Тесная связь газов с жизнью указывает на то, что газовый состав биосферы - чисто земное явление, определяемое фотосинтезом и дыханием организмов в масштабе планеты.
Количество организмов, появляющихся путем размножения в единицу времени, не может выйти за пределы, нарушающие свойства газов, т. е. число организмов в 1 см3 среды не может превышать числа газовых молекул в нем (около 2, 7 -1019). В биосфере идет борьба не только за пищу, но и за нужный газ, так как последний контролирует размножение.
В каждый момент живое вещество в биосфере разрушается и вновь создается, главным образом не ростом, а размножением. Поколения создаются в сроки от десятков минут до сотен лет. Ими обновляется биосфера. Главное условие жизни определяется полем существования зеленой растительности, т. е. областью планеты, пронизанной солнечным светом. Здесь же собраны не только автотрофные, но и гетеротрофные организмы, так как в своем существовании они тесно связаны с продуктами жизни зеленых организмов - кислородом и органическими веществами.
На протяжении миллионов лет геологического времени шло и сейчас идет постоянное проникновение живого вещества в обе стороны от зеленого покрова. Мы живем в стадии медленного расширения поля жизни. Может быть, одним из проявлений этого является биохимическое создание новых форм лучистой энергии гетеротрофными организмами. :К таковым можно отнести свечение микроскопических организмов в морских глубинах или свечение поверхности моря, которое позволяет фитопланктону синтезировать органические вещества в часы, когда до него не доходит солнечный свет. Глубоководные экспедиции встречали зеленые растения (водоросли Halionella в Тихом океане) на глубине 2 км, т. е. там, куда не проникают лучи Солнца. Эти факты еще ждут объяснений. Но если бы оказалось, что живое вещество способно трансформировать лучистую энергию не только в химическую, но и во вторичную лучистую, возможно, это расширило бы область жизни. Кроме того, в глубоководных зонах океана могут доминировать хемоавтотрофные организмы.
Новой в биосфере является и световая энергия, созданная человеком, электричество например. Но пока в фотосинтезе планеты она практически не играет никакой роли, так как составляет ничтожную долю по сравнению с солнечной энергией, используемой растениями.
3.4. Эволюция биосферы
Начало эволюции (лат. evolutio - развитие) биосферы - это начало жизни. В. И. Вернадский считал жизнь явлением вечным, подобно материи или энергии. Хотя в основе его учения о биосфере и лежат представления о глубочайшей взаимосвязи живого и неживого, он полагал, что барьер между косной и живой материей непроходим.
Возникновение жизни на Земле - вопрос дискуссионный. По мнению В. И. Вернадского, в обозримой геологической истории образование живого вещества из неживого на Земле произойти не могло. Отправной точкой его воззрений в этой области был принцип, сформулированный флорентийским врачом Франческа Реди в 1668 г.: «Все живое от живого», Доказательство тому он видел в работах Л. Пастера и П. Кюри об особенностях молекулярного строения органического вещества. Живое вещество обладает свойством оптической диссимметрии (греч. dys - нарушение, symmetria - зеркальное расположение), т. е. является фильтром, способным отделять правовращающие молекулы от левовращающих. Благодаря концентрации молекул одинаковой симметрии живое вещество способно поляризовать световые лучи. В неживом веществе левовращающие и правовращающие молекулы смешаны в произвольных пропорциях. В. И. Вернадский уделял большое внимание этому факту, высказав гипотезу о том, что диссимметричные структуры стабильны в основном в живом веществе.
Отстраняясь от каких-либо экстраполяций и гипотез, основываясь только на эмпирических (греч. empeiria - опыт) обобщениях, он говорил, что на Земле нет условий, которые могли бы обеспечить возникновение жизни небиогенным путем из косного вещества, т. е. нет условий для абиогенеза (греч. ablogenesis - небиологическое происхождение). Позднее под влиянием успехов в абиогенном синтезе органических веществ он склонялся к признанию абиогенеза, но не одного какого-то вида, а сразу комплекса организмов разных геохимических функций и в условиях, предшествовавших геологическому времени. В 1931 г. он утверждал, что «принцип Реди», безусловно, верен, но справедлив лишь в условиях биосферы, и даже считал возможным абиогенез в нынешних условиях, который, однако, нельзя наблюдать в силу недостаточности уровня знаний. В своей работе «Химическое строение биосферы Земли и ее окружению>, опубликованной впервые в 1965 г., он писал: «Надо искать не следов начала жизни на нашей планете и вообще на планетах, но материально-энергетические условия для проявления планетной жизни». Таким образом, В. И. Вернадский в последних своих работах допускал идею абиогенеза в определенных условиях догеологической истории планеты.
Для В. И. Вернадского было несомненным существование биосферы в течение 2 млрд лет, но была ли она раньше - он сомневался. По последним косвенным данным, возраст биосферы оценивается приблизительно в 4 млрд лет.
За последние полвека накоплено много материалов, расширяющих наши познания о появлении жизни на Земле. В. И. Вернадский предполагал возможность существования живого вещества на Марсе и Венере. Изучено достаточно много космической материи, состоящей из различных смесей право- и левовращающих молекул. Результаты доказывали, что земная жизнь не привнесена на Землю с ближайших планет. Однако последние космические снимки Венеры дают основание в этом сомневаться.
Получены и достаточно хорошо изучены природные органические вещества абиогенного происхождения. В книге М. Руттена ( 197 4) описаны опыты по получению аминокислот из водорода, аммиака и метана в бескислородной среде под действием электрических разрядов и ультрафиолетового излучения. В России подобные опыты проводил А. И. Опарин (1936). Вскоре такие соединения были обнаружены в грозовых тучах после молний и в стерильно отобранных горячих вулканических пеплах (Е. К. Мархинин, 1980). При этом в одинаковых по химическому составу органических веществах биогенного и абиогенного происхождения наблюдается диссимметрия, т. е. всегда преобладает одна группа молекул, чаще всего левовращающих. Эти факты указывают на стирание граней между живым веществом и его абиогенными аналогами. Поэтому ученые второй половины ХХ века (А. И. Опарин, Дж. Бернал, М. Руттен, Р. С. Юнг и др.), не допуская занесения жизни на Землю с других планет, признавали абиогенез на Земле.
По-видимому, абиогенез мог происходить в условиях, отличных от ныне существующих, в первичной бескислородной атмосфере. В настоящее время проблема сводится к выяснению времени превращения абиогенных органических соединений в биогенные и причин появления резко диссимметричной структуры ДНК в живом веществе. Вероятно, что нарушение зеркальной симметрии - необходимый этап эволюции. Физик В. И. Гольданский (1986) считает, что появление диссимметрии в органическом веществе уже обеспечивает возможность начальных форм размножения. В последние годы, однако, получают подтверждение идеи В. И. Вернадского о возможном космическом происхождении живого вещества. Исследованиями в Антарктиде обнаружено большое количество метеоритов на поверхности льда. В них были найдены различные аминокислоты, нуклеотиды, которые не мог-. ли образоваться во льдах Антарктиды. Можно предполагать, что абиогенные органические вещества существуют и в далеких космических просторах. Таким образом, если не живое вещество, то его «матрица» в виде абиогенного органического вещества существует в космосе и может переноситься на звездные расстояния. Поэтому идею В. И. Вернадского о «вечности» жизни в современном представлении можно сформулировать так: жизнь - это этап эволюции материи, возможность, присущая всем пространствам и временам.
Академик Н. Н. Моисеев (1994) высказывал такую точку зрения: картину мира можно представить как эволюцию единой системы - Вселенной - от начального взрыва до появления живого вещества и разума, а в конце концов, и общества. Развитие этой системы происходит за счет внутренних взаимодействий, присущих самой системе. Имеет место грандиозный процесс самоорганизации, в котором появление живого вещества является одним из важнейших этапов. В пользу этого говорят последние исследования в физике. Обнаружено, что мировые константы (скорость света, гравитационна.я: постоянная и др.) обладают удивительным свойством. Их изменение даже на малые доли процента привело бы к изменению мирового процесса самоорганизации, исключающему появление структур, дающих возможность возникновения живого вещества (как Солнечная система, например). Иными словами, живое вещество определяет величины мировых констант, а мировые константы дают возможность возникновения живого вещества. Этот парадокс заставляет трактовать роль живого вещества в мироздании по-иному: мир таков потому, что мы есть. Следовательно, «Вселенная, может быть, является не самостоятельной системой, а лишь составляющей некой суперсистемы, в которой одним из принципов отбора являетс.я: возможность появления живого вещества» (Н. Н. Моисеев, 1994).
В допущениях абиогенеза на нашей планете на уровне предположений остается этап перехода от косного к живому веществу, который знаменуется появлением метаболизма (греч. metabole - перемена) и размножения. С этого момента возникает процесс переноса энергии и информации из поколения в поколение.
Эволюция живого вещества шла по пути усложнения структуры организмов и биологических сообществ, увеличения числа видов и совершенствования их приспособленности. Усложнение живого вещества связано с развитием многоклеточных организмов. Согласно наиболее признанной колониальной гипотезе, образовавшиеся в результате деления клетки не разошлись в пространстве, а образовали колонии. Позже в клетках возникли различия в химическом составе, а затем и в функциональной специализации. Многоклеточные организмы совершенствовались и приобретали разнообразие в течение многих миллионов лет. Совершенствовался круговорот веществ в непрерывном обмене веществом и энергией между организмами и средой, в процессах рождения и смерти. Завладевая все новыми областями земной коры, организмы приспосабливались к новым физико-химическим условиям, что неизбежно приводило к гибели и исчезновению части организмов и дальнейшему естественному отбору. Эволюционный процесс сопровождался повышением эффективности использования энергии и вещества организмами, популяциями и сообществами. И в этой эволюции четко прослеживается постепенное развитие и усложнение нервной системы. Достигнутый уровень развития мозга, писал В. И. Вернадский, не идет уже вспять - только вперед. Вершиной эволюции живого на Земле явился человек, ознаменовавший своим появлением новый этап развития жизни - антропогенез (греч. antropos - человек) (рис. 3.3).
Рис. 3.3. Эволюция биосферы
Появление человека привело к ускорению процесса эволюции биосферы. В истории антропогенеза неоднократно происходили качественные перестройки. В первой половине каменного века - палеолите (греч. palaios - древний, lithos - камень) у человека сформировались зачатки нравственности. Стадо антропоидов постепенно стало превращаться в человеческое общество. Естественный отбор перешел с уровня организма на уровень племен, народов, цивилизаций. Нечто подобное произошло и во второй половине каменного века - неолите (греч. neos - новый): преодолев глобальный экологический кризис, который привел к исчезновению крупных копытных, в том числе мамонтов, люди освоили земледелие и скотоводство, создали новую экологическую нишу.
Выходы из кризисов происходили естественным путем, и на них уходили сотни тысяч лет. Человечество все активнее перестраивало экосистемы, все больше вовлекало в биогеохимические циклы запасы планеты - остатки былых биосфер. В. И. Вернадский воспринимал все это как естественный процесс развития планеты. В 1925 г. он писал: «Иамененная культурой поверхность не есть что-то чуждое Природе и в ней наносное, но есть естественное и неизбежное проявление жизни как природного явления». Анализируя возможности все возрастающей мощи цивилизации, он пришел к выводу о том, что человечеству как разумной части живого вещества придется взять на себя ответственность за будущее планеты. Будущее требует активного вмешательства разума в судьбу биосферы. Во взаимодействии природы и общества все должно измениться: и биогеохимические циклы, и способность природы обеспечивать потребности человечества, а может быть, и природа самого человека и общества. Все это должно делаться целенаправленно, с участием разума.
Новое состояние биосферы ученый назвал ноосферой (греч. noos - разум). Термин был введен Эдуардом Леруа (1927), позднее им широко пользовался Пьер Тейяр де Шарден (1930).