Условия возникновения биосферы как объекта окружающей среды

Жизнь на Земле возникла и развилась как некая гигантская флуктуация, направленная против второго начала термодинамики, и представляющая собой случайную величину, имеющую свойственную только ей закономерность развития.

Вместе с тем жизнь есть результат самопроизвольного стремления процессов природы к максимуму беспорядка, описываемого энтропией, но при воздействии внешних сил на открытую систему жизнь возникает закономерно и практически мгновенно в планетарных масштабах времени, как только сделать это позволяют условия существующей системы на планете (рис. 2).

Рис. 2. Схема возникновения органических соединений и жизни вследствие роста энтропии в «костной» системе при условии принципа структурной комплиментарности (Хазен А.М., по материалам В.И. Вернадского, П. Тейара де Шардена, А.И. Опарина и др.)

Самоорганизующее начало присуще всем саморегулирующимся системам как «косной», так и живой природы, при этом, в зависимости от степени сложности, системы подразделяются (В.Г. Трифонов, А.С. Караханян, 2008):

разной сложности самоорганизующиеся системы «косной» природы;

протоживые и живые организмы и их сообщества разной сложности;

системы живой природы, осознающие себя как таковые, т.е. эволюционный ряд предков человека, заканчивающийся человеком разумным Homo sapiens;

человеческие сообщества (социумы) разной степени сложности и созидательной способности.

Возникновение и развитие жизни в условиях энтропии происходило в соответствии с вышеперечисленными процессами саморегулирования и саморазвития существующей системы в качественно новую, обладающую другими количественными и качественными характеристиками, самоорганизующуюся открытую систему.

Основными факторами, способствующими появлению жизни из неживой «косной» системы являются:

способность углерода образовывать с водородом, кислородом и другими элементами сложные молекулы, объединяющиеся в полимеры с тысячами атомов;

вулканические процессы, которые поставляли газы, пепел, магму и создавали на поверхности планеты контрастные колебания температуры;

обратимые окислительно-восстановительные реакции, сопровождающиеся как поглощением, так и выделением энергии;

присущая протобелкам каталитическая активность;

высокое давление водородной атмосферы, ускоряющее ход химических реакций.

В природе существуют объекты со свойствами размножения, и эти объекты чаще всего определяют состояние природных сред. Изначальные свойства объекту придает единственный элемент со своими признаками. Соответственно для него, как единственного элемента природной системы (среды), беспорядок (то есть энтропия) равен нулю или минимален.

С ростом числа новых элементов (размножения объектов) энтропия растет, "тупик равновесия" не наступает из-за постоянного прироста новых объектов, но вместе с тем рост энтропии (беспорядка) происходит и по отношению к новым признакам системы, создаваемой этими растущими объектами за счет прироста ее элементов. Отсюда для развития в природе образуется иерархия цепочек: случайности - условия - запоминание. В результате происходит непрерывное развитие, в процессе которого энтропия растет, но иерархическими ступенями. На каждой из ступеней элементы отличаются новыми характерными признаками и условиями для них, что гарантирует непрерывность развития, несмотря на тупики равновесия.

На каждой следующей ступени диапазон изменения энтропии (беспорядка) меньше по сравнению с предыдущей.

Свойства энтропии позволяют произвольно установить первую ступень отсчета иерархии ее роста. От конфигурации электронных оболочек атомов зависит беспорядок мест, занимаемых атомами в молекулах. В результате получается список химических элементов, наиболее характерных для всех форм жизни. С их участием формируются специфические для жизни биомолекулы. В составе клеток они гарантируют дальнейшие превращения, сопровождающиеся ростом энтропии (рис. 3).

Соединения на основе 20 аминокислот и 5 нуклеотидов способны образовывать огромное число сложных органических соединений. Это становится источником случайностей (беспорядка) для преодоления еще одного тупика равновесия, в котором участвуют РНК и ДНК.

Все прочие молекулы - это наиболее энергетически выгодные "упаковки" атомов. Они могут либо участвовать в химических реакциях, либо разрушаться. Молекулы РНК и ДНК от них принципиально отличаются. Произвольные перестановки кодонов внутри них создают новые признаки, новые случайности, новую ступень иерархии роста беспорядка (рис. 4).

Возникновение РНК и образование ДНК в дальнейшем является наименее вероятностным вариантом роста упорядоченности. Однако для природы это только возможность реализовать дополнительный беспорядок за счет произвольных перестановок кодонов и вследствие этого - изменения химических реакций.

Рис. 3. Иерархии роста биомолекул в условиях энтропии (по А.М. Хазену и С.Григоровичу)

Рис. 4. Преобразование случайных популяций последовательностей в набор рибонуклеиновых кислот (по С.Григоровичу)

Такое соответствует второму началу термодинамики, а потому обязательно реализуется, как только возникают природные условия, в которых РНК и ДНК могут существовать. Благодаря этой сугубо физической и химической особенности РНК и ДНК природа организует рост беспорядка путем, невозможным для любых других молекул.

Рис. 5. Схематическое изображение возможных решений уравнений общей теории относительности с отличной от нуля вакуумной энергией (космологической константой), сопоставленное с данными наблюдений сверхновых звезд, реликтового излучения и скоплений галактик (по И.Ройзену).

Вышеуказанный путь развития «косной» материи не противоречит общим принципам теории относительности при решении уравнений с применением космологической константы в ходе возникновения и развития Вселенной как открытой системы и возможности ее перехода в замкнутую систему (рис. 5).

Образование в результате энтропии сложных биологических молекул, из которых состоит все органическое веществ, и что обусловило возникновение жизни, во временных масштабах вселенских событий произошло "мгновенно". Примером могут служить сине-зеленые водоросли - одноклеточные организмы, достаточно сложные формы жизни с вполне современной фотосинтезирующей энергетикой на основе хлорофилла. Возникли они около 4,5 миллиардов лет назад, а время от образования Земли как планеты и остывания до температуры, пригодной для существования органических молекул, до времени появления этих вполне современных организмов, составляет немногим более 0,5 млрд. лет. Причина возникновения и эволюции жизни - закон случайностей в самопроизвольном росте беспорядка (энтропии). Иерархия приводит к уменьшению диапазона случайностей по мере роста номеров ступеней, ведущего к увеличению порядка.

Жизнь на Земле, как и на других планетах, возникла благодаря удивительной способности углерода образовывать гигантские молекулы с водородом, кислородом, азотом и другими атомами. В изменяющейся термодинамической обстановке сохранялись те молекулы, которые ускоряли окислительно-восстановительные реакции и побудили одно из химических соединений, а именно аденозинтрифосфатную кислоту (АТФ), стать накопителем и распределителем энергии.

С этого момента начал действовать метаболизм. Следующим шагом была разработка механизма, способствующего повторному созданию аминокислот и других углеводородов в случае их разрушения от перегрева, - возник генетический код. Жизнь формировалась как корпоративная система, выполняющая различные биогеохимические функции. Источником энергии для зарождающейся биосферы было окружающее ее тепло. Поскольку температура на поверхности Земли росла, биосфера стремительно развивалась, продуцируя кислород и углеродистые соединения. С кислородом появились эукариоты и многоклеточные организмы, возникли гигантские скопления жизни, оставившие после себя месторождения графита. Диссипация водородной атмосферы стала катастрофой. В течение полутора миллиардов лет жизнь еле теплилась на дне водоемов и под землей. Толчком к повторной ускоренной эволюции живого послужили оледенения. В поисках нового источника энергии прокариоты переключились на солнечный свет. Цианобактерии, используя свет, по старой памяти продолжали продуцировать ненужный им кислород. Это и стало причиной повторной вспышки жизнедеятельности на планете. Вновь появились эукариоты, а затем и многоклеточные. Кислород создал озоновый щит, и это позволило жизни выйти на сушу.

Итогом укрупненных ступеней роста беспорядка в открытых системах, преодолевающих тупики равновесий («тепловой смерти»), оказывается жизнь. Случайности, приводящие к детерминизму, и есть главная причина реальности (или даже обязательности) множественности жизни во Вселенной.

В развитии географической оболочки Земли, а затем биосферы выделяется три крупных этапа:

условно абиогенный (догеологический, катархейский) – гипотетический;

биогенный;

техногенный.

Абиогенный этапгипотетически реконструируется на основе общей направленности эволюционного развития литосферы как время развития однообразного базальтового вулканизма, который должен был определять восстановительный состав первичной атмосферы. В этот период существовала однообразная восстановительная среда, различия между ландшафтами были невелики, а поверхность материков представляла собой однообразную безжизненную пустыню. Эволюционный характер развития планеты в целом вытекает из реконструируемого направленного изменения состава и строения литосферы (необратимого и идущего по пути усложнения строения, то есть увеличения информации и уменьшения энтропии). Первичный состав атмосферы был сформирован вулканической деятельностью. Основными компонентами были CH₄, NH₃, H₂S, CO₂, H₂O. Следствием такого состава атмосферы было наличие во всей географической оболочке восстановительной среды, непригодной для подавляющего большинства современных форм жизни.

Биогенный этап развития привел к постепенному, но радикальному преобразованию всего состава атмосферы. Деятельность фотосинтезирующих организмов привела к появлению свободного кислорода, который стал насыщать поначалу воды Мирового Океана, а затем и атмосферу.

В результате этого процесса:

окисляются и теряют своё значение в атмосфере такие газы, как аммиак, сероводород, метан;

существенно уменьшается содержание углекислого газа, используемого в процессах фотосинтеза;

азот переходит в молекулярную форму;

в результате окисления серы выпадают кислотные дожди, и атмосфера от сернистых соединений очищается.

Время начала биогенного этапа достоверно неизвестно. Косвенные данные (изотопный состав углерода в древнейших горных породах) указывают на то, что при их формировании на Земле уже шли биогенные процессы.

Появление жизни приводит к существенным изменениям в процессах функционирования географической оболочки, в составе и строении не только её, но и всех внешних геосфер в целом.

Главными аспектами этих изменений являются:

1. Изменение состава гидросферы (газовая фаза, состав солей) и атмосферы. Первичная атмосфера Земли была бескислородной, и в природных водах растворённого кислорода также не было, воды первичного океана содержали железо в больших количествах. Фотосинтезирующая деятельность цианобионтов привела к поступлению в Мировой океан кислорода, который тратился на окисление железа. В результате принципиально изменился и солевой состав океанических вод.

После того, как очистка океанических вод от соединений железа была завершена, свободный кислород стал проникать в атмосферу. Существенное уменьшение числа парниковых газов привело к снижению парникового эффекта и уменьшению температуры в тропосфере и на поверхности Земли. К концу докембрийского времени на нашей планете появляются первые ледники.

2. Изменение химизма ландшафтных сред на поверхности суши.

Наряду с созданием кислородной атмосферы большое влияние оказала химическая активность продуктов жизнедеятельности и разложения органического вещества. Химическая разнонаправленность биологических процессов привела к возникновению на поверхности Земли химически контрастных, неравновесных условий. Такая контрастность привела к большему разнообразию и большим скоростям химических процессов в биосфере по сравнению с добиогенным состоянием географической оболочки.

3. Существенно изменился ход процессов выветривания горных пород на поверхности Земли:

благодаря изменению состава атмосферы другую направленность – преимущественно окислительную – приобрели процессы химического выветривания;

к двум основным типам выветривания – физическому и химическому – добавилось органическое (биогенное);

заселение суши растениями способствовало задержанию в грунтах влаги, что способствует углублению химического выветривания, а наличие в продуктах разложения органического вещества органических кислот привело к повышению кислотности грунтовых вод и большей активности химических процессов.

4. Заселение живыми организмами поверхности суши привело к появлению в географической оболочке совершенно нового процесса – почвообразования и совершенно нового компонента географической оболочки – почв. Образование их явилось результатом переработки верхних горизонтов кор выветривания живыми организмами в процессах их жизнедеятельности и разложения органического вещества.

5. Результатом всей совокупности перечисленных выше процессов явилось существенное увеличение разнообразия обстановок в географической оболочке нашей планеты.

6. Существенные изменения произошли в круговоротах вещества и энергии в географической оболочке:

новые ветви и качественные особенности в круговороте воды (биологическое поглощение, с целью использования воды для создания ОВ и как носителя, обеспечивающего биохимические и физиологические процессы в организме; транспирация; возможность задержания воды в почвах и рыхлых грунтах под защитой растительного покрова);

влияние живого вещества на геологический круговорот (концентрация отдельных элементов живыми организмами, биогенное осадконакопление);

появляется новый тип круговорота вещества – биологический круговорот, осуществляемый в процессах жизнедеятельности организмов и разложения органического вещества, на основе нового механизма использования энергии Солнца.

Общий результат развития биосферы – увеличение дифференциации химических элементов, разнообразия их форм, структурирования внешних оболочек Земли, накопление информации, уменьшение энтропии.

История земной биосферы свидетельствует, что главный фактор эволюции - энергия: если ее много, то жизнь развивается стремительно.