СОВРЕМЕННЫЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ О БИОСФЕРЕ

Понятие о биосфере как особой оболочке Земли (области распространения жизни, «тонкой пленке жизни») было предложено австрийским геологом Э.Зюссом в 1875 г. Современные представления о биосфере как области жизни планетарного масштаба, объединяющую в себе всю совокупность биологических систем и среду их обитания, связаны с работами выдающегося русского ученого В.И.Вернадского. В своей работе «Биосфера» (1926 г.) В.И.Вернадский обобщил роль организмов в преобразовании земной коры и создании биосферы, ввел понятие «живого вещества» как мощной геологической силе, показал, что биосфера не только область распространения жизни, но и ее производная.

Биосфера Земли представляет собой совокупность связанных между собой обменом веществом, энергией и информацией биогеоценозов, располагающихся в очень тонком приповерхностном слое нашей планеты. Живые организмы обитают в трех оболочках планеты – литосфере, гидросфере и атмосфере. Принято считать, что верхняя граница жизни находится в атмосфере на высоте примерно 25 км (лимитирующий фактор – губительное ультрафиолетовое излучение за пределами озонового слоя). Нижняя граница жизни в литосфере располагается на глубине нескольких десятков метров (дождевые черви, корни растений и др.). Отдельные микроорганизмы встречаются в нефтеносных слоях на глубине до 3 км. В гидросфере живые организмы встречаются во всей толще океана вплоть до максимальных глубин – 11 км.

В.И.Вернадский показал, что биосфера обладает такими свойствами термодинамически неравновесной, антиэнтропийной живой системы, как самовоспроизведение, устойчивость (гомеостаз), саморегуляция и способность к эволюции. За время существования биосферы на Земле происходили различные глобальные изменения (смена климата, тектонические процессы, движения материков и др.), но биосфера продолжала существовать и развиваться. Свойства биосферы определяются совокупностью всех живых существ на планете: их способностью к размножению, сложными взаимоотношениями между собой и с неживой природой, способностью к эволюции.

Согласно Вернадскому, биосфера включает в себя:

1) живое вещество – совокупность всех живых организмов;

2) косное вещество – горные породы, минералы, продукты вулканической деятельности, неживые продукты человеческого труда и т.п.;

3) биогенное вещество, которое создается и перерабатывается в процессе жизнедеятельности организмов (газы атмосферы, нефть, каменный уголь и др.);

4) биокосное вещество – совместный результат жизнедеятельности организмов и абиогенных процессов (почвы, илы и т.п.).

Возникновению жизни на Земле предшествовало формирование трех главных сфер: литосферы, гидросферы и атмосферы. Первоначальный состав и строение этих сфер существенно отличались от их современного состава и строения. Появление жизни стало революционным событием в истории Земли. Живые организмы стали быстро заселять Землю. Благодаря этому появилась четвертая сфера - биосфера.

Важнейшим отличием живого вещества от косной материи Вернадский считал молекулярную дисимметрию (молекулярную хиральность) живого. Ему удалось доказать, что не только окружающая среда влияет на живые организмы, но и жизнь способна формировать среду своего обитания. Вернадский вышел на качественно новый уровень анализа жизни и живого – биосферный уровень. Под биосферой он понимал не только живое вещество планеты, но и преобразованную им среду обитания. Биосфера – один из основных структурных компонентов организованности нашей планеты и околоземного космического пространства, сфера, в которой осуществляются биоэнергетические процессы и обмен веществ вследствие деятельности жизни.

Благодаря новому подходу Вернадский исследовал жизнь как могучую геологическую силу, формирующую облик Земли, отводил главную роль в существовании и развитии биосферы «живому веществу». Он выделял четыре функции живого компонента биосферы: газовую, окислительно-восстановительную, концентрационную и почвообразовательную. В результате метаболизма живых существ (фотосинтез, дыхание, брожение и др.) регулируется и поддерживается химический состав атмосферы. Установлено биогенное происхождение кислорода, азота, аммиака и других газов. Поступление и расход кислорода, азота и углекислого газа регулируется организмами. Выше изложенное раскрывает сущность газовой функции живого вещества. Увеличение концентрации кислорода в атмосфере повлияло на скорость и интенсивность окислительно-восстановительных реакций в литосфере и гидросфере, способствовало интенсификации круговорота веществ в биосфере. Способность организмов накапливать (концентрировать) в своих телах, скелетах химические элементы, рассеянные в окружающей среде, обусловливает участие живых организмов в образовании осадочных пород (мела, известняка, кремнистых пород, торфа, угля и др.). Живые организмы обусловливают процесс почвообразования. Почва образуется из продуктов разрушения поверхностных слоев литосферы под действием микроорганизмов, растений и животных. За счет минерализации органических веществ отмирающих организмов образуется особое органическое вещество почвы – гумус.

Живое вещество и косное вещество постоянно взаимодействуют в биосфере Земли, обеспечивая непрерывный круговорот химических элементов и энергии. Благодаря биогенной миграции атомов живое вещество выполняет свои геохимические функции: концентрационную (накопление определенных химических элементов внутри живых организмов), транспортную (перенос нужных живым организмам химических элементов), энергетическую (обеспечение и преобразование потоков энергии, что дает возможность осуществлять все биогеохимические функции живого вещества), деструктивную (разрушение и переработка органических остатков), средообразующую (преобразование окружающей среды под действием живого вещества).

Дальнейшее развитие концепция биосферы В.И.Вер-надского, концепция глобальной экосистемы как взаимосвязанного единства живого, биогенного, биокосного и косного вещества, получила в работах английского химика Дж.Лавлока, предложившего концепцию Геи-Земли, согласно которой планету Земля нужно рассматривать как единую живую систему, без разделения на органическую и неорганическую материю. По утверждению Лавлока, Земля, как самоорганизующаяся система – суперорганизм ─ управляет процессом жизни, включая человека и человечество как неотъемлемую, но составную часть Земного целого. Гипотеза Дж.Лавлока явилась импульсом для разработки современного варианта системной науки о Земле – геофизиологии. Геофизиология, исходя из данных геологии, геохимии, эволюционной биологии и климатологии, доказывает, что суперорганизм Земля (Гея) обладает саморегуляторными «геофизиологическими» свойствами, т.е. поддерживает целый ряд параметров внутренней среды в относительно стабильном (гомеостатическом), благоприятном для живых существ уровне. Биосфера представляет собой единый суперорганизм с развитым гомеостазом, делающим его относительно независимым от флуктуаций внешних факторов. В планетарном масштабе жизнь активно организует глобальные гомеостатические параметры среды, непрерывно подстраивая их «под себя», в процессе собственного эволюционного развития. Лавлок предостерегает, что при нарушении человеком границ саморегуляции системы Земли она может перейти в новое состояние, непригодное для жизни. Поэтому сейчас необходимо продумать стратегию дальнейшего развития человеческой цивилизации.

Вопросы для самопроверки

1. Какие фундаментальные свойства отличают живую материю от неживой?

2. Какие иерархические уровни организации специфичны для живой материи?

3. Каковы основные признаки живого?

4. Что является субстратом жизни?

5. Что такое биосфера, каковы ее границы, лимитирующие факторы и условия стабильности?

6. Что такое биогеоценозы, каковы их структура, свойства и функционирование?

7. Какие элементы называются в биосфере биогенными и косными?

8. Чем отличается живое вещество от косного?

9. Какова роль «живого вещества» в развитии нашей планеты?

10. Какие геохимические функции живого вещества вы знаете?

11. Что такое метаболизм и какую роль он играет в динамике жизни?

12. Чем отличаются клетки – прокариоты от эукариотов?

13. В чем состоит отличие животной клетки от растительной?

14. Что называют молекулярной хиральностью?

15. Какую роль играют молекулы ДНК в передаче наследственности?

16. В чем состоит принцип комплементарности?

17. Чем отличается молекула ДНК от молекулы РНК?

18. Какую функцию выполняют транспортные РНК?

19. Какой процесс называется транскрипцией?

20. Как протекает процесс трансляции?

21. Что такое геном?

22. Что такое генотип?

23. Чем фенотип отличается от генотипа?

24. Каковы основные факторы и движущие силы эволюции?

25. Чем отличается макроэволюция от микроэволюции?

26. Чем отличается синтетическая теория эволюции от дарвиновской?

27. Какие механизмы изменчивости действуют на молекулярном уровне?

28. Какие виды естественного отбора вы знаете?

29. Что называется изменчивостью?

30. Какие концепции происхождения жизни вы знаете?

31. Каковы основные этапы биогенеза в гипотезе А.И.Опарина?

ЧАСТЬ 6.