Глава 7. Человек, биосфера и космос

Существование всех живых организмов неразрывно связано с окружающим миром. В процессе своей жизнедеятельности живые организмы не только потребляют продукты окружающей Среды, но и коренным образом преображают природу. В естествознании изучение жизни как целостного феномена в его тесной связи с окружающей природой получило название учения о биосфере.

Термин “биосфера” был предложен австрийским геологом Эдуардом Зюссом, который подразумевал под ним совокупность живых организмов, обитающих на нашей планете. В этом его значении понятие “биосфера” не принимало во внимание обратного воздействия на окружающую среду.

В современной науке под биосферой понимается совокупность всех живых организмов вместе со средой обитания, в которую входят: вода, нижняя часть атмосферы и верхняя часть земной коры, населённая микроорганизмами.

Развитие биосферы Земли можно рассматривать как последовательную смену трёх этапов. Первый этап - восстановительный начался ещё в космических условиях и завершился появлением на Земле гетеротрофной биосферы – это произошло 3,8 млрд лет тому назад. Можно предположить, что ранняя Земля первоначально была холодным телом, окружённым разреженной восстановительной атмосферой - смесью метана, аммиака, паров воды при общем давлении не более 1-10 мм рт. ст. Состав атмосферы в то время в значительной степени опреде­лялся вулканическими газами; вулканическая деятельность была гораз­до более активна, чем сейчас. Из-за отсутствия кислорода не существовало и слоя озона, экранирующего губительное ультрафиолето­вое излучение Солнца, которое, таким образом, достигало поверхности суши и воды. Это излучение убило бы любые живые организмы, но, как это ни странно, считается, что именно оно породило химическую эволю­цию, приведшую к возникновению сложных органических молекул, та­ких, как аминокислоты, которые послужили блоками для построения примитивных живых систем.

До тех пор пока атмосферного кислорода и озона было мало, жизнь могла развиваться только под защитой слоя воды. Температура поверхности достигала примерно -50 – 60 ⁰С, так что вода ледяным покровом окружала литосферу. В результате разморожения под действием солнечного излучения и действия вулканов активизировалась химическая деятельность накопленных биополимеров, углеводов, жиров с образованием протобионта - молекулы РНК, отвечавшей сразу за две основные функции живой системы: обмен веществ и воспроизводство материальных основ этой системы.

На первом этапе развития биосферы появились малые сферические прокариоты (организмы, лишённые оформленного ядра), физиологические процессы которых основывались не на кислородном окислении, а на брожении, то есть они были анаэробами (так называются организмы, живущие при отсутствии кислорода). Источником пищи для них были органические соединения, возникшие еще на безжизненной Земле в результате дей­ствия ультрафиолетового солнечного излуче­ния, грозовых разрядов и тепла вулканичес­ких извержений. Другим источником энергии для них были восстановленные неорганичес­кие вещества (сера, сероводород, железо и т. д.).

Так как брожение гораздо менее эффективно, чем аэробное дыхание с потреблением кисло­рода, примитивная жизнь не могла эволюционировать дальше одноклеточной стадии. Снабжение примитивных организмов пи­щей также было очень ограничено; их питание, по-видимому, зависело от медленно опускающихся на дно органических веществ, синтезируе­мых под действием радиации в верхних слоях воды, куда не могли от­важиться проникнуть эти голодные микробы! Жизнь могла зародиться на дне неболь­ших водоемов или мелководных закрытых морей, питавшихся, по-види­мому, горячими источниками, богатыми питательными химическими ве­ществами».

Эту эру развития жизни называют архейской, древнейшей (от греческого слова archaios — древний).

Скудость органической пищи создавала, вероятно, давление отбо­ра, приведшее к возникновению фотосинтеза. В это время начался второй период – слабоокислительный. Постепенное увеличение в воде количества кислорода за счет жизнедеятельности организмов и его диффузия в атмосферу вызвали громадные изменения в химии Земли и сделали возможным быстрое распространение жизни и развитие более крупных и более сложных живых систем. Многие минералы, такие, как железо, выпали из воды в осадок и образовали характерные геологиче­ские формации. По мере увеличения содержания кислорода в атмосфере слой озона в ее верхней части становился все более мощным, создавая защиту для поверхности Земли, и жизнь смогла продвинуться к поверх­ности моря. В это же время развитие аэробного дыхания сделало воз­можным эволюцию сложных многоклеточных организмов. В естествознании существует понятие “точка Пастера” - такая концентрация свободного кислорода, при которой кислородное дыхание становится более эффективным (примерно в 50 раз) способом использования внешней энергии Солнца, чем анаэробное брожение. После перехода через точку Пастера преимущество получают организмы, способные к кислородному дыханию. Этот критический уровень равен примерно 0,01 от современного значения. Этот рубеж Земля перешагнула, по разным данным, 2,5-0,6 миллиарда лет назад, то есть, в эпоху докембрия (Термин «докемб­рий» используется для обозначения того огромного периода времени, когда существовали только мелкие и примитивные «одноклеточные» формы жизни).

Затем, за каких-нибудь пару сотен миллионов лет, насыщенность атмосферы Земли кислородом достигла современного уровня и произошёл настоящий биологический взрыв - в океане появились не только многоклеточные эукариоты, но и практически все типы животных.

Около 400 миллионов лет назад, когда концентрация свободного кислорода достигла 10 процентов от современной, возник озонный экран, предохраняющий живое вещество от жёсткого излучения, и жизнь вышла на сушу. Как только это случилось, резко возросла интенсивность реакций фотосинтеза, а следовательно, и поступление кислорода в атмосферу. Благодаря этому уже за 100 миллионов лет был достигнут современный уровень концентрации кислорода в 21 процент. После этого ситуация с кислородом сделалась близкой к равновесию.

В конце архея произошло важное эволю­ционное событие. Около 3,2 млрд. лет назад одна из групп прокариот — цианобактерии выработала современный, оксигенный меха­низм фотосинтеза с расщеплением воды под действием света.

6 СО₂ +6 Н₂О -à С₆Н₁₂О₆ +6 О₂

Образующийся при этом водород соединялся с углекислым газом, и получались углеводы, а свободный кислород поступал в атмосферу. Атмосфера Земли посте­пенно становилась кислородной, окислитель­ной. (Не исключено, что значительная часть кислорода могла выделяться из горных по­род, когда формировалось металлическое ядро Земли.)

Все это имело важные последствия для жиз­ни. Кислород вверхних слоях атмосферы под действием ультрафиолетовых лучей пре­вратился в озон. Озоновый экран надежно защитил поверхность Земли от жестокого солнечного излучения. Стало возможным воз­никновение кислородного дыхания, энергети­чески более выгодного, чем брожение, гли­колиз, а следовательно, и возникновение бо­лее крупных и более сложно устроенных эукариотических клеток. Возникли сначала одно­клеточные, а затем и многоклеточные орга­низмы. Кислород сыграл и отрицательную роль — все механизмы связывания атмосфер­ного азота подавляются им. Поэтому азот атмосферы связывают до сих пор бактерии-анаэробы и цианобактерии. От них практи­чески зависит жизнь всех остальных организ­мов на Земле, возникших позже, уже в кисло­родной атмосфере.

Цианобактерии наряду с бактериями были широко распространены на поверхности Зем­ли в конце архея и последующей эре — про­терозойской, эре первичной жизни (от гре­ческих слов proteros — более ранний и zoe — жизнь). Известны образованные ими отложе­ния — строматолиты («ковровые камни»). Как источник углекислоты эти древние фото­синтетики использовали растворимый бикар­бонат кальция. При этом нерастворимый кар­бонат оседал на колонии известковой коркой. Строматолиты во многих местностях обра­зуют целые горы, однако остатки микроорга­низмов сохранились лишь в некоторых из них.

Неясно, когда появились эукариоты, имею­щие клетки с оформленным ядром. Считают, что это произошло 1,5 млрд. лет назад.

Возникли эукариоты, вероятно, в результате симбиоза их предков с какими-то аэробными бактериями. Так, вероятно, произошли энер­гетические фабрики эукариотной клетки — митохондрии.

Несколько позже симбионтами каких-то первых эукариот стали цианобактерии — пред­ки хлоропластов. Остатки первых несомнен­ных эукариот — простейших и колониальных водорослей — найдены в отложениях проте­розойской эры.

Первые эукариоты — простейшие, однокле­точные водоросли и грибы широко распро­странились в протерозое. Тогда же появи­лись первые многоклеточные. В это время, примерно, 1 миллиард лет назад произошло разделение живых существ на два царства - растений и животных. Как считает большинство биологов, различие между ними нужно делать по трём основаниям: 1) по структуре клеток и их способности к росту; 2) по способу питания; 3) по способности к движению. В конце протерозоя, 1000—600 млн. лет назад, уже суще­ствовала довольно богатая фауна, состояв­шая из медуз и полипов, плоских червей, мол­люсков и иглокожих. Не все возникшие в то время ти­пы и классы животных дожили до наших дней. Все они не имели скелетных образований, а строение их было сходным со строением ли­чинок ныне живущих беспозвоночных живот­ных. Поэтому и редки палеонтологические на­ходки: обычно в отложениях сохраняются кости, раковины, скелеты кораллов.

600—570 млн. лет назад начался новый этап развития жизни — кембрийский период, пер­вый период новой эры — палеозойской, эры древней жизни (от греческих слов palaios — древний и zoe — жизнь). Суша и пресные воды в кембрии были практически безжиз­ненными, но море кишело беспозвоночными — губками, иглокожими и моллюсками, членистоногими, червями. В конце кембрия, дливше­гося около 70 млн. лет, очевидно, уже появи­лись первые хордовые, а в сле­дующих за кембрием периодах — ордовике (60 млн. лет) и силуре (30 млн. лет) в морях и пресных водах появились странные бесче­люстные «рыбы» — без челюстей и парных плавников. До наших дней дожили лишь не­многие их родственники — круглоротые — миноги. В это же время на суше появились первые растения — сначала при­митивные псилофиты, а затем мхи и папорот­никообразные.

Первые земноводные — стегоцефалы иног­да были несравненно крупнее наших совре­менных тритонов и лягушек, имели сложно устроенные зубы и мощный панцирь, при­крывавший переднюю часть тела. Девон — это время десанта водных форм на сушу. Имен­но тогда широкое распространение получили паукообразные (скорпионы, пауки, клещи), многоножки и насекомые.

Разнообразная флора и фауна развилась на суше в следующем периоде — каменно­угольном, или карбоне (55—75 млн. лет). Это был период гигантских хвощей (калами­тов) и плаунов (лепидодендронов), древовид­ных папоротников и загадочных семенных па­поротников. Угольные залежи Донбасса обра­зовались за счет этих лесов. В конце этого периода появились первые голосеменные рас­тения — кордаиты и первые пресмыкающие­ся, которые достигли расцвета в следующем периоде — пермском, длившемся около 45 млн. лет, вытесняя более древние формы. Назва­ния периодам даются обычно по названиям мест, где их отложения были впервые описа­ны: пермский получил свое название от быв­шей Пермской губернии в России.

В мезозойской эре, длившейся около 175 млн. лет (45 млн. лет — триасовый, 60 — юрский и 70 — меловой периоды), эволюция внезап­но делает зигзаг. Уже в перми, в конце палео­зоя, существовали звероподобные ящеры — предки млекопитающих, и казалось бы, сте­гоцефалам должны наследовать высокоорга­низованные млекопитающие. Да и предки птиц возникли, по-видимому, уже в триасе. А на самом деле мезозой — эра господства разно­образных пресмыкающихся. Первые млекопи­тающие, близкие к насекомоядным, и первые зубатые птицы в мезозое были на вторых ро­лях — море, сушу, пресные воды и воздух занимали всевозможные ящеры — динозав­ры, обитатели морей — ихтиозавры, летаю­щие ящеры. Среди динозавров были и мел­кие, величиной с курицу или кошку, и гигант­ские, до 30—35 м длины и 50 т веса; двуно­гие и четвероногие; хищники и растительно­ядные. В конце мезозоя большинство их вы­мерло. На Земле осталась лишь ничтожная часть пресмыкающихся той эпохи: ящерицы и змеи, новозеландская гаттерия, крокодилы и черепахи.

О причинах великого вымирания динозав­ров в конце мелового периода ученые спорят до сих пор. Скорее всего, оно было связано с переменами климата и не было катастро­фично быстрым. Самые поздние из известных нам динозавров найдены на юге Франции. Их остаткам 62—63 млн. лет, значит, они жили уже в кайнозойской эре, эре новой жизни (от греческих слов kainos — новый и zoe — жизнь). В этой эре, в которой живем и мы, изменилась и растительность

Кайнозой начинается с третичного периода. Ранний третичный, или палеогеновый, период включает эпохи: палеоцен, эоцен и олигоцен, которые длились 40 млн. лет. В это время воз­никли все ныне живущие отряды млекопитающих и птиц. Наибольшего расцвета новая жизнь достигла в начале неогенового периода, в миоценовую эпоху, наступившую 25 млн. лет назад. Тогда же появились первые человекообразные обезьяны. Сильное похолодание в конце следующей эпохи, плиоцена, привело к вымиранию теплолюбивой флоры и фауны на больших пространствах Евразии и Северной Америки. Около 2 млн. лет назад наступает последний период истории Земли — четвертичный. Это период становления человека, поэтому его чаще называют антропогеном.

Появление человека стало Вершиной направленного развития биосферы. В ходе эволюции Земли на смену периоду геологической эволюции пришёл период геолого-биологический, который с появлением человека уступил своё место периоду социальной эволюции. Самые крупные изменения в биосфере Земли наступили именно в этот период. Появление и развитие человека ознаменовало переход биосферы в ноосферу - новую оболочку Земли, область сознательной деятельности человечества.