Жизнь, живое вещество и биосфера

Наши современные представления о веществе, живом и жизни основаны на той сумме знаний, которая получена в результате достигнутого уровня развития человечества, его технической и научной мысли. Очень кратко остановимся на некоторых из них.

Жизнь, по определению Ф. Енгельса, это способ существования белковых тел со свойственным им постоянным самообновлением химического состава. Следовательно, в его основу положена структурно-функциональная характеристика.

Установлено, что на Земле субстратом жизни является комплекс веществ, принадлежащий к двум классам полимеров: белков и нуклеиновых кислот, а носителями информации служат нуклеиновые кислоты.

Белковая разумная жизнь, возникшая на основе углеродсодержащих соединений со строго обусловленным энергетическим уровнем углерода в 7,65 МэВ и при наличии воды, возможна лишь в небольшом интервале температур от 250 до 320 по Кельвину (от 23 до 47 °C - по Цельсию), что определено структурно-функциональной организацией нашей Вселенной, нашей Галактики, нашей Солнечной системы, нашей планеты Земля.

Все основные процессы, характеризующие жизнь, связаны с комплексными свойствами этих разнокачественных соединений с характерной структурной организацией:

• упорядоченность в пространстве на молекулярном и надмолекулярном уровнях;
• упорядоченность во времени, обеспечивающая строгую последовательность протекающих в живых системах процессов.

Тенденция к упорядоченности, как противодействие возрастанию энтропии, и является характерной чертой живой природы.

Живые системы, будучи открытыми, непрерывно обмениваются с окружающей средой энергией, веществом и информацией. Извлекая энергию из окружающей среды они снижают энтропию внутри себя.

Константы, свойственные нашей Вселенной при их уникальном сочетании, являются характерными определяющими структурно-функциональной организации живого и жизни на Земле во всей их полноте и сложности.

Главный признак живого - способность к воспроизведению самого себя с помощью наследственного кода по специальной программе. Код программы универсален и одинаков для любых организмов – от вирусов до человека, носителем которого являются ДНК (дезоксирибонуклеиновая кислота) и РНК (рибонуклеиновая кислота). Жизнедеятельность осуществляется благодаря затратам энергии, универсальным поставщиком которой служат молекулы АТФ (аденозинтрифосфорной кислоты).

Исходя из позиции, что живое от неживого должно отличать то, что оно «умеет делать», а не то, из чего состоит объект, определение жизни должно быть не субстанциональным, а функциональным. По формулировке советского математика А.А. Ляпунова жизнь – высоко устойчивое состояние вещества, использующее для выработки сохраняющих реакций информацию, кодируемую состоянием отдельных молекул. Такое определение живого не связано с конкретным веществом и поэтому может быть применено как к реальным белковым организмам, так и к теоретически предполагаемым существам на другой основе. Следовательно, жизнь проявляет себя как непрерывно разрастающийся центр упорядоченности в менее упорядоченной Вселенной и неустанно борется с хаосом, распадом и смертью.

Характерное свойство «живого вещества» – накопление и сохранение в своей биомассе энергии солнечного излучения, способность принимать и использовать информацию, поступающую из внешней среды, активно противодействовать возрастанию энтропии за счет «упорядочивания» природы.

Солнечная энергия, достигающая Земли, составляет около 700 Вт/м², а после прохождения атмосферы её остаётся около 150-200 Вт/м², из которых фотосинтезирующие микроорганизмы и растения усваивают 0,2-1 %, т.е. 0,5-3 Вт/м². Общая же величина энергии, усваиваемой за год биосферой путём биосинтеза, составляет 40·10¹² Вт, что в 3 раза превышает величину энергии, потреблённой технически оснащённым человечеством в 1985 году.

Как известно на Земле кроме литосферы, гидросферы и атмосферы имеется биосфера.

Биосфера (термин введён в науку французским учёным-естествоиспытателем Ж. Ламарком), – особая земная оболочка, в которой существует и действует живое вещество и его производные: биогенное вещество, т.е. органические или органоминеральные продукты (уголь, нефть, горючие газы, битумы и др.) и биокосное вещество – созданное живым веществом совместно с неживой природой (биогенные осадочные породы, кислород и азот атмосферы и др.).

Живое вещество (термин введён в науку В.И. Вернадским), как совокупность всех живых организмов биосферы Земли, изначально представлено каплеобразными сгустками самопроизвольной концентрации высокомолекулярных соединений со своеобразным обменом веществ с внешней средой – коацерватные (от лат. coacervatio - накопление) капли.

Комплексным исследованием живой природы Земли занимается дисциплина биосферика. Необходимость исследования глобальных процессов в биосфере и разработки устойчивых систем жизнеобеспечения, способных функционировать неограниченное время, явились предметом новой науки об объектах с происходящим в них замкнутым циклическим оборотом веществ. О возникновении такой науки было объявлено на Советско-Американском симпозиуме, проходившем в Шушенском (Красноярский край) в 1989 году.

Разделом биологии, изучающим взаимоотношения организмов с окружающей средой, служит экология – наука об отношениях живых организмов и их сообществ между собой и с окружающей средой.

Возраст Земли по данным анализа состава радиоактивных элементов и их производных в поверхностных слоях её коры составляет около 4,5-6 млрд. лет. Эпоха образования первичной земной коры и жизни составляет около 1 млрд. лет, т.е. от 4,5 до 3,5 млрд. лет от начала.

Около 1,5 млрд. лет назад образовалась атмосфера Земли с возрастающим содержанием кислорода со стабилизацией на уровне 21 %, а также азота со стабилизацией на уровне 78 %, что резко изменило развитие её биосферы и жизни на поверхности суши.

Автотрофные организмы, образующие из неорганических веществ весь комплекс органических, необходимых для жизнедеятельности, могут в результате создать такое количество веществ, которое превосходит исходное в миллион раз. Гетеротрофные организмы, использующие для своего питания органические соединения, продолжают этот процесс и биосфера разрастается. Таким образом, на Земле слой почвы, состоящей из этих органических соединений, увеличивается. Так, Чарльз Дарвин подсчитал, что выделения дождевых червей каждые 50 лет образуют слой почвы толщиной в 2,5 см.

Следовательно, резко возрастает и концентрация химических элементов, используемых в образовании органических соединений. В результате исходная низкая концентрация радионуклидов и отравляющих веществ, включая пестициды, возрастает с каждым трофическим уровнем, достигая в итоге опасного для живых организмов уровня. Пример концентрации ⁹⁰Sr на одном из озёр Канады, где содержание его в воде условно приняли за единицу: донные отложения – 200, водные растения – 300, ткани мелких карповых – 1000, кости окуня – 3000, кости выхухоли – 3900.

Ежегодная продуктивность биосферы – около 10 % от исходной массы. Это означает, что 1 % биомассы планеты за год перерабатывает массу, примерно в 8-10 раз превышающую её собственный вес. Морские фотосинтезирующие растения и микроорганизмы, масса которых в 100 раз меньше наземных, составляют примерно 1/3 всей продуцируемой биомассы.

Биомасса биосферы составляет около 2,5 трлн. тонн сухого вещества. Из него 99 % приходится на зелёные растения.

Общая масса животных суши не превышает 3 % от массы наземных растений, а моря – пока ещё определить не удалось. Среди животных суши позвоночные составляют всего около 1 % их массы.

Клейр Фолс, исследователь замкнутых экосистем из Гавайского университета, указал, что микроорганизмы по числу поколений в 175 млн. раз опережают человеческий род и потому выработали чрезвычайно адаптивный механизм к условиям жизни. Так, микроорганизмы сохраняют свою жизнедеятельность в кипящих природных источниках и при длительном замораживании, в концентрированных кислотах, в морской воде с 10-кратным превышением содержания соли, в вакууме на Луне и при высоком давлении в недрах Земли на глубине 3300 метров, в условиях интенсивной радиации в системе охлаждения атомных реакторов.

Таким образом, вся биосфера нашей планеты в определённых, неизвестных нам сегодня пределах, обладает бессмертием, что нельзя сказать об отдельных семействах, родах, видах и их представителях растений и животных. За время развития нашей планеты существовало 0,5-1 млрд. видов растений и животных, средняя продолжительность жизни которых составляла 15 млн. лет. Из них в настоящее время имеется 30-50 млн. современных видов. На Земле, таким образом, исчезло до 96 % видов морских животных и до 50 % всех таксономических семейств.

Около 3 млрд. лет назад появились рамапитеки, предки австралопитеков, непосредственных предшественников человека разумного. Около 700 тыс. лет назад появились настоящие древние люди – архантропы (питекантропы Европы, Азии и Африки), а около 100-200 тыс. лет появился примитивный разумный человек – неандерталец, около 50-60 тыс. лет назад оформился человек современного типа. Возникла ноосфера.

Ноосфера – сфера разума (от греч. «ноос» – разум). Термин введён в 20-х годах ХХ столетия П. Тейяр де Шарденом и Э. Леруа. Основоположником же учения о ноосфере является В.И. Вернадский, который под этим понимал биосферу, преобразованную разумной деятельностью человека.

Активность биосферы Земли подчиняется различным временным циклам: околосуточным - циркадным (день и ночь; короткий, длинный или нормальный день), годовым (сезонные колебания; отсюда сформировавшиеся три типа развития растений, обусловленные климатическими условиями, в том числе влажностью и температурой: однолетние, двухлетние и многолетние).

Оценка устойчивости биосферы Земли с точки зрения её многообразия по следующим показателям:

1. Таксономические (древообразная классификация и систематизация сложно-организованных областей действительности, например, органического мира) категории - пять царств жизни:

• Монера (прокариотные микроорганизмы: бактерии и цианобактерии – синезелёные водоросли).
• Простейшие – одноклеточные эукариотные микроорганизмы, выполняющие функции перераспределения органического вещества в водной среде и накопления определённых элементов.
• Грибы – представлены в основном сапрофитами, способны разлагать сложные органические макромолекулы на более простые формы.
• Растительное царство – включает красные и зелёные водоросли, а также наземные высшие растения; почти все они фотоавтотрофы, являются производителями органического вещества (до 40 % в год) и кладовой биомассы (до 99 % общих её запасов);
• Животное царство – гетеротрофы, на его долю приходится более 90 % от общего числа видов всех пяти царств.

2. Экологическая организация:

• Биогеографические области с характерными популяциями животных и растений: Эфиопская, Восточная, Палеарктическая, Неарктическая, Австралийская.
• Биогеоценозы – однородный участок земной поверхности с определённым составом живых и косных компонентов (приземная атмосфера, почва и др.), объединённых обменом веществ и энергии в единый природный комплекс.
• Биомы – совокупность различных групп организмов и среды их обитания в определённой ландшафтно-географической зоне (тундра, хвойный лес и др.), могут включать в себя несколько биогеоценозов.
• Ландшафты – биогеографические провинции или природные комплексы с характерным рельефом, поверхностными отложениями, почвами, микроклиматом, растительным и животным миром.

3. Неравномерное географическое распространение или распределение жизни на Земле.

4. Главные действующие лица – виды.

5. Движущая сила - размножение как средство увеличения размеров популяции.