В.Ф.Попов, О.Н.Толстихин
Жизнь,ее происхождение и развитие всегда, с древнейших времен волновали мысльчеловека. П.Кемп и К. Армс (1988) намечают 7 признаков живого организма:
1.Живые организмы характеризуются высокоупорядоченным строением. Химическиевещества, из которых состоят живые, организмы сложны и обладают уровнямиорганизации превышающими таковые у большинства веществ неживой (или косной)природы.
2.Живые организмы используют энергию окружающей их среды для поддержания иусиления своей высокой упорядоченности. Большая часть из них прямо или косвенноиспользует солнечную энергию. Зеленые растения используют эту энергию длясинтеза питательных веществ, потребляемых как самими растениями, так иподавляющем большинством всех других организмов, обитающих на Земле.
3.Живые организмы активно реагируют на состояние окружающей среды и происходящиев ней изменения. Способность реагировать на внешние раздражения — универсальноесвойство всех живых веществ.
4.Живые организмы развиваются. Рост, например, кристалла и рост органов любогоживого существа принципиально отличны по структуре, сложности и многообразиюсвойств формирующихся органов.
5.Все живое размножается. Новые организмы возникают только в результатеразмножения других таких же организмов.
6.Каждому организму для того, чтобы выжить, развиваться и размножаться,необходима информация, заложенная в нем самом, в его генетическом аппарате,которая расщепляется и передается от каждого индивидуума к его потомкам.Генетический материал предопределяет возможные пределы развития организма, егоструктур, функций и реакции на окружающую его среду.
7.Живые организмы адаптированы к среде их обитания. Они сами и все их органыприспособлены своему образу жизни.
Каковыже условия этой внешней среды обитания, благоприятствующие возникновеию,сохранению и развитию жизни?
Экологиярассматривает пять таких условий, совокупность которых определяет этивозможности (Мамедов и Суравегина, 1966).
1.Достаточное количество кислорода и углекислого газа. А.С.Монин (1977) отмечает,что с биологической точки зрения критический уровень содержания свободногокислорода в атмосфере, при котором организмы переходят от анаэробного обменавеществ, к энергетически более эффективному окислению при дыхании, составляетоколо одной сотой от количества кислорода в современной атмосфере. Такое егосодержание в атмосфере Земли было достигнуто, вероятно, в конце венда, около600 млн. лет тому назад. С этого момента в морской среде происходит массовыйвзрыв биологической продуктивности и разнообразия организмов, однако, их выходна сушу еще долгое время сдерживался отсутствием озонового экрана атмосферы.Формирование последнего состоялось около 400 млн. лет тому назад, присодержании кислорода в приземном слое атмосферы порядка 10% от современного. Споявлением озонового экрана резко интенсифицируется освоение континентов леснойрастительностью с ее бурным фотосинтезом и в относительно короткий срок, внесколько миллионов лет содержание свободного кислорода достигло современногоуровня. Стоит отметить, что в настоящее время всеми растениями мирапродуцируется около 100-150 млрд.т. кислорода, примерно в равных долях на сушеи в океанических пространствах. Почти весь он расходуется на дыхание животных,окисление органических остатков, вулканических газов и горных пород. Углекислыйгаз первоначально попадал в атмосферу и гидросферу земли из земных недр, спродуктами дегазации мантии, а затем — с вулканическими газами. Можнопредставить каталитическую реакцию графита с водой, происходящую при высокихтемпературах: (3C+H2O ® CH4+2CO; C+H20 ® CO+H2; C+2H2O ® CO2 +H2) илитемпературную диссоциацию первичных карбонатов CаCO3 ® CаO+CO2. Одновременно,удаление углекислого газа из атмосферы происходило и происходит главным образомза счет образования карбонатного скелета морских организмов и накопления наморском дне карбонатных отложений и органического вещества растений.
2.Достаточное количество жидкой воды, недостаток которой встречается на землелишь в Антарктиде, Гренландии, высокогорьях и экваториальных пустынях. Историяформирования земной гидросферы также достаточно интересна. В момент образованиянашей планеты из протопланетного облака все элементы ее будущей гидросферы, каки атмосферы, находились в составе твердых веществ (Монин, 1977): вода вгидроокислах, азот — в нитридах, кислород в окислах металлов, углерод — вграфитах, карбидах и карбонатах. Возникновение гидросферы связано уже споследующими выплавками базальтов, водяного пара и газов, в первые 0,5-1,5млрд. лет существования Земли, в результате прогревания недр планеты за счетгравитационного сжатия и распада радиоактивных изотопов. Подтверждением томуслужат современные вулканические газы, содержащие водяной пар в количествах неменее 70-80 весовых процентов. Обнаружение осадочных образований в древнейшихиз известных горных пород Земли свидетельствует о весьма раннем возрасте еегидросферы.
3.Определенный интервал благоприятных температур: не слишком низких дляпротекания биохимических реакций с участием ферментов и не слишком высоких, неболее 1000 ° С, выше которых белок свертываются.
4.Необходимый минимум минеральных веществ в почвенном слое, доступных дляосвоения микроорганизмами и растениями.
5.Ограничение солености среды: при концентрации солей примерно в 10 раз выше чемморская вода, а ее соленость составляет в среднем 35 г/кг, жизнь в водеисчезает, подземные же воды лишены жизни при их минерализации свыше 270 г/л. Кэтим пяти условиям необходимо добавить:
6.Отсутствие загрязняющих веществ, которые по своим свойствам и концентрациипревышают допустимые для биосферных объектов уровни.
Таковы,меняющиеся под влиянием человека, необходимые условия существования живоговещества Земли.
Начало жизни и эволюция живого вещества
Донаучныепредставления уходят в далекое прошлое, и связаны с идеей божественного(креационизм — creatio “сотворение”) начала всего сущего, время которого дажепытались вычислить. Так в 1650 году архиепископ Ашер из Ирландии вычислил, чтоБог сотворил мир и человека в 9 часов утра 23 октября 4004 года до нашей эры.Как это происходило, рассказывает библия.
“Вначале сотворил Бог небо и землю. Земля же была безвидна и пуста, и тьма надбездною; и Дух Божий носился над водою...” (Быт.1;1,2).
Тамже высвечена идея о постоянстве и наследственных признаках всех живыхорганизмов: “И сказал Бог: да произрастит земля зелень, траву сеющую семя [породу и по подобию ее, и] дерево плодовитое, приносящее по роду своему плод, в которомсемя его на земле. И стало так.”(Быт.1.11) Эта идея, но уже с учетом половогоразмножения, отражена в Притче о Ноевом Ковчеге.
Нечтоподобное утверждается и в различных сурах Корана. Вот образцы таких текстов:
”Поистине,Господь ваш — Аллах, который создал небеса и землю в шесть дней, а потомутвердился на троне. Он закрывает ночью день, который непрестанно за нейдвижется… И солнце и луну и звезды, подчиненные его власти. О да! Емупринадлежит и создание и власть. Благословен Аллах, Господь миров!” (7:54/52).
”Аллах- тот, кто воздвиг небеса без опор, которые вы бы видели, потом утвердился натроне и подчинил солнце и луну: все течет до определенного предела. Онуправляет (Своим) делом, устанавливает ясно знамения,- может быть вы уверитесьво встрече с вашим Господом! (13:2)
Он- тот, кто распростер землю и устроил на ней прочно стоящие (горы) и реки и извсяких плодов устроил там пары по двое. Он закрывает ночью день. Поистине, вэтом — знамения для людей, которые думают (13:3).
Теорияспонтанного зарождения жизни, как альтернатива креационизму восходит к древнемуВавилону, Египту, Криту, Греции. Согласно воззрениям натурфилософов тоговремени некоторые частицы вещества, из тех, что образуют всю вселенную,содержат некое “активное начало” которое при определенных условиях можетсоздать живой организм. Аристотель полагал, что активное начало есть воплодотворенном яйце, солнечном свете, гниющем мясе. У Демокрита начало жизнибыло в иле, у Фалеса — в воде, у Анаксагора — в воздухе.
Научныйпоиск зарождения жизни. Если отвлечься от Божественного Начала, загадказарождения жизни до конца еще не разгадана. Биологические фактысвидетельствуют, что ныне живое возникает только от живого. В.И.Вернадскийссылаясь на итальянского биолога Франческо Реди, постулировавшего в 1688 году,что все живое может происходить только от живого, однозначно указывает, что:
Никогдане наблюдалось в условиях Земли зарождение живого от мертвого (обратитевнимание на точность изложения мысли. Не категоричное «не можетбыть», как сейчас нередко с добавлением, «потому что не может бытьникогда», а именно никогда не наблюдалось что не исключает, в принципе,вероятность такого хода события).
Вгеологической истории нет эпох отсутствия жизни.
Современноеживое вещество генетически родственно всем прошлым организмам.
Ихотя в древнейших архейских горных породах уже есть признаки жизни, нетсвидетельств ее одномоментного зарождения.
Нов истории формирования Земли был период, который не нашел отражения вгеологической летописи, называемый В.И. Вернадским азойным периодом. Период,относящийся к космической истории Земли, как части Солнечной Системы. Вотношении этого времени В.И.Вернадский указывает на такие возможности: «Незная научно этого прошлого, мы не можем научно решить вопрос о генезисе в немжизни, если он произошел в космические периоды истории Земли. Другого временидля этого нет, ибо в геологических временах зарождения жизни не было». Идалее, «Признавая биогенез, согласно научному наблюдению, за единственную формузарождения живого, неизбежно приходится допустить, что начала жизни в томкосмосе, который мы наблюдаем, не было, поскольку не было начала этого космоса.Жизнь вечна постольку, поскольку вечен космос, и передавалась всегдабиогенезом. То, что верно для десятков и сотен миллионов лет, протекших отархейской эры до наших дней, верно и для всего бесчисленного хода временикосмических периодов истории Земли. Верно и для всей Вселенной.» Значит"… Остаются три возможности:
жизньсоздалась на Земле при космических стадиях ее истории в условиях, неповторяющихся в позднейшие геологические эпохи;
жизньбыла на Земле и в космические эпохи ее былого, она извечна;
жизнь,извечная во вселенной, явилась новой на Земле, ее зародыши приносились в нееизвне постоянно, но укрепились на Земле лишь тогда, когда на Земле оказалисьблагоприятные для этого возможности”. Этот механизм привнесения жизни на землюизвестен как идея панспермии.
Инаяточка зрения, выдвинутая и разработанная, в частности, академиком А.И.Опаринымвам известна из школьного курса биологии. Она состоит в том, что первично живоевещество все-таки возникло из неживого в особо благоприятных для этого условияхдна мелководных теплых морей катархея, воды которых были богаты сложнымиорганическими веществами неорганического происхождения. Там и могло начатьсяобразование двойных сахарофосфатных спиральных нитей высокополимерныхнуклеиновых кислот с закрепленными на них основаниями, служащими “кодами” длядальнейшего синтеза белков. Эти нити, при некоторых внешних условиях моглиразворачиваться в одинарные спирали и синтезировать на каждой из нихнедостающую вторую спираль, то есть порождать пару себе подобных, передавая иминформацию, заложенную в основаниях. Подобные полимеры, обеспечивающиедостаточно длительное сохранение и воспроизводство уже можно рассматривать вкачестве первичных организмов. Их развитие, в свою очередь, исключило условиедальнейшего самозарождения жизни. Энергетическими источниками подобногопроцесса могли служить грозовые разряды, энергия действующих вулканов или,возможно — ультрафиолетового излучения не сдерживаемого озоновым экраном.
Подобныеусловия и эффекты, напоминающие преобразование природных неорганическиххимических соединений в органические, были обнаружены в горячих газахкурильского вулкана Алаид, в гидротермальных растворах источников Камчатки иКурильских островов, смоделированы в лабораторных условиях. Сложныеорганические вещества, вплоть до аминокислот, и синезеленых водрослейобнаружены в ряде каменных метеоритов, в частности, так называемых углистыххондритах.
Наиболеедревние остатки жизнедеятельности организмов, обнаруженные в Трансваале впородах, возраст которых определяется 3,1-3,4 млрд. лет (напомним. что возрастпланеты Земля составляет около 4,5 млрд. лет.) представляют собоймикроскопические изолированные палочки. длиной 0,45-0,7 мк и диаметров0,18-0,32 мк, имеющие двухслойные оболочки толщиной 0,015 мк. Там же обнаруженынитеподобные образования, а также многочисленные шаровидные, дисковидные имногоугольные оболочки микроскопических водорослей. Палеонтологические данныепозволяют, однако, полагать, что при любых причинах образования жизни, еедальнейшее развитие состоит в непрерывном изменении, эволюционировании живыхорганизмов. Согласно теории эволюции современные организмы возникли от болеедревних форм жизни, унаследовав от них ряд признаков и претерпели различныемодификации.
Генетическиеосновы эволюции. Любой организм содержит в себе информационный запас развития,который определяется содержащимся в нем генетическим материалом, унаследованнымот организмов предыдущего поколения. Единицами такого генетического материала(и информации) являются гены. Однако гены могут нести не только сходные черты,но и различия, вызванные наследственными изменением генетического материала,называемым мутациями. Мутации могут, в свою очередь, вызываться ошибками прикопировании генетического материала, возникать в результате химическоговоздействия или излучения. Они случайны, весьма редки (лишь у нескольких особейодна на 100 000) и в большинстве случаев неблагоприятны для своего носителя.
Помимомутационной, изменчивость также возникает в результате смешивания генов приполовом размножении, потому что каждый потомок получает половину генов откаждого из родителей. Общая сумма всех генов, имеющихся у данной популяциисоставляет ее генофонд.
Можнооценить, сколько раз встречается тот или иной ген в данной популяции иопределить частоту его встречаемости, например в первом и втором поколении.Разница покажет нам изменения в генетическом фонде, то есть эволюцию,происходящую в популяции. Под популяцией в экологии понимается совокупностьорганизмов одного вида, в той или иной степени изолированная от других таких жесовокупностей, способная длительно существовать на единой территории, самовоспроизводитьсяи изменяться вследствие преимущественного размножения тех или иных группвходящих в ее состав особей. Таким образом, эволюция популяции есть изменениечастоты встречаемости одного или нескольких генов в данной популяции, отпоколения к поколению. Эволюционирующая компонента то есть компонента,изменяющаяся во времени, определяет популяцию, а не отдельный, входящий в нееорганизм. Однако, накопление изменений частоты некоторых генов в генофонде напротяжении многих поколений может привести к резким изменениям и в популяции.
Находкиорганизмов, ныне не существующих на Земле, убеждали в том, что в разное времяЗемлю заселяли разные их виды. Геолог Чарльз Лейаль опубликовал в 1830 г.первый том “Основания геологии”, в котором доказывал постепенностьгеологического развития Земли.
В1809 г. Жан Батист де Ламарк выдвинул идею, что организмы на протяжении всейсвоей жизни могут приобретать признаки, повышающие их приспособленность к средеобитания, эти признаки они могут передавать своим потомкам. Суть этой теории,получившей название ламаркизм, чаще всего иллюстрируют примором с шеей жирафы.Так как жирафам постоянно приходилось вытягивать шею, чтобы дотянуться долистьев на деревьях, рассуждал Ламарк, то их шеи вытягивались и они передавали такуюудлиненную шею своим потомкам.
Однаковскоре появилась революционная теория эволюции путем естественного отборавыдвинутая Чарльзом Дарвиным и Альфредом Расселом Уоллесом.
Примечательно,что за несколько дней до того, как Ч.Дарвин готовился передать свой доклад виздательство, Альфред Рассел Уоллес прислал ему свой очерк, посвященныйвопросам эволюции. Между тем идеи, относящиеся к эволюции, были практическиидентичны и Лейаль настоял на том, чтобы тот и другой материалы былиопубликованы совместно. Соответственно в 1858 г. ими и была выдвинута теорияэволюции на заседании лондонского Линеевского общества. А в 1858 г. былаопубликована монография Ч.Дарвина “Происхождение видов” в которой была описанаэволюция на основе механизма естественного отбора. Книга была иллюстрированамногочисленными примерами и вызвала множество споров, ибо противоречилабиблейским положениям о происхождении видов и утверждала, что эволюция можетпроисходить и без вмешательства человека или божественного начала.
Вкачестве классического примера естественного отбора и преобразования вида,происходящего на популяционном уровне, было рассмотрено изменение цвета бабочкиберезовой пяденицы на севере Англии в результате развития там промышленногопроизводства. Биологи обратили внимание на то, что бабочки серого цвета запоследние 100 лет стали сравнительно редки и были замещены бабочками черногоцвета Особенно заметно это было вблизи крупных промышленных городов. Причинатакого смещения цвета была предположительно связана с гибелью светло-серыхлишайников и почернением стволов деревьев от копоти, образующейся при сжиганииугля. Белые бабочки были лучше видны на темных стволах деревьев и в первуюочередь становились жертвами птиц.
Былпроделан классический эксперимент — выращено в лаборатории и помечено большоеколичество черных и светлых бабочек, которые были выпущены на волю взагрязненной и незагрязненной местности. Процент выловленных черных бабочек былвдвое выше в загрязненной местности, нежели незагрязненной. С другой стороны, внезагрязненной местности птицы выловили на глазах у наблюдателей черных бабочеквдвое больше, нежели светлых. Следовательно, в загрязненной местности птицыпоедают больший процент бабочек, содержащих ген светлой окраски и больший шансвыжить до половой зрелости и оставить потомство принадлежащее бабочкам, несущимген серой окраски.
Надобнозаметить, что именно лишайники, получающие материал для построения своих тканейнепосредственно из воздуха, при его загрязнении гибнут в первую очередь. В этомотношении лишайники являются прекрасными индикаторами состояния воздушной средыв многолетнем разрезе.
Случайностьв генетическом отборе может иметь порой решающее значение. Случайные мутации,могущие возникать в результате генетической ошибки или благодаря какому тооднонаправленному воздействию, например физическому или химическому нагенетический аппарат отдельных особей могут привести к устойчивому ихизменению.
Модельпостепенной эволюции не укладывается в имеющиеся палеонтологические материалы,в частности сходство многих очень древних организмов с современными. Казалосьбы, они, эти организмы, должны были бы измениться более существенно. Инаоборот, буквально за несколько тысяч лет появлялись новые виды. На этомосновании была разработана модель прерывистой эволюции, совмещавшая в себевозможность медленного эволюционного развития с революционным взрывным.
Биологическое разнообразие
Совокупностьвсех разновидностей живых существ Земли именуют биологическим разнообразием илибиоразнообразием, которое начало возникать с зарождением жизни около 4 млрд.лет назад. Невозможно подсчитать сколько всего видов возникало и исчезало наЗемле. Сегодня в науке описано около 2 млн. видов животных, более 1,5 млн.насекомых, примерно 0,5 млн. видов растений, свыше 100 тыс. видов грибов и 40тыс. видов простейших. Только лесной зоне Якутии насчитывается 1891 видсосудистых растений, 300 видов мхов, более 500 видов лишайников, более 250видов наземных позвоночных.
Количествоописанных видов увеличивается, так, например, в 1993 г. во Вьетнаме обнаружилиновый вид антилопы. Это крупное животное. Пополнение биоразнообразия происходитв основном за счет насекомых, каждый год открывают до 2 тыс. новых видов.Пополняются новыми видами списки рыб, червей, грибов. Большинство специалистов склоняетсяк цифре 5-6 млн видов. Имеются географические закономерности видовогоразнообразия, например, для России оно постепенно возрастает с севера на юг.Самых больших для суши величин видовое разнообразие достигает в тропическихдождевых лесах.
С1600 года по оценке ученых за 400 лет безвозвратно исчезли 83 видамлекопитающих, 113 видов птиц, 21 вид рептилий, 23 вида рыб и 384 вида высшихрастений. Этот печальный список не полон, ведь многие животные и растенияисчезли прежде, чем были обнаружены учеными. В конце ХХ века планета теряетодин вид позвоночных животных ежегодно. Существует Красная книга Международногосоюза охраны природы и Красные книги отдельных государств и отдельных районов ирегионов. В настоящее время под угрозой исчезновения находится почти 20 тысячвидов растений, 320 видов рыб, 48 амфибий, 1355 видов рептилий, 924 видов птици 414 видов млекопитающих. Исчезновение видов нарушает тонкий природный баланс,который складывался миллионы лет. Утрата вида ведет к скрытой цепочке негативныхпоследствий, вследствие которого экосистемы зачастую становятся неустойчивыми.Этот процесс может стать опасным не только для природы, но и человечества вцелом.
Основные экологические проблемы
Походу курса мы познакомимся с современными экологическими проблемами, которые вперечислении Н.Ф.Реймерса с уточнениями и добавлениями, представляютсяследующими:
1.Изменение климата Земли в результате естественных геологических процессов,усиленных тепличным эффектом, вызываемым изменениями оптических свойств атмосферывыбросами в нее главным образом СО, СО2, других газов;
2.Замусоривание околоземного космического пространства (ОКП), последствиякоторого до конца пока не осмыслены, если не считать реальную опасностькосмическим аппаратам, включая спутники связи, локации поверхности земли идругие, широко использующиеся в современных системах взаимодействия междулюдьми, государствами и правительствами;
3.Сокращение мощности стратосферного озонового экрана с образованием такназываемых “озоновых дыр”, снижающих защитные возможности атмосферы противпоступления к поверхности Земли опасной для живых организмов жесткойкоротковолновой ультрафиолетовой радиации;
4.Химическое загрязнение атмосферы веществами, способствующими образованиюкислотных осадков, фотохимического смога и других соединений, опасных длябиосферных объектов, включая человека и создаваемых им искусственных объектов;
5.Загрязнение океана и изменение свойств океанических вод за счет нефтепродуктов,насыщения их углекислым газом атмосферы, в свою очередь загрязненнойавтотранспортом и теплоэнергетикой, захоронения в океанических водахвысокотоксичных химических и радиоактивных веществ, поступления загрязнений сречным стоком, нарушения водного баланса прибрежных территорий в связи срегулирования рек;
6.Истощение и загрязнение всех видов источников и вод суши;
7.Радиоактивное загрязнение отдельных участков и регионов с тенденцией егорасползания по поверхности Земли;
8.Загрязнение почв вследствие выпадения загрязненных осадков (например — кислотные дожди), неоптимального использования пестицидов и минеральныхудобрений;
9.Изменение геохимии ландшафтов, в связи с теплоэнергетикой, перераспределениемэлементов между недрами и поверхностью Земли в результатегорнометаллургического передела (например концентрация тяжелых металлов) илиизвлечения на поверхность аномальных по составу, высокоминерализованныхподземных вод и рассолов;
10.Продолжающее накапливание на поверхности Земли бытового мусора и всякого родатвердых и жидких отходов;
11.Нарушение глобального и регионального экологического равновесия, соотношенияэкологических компонентов в прибрежной части суши и моря;
12.Продолжающееся, а местами — усиливающееся опустынивание планеты, углублениепроцесса опустынивания;
13.Сокращение площади тропических лесов и северной тайги, этих основных источниковподдержания кислородного баланса планеты;
14.Освобождение в результате всех вышеуказанных процессов экологических ниш изаполнение ими иными, видами;
15.Абсолютное перенаселение Земли и относительное демографическое переуплотнениеотдельных регионов, крайняя дифференциация бедности и богатства;
16.Ухудшение среды жизнеобитания в переуплотненных городах и мегаполисах;
17.Исчерпание многих месторождений минерального сырья и постепенный переход отбогатых ко все более бедным рудам;
18.Усилениесоциальной нестабильности, как следствия все большей дифференциации богатой ибедной части населения многих стран, возрастания уровня вооруженности ихнаселения, криминализации, природных экологических катаклизмов.
19.Снижение иммуного статуса и состояния здоровья населения многих стран мира,включая Россию, многократное повторение эпидемий, имеющих все более массовый итяжелый по последствиям характер.
Вотдалеко не полный круг проблем, в решении каждой из которых специалист можетнайти свое место и дело.
Список литературы
Дляподготовки данной работы были использованы материалы с сайта www.sitc.ru