возникли одновременно с появлением живых организмов.

Характерное свойство живого вещества — способность к эволюционному процессу.

Функции живого вещества. Специфические свойства живого вещества показывают, что в биосфере Земли нет вещества более мощного и активного в геологическом отношении. По участию живого вещества в геологических процессах биосферы, вслед за Вернадским, различают пять его геохимических функций: газовую, энергетическую, концентрационную, деструктивную и средообразующую.

Газовая функция — создание свободного кислорода и переход его в озон; выделение свободного азота, сероводорода, метана и других газов при разложении живого вещества; поддержание на определенном уровне количества углекислого газа в атмосфере. Благодаря газовой функции живого вещества сформировался современный состав атмосферы.

Энергетическая функция — поглощение солнечной энергии при фото-синтезе; запасание энергии в химических связях органических соединений и передача ее по цепям питания и разложения. В своем глобальном, космическом проявлении живое вещество выступает как гигантский аккумулятор и уникальный трансформатор лучистой энергии Солнца.

Концентрационная функция — извлечение из окружающей среды и избирательное накопление химических элементов для построения тел живых организмов и вовлечение этих элементов в биологический круговорот веществ. Благодаря концентрационной функции живого произошло создание залежей полезных ископаемых. Так, залежи нефти, природного газа, каменного угля, горючих сланцев, известняков, мела являются концентратом углеродсодержащих и кальциевых соединений тел умерших организмов, скопившихся в одном месте.

Деструктивная функция проявляется в разложении вещества и вовлечении его в биологический круговорот. Эта функция осуществляется в разложении как мертвого органического вещества до неорганических соединений (углекислый газ, вода, сероводород, метан, аммиак и др.), так и минералов и минеральных веществ окружающей среды. Например, есть бактерии, окисляющие даже золото и тем разрушающие его. Разрушая органику и разлагая минералы, живые организмы избирательно извлекают из них и вовлекают в биологический круговорот химические элементы Земли.

Средообразующая функция заключается в преобразовании физико-химических параметров среды в процессе существования живого вещества. Живые организмы создали почву, изменили солевой состав воды в океане и газовый состав атмосферы, участвуют в изменении климата, создают своеобразие ландшафта в разных географических зонах планеты.

Животные строят жилища (норы, запруды), рыхлят грунт; растения образуют болота, леса, закрепляют пески, закисляют или выщелачивают почву, обусловливают кислую реакцию природных вод. В совокупности живое вещество преобразует все минеральные оболочки и общий облик планеты. Особенно велика роль живого вещества в формировании химического состава атмосферы, образовании в ней озонового слоя и в создании почвы. Огромное ноздействие на перестройку общего лика Земли оказывает человек.

Живое вещество выступает мощной геохимической силой, преобразующей Землю, и служит основой круговорота веществ в природе.

Роль живого вещества в биосфере. Можно сказать, что живое вещество является преобразователем среды и участником всех процессов в биосфере. Причем эта деятельность живого проявляется не единично, а массово, постоянно и в огромных масштабах. Атмосфера почти целиком создается живым веществом, т. е. она биогенна. Вся вода атмосферы непрерывно проходит через живое вещество, и все воды гидросферы в значительной мере постоянно преобразуются имеющимися там живыми организмами. Живое вещество определяет все основные химические закономерности биосферы, ее особую динамическую структуру и организованность, ее существование и развитие. В.И. Вернадский пишет: «На земной поверхности нет химической силы, бо-лее постоянно действующей, а потому и более могущественной по своим конечным последствиям, чем живые организмы, взятые в целом».

На Земле нет силы более могущественной, чем живое вещество. Оно является ведущей силой планетарного развития.

Живое вещество составляет приблизительно лишь одну миллионную часть земной коры нашей планеты. Однако по активному воздействию на окружающую среду его роль уникальна, поэтому биосфера качественно отличается от других оболочек земного шара.

Живое вещество представлено в биосфере организмами .всех биологических видов, жизнь которых с момента их возникновения протекает в форме многовидовых природных сообществ. Одновременно с эволюцией видов происходит эволюция структурно-функциональной организации многовидовых сообществ — биогеоценозов. Так, к многообразию водных природных сообществ со временем добавились наземные сообщества. Их многообразие увеличивалось одновременно с развитием мира живых организмов — от одноклеточных живых существ (бактерий, растений, грибов и животных) до сложных многоклеточных, создающих особые ландшафты на Земле.

Совместное обитание особей разных видов на едином косном субстрате, представленное биогеоценозами, — могучий фактор воздействия на природу, влияющий на общий облик биосферы, на появление и протекание в ней различных биогеохимических циклов. Это воздействие началось с момента появления жизни на Земле.

Вопросы
1. Какую роль в биологическом круговороте веществ играет совместное обитание видов?
2. Поясните, на чем основано утверждение: «Живое вещество характеризуется значительно большим морфологическим и химическим разнообразием, чем любое косное (неживое) вещество».
3. Правильно ли утверждение: «Совокупность живых организмов, населяющих сушу и море, называют живым веществом»?

Ответы: Происхождение живого вещества
Ранние гипотезы о происхождении жизни. Проблемы происхождения живого вещества, его возникновения и многообразия на Земле с давних пор являются важнейшими в естествознании, предметом острой борьбы материализма и идеализма.

Идеалисты, исходя из теологических (греч. theos — «бог»; logos — «учение») убеждений, считают возникновение живого актом божественного творения.

Все многообразие точек зрения ученых-материалистов о происхождении живого на Земле без участия божественной силы сводится к двум противоположным позициям: биогенезу и абиогенезу. Сторонники биогенеза (греч. bios — «жизнь»; genesis — «происхождение») считают, что все живое происходит от живого, тогда как сторонники абиогенеза (греч. а — частица отрицания) считают возможным происхождение живого из неживой материи, в том числе путем самопроизвольного зарождения жизни из неживых тел природы — песка, глины (Демокрит, Аристотель и др.).

Первые опровержения теорий самопроизвольного зарождения живого стали появляться в XVII в. Итальянский биолог и врач Франческо Реди в 1668 г. серией опытов с гниющим мясом доказал, что живое не возникает самопроизвольно, а появляется от других живых организмов. Сто лет спустя, в 1770 г., Мартын Матвеевич Тереховский (1740—1796), русский врач, натуралист, предложивший метод стерилизации пищевых продуктов, изучая микроорганизмы («анималькули»), экспериментально опроверг возможность самозарождения организмов. Ошибочность теории самозарождения опытами на бактериях доказывал и итальянский биолог Ладзаро Спалланцани (1729— 1799). Но лишь после серии доказательных опытов французского микробиолога Луи Пастера (1822—1895) в конце 70-х гг. XIX в. несостоятельность идеи самозарождения живого стала очевидной, а выдвинутый Пастером в 1862 г. принцип «все живое — из живого» стал общепризнанным.

В конце XIX в. гипотезы абиогенеза фактически утратили свое влияние в науке и обществе. На смену им пришли гипотезы биогенеза. При этом одни ученые выдвигали идею о том, что жизнь на нашей планете никогда не зарождалась, а была занесена на нее из космоса, где жизнь существует вечно. Наибольшее распространение получила гипотеза панспермии, которая и сейчас еще поддерживается некоторыми учеными в разных странах.

Гипотеза панспермии (греч. pan — «всё» и spermatos — «семя») основана на предположении о возможности переноса неких зародышей жизни из космического пространства на Землю.

Гипотеза была выдвинута в 1865 г. немецким медиком Германом Рихтером и наиболее полно изложена шведским физикохимиком Сванте Аррениусом в 1 895 г. По этой гипотезе считается, что с метеоритами и космической пылью на Землю попали живые организмы внеземного происхождения. Эта идея неоднократно высказывается и в наши дни, поскольку на некоторых обломках метеоритов иногда встречаются органические вещества. Но пока до сих пор нет достоверных фактов, подтверждающих внеземное происхождение этих веществ.

Долгое время привлекала внимание гипотеза стационарного состояния (или вечности жизни). Она утверждает, что живое всегда существовало на Земле, но оно изменялось во времени или в связи с какими-то катаклизмами. Сторонниками этих воззрений были Ж. Кювье, его ученики и последователи (XVIII в.) и представители неокатастрофизма (начало XX в.). Но все они не объясняли, как появились первые живые существа, способные затем сохраняться и изменяться после крупных глобальных катастроф.

Современные гипотезы происхождения жизни. Начало современным представлениям о возникновении живого было положено отечественным ученым- биохимиком А.И. Опариным. В 1924 г. он опубликовал труд «Происхождение жизни», в котором представил естественнонаучную гипотезу о зарождении жизни на Земле.

По гипотезе Опарина, жизнь зародилась на Земле в результате целого ряда химических превращений, осуществлявшихся в течение очень длительного времени (миллиарды лет) в особых условиях молодой, тогда еще только формировавшейся планеты.

Опарин подчеркивал, что первые живые организмы (предорганизмы) в виде небольших белковых тел, названных им коацерватными капельками, а затем коацерватами, появились в «первичном бульоне» молодой планеты путем целого ряда физических и химических процессов, осуществлявшихся на протяжении очень длительного периода в истории Земли. Такие коацерваты фактически служили местом встречи и взаимодействия простых белков, нуклеиновых кислот, углеводов и липидов, независимо возникших до этого в условиях молодой планеты и содержавшихся в ее внешней среде.

А.И. Опарин полагал, что в массе коацерватных капель должен был идти отбор наиболее устойчивых в существовавших условиях. Среди коацерватов в процессе дальнейшего естественного отбора оставались лишь те, которые при растекании на дочерние коацерваты сохраняли свои свойства, т. е. были способны к самовоспроизведению. С приобретением этих свойств коацерватная капля уже могла считаться простейшим живым организмом. Этот процесс естественного отбора шел миллионы лет.

Гипотеза происхождения живого, впервые выдвинутая А.И. Опариным, долгое время считалась основной и завоевала широкое признание. Однако она оставляла нерешенным вопрос перехода от сложных органических веществ к простым живым организмам. По мнению Опарина, главную роль играют белки, именно они дали начало обмену веществ, обеспечив обособление
коацерватных капелек друг от друга и от окружающей среды. Ученый утверждал, что белковые тельца (коацерваты) явились первыми живыми организмами — иредорганизмами. Но эта гипотеза не давала объяснения способности к самовоспроизведению.

Для решения этого вопроса английский биохимик и генетик Джон Холдейн в 1929 г. выдвигает «генетическую гипотезу о происхождении живого»: первоосновой появления жизни послужило возникновение дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК). По гипотезе Холдейна в основе создания простейших живых систем (протобионтов) лежат не белки, а нуклеиновые кислоты (РНК и ДНК), поскольку они служат матричной основой синтеза белков. Холдейн опирался на высказанную н 1927 г. американским ученым Г.Д. Мёллером идею о том, что молекулы ДНК способны содержать «биологическую информацию» и могут образовывать мутации, а следовательно, накапливать полезные изменения; благодаря молекулам ДНК протобионты (протоклетки) и получили способность к самовоспроизведению. Решение этого вопроса они связывали также с изучением путей синтеза ферментов и воспроизводства генов.

Сходные с взглядами А.И. Опарина идеи в конце 50-х гг. высказал английский ученый — физик Джон Бернал. Подобную точку зрения излагал и отечественный ученый Н.Г. Холодный. По его мнению, первоначально образовывались не белки, а углеводороды, и это произошло не в Мировом океане, а на мелководьях после появления суши. Американец Сидней Фокс утверждал, что на первобытной Земле в лужах, остававшихся после отлива, при испарении воды могли возникать из аминокислот некие шарообразные структуры — «микросферы», покрытые сверху белками. Эти образования Фокс называл протеиноидами и считал, что они, подобно ферментам, могли катализировать определенные химические реакции.

Дальнейшие исследования А.И. Опарина и многих других ученых подтвердили и развили идею о возникновении живой материи на Земле в результате длительной эволюции химических соединений.

Согласно современным взглядам, живое первоначально зародилось как результат химической эволюции, т. е. абиогенно, а усложнение живого и появление большого разнообразия живого на Земле произошло в итоге биологической эволюции, т. е. биогенно, на более поздней стадии, идущей вслед за химическим этапом развития жизни в истории нашей планеты. Опарин пишет: «Все более очевидным становится тот факт, что дарвиновская (т. е. биологическая) эволюция — это лишь сияющая вершина айсберга, почти девять десятых которого скрыто от нашего взгляда».

Опыты, поставленные в 50-х гг. XX в. американским биохимиком Стенли Миллером, а позднее и многими другими исследователями, показали, что из смеси газообразного водорода, аммиака, метана и водяных паров, из которых состояла первичная бескислородная атмосфера, могут образовываться различные органические соединения, среди них мочевина, цианистый водород, спирты, альдегиды, сахара, аминокислоты (глицин, аланин, аспаргиновая кислота и др.), органические кислоты (гликолевая, молочная, янтарная, уксусная, муравьиная и др.) и небольшие нуклеотидные цепи из шести мономеров (простые нуклеиновые кислоты). Все это подтверждало, что органические вещества могли образовываться на первобытной Земле без участия живых организмов.

Этапы возникновения жизни. Вопрос о том, какой из этих двух путей привел к возникновению первых живых организмов (на основе белковых коацерватов — по гипотезе А.И. Опарина, или нуклеиновых кислот — по гипотезе Дж. Холдейна), биологией еще не решен. Но и та и другая гипотезы в целом сходным образом определяют этапы возникновения жизни на Земле. Таких этапов условно выделяют четыре: 1) синтез простых (низкомолекулярных) органических соединений из неорганических; 2) возникновение сложных органических соединений в виде полимерных цепей белков и нуклеиновых кислот; 3) образование обособленных агрегатов (комочков) органических веществ в виде коацерватов или протеиноидов, отделенных от внешней среды белковыми мембранами; 4) появление простейших клеток, обладающих свойствами живого организма (самовоспроизведение). Это последний этап в создании жизни на Земле.

Первые три этапа отражают период химической эволюции в развитии жизни, а четвертый этап является началом биологической эволюции живого. Сам переход комочка химических соединений в живую клетку пока экспериментом не доказан. Поэтому та и другая теории считаются гипотезами.

Эволюция химических соединений в направлении жизни (биопоэз) началась с момента формирования планеты Земля, около 5—7 млрд лет назад. Этот этап эволюции, приведший в конце концов к формированию первых организмов, занял около 1 млрд лет. Ученые считают, что первые формы живого на Земле появились более 3500 млн лет назад.

Существуют и другие гипотезы о происхождении жизни на Земле. Все они не противоречат друг другу в главном: живое возникло в результате целого ряда физических и химических превращений, осуществлявшихся на протяжении очень длительного времени в особых условиях молодой, только лишь формировавшейся планеты Земля.

Вопросы
1. Могут ли где-то на Земле сейчас происходить процессы возникновения живого? Обоснуйте свой ответ.
2. Поясните основное различие идей А.И. Опарина и Дж. Холдейна о происхождении жизни.
3. Подумайте, о каких ценностях жизни говорит поэт Ю. Линник в своем стихотворении «Краски Земли».

Пусть у нашей Земли — небольшие права полустанка:

Рядовой огонек на грохочущем Млечном Пути...

Но гляди, как порхают лимонница и голубянка,

Этой гаммы вовек на далеких мирах не найти.


Ответы: Физико-химическая эволюция в развитии биосферы
Академик А.И. Опарин впервые в науке выдвинул естественнонаучную теорию о зарождении жизни на Земле. Вслед за ним Дж. Холдейн, С. Миллер и другие ученые подтвердили и развили эту теорию. Они доказали, что первоначальные формы жизни — результат эволюции химических веществ на планете (этап химической эволюции), а затем путем эволюции живой материи (этап биологической эволюции) произошло усложнение живых существ и по- явилось огромное их разнообразие в современном мире.

Физические явления в истории Земли. Как же возникли первоначальные формы жизни? При каких условиях и где происходил этот величайшей значимости процесс биопоэза? И наконец, сколько времени длился этот процесс?

Процесс происхождения жизни на Земле теснейшим образом связан с историей возникновения и развития самой нашей планеты как части Солнечной системы.

Появление нашей планеты как космическое событие было обусловлено возникновением Солнца и всей Солнечной системы. Согласно современным астрономическим представлениям, Солнечная система зародилась в газовом облаке, находящемся в состоянии равновесия с собственным гравитационным полем. Такие облака называют протопланетными.

Полагают, что рядом с протопланетным облаком произошел взрыв сверхновой звезды, сопровождавшийся выделением огромного количества энергии. Возникшая ударная волна распространилась и на «наше» протопланетное облако, вызвав в нем уплотнение материи, термоядерные процессы и разогрев. Так образовалось центральное тело системы — звезда Солнце. Периферическая часть протопланетного облака фрагментировалась на отдельные сгущенные тела — планеты. Силы гравитации Солнца удержали образовавшиеся планеты около звезды, а более разреженные части протопланетного облака рассеялись. Это произошло около 5—7 млрд лет назад. Одновременное возникновение Солнца и планет Солнечной системы из единого протопланетного облака обусловило сходный химический состав

Астрономы различают межзвездные и протопланетные облака. Межзвездные облака обычно состоят из смеси газов и пылевых частиц микронных размеров. Среди газов преобладают водород и гелий, а также в заметных количествах содержатся Н2O, СO2, СН4, NH3) N2 и другие химические соединения. Твердые частицы представлены смесью тугоплавких металлов, силикатов и сульфидов металлов. Высокая разреженность космического пространства затрудняет здесь процесс объединения (сорбции) и рост частиц. Иная обстановка создается в протопланетном облаке. Повышенная плотность его вещества обеспечивает частые столкновения частиц, что ведет к их быстрому росту. В итоге появляются первые, еще мелкие (сантиметровые и первые метровые) тела, являющиеся зачатками будущих планет. Такие образования называют планетезималями. Они состоят из холодной материи. Здесь преобладают кусочки льда (Н2O) с вмерзшими в них частицами углерода, азота, силикатов, металлов и летучие вещества (в том числе метан и аммиак). Дальнейшее уплотнение роя планетезималий ускоряет их рост, ведет к образованию крупных тел — в поперечнике до многих десятков и сотен километров. У крупных планетезималий появляются свои гравитационные поля, что значительно ускоряет рост этих тел и уплотнение их массы. Так из планетезимали выросла и наша планета Земля.

Рост Земли, как показывают расчеты одного из создателей современной теории планетообразования — B.C. Сафронова, был медленным: формирование 99 % современной массы Земли произошло в течение 100 млн лет. Вначале рост шел во все ускоряющемся режиме объединения (аккреции) крупных твердых тел (планетезималей), но затем по мере их исчерпания в околоземном рое протопланетного вещества он замедлился.

Молодая Земля (Протоземля) после своего образования была холодным космическим телом, лишенным тектонических процессов. В ее недрах температура, очевидно, не превышала температуры плавления вещества. В тот период на поверхности Земли не было ни океанов, ни атмосферы и она была лишена мантии и ядра.

В ранний период истории Земли ее состав, вероятно, был однородным и образован из веществ протопланетного облака. Температура Земли была сравнительно с Солнцем невысокой (800—1000 °С), но по мере формирования планеты ее недра разогревались в результате накопления тепла из-за распада радиоактивных элементов (уран, торий) и приливной энергии Луны (Протолуны). С разогревом начались процессы расплавления веществ, а затем последовала и их гравитационная дифференциация. Более тяжелые вещества опускались вниз, а легкие поднимались вверх и образовывали земную кору.

Отсутствие атмосферы у молодой Земли было связано с тем, что газы («первичная» атмосфера) из протопланетного облака были потеряны раньше, чем растущая Земля смогла своим тяготением их удерживать у своей поверхности. Лишь достигнув значительных размеров в результате накопления падавших на поверхность Земли частиц веществ и тел из окружающего пространства, масса планеты стала притягивать эти газы.

Химическая эволюция в истории Земли. При разогревании недр Земли из ее внутренних зон на поверхность планеты начали выделяться газовые компоненты. Таким путем образовалась вторичная, точнее, «собственная» темная атмосфера, а происходившие в то время химические реакции определили ее состав. В основном это были углеводородные газы, аммиак, углекислота, сероводород и свободный водород, при отсутствии свободного кислорода и азота. Взаимодействие между углекислотой и водородом приводило к образованию метана и воды. Вода в парообразном состоянии окружила Землю сплошной пеленой облаков.

Формирование нашей планеты на протяжении длительного времени сопровождалось бурными и сложными химическими реакциями. Они, несомненно, шли с поглощением свободного кислорода, возникавшего при образовании кремнекислоты и ряда других компонентов магматических пород. Поэтому и атмосфере Земли свободного кислорода не было.

Первичный кислород мог появляться в результате воздействия ультрафиолетовой радиации Солнца, а также других космических излучений на молекулы углекислого газа. Но накопления кислорода не происходило, так как он тратился на процессы окисления.

На поверхности земной коры под газовой оболочкой (атмосферой) стали происходить разнообразные геологические и физико-химические процессы. Именно здесь сначала образовались сложные углеродные соединения, а затем на их основе возникла жизнь.

После разрушения Протолуны и захвата части ее внутреннего вещества и железного ядра, а также разогрева, расплавления и дифференциации планетного вещества Земля приобрела прямое вращение. Сама Луна, сформировавшаяся из оставшегося силикатного вещества внешней части разрушенной Протолуны, вызывала на Земле интенсивные землетрясения, обусловленные лунными «приливами», амплитуда которых достигала от километра до десятков метров. В итоге этих процессов совершалась дифференциация планетного вещества, что привело к образованию ядра и мантии Земли.

Мантия (греч. mantion — «покрывало», «плащ») — это силикатная оболочка, расположенная между ядром и подошвой литосферы. Верхняя часть мантии достаточно пластична и частично расплавлена, она может течь, деформироваться, что вызывает перемещение литосферных плит. Нижняя часть мантии очень плотная. Вещество земной коры составляет лишь относительно тонкий слой литосферных плит, граничащих с верхним слоем мантии.

После того как температура верхней мантии достигла температуры плавления силикатов, приливное взаимодействие Земли с Луной ускорило расплавление веществ всей верхней мантии. Это событие произошло около 4 млрд лет назад. Первичное вещество Земли содержало около 13% металлического железа и около 24% его двухвалентного оксида. Перегрев верхней мантии привел к резкой гравитационной неустойчивости земных недр, так как под слоем тяжелых расплавленных веществ в центральной части Земли находилось более легкое вещество, не прошедшее гравитационную дифференциацию. В результате произошло катастрофически быстрое стекание тяжелых железных и окисножелезных расплавов к центру планеты, из которых образовалось плотное земное ядро. Этот процесс сопровождался сильными конвективными потоками в мантии, приведшими к образованию возле одного полюса огромной континентальной плиты — суперконтинента Пангея (лат. pan — «всё»; Гея — в древнегреч. мифологии богиня Земли). В этот период возникло дипольное магнитное поле Земли современного типа. Это произошло около 2,5 млрд лет назад, на границе архея и протерозоя.

Переход воды из газообразного в капельножидкое состояние, выделение газов из недр Земли и как следствие — образование атмосферы произошло около 4 млрд лет назад, а позже начали формироваться первые мелководные изолированные морские бассейны, которые затем соединились в единый еще неглубокий Мировой океан.

Насыщение водой поверхностного слоя коры под Мировым океаном, произошедшее около 2,2 млрд лет назад, сопровождалось массовым связыванием СO2 в карбонаты (главным образом, в доломиты). В результате парциальное давление углекислого газа снизилось и стало близким к современному. Уменьшение в атмосфере углекислоты привело к снижению температуры на поверхности Земли до +6 °С, а затем к очень сильному оледенению (Гуронское оледенение): льдом покрылись фактически все континенты того времени. Гуронское оледенение явилось самым сильным и продолжительным оледенением за всю геологическую историю Земли.

Насыщение водой слоя коры под Мировым океаном вызвало также активное вымывание металлического железа из мантии, которого там содержалось до 5%. Это вымываемое железо в форме двухвалентного гидроксида стало разноситься по всему океану. Окисляясь до трехвалентного, оно отлагалось на дне, особенно по мелководьям. Около 600 млн лет назад свободное железо исчезло из мантийного вещества. Исчезновение такого активного поглотителя кислорода, как металлическое железо, незамедлительно отразилось на увеличении количества кислорода в атмосфере. Это произошло на границе протерозоя и палеозоя. Этому же периоду соответствует и возникновение многоклеточности у живых организмов, и появление царства животных.

Как видим, этапу формирования жизни на Земле предшествовала длительная физико-химическая, геологическая и климатическая история развития нашей планеты. Наиболее существенные физико-химические события произошли 500—4000 млн лет назад. Именно в этот период в особых термодинамических условиях из исходных сложных органических соединений возникла простейшая и примитивнейшая жизнь, которая, постоянно развиваясь, создала в процессе своей длительной эволюции огромное разнообразие видов и форм. Появившись более 3500 млн лет назад, живые организмы овладели нашей планетой, создав особую оболочку Земли — биосферу.


Биологическая эволюция в развитии биосферы
Роль прокариот в эволюции жизни на Земле. Биологическая эволюция, или просто эволюция (лат. evolutio — «развертывание»), — это необратимый процесс исторического развития живого мира Земли. В ходе эволюции происходило усложнение свойств живого, обеспечившее его устойчивое существование в биосфере. Крупные и мелкие преобразования свойств, строения и функций организмов в процессе эволюции обеспечивали им качественно новые возможности для освоения ресурсов внешней среды.

Особенно значимыми в историческом развитии живой материи оказались крупные преобразования, имевшие общее значение для организмов в целом и приводившие к общему морфофизиологическому прогрессу.

Напомним, что такие крупные преобразования, появлявшиеся в ходе эволюции органического мира, отечественный ученый А.Н. Северцов в 1925 г. назвал ароморфозами (греч. airo — «поднимаю»; morphosis — «образец», «форма»). Он считал их одним из основных направлений эволюции, способствующих при соответствующем образе жизни организмов достижению биологического прогресса.

В историческом развитии органического мира наблюдается целый ряд ароморфозов, обеспечивших усложнение и совершенствование свойств организмов. Они наблюдаются уже на самых ранних этапах существования живого.

Первые организмы появились в водной среде. Хотя по своей структуре это были прокариоты (греч. pro — «раньше», «перед»; karyon — «ядро»), примитивные одноклеточные, но они обладали белоксинтезирующим и генетическим аппаратами, обеспечивавшими им и обмен веществ, и передачу наследственных свойств при размножении.

По типу питания первые организмы были в основном гетеротрофами, т. е. питались готовыми органическими веществами. Однако есть данные, что уже на самых ранних этапах существования живых существ среди них появились и автотрофы.

Появление автотрофов — крупное событие (ароморфоз) в эволюции живого мира.

Среди автотрофов — организмов, самостоятельно образующих органическое вещество из неорганических соединений, различают фототрофов, создающих органические соединения за счет энергии Солнца, и хемотрофов, живущих за счет энергии, высвобождающейся при химических реакциях окисления неорганических соединений (молекулярный водород, окись углерода, соединения серы или азота и др.).

Ученые полагают, что процесс появления хемосинтезирующих и фотосинтезирующих автотрофов начался еще на этапе коацерватных капель, когда их содержимое все более усложнялось. Происходившие при этом случайные мутации нуклеиновых кислот могли дать некоторые более активные молекулы, близкие к хлорофиллу и способные использовать энергию света.

Пока питательные вещества в окружающей водной среде в «первичном бульоне» были в избытке, это свойство не давало преимуществ в существовании организмов, имевших активные пигменты. Однако по мере увеличения численности организмов и сокращения питательных веществ в окружающей среде способность усваивать СО2 при участии энергии света оказалась полезной для автотрофов и их потомства, значимой для выживания в конкурентной борьбе за существование.

Особенно важным событием для развития живой природы оказалось возникновение хлорофилла — зеленого пигмента, способного улавливать энергию солнечного света и осуществлять фотосинтез. Фотосинтез — это образование в клетках растений и цианобактерий органических веществ из углекислоты и воды при участии света, сопровождающееся выделением молекулярного кислорода. Появление фотосинтеза произошло примерно 3900 млн лет назад. Оно стало крупнейшим прогрессивным событием — ароморфозом — в эволюции живого мира.

Совместное существование автотрофов и гетеротрофов уже на самых ранних этапах развития жизни давало возможность одним организмам питаться органикой, создаваемой другими организмами. При этом сформировались разные способы добывания пищи: хищничество, паразитизм, сим- биотрофизм и сапрофагия (греч. sapros — «гнилой»; phagos — «пожиратель»).

Поскольку круговорот веществ и поток энергии возникли между взаи-модействующими организмами и окружающей средой, можно считать, что уже в первобытные времена жизнь на Земле развивалась в природных сообществах (экосистемах).

Роль эукариот в эволюции жизни. Очень крупным событием, также имевшим исключительно важное значение в эволюции живого мира, стало появление эукариот (греч. еu — «хорошо», «полностью»; karyon — «ядро»). Это произошло около 2000 млн лет назад. До этого времени все существовавшие тогда представители живого мира (бактерии, архебактерии, цианобактерии) были прокариотами. Эукариоты, в отличие от них, имеют в клетках хорошо оформленное ядро, в котором находятся хромосомы с заключенными в них нитями ДНК, а также имеют различные органоиды, отграниченные от цитоплазмы мембраной (митохондрии, хлоропласты и др.).?

С появлением эукариот началось становление и развитие новых крупных групп организмов — царств растений, животных и грибов. Расцвет эукариотных форм жизни привел к возникновению таких крупных ароморфозов в органическом мире, как многоклеточность и половое размножение, обеспечивающее развитие организмов из зиготы.

Развитие организма из зиготы, образующейся в результате слияния половых клеток двух родительских организмов, обусловило регулярное появление и закрепление новых качеств у дочерних организмов, что позволяло последующим поколениям лучше приспосабливаться к жизни в изменявшихся условиях среды. После этого события, произошедшего около 1900 млн лет назад, заметно ускорились процессы прогрессивного развития живого.

В биосфере благодаря происходившим в ней физико-химическим изменениям формируется атмосфера, в которой начал накапливаться свободный кислород. Вскоре произошла так называемая кислородная революция: обозначилась достаточно устойчивая его концентрация — 1% от нынешнего, современного количества. Накопление свободного кислорода привело к возникновению первичного озонового экрана в верхних слоях биосферы, что обусловило ускорение развития жизни. Формирование озонового слоя началось и конце протерозоя. Живая природа незамедлительно откликнулась на это событие возникновением организмов с аэробным обменом веществ. У организмов-аэробов появилось кислородное дыхание.

Появление фотосинтезирующих организмов, особенно эукариот — водорослей, ускорило накопление свободного кислорода в атмосфере. Несмотря на то что процесс нарастания количества кислорода в атмосфере шел не всегда равномерно и быстро, все же наступил момент, когда поступление кислорода в атмосферу стало превышать его расходование неорганической средой и аэробами. Уже на границе силура и девона содержание свободного кислорода в атмосфере достигло 10 % от современной концентрации, а к концу палеозоя (около 250 млн лет назад), в пермском периоде, — приблизительно той же концентрации, которая наблюдается и в наше время.

Формы наземной жизни. Важное событие в эволюции органического мира — выход живых организмов на сушу. Первыми это сделали бактерии и цианобактерии. Ученые полагают, что это произошло еще до появления эукариот, т. е. около 3500 млн лет назад. Выйдя на обмелевшие участки суши, прокариоты начали процесс образования почвы. Спустя много времени на сушу вышли и эукариоты — растения, животные и грибы. Это произошло около 600 млн лет назад. С тех пор эволюция живого мира шла не только в водной среде, но и в наземно-воздушной.

Первые растения, вышедшие на сушу, поселились на влажных прибрежных участках вдоль пресных водоемов. Это были теперь уже давно вымершие много-клеточные растения —риниофиты, произошедшие от зеленых многоклеточных водорослей. Почти одновременно с растениями на сушу вышли и первые животные. Полагают, что это были ракоскорпионы из паукообразных.

Выход живых организмов на сушу обусловил появление у них в процессе эволюции соответствующих приспособительных свойств. У растений с выходом на сушу сформировались система почвенного питания (корни) и система воздушного питания (побеги).

В условиях сухости наземной среды у животных организмов возникли плотные покровы, сохраняющие влагу тела. Для газообмена стали использоваться внутренние поверхности, возникли специальные ткани и органы, осуществляющие дыхание, а также ограничивающие потерю воды. В связи с низкой плотностью воздушной среды животные приобрели панцири и скелеты, а растения — особые механические ткани во всех органах тела. Для передвижения по поверхности в поисках пищи или для укрытия у животных сформировались конечности, помогающие бегать, плавать, копать, прыгать, летать и т. д. У растений, ведущих прикрепленный образ жизни, выработалась способность к ветвлению и нарастанию побегов и корней. В результате увеличивалась площадь соприкосновения растений с внешней средой, откуда они добывают неорганические вещества для воздушного и почвенного питания.

На суше организмы столкнулись также с обилием света, его суточным и сезонным ритмами яркости и продолжительности. Это обусловило появление организмов, ведущих ночной или дневной образ жизни. При этом многие виды приобрели совместные, приуроченные друг к другу ритмы развития. Для лучшего улавливания света у растений развились листья. Эти и многие другие черты приспособленности, появившиеся в процессе эволюции у организмов, в связи с их выходом из водной среды, помогали им выживать в новых и разнообразных условиях наземно-воздушной среды.

Выход растений и животных на сушу произошел сравнительно недавно в истории Земли. К этому времени в водах Мирового океана и пресных водоемах жизнь уже достигла достаточно высокого уровня развития. За многие миллионы лет путем длительной эволюции здесь появились разнообразные (бактерии, цианобактерии, простейшие, многоклеточные животные, разнообразные растения и грибы. Значительная часть их вымерла, но многие группы древних организмов или производные от них существуют и в наше время. Например, среди эукариот это водоросли (зеленые, золотистые, бурые, красные и др.) и животные (амебы, жгутиконосцы, губки, медузы, кораллы, мол- носки, иглокожие, хрящевые рыбы — акулы, скаты, латимерия — кистеперая рыба, кольчатые черви, членистоногие и др.).

Еще более разнообразные формы организмов сформировались в процессе эволюции в разнообразных условиях их существования на суше. Как и водной среде, так и на суше жизнь различных организмов протекала совместно — в сообществах (биогеоценозах). Расселяясь по земной поверхности, сообщества живых организмов все более и более меняли облик поверхности Земли и создавали особые условия жизни на «своих» территориях. С появлением высокорослых растений и разнообразных животных природные сообщества не только по горизонтали, но и многометровым слоем жизни по вертикали охватывали поверхность суши. При этом различные виды, обитая рядом друг с другом в сообществах, в процессе эволюции вырабатывали разные приспособительные свойства к совместной жизни.

Совместная жизнь различных видов в природных сообществах, появившаяся в биосфере еще на заре развития живого мира, является очень важным фактором биологической эволюции, совершающейся на Земле.

Вопросы
1. Перечислите основные этапы биологической эволюции, совершившиеся в биосфере до выхода жизни на сушу.
2. Поясните, почему биологическая эволюция последовала за химической эволюцией, а не наоборот.
3. Какое влияние на эволюцию организмов оказало их совместное
существование в сообществах?
4. Подготовьте реферат на одну из предложенных тем:
а) этапы эволюции растений;
б) этапы эволюции животных;
в) этапы эволюции микроорганизмов.

Хронология развития жизни на Земле
Начало истории жизни. Первые живые существа появились на Земле, вероятно, более 3500 млн лет назад. Их формирование и развитие происходили в водной среде, которая по насыщенности органическими и неорганическими веществами была подобна бульону.

Как уже отмечалось, первые живые организмы были одноклеточными с очень простым строением, похожими на ныне живущих бактерий. Они основали особую группу живых организмов — прокариот. Позднее возникли более сложные одноклеточные формы, давшие начало группе эукариот. Это были растения (водоросли), животные (простейшие) и грибы. Некоторые из них потом дали начало многоклеточным организмам, которые в процессе эволюции создали огромное разнообразие живых форм, обитающих не только в воде, но и на суше. С появлением эукариот возникло половое размножение, благодаря которому ускорился ход эволюционных преобразований в живом мире.

Историю Земли и развития жизни обычно подразделяют на два зона (несколько эр) и эры, следующие друг за другом. В эрах выделяют периоды, а в периодах — эпохи. Это все очень крупные промежутки времени в истории нашей планеты, обычно выражаемые в миллионах лет. Их обозначение и определение продолжительности проводится на основе изучения ископаемых остатков, а также с опорой на данные геологии, геохимии, геофизики, биогеографии, систематики и другие свидетельства крупных изменений в лике Земли, в газовом составе атмосферы, в соотношении моря и суши, в интенсивности горообразования и наступления материковых оледенений, в климате, в содержании продуктов радиоактивного распада в минералах горных пород, в географии живого населения Земли.

Первый подтвержденный ископаемыми находками промежуток времени (эон) в истории Земли получил название фанерозой (греч. phaneros — «явный», «открытый»; zoe — «жизнь»); продолжительность в абсолютном исчислении времени — около 534 млн лет.

Второй, более ранний, промежуток времени (эон) до фанерозоя получил название криптозой (греч. kryptos — «скрытый») за исключительную бедность сохранившихся органических остатков существовавшей тогда жизни. Криптозой часто называют докембрием; его продолжительность в абсолютном исчислении времени — около 4900 млн лет.

В истории Земли помимо двух эонов выделяют 6 эр: катархей («ниже древнейшего»), начался около 4500 млн лет назад; архей («древнейший»), начался около 3500 млн лет назад; протерозой («первичная жизнь»), начался 2500 млн лет назад; палеозой («древняя жизнь»), начался около 534 млн лет назад; мезозой («средняя жизнь»), начался около 248 млн лет назад; кайнозой («новая жизнь»), начался около 65 млн лет назад и продолжается сейчас (см. табл. 2, с. 50).

Общий возраст Земли — около 7000 млн лет. Примерно 4000 млн лет ушло на формирование самой планеты. Возникновение живых организмов происходило около 1000 млн лет в период между катархеем и археем. До середины палеозоя жизнь развивалась только в воде.

В катархее произошло образование «первичного бульона» в водах Мирового океана и начался процесс коацервации.

К архею относят расцвет прокариотных организмов: бактерий и цианобактерий. Существование цианобактерий свидетельствует о наличии фотосинтеза и присутствии активного пигмента хлорофилла. В архее появляются первые эукариоты — одноклеточные водоросли (зеленые, желто-зеленые, золотистые и др.) и простейшие (жгутиковые эукариоты — эвгленовые, вольвоксовые; саркодовые — амебы, фораминифоры, радиолярии и др.). Начался процесс почвообразования на суше.

На границе между архейской и протерозойской эрами появились половой процесс и многоклеточностъ у животных организмов.

Протерозой — огромная по продолжительности эра. Эукариотные формы живых организмов здесь пребывают в расцвете и по своему разнообразию намного опережают прокариот. Развитие многоклеточности и появление дыхания обусловили прогрессивное развитие и среди гетеротрофов, и среди автотрофов. Наряду с плавающими формами (водоросли, простейшие, медузы) распространяются прикрепленные («сидячие») ко дну или другому субстрату: нитчатые зеленые, пластинчатые бурые и красные водоросли, а также губки, кораллы. Появились ползающие организмы, например кольчатые черви, которые дали начало моллюскам и членистоногим. Возникают симбиотические и паразитические формы организмов. Наряду с различными кишечнополостными появляются сегментированные животные вроде кольчатых червей и ракообразных.

Шкала геологического времени Земли

Эон (эонотема)	Эра (эратема)	Период (система)	Изотопные датировки, млн лет
Фанерозой	Кайнозой	Четвертичный (антропогеновый)	1,8
		Неоген	25
		Палеоген	65
	Мезозой	Мел	136
		Юра	195
		Триас	248
	Палеозой	Пермь	290
		Карбон	345
		Девон	380
		Силур	420
		Ордовик	495
		Кембрий	534
Криптозой (докембрий)	Протерозой		2500
	Архей		3500-2500
	Катархей		4500-3500

Палеозой — эра, которая характеризуется достаточно большими находками ископаемых организмов. Они свидетельствуют, что в этот период в водной среде (соленые и пресные водоемы) имелись представители почти всех основных типов беспозвоночных животных. Появились позвоночные (кроме птиц и млекопитающих), в пресных водах — акулы. От предков костистых рыб возникли двоякодышащие и кистеперые рыбы. От последних произошли наземные позвоночные.

В середине эры произошел выход растений, животных и грибов на сушу. Началось бурное развитие высших растений, появились листья и корни. Возникли моховидные и другие споровые растения. Образуются первые чеса из гигантских папоротниковидных растений, но в конце палеозоя они вымирают и дают основу для образования залежей каменного угля. Появляются животные, дышащие воздухом. По всей Земле распространились пресмыкающиеся (среди них есть и растительноядные, и хищные), возникли насекомые.

Мезозой часто называют эпохой рептилий. Они представлены здесь разнообразными формами (плавающие, летающие, сухопутные, водные и околоводные). Существуя на Земле несколько миллионов лет и достигнув большого расцвета, рептилии почти все вымирают в конце мезозоя. Появляются птицы и примитивные млекопитающие (яйцекладущие и сумчатые). С похолоданием климата и сухостью на Земле широко распространяются голосеменные растения, особенно хвойные. Появляются первые покрытосеменные, но они представлены только древесными формами. В морях широко распространились костистые рыбы и головоногие моллюски.

Кайнозой характеризуется расцветом покрытосеменных растений, насекомых, птиц, млекопитающих. Уже в середине кайнозоя имеются почти все основные группы представителей всех царств живой природы. Среди покрытосеменных растений выделились травы и кустарники. Образовались степи, луга. Сформировались все основные типы природных биогеоценозов. В эту эру появился человек как особый вид живых существ. С появлением человека и развитием его культуры создаются культурные флора и фауна, а также агроценозы, села и города. Природа стала активно использоваться человеком для удовлетворения его потребностей. В связи с этим происходят большие изменения в видовом составе органического мира, в окружающей среде и в природе в целом. Эти изменения в природе под воздействием человеческой деятельности ведут к серьезным изменениям в развитии жизни.

История Земли характеризуется уникальным явлением — на основе химической эволюции в природе возникла живая материя, которая затем с помощью биологической эволюции достигла высокого уровня развития по сложности и многообразию форм. В этом историческом процессе развития жизни на Земле появилось огромное разнообразие биологических видов, различных биосистем, произошел человек и сформировалась биосфера с глобальным биологическим круговоротом веществ. Развитие жизни, осуществлявшееся на протяжении длительного времени в меняющихся условиях окружающей среды на планете, продолжается в биосфере и в наше время.

Вопросы
1. Подумайте, почему прокариоты, раньше других вышедшие на сушу, не дали такого большого многообразия живых форм, как эукариоты.
2. Дополните фразу, чтобы получилось правильное утверждение.
• Биосфера возникла в эру ...
а) архея; б) катархея; в) палеозоя; г) протерозоя.

Биосфера как глобальная экосистема
Биосфера как биосистема. Все составные компоненты биосферы — живое вещество и населенные жизнью части гидросферы, атмосферы и литосферы тесно связаны друг с другом, все вместе они составляют единую живую систему — биосистему.

Все живое и каждый живой организм связаны с окружающей средой биологическим круговоротом веществ и потоком энергии. Потребляя и выделяя вещества и энергию, организмы оказывают влияние на среду обитания уже тем, что они живут. Воздействие на окружающую среду отдельной особи обычно невелико и малозаметно, но все вместе организмы (т. е. все живое вещество) оказываются мощной силой, преобразующей земную поверхность.

Все организмы по их роли, выполняемой в биосфере, разделяют на три группы: 1) продуценты (лат. producens — «создающий») — автотрофы, обладающие уникальной способностью из неорганических соединений с потреблением солнечной энергии образовывать сложные органические соединения; 2) консументы (лат. consume — «потребляю»), или потребители, — гетеротрофы, питающиеся органическими веществами, созданными автотрофами, и образующие из них новые органические вещества, которых нет в телах автотрофов; 3) редуценты (лат. reductio — «возвращение»), или разлагатели, — гетеротрофы, способные перерабатывать органические вещества мертвых тел и различные отходы живых организмов, разрушая их до простых неорганических соединений (рис. 12). Между этими компонентами и окружающей средой образуется тесная связь. Завися друг от друга, они создают единство биосферы, целостную живую систему — биосистему.

Биосистема — это определенное природное образование, в котором все компоненты, взаимосвязанные между собой, обеспечивают единство и целостность живой системы.

Поскольку в биосфере компонентами живой системы оказываются живые организмы и абиотическая среда, биосферу называют также экологической системой или экосистемой.

Биосфера как экосистема. Экологической системой называют совместное функционирование биотических и абиотических компонентов, в результате которого между живой и неживой частями системы образуются круговорот веществ и поток энергии. Поэтому биосферу, в которой все живые организмы и неживая среда нашей планеты являются компонентами, взаимно влияющими на свойства друг друга и необходимыми для поддержания жизни па Земле, называют глобальной экосистемой.

Как любая экосистема, биосфера является открытой системой, составной частью которой (на входе и выходе) являются географические оболочки планеты, представляющие среду, окружающую биосферу.

Продуценты, консументы и редуценты связаны друг с другом и с окружающей абиотической средой сложными пищевыми сетями. Между этими четырьмя компонентами биосферы происходит обмен веществами и энергией. В конечном счете химические элементы оболочек планеты и энергия, поступившая от Солнца, через тела растений доходят по пищевым цепям до каждого гетеротрофного организма. Таким путем из многочисленных веществ, поддерживающих жизнь организмов разных видов, в биосфере создаются круговорот веществ и поток энергии. Ввиду огромной роли живого вещества круговорот веществ в биосфере называют биологическим, или биотическим.

Могучей движущей силой круговорота веществ и потока энергии на нашей планете является живое вещество. Движение органических веществ с заключенной в их химических связях энергией в круговороте веществ часто называют восходящим потоком, а разрушение органических веществ до минеральных (с помощью консументов и редуцентов) называют нисходящим потоком в экосистеме. Экосистемы устойчиво и длительно существуют в том случае, если наблюдается динамическое равновесие восходящего и нисходящего потоков круговорота веществ.

Биологический круговорот существует с момента появления живых существ. С его появлением возникла и биосфера. Круговорот веществ характеризуется наличием четырех обязательных взаимосвязанных компонентов: 1) запаса химических веществ и энергии; 2) продуцентов; 3) консументов; 4) редуцентов. В итоге все живое население биосферы и окружающая среда, откуда организмы черпают средства жизни и куда выделяют все свои продукты жизнедеятельности, создают открытую живую систему как экосистему. Организованная в глобальную экосистему, жизнь на планете Земля продолжается непрерывно уже миллионы лет.

Экосистема устойчива лишь в том случае, если входящие в ее состав взаимодействующие компоненты достаточно полно поддерживают круговорот веществ. Изменения массы живого вещества, его структуры и химизма абиотической среды влияют на характер биологического круговорота. Знание качественных и количественных характеристик биологического круговорота, его ритма, интенсивности и скорости движения веществ и энергии дает возможность прогнозировать степень устойчивости экосистемы и длительность ее существования.

Биологический круговорот веществ и поток энергии являются главным условием возникновения и существования глобальной экосистемы.

Вопросы
1. Почему биосферу называют биосистемой?
2. Сопоставьте два утверждения: «Биосфера — это биосистема» и «Биосфера — это экосистема». В чем их сходство и различия?
3. Назовите примеры видов-продуцентов и видов-консументов.
4. Какую функцию в биосфере выполняет круговорот веществ?

Круговорот веществ в природе
Круговорот веществ в природе — это относительно повторяющиеся (циклические) взаимосвязанные химические, физические и биологические процессы превращения и перемещения веществ в природе. Движущими силами круговорота служат потоки энергии Солнца и деятельность живого вещества. Благодаря этим силам идет перемещение, концентрация и перераспределение огромных масс химических элементов, вовлеченных зелеными растениями с помощью фотосинтеза в органические вещества живых существ.

Круговорот веществ поддерживается в экосистеме планеты постоянным притоком все новых порций энергии. Однако круговорота энергии не бывает. Энергия, согласно закону сохранения, не исчезает бесследно, а преобразуется и процессе жизнедеятельности организмов и, переходя в тепловую форму, рассеивается в окружающем пространстве. В то же время химические элементы, мигрируя с пищей от одного организма к другому, могут выходить в абиотическую среду и вновь вовлекаться автотрофами в круговорот жизни, т. е. многократно (бесконечно) двигаются в круговороте. Биологический круговорот веществ п поток энергии в биосфере напоминают вращение мельничного колеса (круговорот веществ) в струе быстротекущей воды (однонаправленный поток энергии).

В биологическом круговороте веществ биосферы выделяют несколько циклов обращения химических элементов, т. е. путей циркуляции веществ из внешней среды в организмы и опять во внешнюю среду. В циклах прослеживают движение жизненно важных — биогенных — элементов (например, С, О, Н, N, S, Р, Са, К, Si и др.) и направленность потока энергии, характерные для биогеоценозов биосферы, ее регионов или для биосферы в целом. Биогенные элементы разными путями попеременно переходят из живого вещества в неорганическую материю, а из нее вновь поступают в живое вещество и таким образом постоянно входят в состав организмов, участвуя в их жизнедеятельности.

Все биогеохимические циклы биосферы не замкнуты. При этом каждый новый цикл не является точным повторением предыдущего, так как природа не остается неизменной. Вещества и солнечная энергия вовлекаются в круговорот, но вместе с тем энергия в виде тепла уходит, рассеиваясь в пространстве, нередко и органические вещества выходят из круговорота в окружающую среду, накапливаясь в виде залежей. Поэтому и в отдельных биогеоценозах, и во всей биосфере круговороты не замкнуты, и сама биосфера является открытой биосистемой. Круговороты, происходящие в биосфере, очень сложны и тесно связаны между собой. Вливаясь в общий биологический круговорот, они составляют основу существования и развития глобальной экосистемы, обеспечивая ее динамическую устойчивость и поступательное развитие. Движущей силой биологического круговорота веществ на нашей планете является жизнедеятельность организмов.

Примеры круговоротов веществ в природе. Круговорот углерода. Углерод — важнейший элемент, определяющий все многообразие органических соединений. Источником углерода служит углекислый газ, находящийся в атмосфере и растворенный в воде. Захваченный фотосинтезом углерод превращается в сахара, а другими процессами биосинтеза преобразуется в белки и липиды. Но в процессе дыхания и при разложении мертвых тел с помощью редуцентов углерод вновь вступает в круговорот в форме углекислоты. Часть углерода накапливается в биосфере в форме СаСO3 (мел, известняки, кораллы), каменного угля, нефти и других полезных ископаемых, надолго оставаясь вне круговорота. Но под воздействием корней растений, животных и деятельности человека (отопление, промышленность) углерод может быть освобожден и тогда вновь окажется в круговороте.

Круговорот фосфора представляет собой пример простого незамкнутого цикла. Фосфор — важная составная часть цитоплазмы и нуклеиновых кислот. Редуценты минерализуют органические соединения фосфора в фосфаты, которые вновь потребляются корнями растений. Много фосфора накапливается в горных породах, в глубинных отложениях, откуда с помощью животных снова возвращается в круговорот.

Круговорот воды на поверхности земного шара происходит так: действием солнечной энергии в результате испарения создается атмосферная влага, она конденсируется в форме облаков, с их охлаждением вода выпадает в виде осадков (дождь, снег, град), которые поглощаются почвой или стекают в реки, озера, моря и океаны. Количество воды, испаряемой растениями с помощью транспирации, всегда больше, чем испаряемой с поверхности водоемов. Круговорот воды в бассейне реки Конго — пример регионального круговорота воды. Вода, теряемая в процессе испарения тропическим лесом и саванной, впоследствии возвращается с осадками в почву. Притом осадки более обильны, чем сток воды в море.

Вопросы
1. В описании круговорота веществ иногда выделяют восходящую часть и нисходящую часть. Поясните, о чем идет речь.
2. Поясните, какая связь между круговоротом веществ и возникновением биосферы.
3. Современная наука в структуре биосферы выделяет четыре функ-циональных компонента. Назовите их.

Механизмы устойчивости биосферы
Биосфера как целостность представляет собой исторически сложившуюся открытую биологическую систему, достаточно длительное время сохраняющуюся в относительно постоянном, стабильном виде. В этом проявляется ее устойчивость, т. е. способность поддерживать свою структуру и характер связей между элементами системы, несмотря на внешние воздействия. Условия, обеспечивающие такое состояние системы, в том числе и биосферы как глобальной биосистемы, называют механизмами устойчивости. Назовем основные механизмы устойчивости биосферы.

1. Одним из механизмов устойчивости биосферы является неизменное положение Земли в космосе в течение длительного промежутка времени (не менее 4 млрд лет), определяющее постоянство поступления солнечной энергии (солнечная постоянная). Солнечная постоянная определяет, в свою очередь, земные константы живого вещества: массу (около 1013 т), запасенную энергию в химических связях (около 1018 ккал), средний химический состав кислорода, водорода, углерода и азота).

2. Устойчивость биосферы обусловлена также проявлением геохимической функции живого вещества и его участием в круговороте веществ, реализуемых через питание, дыхание, размножение и смерть организмов. Устойчивость биосферы поддерживается с помощью многих механизмов, среди которых главное место занимает биологический круговорот веществ, являющийся необходимым условием возникновения и существования биосферы как глобальной экосистемы.

3. Равновесное состояние между образованием органических веществ в биосфере и их расходованием — один из механизмов устойчивости. В биологическом круговороте между живой и неживой частями экосистемы осуществляются направленный поток энергии и циркуляция химических веществ (миграция атомов). Все автотрофы, имеющиеся в биогеоценозах биосферы (растения и микроорганизмы), создают и накапливают огромные объемы органических веществ. Но наряду с образованием органических веществ и аккумуляцией энергии постоянно и повсеместно идут и противоположные процессы: разрушение сложных органических соединений и их превращение и простые минеральные вещества (воду, углекислый газ, аммиак, различные соли и др.). Чтобы биосфера могла существовать, процессы создания и разрушении органических веществ в ней должны поддерживаться постоянно и в достаточно равновесном состоянии.

В биосфере созидающее звено (продуценты) в некоторых местах на (продуценты) образует биомассы больше, чем ее успевают потребить и переработать консументы с редуцентами. Но в биосфере как открытой экосистеме такая избыточная биомасса обычно выходит из биологического круговорота и оседает в окружающей среде в виде залежей торфа, каменного угля, доломитов, янтаря, мела, детрита почвы и т. д.

Например, таким путем в Перу на побережье Тихого океана возникли огромные запасы гуано — помета морских птиц, накопленного в течение многих лет. Продажа гуано как удобрения во многие страны мира в течение многих лет — важная статья доходов в государстве Перу.

4. Устойчивость биосферы зависит также от степени внутренней упо-рядоченности экосистемы. Чем более сложной является структура экосистемы и чем выше степень ее упорядоченности, тем более устойчивой она оказывается. Устойчивость глобальной экосистемы находится в прямой зависимости от того, насколько много в ней компонентов (видов и биогеоценозов), способных поддерживать ее функционирование (т. е. сохранять равновесие между созидающим и разрушающим звеньями) при изменении тех или иных условий окружающей среды.

Устойчивое состояние экосистемы «биосфера» обеспечено колоссальным разнообразием биологических видов, природных экосистем и структурных форм живого вещества.

5. Чем богаче биологическое разнообразие видов, тем более устойчивой оказывается экосистема, поскольку при необходимости одни виды могут замещаться другими, поддерживая непрерывность обмена веществ и потока энергии в экосистеме. То же происходит в биосфере, если она включает в себя много различных биогеоценозов, способных длительное время существовать устойчиво в меняющихся условиях окружающей среды, поддерживая восходящие и нисходящие звенья глобального биологического круговорота.

Функциональное разнообразие компонентов экосистемы, т. е. сложность экосистемы, обеспечивает ее устойчивость и стабильность.

Биосфера как открытая глобальная экологическая система, исторически сформировавшаяся на планете Земля, обладает достаточно сложной структурой. Эта сложность и обеспечивает высокую степень устойчивости и поступательное развитие глобальной экосистемы.

Вопросы
1. Обоснуйте, что является главным условием сохранения устойчивости биосферы.
2. Почему биологическое разнообразие относят к условиям, обеспечивающим устойчивое существование биосферы?
3. Поясните, какое значение имеет открытость глобальной экосистемы для устойчивости биосферы.

Человек как житель биосферы
Понятие о ноосфере. Взаимодействие (круговорот) живого и косного вещества планеты обеспечивает динамическое равновесие, биогеохимическую цикличность природных процессов, сохранение биосферы и ее эволюцию. Закономерным следствием развития живой материи и биосферы выступает появление человека в мире жизни. Человек как детище природы неразрывно связан с ней, неотделим от общих законов, присущих всему живому. Но в отличие от всех других высших проявлений организации живой материи человек наделен разумом и способностью к творческому труду, которые представляют собой особое свойство живой материи.

Под влиянием разума и преобразовательной деятельности человека биосфера неизбежно переходит в новое состояние — ноосферу, т. е. сферу разума (греч. noos — «разум»). По этому поводу В.И. Вернадский писал: «Человеческий разум и организованная им деятельность меняют ход природных процессов в такой степени, как меняют их другие известные нам проявления энергии, но меняют по-новому». Ноосфера — это название биосферы в ее новом состоянии.

Ноосферой вслед за В.И. Вернадским в настоящее время называют состояние биосферы, при котором разумный труд человека становится главным, определяющим фактором ее развития. Вернадский выделяет биогеохимическую роль человека как особую функцию живого, «новую геологическую силу, которой никогда еще не существовало на нашей планете в таком размере».

Это обобщение создателя учения о биосфере, сделанное им более 70 лет назад, в настоящее время находит убедительное подтверждение. Планета уже сейчас несет огромные расходы энергии и вещества, вызванные все ускоряющимся развитием человеческого общества.

Этапы воздействия человека на биосферу. В начале своего становления человек как биологический вид являлся обыкновенным гетеротрофным компонентом биогеоценозов, принципиально не отличавшимся от других организмов по воздействию на окружающую его внешнюю среду. Но постепенно благодаря развитию умственных способностей и трудовой деятельности человек выходил из-под контроля биологических законов развития и все больше Подчинялся социальным законам развития человеческого общества. Использование огня, совершенствование орудий охоты, рыболовства и собирательства, строительство жилищ, активное расселение по ойкумене (территория Земли, нетленная человеком; от греч. oikumene — «населяю»), развитие земледелия и скотоводства и последовавшая затем оседлость многих народов чрезвычайно усилили давление человека на природную среду.

Особенно сильное воздействие на природу в древние времена оказало подсечное земледелие. Выжигание растительности, применяемое людьми на значительной части территории суши, привело к резким изменениям природных условий, включая растительный и животный мир, почвы, а также климат и гидрологический режим. Выжигание растительности, а также уничтожение в больших количествах древесины происходили как в средних широтах, так и в тропиках. Как показывают данные наблюдений, во многих случаях разрушенный человеком растительный покров не восстанавливался и после прекращения его систематического выжигания. Чрезмерный выпас скота изводил растительность сухих степей и саванн, что нередко вызывало появление на этих территориях пустынь и полупустынь. Имеется предположение, что одной из причин гибели высокоразвитой цивилизации на территории центрально-американского государства майя стало истощение почв из-за подсечно-огневого способа земледелия.

С ростом населения воздействие человеческого общества на природу неизбежно и постоянно усиливается в результате вовлечения в хозяйственный оборот все большего количества веществ и энергии, имеющихся в биосфере, и перестройки общей структуры связей и зависимостей в ней. Деятельность человека все больше и сильнее изменяет облик планеты. Наступил этап, когда биосфера начала терять свою устойчивость.

Происходит все большее ускорение развития производительных сил, совершенствование техники и одновременно возрастание численности населения планеты. Если в недалеком прошлом население Земли достигало 200 млн человек, то сейчас оно составляет более 6 млрд.

Способы воздействия человека на биосферу. Взаимодействие человека и природы, с тех пор как оно появилось в биосфере, непрерывно развивается, интенсифицируется и меняет свои формы. Оно включает в себя изъятие обществом из природы веществ и энергии; создание новых, не свойственных природе химических веществ; уничтожение и переделку огромного количества видов живого мира; перемещение многих видов в новые для них места; кардинальное преобразование природных сообществ и целых ландшафтов; сброс колоссального количества отходов (газообразных, жидких, твердых) в окружающую среду и многое другое. Люди заселяют наиболее богатые по природным ресурсам и благоприятные по условиям зоны Земли и коренным образом изменяют естественные биогеоценозы, воздвигая города, размещая промышленность и создавая сельскохозяйственные угодья. В результате обедняются экосистемы; разрушаются сложившиеся природные комплексы, уничтожаются места обитания растений и животных, загрязняются вода, почва, атмосфера. В такой необычайно измененной среде живет в настоящее время человечество.

Особенно острый конфликт в экосистеме биосферы возник под влиянием ее засорения всевозможными химическими веществами (дефолиантами, ядохимикатами, моющими средствами, искусственными органическими соединениями), а также радиоактивными осадками, газообразными отходами производств, продуктами сгорания, разливами нефти и другим техногенным «мусором». Большинство из этих искусственных веществ не поддается биогенной переработке даже с помощью грибов и бактерий, и потому они не вовлекаются в биологический круговорот, а накапливаются в биосфере.

Особенно сильно в биосфере сокращается биологическое разнообразие. Темпы вымирания видов в последние десятилетия в 500—1000 раз выше, чем были во все предшествующее время. Ученые подсчитали, что на Земле за период с 1600 по 1975 г. вымерло примерно 1,2 % видов млекопитающих и птиц, к концу 80-х гг. под угрозой вымирания оказалось около 1000 видов (8 %), а сейчас еще около 20 % видов находятся на грани исчезновения. Количество исчезающих видов растений, грибов, бактерий и одноклеточных животных в настоящее время также огромно. С такой же быстротой сейчас в биосфере исчезают многие природные сообщества.

Биологическое разнообразие живого вещества — это огромный материальный ресурс глобальной экосистемы, который помогает ей сохранять устойчивое состояние и требует охраны.

Многие века человек смотрел на природу как на неисчерпаемый источник необходимых ему материальных благ. Так же долго человечество жило в плену иллюзий, что можно, не ограничивая своих потребностей, поступательно улучшать свой жизненный уровень, повышать благосостояние и сохранять окружающую среду. Однако оказалось, что биосфера обладает пределами емкости для хозяйственной деятельности человека, что превышение верхнего порога этой емкости ведет к нарушению устойчивости глобальной экосистемы, к дестабилизации окружающей среды и как следствие — к гибели человечества и всего живого.

Требование невмешательства человека в природу нереально. Человек как естественный компонент биосферы должен жить, питаться, удовлетворять свои растущие потребности. Биосфера и человеческое общество представляют собой неразрывное диалектическое единство, образуя динамическую систему «природа — общество». Поэтому существование этого единства является естественным.

Однако, пока общество оказывает на природу разрушительное воздействие (а это не всегда вызывает адекватные ответы по каналам обратной связи), в биосфере будут возникать нарушения ее устойчивости. Такими нарушениями являются истощение озонового слоя вокруг Земли, защищающего жизнь; им возникновение «парникового эффекта» на планете; образование смога (англ. smog от smoke — «дым», «копоть»), в ряде промышленных регионов массовые случаи аллергии и нарушения здоровья людей вследствие загрязнения среды и т. д.

Условия сохранения биосферы. Чтобы устранить эти и другие последствия неразумной, хищнической деятельности человека в природе, необходимо учиться бережно и рационально относиться к природным ресурсам, управлять своими потребностями и успеть (!) компенсировать тот ущерб, который наносят человек и общество биосфере, т. е. экологически грамотно вести природодопользование.

Таким образом, взаимосвязь «природа — общество» предполагает как разумное поведение в природе, так и умелое управление биосферой. При этом нужно исходить из убеждения, что возможности биосферы не беспредельны, а управлять биосферой невозможно без знания законов ее функционирования, своеобразия всех ее звеньев и предела их возможностей. Главным ориентиром всех действий в природе должен стать экологический и морально-нравственный принцип; «Не навреди!».

Вопросы
1. Почему человека считают геологической силой в биосфере?
2. Объясните, когда даже природоохранная деятельность человека способна нанести ущерб биосфере.
3. В своей поэтической повести «Маленький принц» Антуан де Сент- Экзюпери пишет: «...мы все уносимся вдаль на одной и той же планете — мы жители одного корабля». Как вы понимаете свою роль в биосфере исходя из этого высказывания?

Особенности биосферного уровня организации живой материи и его роль в обеспечении жизни на Земле
Особенности биосферного уровня. Процесс эволюции жизни включал в себя появление не только дискретных ее носителей — вначале молекул, затем клеток, многоклеточных организмов и видов, но и многовидовых, т. е. надорганизменных, биосистем — биогеоценозов, обеспечивающих воспроизведение и непрерывность жизни на Земле в рамках биологического круговорота веществ. Одновременно с развитием видового и экологического разнообразия форм жизни на Земле возникли биосистемы с разными уровнями их организации.

Многообразием форм жизни на Земле обеспечиваются устойчивость биосферы, ее целостность и единство органического мира.

Биосферный уровень жизни характеризуется особыми качествами, своеобразными законами, особой степенью сложности. Например, как все биосистемы, так и биосфера характеризуется целостностью, своеобразием свойств и явлений, особой структурой и величиной охвата элементов. В этом отношении биосферный структурный уровень живой материи является наиболее высоким и сложным уровнем, который включает в себя все нижележащие уровни (биогеоценотический, популяционно-видовой, организменный, клеточный и молекулярный).

Свойства и явления биосферы возникают как следствие свойств систем предыдущих входящих в нее уровней. Если раньше они были относительно самостоятельными и «целыми», то теперь превращаются в «части», в «компоненты» более высокого уровня биосистем.

Рассмотрение явлений жизни с позиции разных структурных уровней ее организации — важнейшее естественнонаучное и философское обобщение биологии 60-х гг. XX в.

Для описания и сравнения свойств уровней обычно используют такие наиболее общие для них характеристики, как состав компонентов (структура), наличие процессов, управление системой (организация) и значение в природе.

Основными структурными компонентами биосферы выступают различные биогеоценозы с их уникальными жизненно важными функциями в глобальной экосистеме, человек как житель биосферы, являющийся ее важным структурным и функциональным элементом, и географические оболочки планеты.

Основные процессы в биосфере: активное взаимодействие живого и неживого вещества планеты, биологический круговорот веществ и поток энергии, а также хозяйственная и этнокультурная деятельность человека.

Особенности организации биосферы: устойчивость, достигаемая благодаря многообразию форм жизни; упорядоченность процессов (порядок в строении и совокупности устойчивых связей в непрерывном биотическом круговороте веществ и потоке энергии, наличие обратных связей); энергетичность и динамичность явлений, обусловленные взаимосвязью живой и неживой природы.

Значение биосферного уровня. Главная роль биосферы заключается в обеспечении многообразия форм жизни на Земле.

На Земле нет мест, где бы не было природных сообществ (биогеоценозов).

Основная стратегия жизни на биосферном уровне — это сохранение бесконечности жизни, многообразия форм живой материи и обеспечение динамической устойчивости биосферы.

На биосферном уровне протекают важные глобальные процессы, обеспечивающие возможность длительного существования жизни на Земле. Среди них: образование свободного кислорода растительным покровом планеты; поддержание постоянства концентрации углекислого газа в атмосфере; создание озонового слоя вокруг Земли; обеспечение живого населения нужными химическими веществами и необходимыми территориями для его размещении ил земной поверхности; поддержание условий для дальнейшего развития биологического разнообразия видов и экосистем; возникновение новых геохимических круговоротов, утилизирующих антропогенные загрязнения; поступление солнечной энергии на поверхность земного шара.

Все эти процессы пока еще обеспечивают динамическую устойчивость биосферы, создают возможность существования в ней жизни.

Надо заметить, что для полноты представления о строении биосферы и её функционировании надо знать не только ее особенности (структуру, процессы и организацию), но и свойства, а также поведение систем более более "низких" уровней, входящих в нее. Поэтому для характеристики свойств биосферы как самого высокого надорганизменного уровня живой материи необходимы знания о свойствах ее компонентов (биогеоценозов) и специфике их и взаимодействия с окружающей средой. Кроме того, нужны сведения и о природопользовательской деятельности человека, являющегося важнейшим компонентом глобальной экосистемы биосферного уровня.

Такие исследования ставят целью улучшение экологических условий существования человека, сохранение многообразия форм жизни, обеспечивающего способность биосферы к самоподдержанию своей устойчивости, а также предупреждение разрушения условий жизни и самой жизни в биосфере.

Вопросы
1. Как возник биосферный структурный уровень организации живой материи?
2. Укажите основные процессы, обеспечивающие существование биосферы.
3. Проверьте правильность утверждений.
• Биосфера — это наивысший структурный уровень живой материи.
• Основными структурными компонентами биосферы являются биогеоценозы.
• Биосфера — это глобальная система живых организмов.

Взаимоотношения человека и природы как фактор развития биосферы
Человек как фактор в биосфере. Закономерным следствием развития живой материи и биосферы стало появление человека. До поры до времени человек, как и другие живые существа, был естественным компонентом своих биогеоценозов, вписывался в их круговороты веществ и жил по законам природы. Но начиная со времен его расселения по Земле, изобретения земледелия и скотоводства взаимоотношения человека с природой начали качествен но меняться. Когда же человек стал активно и во все увеличивающихся масштабах добывать полезные ископаемые, изменились не только окружающая среда, ландшафт, но и характер глобального круговорота веществ и поток энергии на планете.

Особенно сильно эти изменения в протекании естественных процессов в биосфере обозначились в середине XX в., когда человечество с помощью научно-технического прогресса стало обеспечивать свое благополучие, невзирая на возможности природы. Увеличились до огромных размеров добыча различных руд и особенно использование углеводородного топлива (угля, нефти, сланцев, газа). В итоге в круговорот веществ биосферы стали включаться запасенные вещества ее былых времен, некогда выведенные из круговорота и находившиеся в осадочных породах. Появление этих «новых» веществ, не свойственных современной биосфере, привело к изменению условий на планете, которое стали называть загрязнением окружающей среды, в том числе воды, воздуха и почвы.

Прежде всего это изменение почувствовали растения, животные и другие организмы. Началось быстрое сокращение их численности и, главное, разнообразия живого мира, так как загрязнение окружающей среды сопровождалось разрушением мест обитания организмов. Загрязнение окружающей среды вскоре отразилось и на человеке. Появились массовые, так называемые срёдо- вые, заболевания в виде аллергии, стресса, отравлений (нитратами, тяжелыми металлами и другими ядами), уродства у новорожденных и другие аномалии. Такие заболевания наблюдались и раньше, но были редкими, тогда как в настоящее время они носят массовый характер во всех странах.

Жизнь организмов на Земле, здоровье людей, состояние экосистем и окружающей среды в настоящее время стали проблемами не только научными, но и практическими, социальными, значимыми для всего человечества. Они обсуждаются на международных симпозиумах, съездах ученых, рассматриваются на заседаниях Организации Объединенных Наций (ООН), встречах видных государственных деятелей, на глобальном и региональном уровнях.

Научная основа сохранения биосферы. В связи с чрезвычайной актуальностью обсуждаемых проблем возросло значение экологии, которая является научной основой рациональной деятельности человека в природе, так как открывает законы, управляющие процессами в биосфере и в ее отдельных биогеоценозах. Экология исследует проявления свойств отдельных организмов (в том числе и человека), механизмы сохранения биологического разнообразия (его генетического фонда) и устойчивости биосферы. Экология доказала, что стремление людей к полновластию над природой и ее покорению ведет к катастрофическим последствиям для самого существования человека.

Экология также установила, что решение проблем сохранения жизни на Земле зависит от разумного взаимодействия человеческой цивилизации и природы, от безопасности для природы технологий производства, экологической культуры каждой личности и общества в целом. При этом экологическая культура рассматривается как единство экологической образованности, экологического сознания и экологической деятельности, направленной на гармонизацию взаимоотношений между обществом и природой.

Гармонические отношения человеческого общества с природой возможны лишь при условии, если люди будут действовать в ней по ее законам, понимая и уникальную ценность жизни и ориентируясь на устойчивое развитие биосферы.

Только гармонические взаимоотношения между обществом и природой обеспечат их устойчивое развитие.

Задачи устойчивого развития. В 1987 г. Международная комиссия по окружающей среде и развитию опубликовала доклад «Наше общее будущее», в котором высказана идея экологически устойчивого развития цивилизации. Углубление и развитие эта идея получила на конференции ООН по окружающей среде в Рио-де-Жанейро (1992). В принятой на этой конференции программе «Повестка дня на XXI век» дана оценка развития цивилизации и сделан вывод о необходимости перехода человечества на путь устойчивого развития.

Понятие устойчивого развития включает признание как приоритетного права людей на здоровую и плодотворную жизнь в гармонии с природой и признание охраны природы как неотъемлемого компонента и условия устойчивого развития. Устойчивое развитие предполагает сохранение окружающей среды как для нынешнего, так и для будущих поколений. Высказанная идея устойчивого развития общества созвучна учению о ноосфере (сфере разума) и выступает как бы начальным этапом ее становления.

В документах, принятых на конференции в Рио-де-Жанейро (и поддержанных в Йоханнесбурге в 2002 г.), отмечено, что основным фактором перемен в окружающей среде является население, его потребление ресурсов и неудовлетворительные технологии. Поэтому в документах конференций 1992 и 2002 гг. предложены меры и программы для достижения устойчивого равновесия между потреблением ресурсов, ростом населения и способностью Земли поддерживать жизнь. Названы также технологии, безопасные для природы и позволяющие удовлетворять потребности людей при рациональном использовании природных ресурсов. Кроме того, выдвинута программа экологического просвещения населения стран мира, направленная на усвоение этических норм, ценностей, отношений, профессиональных навыков и поведения в природе, которые потребуются для обеспечения устойчивого развития человечества, сохранения жизни и ее многообразия для будущих поколений населения Земли. А для этого уже сегодня каждый человек должен знать устройство биосферы — нашего общего дома — и учиться вести себя в этом доме по правилам общежития.

Человек должен понимать свое место в природе как компонента биосферы, хорошо знать, что ему недоступно и запрещено, предвидеть результаты своих действий в биосфере и в непосредственном природном окружении Принципы «Не навреди», «Все связано со всем», «Природа знает лучше» и «За все надо платить» должны войти в мировоззрение каждого человека, стать основой его культуры и образа жизни.

Основываясь на этих принципах, человек должен отказаться от претензий на место царя природы, исторически сложившегося потребительского отношения к природе, чтобы взаимодействовать с ней экологически компетентно, учитывая пределы устойчивости биосферы. Только в этом случае можно ожидать устойчивого развития биосферы и человечества.

Человечество сможет выжить, только кардинально изменив стратегию своих взаимоотношений с биосферой, т. е. перейдя от природопокорительских мировоззрения и поведения к эколого-ноосферным.

Вопросы
1. Зачем человечество обратилось к экологии для решения проблем сохранения жизни на Земле?
2. Отчего земледелие и скотоводство, ставшие значимыми этапами в развитии человечества, сейчас характеризуются как факторы нарушения устойчивости биосферы?
3. Почему для достижения устойчивого развития биосферы обращаются к вопросам нравственности и культуры?

Экологические факторы и их значение
Среды жизни организмов на Земле. Природа нашей планеты прекрасна и очень разнообразна. Это многочисленные озера, моря, реки, горы, равнины, болота, пустыни, леса, степи, и всюду протекает жизнь. Все огромное разнообразие природных условий, которое встречается в биосфере, называют средой обитания живых организмов.

Среда — это совокупность факторов, окружающих живые организмы и оказывающих на них прямое или косвенное воздействие. Из среды организмы получают все необходимые ресурсы для жизни и в нее же выделяют продукты своего обмена веществ. Среда, обеспечивающая возможность жизни организмов в биосфере, очень разнообразна. Напомним, что по качественно отличным комплексам условий, обеспечивающим возможность для жизни, различают четыре среды жизни: водную, наземно-воздушную (сушу), почвенную и живой организм (для паразитов и симбионтов).

Среда влияет на организмы посредством физических, химических и биотических воздействий. Каждые действия, качественно отличные от других называют элементами действия среды или факторами. Те влияния среды, которые оказывают какое-либо воздействие на организмы, называют экологическими факторами.

Экологические факторы при воздействии на живые организмы могут являться раздражителями, вызывающими приспособительные изменения физических, биохимических и поведенческих функций; выступать ограничителями, обусловливающими невозможность существования в данных условиях; служить модификаторами, вызывающими анатомические и морфологические изменения организмов; проявляться сигналами изменений в качествах среды обитания, изменений других экологических факторов.

Экологические факторы среды. Все многообразие экологических факторов подразделяют на три большие группы — абиотические, биотические и антропогенные. Для любых факторов можно выделить три зоны их действия: оптимума, угнетения и смерти.

По своему действию экологические факторы могут оказывать угнетающее или стимулирующее действие. Это зависит от силы и диапазона (размаха) действия фактора. Действие фактора, близкое к пороговому (минимальному или максимальному), вызывает угнетение, а за порогом находится зона смерти, свидетельствующая о невозможности существования организмов в данных условиях. В оптимальном диапазоне (при наиболее благоприятных условиях) действие фактора обусловливает активность процессов жизни у организма, ускорение процессов роста и развития, увеличение численности вида и др.

Нормальная жизнедеятельность организмов возможна только при сочетании целого ряда экологических факторов. Если при благоприятном сочетании ряда факторов проявления одного фактора оказываются недостаточными (или, наоборот, избыточными), то он становится определяющим для нормальной жизнедеятельности организмов данного вида. Такой фактор называют ограничивающим. Возможность обитания организмов (популяций, видов) определяется наличием ограничивающих факторов.

Таким образом, существует зависимость интенсивности жизнедеятельности от степени выраженности любого фактора.

Абиотические факторы. Все элементы неживой природы, влияющие на жизнь организмов, относятся к абиотическим факторам. Среди них наиболее важными являются свет, температура, влажность, воздух, минеральные соли, рельеф, течение, магнетизм, радиация и др. Часто их объединяют в группы факторов: климатические, почвенные, геологические или химические и физические.

В природе трудно отделить действие одного абиотического фактора от другого, поэтому организмы всегда испытывают их совместное влияние. Например, солнечный свет, освещая поверхность какого-либо тела, одновременно и нагревает его, а нагревание сопровождается иссушением влаги. Причем все это очень переменчиво и зависит от многих других факторов: рельефа местности, состояния атмосферы, движения воздуха (ветра), времени суток, сезона года, солнечной активности, присутствия растительности или крупного водоема и пр.

В жизни организмов свет имеет огромное значение, особенно для растений, так как только в условиях достаточной интенсивности освещения осуществляется фотосинтез. Продолжительность световой части суток имеет в жизни организмов сигнальное значение (пробуждение от зимней спячки животных и выход из состояния покоя растений, сезонные миграции, период размножения и др.). Сигнальное значение света обусловлено его повторяемостью на протяжении длительного времени из-за вращения Земли (по земной орбите вокруг Солнца и вокруг своей оси).

Вода (влага) также выступает необходимым фактором. Живых организмов, не содержащих воду, на нашей планете не найдено. Все процессы питания, дыхания, выделения (т. е. весь обмен веществ) протекают только при участии воды. Условия водного режима сказываются на внешнем облике организмов, их внутреннем строении, поведении, ритмах жизни и всех других процессах жизнедеятельности. По отношению к фактору влажности среди сухопутных организмов различают экологические группы: влаголюбивые, предпочитающие умеренную влажность и сухолюбивые. То же по отношению к температурному фактору — теплолюбивые, холодолюбивые, морозостойкие и жаростойкие. А по отношению к световому режиму среди растений различают светолюбивые, тенелюбивые и теневыносливые; животных обычно делят тоже на три группы: дневные, ночные и сумеречные.

Влияние абиотических факторов приводит к появлению приспособлений у организмов, сказывается на протекании физиологических процессов Выражается оно также в изменении скорости роста и развития, продолжительности жизни и плодовитости. Абиотические факторы определяют границы распространения видов в биосфере и обусловливают вхождение в биогеоценозы.

Регулярность действия основных абиотических факторов способствует развитию приспособленности у организмов (видов) по отношению к этим факторам среды.

Биотические факторы. К этой группе экологических факторов относится всевозможное влияние растений, животных, грибов, бактерий и вирусов на живые организмы. Оно может быть как полезным (например, симбиоз гриба и водоросли, микориза, клубеньковые бактерии и др.), так и вредным (болезни, калечение, поедание организмов или их частей, соков и органов). В процессе эволюции у организмов выработалась приспособленность к совместному их обитанию в виде повадок (для нападения на жертву и для защиты от хищника, паразита), в виде особенностей внешнего и внутреннего строения тела, физиологических процессов, ритмов активности и расселения.

Подобные приспособления у организмов выработались только по отношению к постоянно воздействующим биотическим факторам. Они возникли исторически, при совместном существовании организмов на одних и тех же территориях.

Антропогенные факторы. Действие человека как экологического фактора в природе велико и чрезвычайно многообразно. В процессе своего существования он создал большое количество самых разнообразных культурных видов растений и домашних животных, воздвиг искусственные биогеоценозы и существенным образом преобразовал естественные природные комплексы. На многих территориях человек создал особые, иногда близкие к оптимальным, условия жизни для многих видов. Он сотворил и свою среду обитания.

Создавая громадное разнообразие сортов и видов растений и животных, человек способствовал появлению у них новых свойств, обеспечивающих им выживание в неблагоприятных условиях, в борьбе за существование с другими видами и не-восприимчивость к воздействию патогенных организмов. При этом изменения, производимые человеком, для одних видов оказываются благоприятными условиями для размножения и развития, а для других — неблагоприятными и даже губительными. В итоге между видами возникают новые численные отношения, перестраиваются пищевые цепи, появляются приспособления, необходимые для существования организмов в измененной среде.

В характеристике антропогенных факторов различают сознательные действия и случайные.

Сознательно, например, человек создает высокопродуктивные и устойчивые к заболеваниям формы, расселяет одни, уничтожает другие, ненужные ему, но при этом часто происходит уничтожение целого ряда ценных видов.

К случайным относятся те воздействия, которые не были заранее предусмотрены и запланированы. Таких примеров немало: случайный завоз организмов с грузом, с пищевыми продуктами; распространение сельскохозяйственных вредителей, паразитов; непредвиденные последствия, вызванные сознательными действиями в природе (нежелательные явления при осушении болот, постройке плотин, распашке целины, выпасе скота, орошении, рубке леса, застройке территории и т. п.).

Эти и многие другие примеры свидетельствуют о противоречивом, чрезвычайно мощном и часто внезапном влиянии антропогенных факторов в живой природе, жизни самого человека и человечества, в существовании всей биосферы. Важно подчеркнуть, что на воздействие природных абиотических и биотических факторов, обычно носящих постоянный и циклический характер, у живых организмов имеются выработанные в процессе эволюции приспособительные свойства, тогда как на многие антропогенные воздействия, обычно действующие внезапно и нерегулярно, у живых организмов таких приспособлений нет. В этом тоже проявляются особенности действия антропогенных факторов. Поэтому человек, планируя природопользовательскую деятельность, обязан предусмотреть все ее последствия!

В биосфере различают четыре качественно отличающиеся среды жизни: водную, наземно-воздушную, почвенную и организменную. В каждой из них живые существа сталкиваются с комплексом экологических факторов, прямо или косвенно воздействующих на организмы. По отношению к абиотическим и биотическим факторам среды как постоянно действующим в биосфере у всех организмов в процессе эволюции вырабатываются приспособления. Этого не наблюдается по отношению к антропогенным факторам, так как они нерегулярны и часто неожиданны.

Вопросы
1. Какие группы влияний различают среди абиотических факторов
2. Почему на действие абиотических и биотических экологических факторов у видов вырабатывается приспособленность к жизни в этих условиях?
3. Какие условия для жизни предоставляет организмам биосфера?


Проверьте себя

1. Когда возникла биосфера?
2. Из каких основных компонентов состоит биосфера?
3. Какие свойства биосферы В.И. Вернадский называл главными?
4. Какими свойствами обладает живое вещество?
5. В чем отличие теорий биогенеза от теорий абиогенеза?
6. Как могло возникнуть живое вещество на нашей планете?
7. Почему биосферу называют экосистемой?
8. Какую функцию выполняет биологический круговорот веществ биосферы?
9. Какие механизмы обеспечивают устойчивость биосферы?
10. Какую роль играет биосферный уровень в развитии живой материи?
11. Назовите условия, которые обеспечили возникновение живого на нашей планете.
12. Какие группы экологических факторов действуют в биосфере? Из перечня условий исключите ошибочное:

Условия, обеспечившие возникновение живого на нашей планете: сероводород, свободный кислород, электрические разряды, углерод, аммиак, вода, кремний.

13. Выберите верную дату:

Международная конференция в Рио-де-Жанейро, на которой была принята «Повестка дня на XXI век», прошла в ... году.

а) 1992; б) 1993; в) 1965; г) 1982; д) 1997.

14. Выскажите свое мнение:

1. Почему В.И. Вернадский всё многообразие живого населения биосферы назвал живым веществом?
2. Возможен ли процесс возникновения жизни в наше время?
3. Почему человек, наряду с биогеоценозами, считается компонентом биосферы?

1. Охарактеризуйте физико-химические события, сопровождавшие образование Мирового океана.
2. Поясните, какие события в истории развития Земли сыграли наиболее существенную роль в появлении биосферы.
3. В чем отличие первичной атмосферы Земли (Протоземли) от со-временной атмосферы?
4. Объясните, почему Стенли Миллер, опытным путем доказав возможность эволюционного возникновения органических веществ на Земле, не продолжил эксперимент до получения живой клетки.

1. Можно ли назвать эры этапами развития жизни на Земле?
2. Какое событие в эволюции живого мира обусловило возможность возникновения новых, все более сложных форм организмов?