Kitabı oku: «Современное состояние биосферы и экологическая политика», sayfa 2

1.3. Физические условия формирования биосферы

Космологи считают, что примерно 20 млрд лет тому назад в результате чудовищного взрыва возникла наша Вселенная. Примерно около 6–7 млрд лет назад сформировались Солнце и другие тела его системы, и где-то 4,6–5 млрд лет назад возникла наша Земля (Мизун и др., 2002, с. 130–131). Было высказано предположение, что температурный фон, который должен был дойти до нас от начала «Большого взрыва», составит примерно 3 К, т. е. по шкале Цельсия -270. Дальнейшие проверки американскими радиоастрономами в 1965 г. (А. Пензиас и Р. Вилсон) подтвердили наличие этого реликтового излучения.

Гипотеза расширяющейся (эволюционирующей) Вселенной стала теорией. Расчеты о нестационарности Вселенной, выполненные А. А. Фридманом в 1922 г., полностью подтвердились эмпирически. Следовательно, возникновение Солнечной системы не было загадочным событием. Вместе со Вселенной она идет по пути как качественных, так и количественных преобразований – рождения, возмужания и дальнейшей гибели.

Огромное влияние на эволюцию нашей планеты и возникновение на ней жизни оказало «удачное» ее расположение по отношению к Солнцу. Известно, что Земля отстоит от светила на 149,6 млн км. Роль нашей звезды в динамике движения планет и их устойчивого нахождения на орбитах огромна. Прежде всего, за счет сил притяжения, обусловленного гравитацией, Солнце дисциплинирует движение планет на своих орбитах. Кроме этого, звезда излучает в пространство огромное количество энергии.

Согласно закону теплового излучения, плотность потока световой энергии абсолютно черного тела можно определить в соответствии со следующей закономерностью:

S = Т ⁴, (1)

где S – интенсивность излучения, а – коэффициент пропорциональности – постоянная Стефана – Больцмана, равная 5,67 10^-8 Вт/(м²К⁴), Т – температура нагретого тела.

Солнце излучает энергию во всех направлениях. Поэтому общую мощность излучения (светимость звезды) можно вычислить, если умножить поверхность шара, равную 4πR², на температуру внешних ее слоев. Принимая во внимание выражение (1), имеем (Иванов, 1986, с. 287):

L = 4πR²σT⁴, (2)

где R – радиус, Т – температура поверхности Солнца.

Учитывая, что максимум энергии излучения Солнца приходится на желто-зеленую часть спектра, Т = 5330 К (Иванов, 1986, с. 286–287). Подставляя в формулу (2) параметры светила определим светимость L:

L = 4 3,14 (7 10⁸)² 5,7 10^-8 10³)⁴ Вт = 2,8 10²⁶ Вт.

Следует заметить, что температура поверхности Солнца (Т) у некоторых авторов не совпадает с вышеприведенной. Например, в монографиях Ю. И. Витинского (1983, с. 57–70), А. В. Бялко (1989, с. 96–97) этот показатель равен, соответственно, – 5770 К, 5780 К.

Светимость Солнца L можно определить еще одним способом. Для этого надо знать, сколько энергии во всем спектре приносится солнечными лучами за секунду на единичную площадь, т. е. солнечную постоянную (5). Измерения показали, что вне земной атмосферы 5 = 1360 Вт/м².

Тогда

L = 4πR²s, (3)

где r – расстояние планеты до Солнца.

Подставим в (3) параметры нашей планеты. Имеем:

L = 4 3,14 1,496 10¹¹ 1,36 10³ = 3,83 10²⁶Вт.

Оценка светимости звезды по формуле (3) основывалась на предположении, что Солнце светит одинаково во все стороны, а, следовательно, мощность солнечных лучей должна пронизывать каждый квадратный метр всей сферы радиуса r вокруг Солнца (Вавилов, 1982, с. 70–71; Бялко,1989, с. 97–98). Учитывая формулы (2) и (3), найдем выражение для определения солнечной постоянной для других планет, расположенных от светила на соответствующем расстоянии:

s₀ = R ²σT ⁴/r². (4)

Для нашей планеты показатель s₀ = (3,83 10²⁶/4π)/2; 24 10²⁰ = 1361 Вт/м², а для Венеры и Марса, соответственно, – 2606 и 586 Вт/м².

Как следует из формулы (4), числитель сохраняет неизменное выражение, а переменной величиной, от которой зависит солнечная постоянная для других планет, является их расстояние до Солнца. Имеются данные, что на величину s₀ оказывает влияние изменение интенсивности излучения звезды и колебание ее радиуса (компоненты числителя, представленные в формуле (4) (Чистяков, 1997, с. 24–25). Доказано, что тепловое излучение Солнца постоянно. Его активность изменяет только коротковолновую, нетепловую часть излучения, и она, практически, не меняет тепловой поток, приходящий к нашей планете, и т. д. (Бялко, 1989, с. 133–134).

Можно определенно сказать, что нам «повезло» в том, что планета Земля заняла положение, которое в силу общеприродной закономерности (энергетический фактор) способствовало возникновению и дальнейшей эволюции биосферы на нашей Земле. Обратим внимание на состав атмосферы Венеры, Земли и Марса:

♦ углекислый газ на этих планетах составляет, соответственно, – 98, 0,03 и 95 %;

♦ азот – 1, 9, 79 и 2,7 %;

♦ кислород – следы, 21 и 0,13 %.

При отсутствии живых организмов на Земле углекислого газа было бы 98 %, азота 1,9 % и кислорода – следы.

Важным показателем является и температура поверхности этих планет:

♦ на Марсе она равна -53 С;

♦ на Венере – +477 С;

♦ на нашей планете – +15 С.

Ширина комфортной зоны, когда вода на нашей планете может существовать сразу в трех состояниях (жидкое, твердое и газообразное), составляет 0,06 расстояния Земли от Солнца. Граница полосы лежит в пределах 0,95 и 1,01 этого расстояния (Лосев, 1985, с. 44–45).

Если бы Земля сместилась на 5 % от комфортной зоны в направлении Венеры, то на планете начался бы смертоносный для биосферы разогрев утяжеляющейся углекислотой атмосферы. При ее смещении на 1 % ближе к Марсу она погрузится в вечную спячку под толстым слоем льда (Лосев, 1985, с. 44–45). Отметим, что Земля находится очень близко от роковой границы, за которой развитие климата на ней может пойти по вышеприведенным сценариям. Поэтому похолодания периодически дают о себе знать.

Глава 2
В. И. Вернадский о биосфере и «живом веществе»

2.1. Определение и понятие «живого вещества»

Как отмечалось выше, центральным звеном учения В. И. Вернадского о биосфере является понятие о живом веществе. Не является исключением из этого правила и человек, влияние которого на биосферу сравнимо в настоящее время с природными процессами. В отличие от других живых организмов воздействие людей на биосферу характеризуется:

♦ своей интенсивностью, увеличивающейся с ходом геологического времени;

♦ тем воздействием, какое их деятельность оказывает на остальное живое вещество.

Это создание многочисленных новых видов культурных растений и домашних животных, которые в естественных, природных системах не способны к длительному существованию. Они полностью зависят от человека. Только некоторые из них, уходя от человека, способны к одичанию. Поэтому В. И. Вернадский рассматривает геохимическую работу живого вещества, состоящего из всех живых организмов и находящихся в неразрывной связи, как работу единого целого.

В процессе становления живой материи у нее были выработаны отличительные особенности ее строения и функционирования, которым, по мнению В. И. Вернадского, не уделялось особого внимания в прошлом. Здесь, в первую очередь, имеется в виду следующее:

1) открытие Пастером факта преобладания оптически активных соединений, связанное с дисимметричностью пространственной структуры молекул, как отличительной особенности живых тел;

2) недооценка вклада живых организмов в энергетику биосферы и их влияния на неживые тела.

Вернадский подчеркивал:

«Биосфера не есть только так называемая область жизни. Это резко сказывается на ее веществе. Вещество ее состоит из семи глубоко разнообразных частей, геологически неслучайных» (цит. по: Тюрюканов, 1990, с. 30–31). Так, в состав биосферы входит живое вещество, разнообразные неживые тела, которые он называет косными (атмосфера, горные породы, минералы и т. д.), биогенное вещество, радиоактивное, рассеянные атомы и вещество космического происхождения. Также здесь присутствуют и биокосные тела, образованные из разнородных живых и косных тел (почвы, поверхностные воды и т. п.). Хотя живое вещество по объему и весу составляет незначительную часть биосферы, но по эффекту преобразования вещества и энергии, взятому в масштабе геологического времени, она огромна. Практически в биосфере все атомы подавляющего числа элементов периодической системы Менделеева прошли в своей истории через состояние живого вещества. Вот почему, создав биосферу, живое вещество так преобразило лик Земли, что имеются все основания говорить об уникальности нашей планеты среди других планет Солнечной системы, а то и большей части планет нашей Галактики.

Поскольку живое вещество является определяющим компонентом биосферы, постольку можно утверждать, что оно может существовать и развиваться только в рамках ее целостной системы. Поэтому не случайно В. И. Вернадский считает, что живые организмы являются функцией биосферы и теснейшим образом материально и энергетически с ней связаны, являются огромной геологической силой, ее определяющей.

Согласно имеющимся оценкам (в разных источниках отличия небольшие) биомасса единовременно живущих организмов на Земле составляет 2,423 10¹² т. На долю водных организмов приходится 0,003 10¹² т, а растений-фотосинтетиков – 2,4 10¹² т. Биомасса вторичных организмов составляет 0,023 10¹² т. В настоящее время на Земле существует около 3,5 млн биологических видов, из них на долю растений приходится около 500 000 видов, а насекомых – 10 000 000 (Тюрюканов, 1990, с. 32–33). Эти цифры не окончательны, но именно это биоразнообразие на протяжении многих веков обеспечивает оптимальные условия для существования многих организмов (включая и человека). Вот почему так важно сохранить его уникальность в будущем. Обоснование этому можно найти в исследованиях как наших, так и зарубежных ученых.

Как уже отмечалось, огромное влияние на существование биосферы и происходящие в ней биогеохимические процессы оказывает астрономическое положение нашей планеты. Удачное ее расположение по отношению к Солнцу, наклон земной оси к плоскости орбиты (66 33'), устойчивое вращательное движение вокруг оси создали тем самым день и ночь, что явилось основным условием появления на Земле умеренного климата и биосферы. Солнце является основным источником энергии биосферы и регулятором всех геологических, химических и биологических процессов на нашей планете. Светило дисциплинирует движение планет, а его активность порождает 11-летние и более длительные циклические колебания земных процессов.

В чем же отличие живого вещества от косного?

1. Изменения и процессы в живом веществе происходят с большей скоростью, чем в косных телах. Следовательно, для характеристики изменений в живом веществе используется понятие исторического, а в косных телах – геологического времени.

2. В ходе геологического времени на планете постоянно происходил процесс смены старых и появления новых видов живых организмов, которые вносили свой вклад в становление современной биосферы.

В конце кембрия на Земле исчезло 52 % таксонов, в конце девона – 30 %, в конце перми – 50 %, в конце триаса – 35 % и в конце мела – 26 %. Согласно научным публикациям (Галанин, 2001, с. 20), катастрофические изменения в биосфере Земли (резкое уменьшение ее биоразнообразия) происходили примерно на границе галактических годов (галактический год равен приблизительно 250 млн лет). Это – 650,435, 220 и 50 млн лет назад. В другие годы также регистрировалось вымирание видов, но меньшее по масштабу.

Крупные новые таксоны возникают на базе ароморфозов. Механизм вымирания многих видов состоит в том, что «…в эпохи катастроф в живом мире происходят ароморфозы, а в спокойные эпохи – идиоадаптации. В результате идиоадаптаций на Земле появляется большое количество видов, жестко приспособленных к узким экологическим нишам. Именно такие виды быстро вымирают» (Галанин, 2001, с. 51). В геологическом времени они представляются короткосуществующими видами.

3. Живые организмы изменяются в зависимости от изменения окружающей среды, адаптируются к ней. Согласно Ч. Дарвину, именно постепенное накопление таких изменений служит источником эволюции. Приспособившись к новым условиям, животные или растения уже не могут вернуться, хотя бы частично, к прежнему состоянию, которое пройдено рядом их предков. Так, вторичноводные животные – киты, ластоногие, освоив водную среду, не превращаются в рыб и не приобретают признаков, свойственных рыбам. Здесь действует закон необратимости эволюции, или «закон Долло».

В. И. Вернадский высказывает предположение, что живое вещество, возможно, имеет и свой процесс эволюции, проявляющийся в изменении с ходом геологического времени, вне зависимости от изменения среды.

Одновременно с наращиванием мощи живого вещества в биосфере происходило формирование новых ее компонент – почвы, нефти, углей, газа и других сфер. Поскольку эволюция и возникновение новых видов предполагают существование своего начала, постольку закономерно возникают вопросы:

♦ есть ли такое начало у жизни?

♦ если есть, то где его искать – на Земле или в Космосе?

♦ может ли возникнуть живое из неживого?

Попробуем на них ответить в следующем разделе.

2.2. Гипотезы возникновения жизни на Земле

Над этими вопросами на протяжении столетий задумывались многие мыслители: религиозные деятели, представители искусства, философы и ученые. Не имея глубоких научных данных, они вынуждены были строить самые фантастические гипотезы.

Вплоть до XIX в. считалось, что живые организмы могут появиться в гнилом мясе, в сенной настойке, в мясном бульоне и т. д. (теория самопроизвольного, спонтанного зарождения жизни). Опроверг эти взгляды итальянский биолог и врач Ф. Реди, который на основании проведенных экспериментов установил, что маленькие белые червячки, появляющиеся на гнилом мясе, – это личинки мух. Поэтому, согласно его мнению, жизнь может возникнуть только из предшествующей жизни (концепция биогенеза). Окончательную точку в этих спорах поставил Л. Пастер. На основе известных опытов он показал, что никаких организмов ни в бульоне, ни в других питательных средах появиться не может.

Предлагался еще ряд теорий – стационарного состояния, панспермии и биохимической эволюции. Наиболее убедительной является последняя теория, разработанная А. И. Опариным и Дж. Холдейном в 1924-27 гг. Эту теорию можно сформулировать в виде следующих постулатов:

1) жизнь является одной из стадий эволюции Вселенной;

2) возникновение жизни есть результат предшествующей ей химической эволюции;

3) переход химической эволюции к биологической происходил на стадии формирования многомолекулярных систем и их естественного отбора.

В. И. Вернадский подробно рассматривает наиболее интересные точки зрения, которые выдвигались выдающимися мыслителями разных эпох, и приходит к выводу, что никакого убедительного ответа на эти вопросы пока не существует. Как ученый, он вначале придерживался эмпирического подхода к решению указанных вопросов, утверждая, что многочисленные попытки обнаружить в древних геологических слоях Земли следы присутствия каких-либо переходных форм жизни не увенчались успехом. Поэтому в его трудах круг вопросов, связанных с идеей о космическом характере жизни, получил серьезное обоснование. В настоящее время считается, что «жизнь представляет собой результат естественной эволюции Вселенной, что живые структуры многочисленными нитями связаны с ближайшим и дальним космосом, что нет необходимости прибегать к помощи сверхъестественного разума в объяснении происхождения жизни» (Концепция современного естествознания, с. 341–356).

По мнению В. И. Вернадского, жизнь как материя и энергия, существует во Вселенной вечно и поэтому не имеет своего начала. Но такое предположение есть не больше, чем эмпирическое обобщение, основанное на том, что в земных слоях не обнаружены промежуточные звенья перехода неживой материи в живую. Во всяком случае, нельзя не считаться со взглядами тех натуралистов и философов, которые защищали тезис о возникновении живой материи из неживой, а в настоящее время даже выдвигают достаточно обоснованные гипотезы и модели происхождения жизни. Последние достижения молекулярной биологии, генетики и других наук подтверждают земное происхождение жизни, не привлекая для этого другие экзотические версии.

2.3. Химическая эволюция на Земле

Одна из современных гипотез утверждает, что наша планета никогда не была расплавлена полностью (Лосев, 1985, с. 40–41). Предположение о том, что Земля сформировалась в виде относительно холодного твердого тела и затем постепенно разогревалась теплом, выделившимся при распаде радиоактивных элементов, принадлежит Ю. Ю. Шмидту. Оказывается, в процессе аккумуляции планет в газопылевом облаке, где главным их источником являлись твердые частицы, могли образоваться очаги расплавленной магмы, в которых начиналась дифференциация Земли на силикатную мантию и железное ядро (Рускол и Сафронов, 1990, с. 72–79). Действительно, если бы планета изначально была огненно-жидким телом, то должны были бы сохраниться мощные отложения карбонатных осадков, выпавших из охлаждающейся атмосферы. Подобных осадков нет.

Имеются и другие факты, подтверждающие идею Шмидта. Например, из раскаленной атмосферы улетучились бы благородные газы, но они сохранились, и т. д. Знание начальных сценариев формирования Земли важны для понимания ее роли в возникновении жизни, а, следовательно, и ее биосферы.

Изучая химический состав пузырьков воздуха, извлеченных из древних пород Земли, ученые установили, что он состоял из азотно-аммиачно-углекислых компонентов.

Этот факт свидетельствует о том, что на первых этапах становления планеты в ее атмосфере отсутствовал кислород. Она была восстановительной. Если бы это было не так, то появляющиеся первые органические вещества сразу бы окислялись. Выяснено, что в лабораторных опытах получить органические соединения из неорганических элементов можно только при отсутствии кислорода. Кстати, не из-за агрессивности ли кислорода многие животные, в том числе и человек, не имеют его про запас (депо этого газа). Так, без пищи можно прожить много дней, без воды три дня, а без кислорода – минуты.

Правильно ли ученые составили представление о химическом составе первичной атмосферы?

Доказательством этому является тот факт, что в древних морских отложениях железных руд было обнаружено высокое содержание закисного железа (FeO) по отношению к окисному (Fe₂O₃). Если бы атмосфера была окислительной (содержащей кислород), то окисное железо не вымывалось бы в океан, а, следовательно, сохранялось в коре континентов.

Существуют убедительные доказательства того, что в становлении трех геосфер (атмосфера, гидро– и литосфера) основополагающую роль сыграл ряд совпавших между собой процессов:

1) разогретая планета;

2) бескислородная атмосфера;

3) активная вулканическая деятельность.

Огромную роль в «запуске» конвейера химической эволюции играли вулканы. Через тысячи вулканических жерл из глубин Земли на поверхность было вброшено огромное количество газов и водяного пара. Бдагодаря им в атмосферу поступили сероводород, метан и аэрозоли соляной и фториевой кислот. Сейчас из своих недр Земля выбрасывает ежегодно через вулканы 3 10¹⁵ г вещества. За всю историю планеты вулканы выбросили 2,86 10²⁵ г

(Лосев, 1985, с. 41) (округляя, 3 10²⁵ г) веществ. Дегазации из этой массы водяных паров было вполне достаточно для возникновения гидросферы, которая состояла из воды с резко выраженной кислой реакцией. Так как атмосфера была лишена кислорода и являлась разреженной и холодной, это способствовало конденсации водяного пара в жидкость, насыщенную растворенными в ней агрессивными газами. В нашем понимании это была не вода, а смесь разбавленных кислот с преобладанием угольной кислоты и большим содержанием кремниевой кислоты. Отсутствовал озоновый экран (для его создания в атмосфере было необходимо наличие соответствующей концентрации кислорода). Следовательно, ультрафиолетовое излучение Солнца препятствовало зарождению жизни на суше. К ее поверхности свободно проникала «жесткая», смертельная для живых организмов радиация, заключенная в пределах от 0,8 10^-7 до 0,39 мкм. Из этого следует, что возникновение жизни происходило в океане.

Прежде всего, в основе живого могут лежать только углеродные соединения. Причина заключается в том, что характер химических связей в углеродном соединении принципиально отличен от всех других. Атомы углерода могут образовывать ковалентные связи с 4 атомами углерода. Поэтому на основе углерода может существовать огромное разнообразие конфигураций размеров структур молекул и соединенных с ними функциональных групп, которые невозможны для иного другого химического элемента. Только кремний может быть конкурентом углерода, но, несмотря на то, что этот элемент имеет большее распространение в природе, чем углерод, в присутствии кислорода связи кремний-кремний нестабильны, и это предопределяет невозможность жизни на основе кремний-органических соединений. Таким образом, углерод явился важнейшим конструкционным элементом (связующим «материалом») всех живых организмов.

Особая роль в зарождении жизни на Земле принадлежит воде. Если рассмотреть химический состав живого вещества, можно убедиться в том, что среди многих ее веществ на первом месте по массе стоит вода (75 и более процентов). Высокое содержание воды в клетке – важнейшее условие ее деятельности. Уже этого факта достаточно для того, чтобы утверждать, что все живые организмы вышли из океана. Поэтому, например, не вызывает удивления тот хорошо известный факт, что соотношения основных химических компонентов в морской воде и в крови практически одинаковы.

В чем же уникальность воды?

Оказывается, что она может находиться в трех фазах – жидкой, твердой (лед) и газообразной (пар) – и является хорошим растворителем. Очень существенным моментом в функционировании океана является постоянство его солевого состава как в горизонтальном, так и в вертикальном направлении.

Выше уже упоминалось о том, что основатель учения о биосфере В. И. Вернадский даже предлагал принять соотношение основных компонентов морской воды за константу нашей планеты, аналогично тому, как характерной константой вещества служит точка его плавления. Стабильность химического состава морской воды свидетельствует о том, что океан следует рассматривать как систему, способную сохранять постоянство своего внутреннего состояния – гомеостаз. Следовательно, гидросфера является саморегулирующейся системой, находящейся в относительно равновесном (стационарном) состоянии. При отклонении же ее параметров от таковых включаются механизмы, приводящие ее в первоначальное состояние. Это возможно при условии, что океан подчиняется принципу Ле-Шателье. Данная особенность океана, по-видимому, предопределила у живых организмов постоянство внутренней среды (плазма крови и др.), нарушение которой чревато самыми серьезными последствиями для его жизнедеятельности. Вот почему, даже будучи изолированными от океана, неузнаваемо меняясь по форме и содержанию в новой обстановке на протяжении миллионов лет, живые организмы не утратили химических особенностей морской воды.

Элементы, из которых построена молекула воды, – кислород и водород – порознь представляют собой элементарные электростатические сбалансированные системы. Сведенные в одну молекулу два атома водорода и один атом кислорода формально ничего нового не внесли в молекулярную структуру воды. Суммарная масса ее молекулы и взятых порознь ее составляющих элементов равна 18 атомным единицам. Число элементарных частиц – протонов, электронов и нейтронов – тоже одинаково. Однако по свойствам молекула Н₂О – это не просто сумма 2Н и О, а нечто новое, элементы которого определенным образом взаимосвязаны и организованы. Суть данного свойства заключается в том, что свойства целого (молекула воды) не сводятся к сумме свойств его частей. Искомая закономерность именуется эмерджентностью. Эти свойства возникают в результате взаимодействия компонентов, а не в результате изменения природы самих компонентов (Одум, 1986, с. 15–18). Аналогичное утверждение можно найти в работах отечественных ученых (Самарский, 1989, с. 9–29). Они считают, что результат «одновременного действия нескольких факторов на какой-либо объект неравнозначен сумме результатов, вызываемых теми же факторами, если они действуют по отдельности» (нарушение принципа суперпозиции). Здесь вполне уместны вопросы: а есть ли какой-либо реально ощутимый эффект эмерджентности системы? Есть ли какая-нибудь ощутимая разница в том, представляет ли собой вода определенным образом организованную совокупность взаимодействующих элементов (систему), или это просто огромное количество молекул Н₂О?

Можно, в соответствии с таблицей Менделеева, рассчитать свойства и состояние «воды», не обладающей присущей ей структурной особенностью. Для этого нужно экстраполировать характеристики химических аналогов воды, соединений водорода с элементами той же подгруппы, что и кислород. Оказалось, что температура плавления воды вместо 0 С должна бы быть равна -95 С, а температура кипения вместо 10 °C должна быть -65 С. Следовательно, если бы вода была «нормальным» веществом, без водородных связей и обусловленной ими упорядоченности, она существовала бы на Земле только в виде пара, как сероводород. Если допустить, что модельная вода смогла бы обладать свойствами истинной жидкости, т. е. находиться в трех фазах и даже кипеть при 10 °C, то теплоемкость этой воды все же была бы значительно ниже истинной и Землю бы «лихорадило»: температура то очень быстро поднималась бы до 10 °C с плюсом, при этом испарялась бы вся масса воды, то так же быстро падала ниже 10 °C, со знаком минус, и океан превращался бы в лед (Лебедев и др., 1974, с. 9899).