Признаки и условия существования жизни
В.Ф.Попов, О.Н.Толстихин
Жизнь, ее происхождение и развитие всегда, с древнейших времен волновали мысль человека. П.Кемп и К. Армс (1988) намечают 7 признаков живого организма:
1. Живые организмы характеризуются высокоупорядоченным строением. Химические вещества, из которых состоят живые, организмы сложны и обладают уровнями организации превышающими таковые у большинства веществ неживой (или косной) природы.
2. Живые организмы используют энергию окружающей их среды для поддержания и усиления своей высокой упорядоченности. Большая часть из них прямо или косвенно использует солнечную энергию. Зеленые растения используют эту энергию для синтеза питательных веществ, потребляемых как самими растениями, так и подавляющем большинством всех других организмов, обитающих на Земле.
3. Живые организмы активно реагируют на состояние окружающей среды и происходящие в ней изменения. Способность реагировать на внешние раздражения - универсальное свойство всех живых веществ.
4. Живые организмы развиваются. Рост, например, кристалла и рост органов любого живого существа принципиально отличны по структуре, сложности и многообразию свойств формирующихся органов.
5. Все живое размножается. Новые организмы возникают только в результате размножения других таких же организмов.
6. Каждому организму для того, чтобы выжить, развиваться и размножаться, необходима информация, заложенная в нем самом, в его генетическом аппарате, которая расщепляется и передается от каждого индивидуума к его потомкам. Генетический материал предопределяет возможные пределы развития организма, его структур, функций и реакции на окружающую его среду.
7. Живые организмы адаптированы к среде их обитания. Они сами и все их органы приспособлены своему образу жизни.
Каковы же условия этой внешней среды обитания, благоприятствующие возникновеию, сохранению и развитию жизни?
Экология рассматривает пять таких условий, совокупность которых определяет эти возможности (Мамедов и Суравегина, 1966).
1. Достаточное количество кислорода и углекислого газа. А.С.Монин (1977) отмечает, что с биологической точки зрения критический уровень содержания свободного кислорода в атмосфере, при котором организмы переходят от анаэробного обмена веществ, к энергетически более эффективному окислению при дыхании, составляет около одной сотой от количества кислорода в современной атмосфере. Такое его содержание в атмосфере Земли было достигнуто, вероятно, в конце венда, около 600 млн. лет тому назад. С этого момента в морской среде происходит массовый взрыв биологической продуктивности и разнообразия организмов, однако, их выход на сушу еще долгое время сдерживался отсутствием озонового экрана атмосферы. Формирование последнего состоялось около 400 млн. лет тому назад, при содержании кислорода в приземном слое атмосферы порядка 10% от современного. С появлением озонового экрана резко интенсифицируется освоение континентов лесной растительностью с ее бурным фотосинтезом и в относительно короткий срок, в несколько миллионов лет содержание свободного кислорода достигло современного уровня. Стоит отметить, что в настоящее время всеми растениями мира продуцируется около 100-150 млрд.т. кислорода, примерно в равных долях на суше и в океанических пространствах. Почти весь он расходуется на дыхание животных, окисление органических остатков, вулканических газов и горных пород. Углекислый газ первоначально попадал в атмосферу и гидросферу земли из земных недр, с продуктами дегазации мантии, а затем - с вулканическими газами. Можно представить каталитическую реакцию графита с водой, происходящую при высоких температурах: (3C+H2O ® CH4+2CO; C+H20 ® CO+H2; C+2H2O ® CO2 +H2) или температурную диссоциацию первичных карбонатов CаCO3 ® CаO+CO2. Одновременно, удаление углекислого газа из атмосферы происходило и происходит главным образом за счет образования карбонатного скелета морских организмов и накопления на морском дне карбонатных отложений и органического вещества растений.
2. Достаточное количество жидкой воды, недостаток которой встречается на земле лишь в Антарктиде, Гренландии, высокогорьях и экваториальных пустынях. История формирования земной гидросферы также достаточно интересна. В момент образования нашей планеты из протопланетного облака все элементы ее будущей гидросферы, как и атмосферы, находились в составе твердых веществ (Монин, 1977): вода в гидроокислах, азот - в нитридах, кислород в окислах металлов, углерод - в графитах, карбидах и карбонатах. Возникновение гидросферы связано уже с последующими выплавками базальтов, водяного пара и газов, в первые 0,5-1,5 млрд. лет существования Земли, в результате прогревания недр планеты за счет гравитационного сжатия и распада радиоактивных изотопов. Подтверждением тому служат современные вулканические газы, содержащие водяной пар в количествах не менее 70-80 весовых процентов. Обнаружение осадочных образований в древнейших из известных горных пород Земли свидетельствует о весьма раннем возрасте ее гидросферы.
3. Определенный интервал благоприятных температур: не слишком низких для протекания биохимических реакций с участием ферментов и не слишком высоких, не более 1000 ° С, выше которых белок свертываются.
4. Необходимый минимум минеральных веществ в почвенном слое, доступных для освоения микроорганизмами и растениями.
5. Ограничение солености среды: при концентрации солей примерно в 10 раз выше чем морская вода, а ее соленость составляет в среднем 35 г/кг, жизнь в воде исчезает, подземные же воды лишены жизни при их минерализации свыше 270 г/л. К этим пяти условиям необходимо добавить:
6. Отсутствие загрязняющих веществ, которые по своим свойствам и концентрации превышают допустимые для биосферных объектов уровни.
Таковы, меняющиеся под влиянием человека, необходимые условия существования живого вещества Земли.
Начало жизни и эволюция живого вещества
Донаучные представления уходят в далекое прошлое, и связаны с идеей божественного (креационизм - creatio “сотворение”) начала всего сущего, время которого даже пытались вычислить. Так в 1650 году архиепископ Ашер из Ирландии вычислил, что Бог сотворил мир и человека в 9 часов утра 23 октября 4004 года до нашей эры. Как это происходило, рассказывает библия.
“В начале сотворил Бог небо и землю. Земля же была безвидна и пуста, и тьма над бездною; и Дух Божий носился над водою...” (Быт.1;1,2).
Там же высвечена идея о постоянстве и наследственных признаках всех живых организмов: “И сказал Бог: да произрастит земля зелень, траву сеющую семя (по роду и по подобию ее, и) дерево плодовитое, приносящее по роду своему плод, в котором семя его на земле. И стало так.”(Быт.1.11) Эта идея, но уже с учетом полового размножения, отражена в Притче о Ноевом Ковчеге.
Нечто подобное утверждается и в различных сурах Корана. Вот образцы таких текстов:
”Поистине, Господь ваш - Аллах, который создал небеса и землю в шесть дней, а потом утвердился на троне. Он закрывает ночью день, который непрестанно за ней движется...И солнце и луну и звезды, подчиненные его власти. О да! Ему принадлежит и создание и власть. Благословен Аллах, Господь миров!” (7:54/52).
”Аллах - тот, кто воздвиг небеса без опор, которые вы бы видели, потом утвердился на троне и подчинил солнце и луну: все течет до определенного предела. Он управляет (Своим) делом, устанавливает ясно знамения,- может быть вы уверитесь во встрече с вашим Господом! (13:2)
Он - тот, кто распростер землю и устроил на ней прочно стоящие (горы) и реки и из всяких плодов устроил там пары по двое. Он закрывает ночью день. Поистине, в этом - знамения для людей, которые думают (13:3).
Теория спонтанного зарождения жизни, как альтернатива креационизму восходит к древнему Вавилону, Египту, Криту, Греции. Согласно воззрениям натурфилософов того времени некоторые частицы вещества, из тех, что образуют всю вселенную, содержат некое “активное начало” которое при определенных условиях может создать живой организм. Аристотель полагал, что активное начало есть в оплодотворенном яйце, солнечном свете, гниющем мясе. У Демокрита начало жизни было в иле, у Фалеса - в воде, у Анаксагора - в воздухе.
Научный поиск зарождения жизни. Если отвлечься от Божественного Начала, загадка зарождения жизни до конца еще не разгадана. Биологические факты свидетельствуют, что ныне живое возникает только от живого. В.И.Вернадский ссылаясь на итальянского биолога Франческо Реди, постулировавшего в 1688 году, что все живое может происходить только от живого, однозначно указывает, что:
Никогда не наблюдалось в условиях Земли зарождение живого от мертвого (обратите внимание на точность изложения мысли. Не категоричное "не может быть", как сейчас нередко с добавлением, "потому что не может быть никогда", а именно никогда не наблюдалось что не исключает, в принципе, вероятность такого хода события).
В геологической истории нет эпох отсутствия жизни.
Современное живое вещество генетически родственно всем прошлым организмам.
И хотя в древнейших архейских горных породах уже есть признаки жизни, нет свидетельств ее одномоментного зарождения.
Но в истории формирования Земли был период, который не нашел отражения в геологической летописи, называемый В.И. Вернадским азойным периодом. Период, относящийся к космической истории Земли, как части Солнечной Системы. В отношении этого времени В.И.Вернадский указывает на такие возможности: "Не зная научно этого прошлого, мы не можем научно решить вопрос о генезисе в нем жизни, если он произошел в космические периоды истории Земли. Другого времени для этого нет, ибо в геологических временах зарождения жизни не было". И далее, "Признавая биогенез, согласно научному наблюдению, за единственную форму зарождения живого, неизбежно приходится допустить, что начала жизни в том космосе, который мы наблюдаем, не было, поскольку не было начала этого космоса. Жизнь вечна постольку, поскольку вечен космос, и передавалась всегда биогенезом. То, что верно для десятков и сотен миллионов лет, протекших от архейской эры до наших дней, верно и для всего бесчисленного хода времени космических периодов истории Земли. Верно и для всей Вселенной." Значит "...Остаются три возможности:
жизнь создалась на Земле при космических стадиях ее истории в условиях, не повторяющихся в позднейшие геологические эпохи;
жизнь была на Земле и в космические эпохи ее былого, она извечна;
жизнь, извечная во вселенной, явилась новой на Земле, ее зародыши приносились в нее извне постоянно, но укрепились на Земле лишь тогда, когда на Земле оказались благоприятные для этого возможности”. Этот механизм привнесения жизни на землю известен как идея панспермии.
Иная точка зрения, выдвинутая и разработанная, в частности, академиком А.И.Опариным вам известна из школьного курса биологии. Она состоит в том, что первично живое вещество все-таки возникло из неживого в особо благоприятных для этого условиях дна мелководных теплых морей катархея, воды которых были богаты сложными органическими веществами неорганического происхождения. Там и могло начаться образование двойных сахарофосфатных спиральных нитей высокополимерных нуклеиновых кислот с закрепленными на них основаниями, служащими “кодами” для дальнейшего синтеза белков. Эти нити, при некоторых внешних условиях могли разворачиваться в одинарные спирали и синтезировать на каждой из них недостающую вторую спираль, то есть порождать пару себе подобных, передавая им информацию, заложенную в основаниях. Подобные полимеры, обеспечивающие достаточно длительное сохранение и воспроизводство уже можно рассматривать в качестве первичных организмов. Их развитие, в свою очередь, исключило условие дальнейшего самозарождения жизни. Энергетическими источниками подобного процесса могли служить грозовые разряды, энергия действующих вулканов или, возможно - ультрафиолетового излучения не сдерживаемого озоновым экраном.
Подобные условия и эффекты, напоминающие преобразование природных неорганических химических соединений в органические, были обнаружены в горячих газах курильского вулкана Алаид, в гидротермальных растворах источников Камчатки и Курильских островов, смоделированы в лабораторных условиях. Сложные органические вещества, вплоть до аминокислот, и синезеленых водрослей обнаружены в ряде каменных метеоритов, в частности, так называемых углистых хондритах.
Наиболее древние остатки жизнедеятельности организмов, обнаруженные в Трансваале в породах, возраст которых определяется 3,1-3,4 млрд. лет (напомним. что возраст планеты Земля составляет около 4,5 млрд. лет.) представляют собой микроскопические изолированные палочки. длиной 0,45-0,7 мк и диаметров 0,18-0,32 мк, имеющие двухслойные оболочки толщиной 0,015 мк. Там же обнаружены нитеподобные образования, а также многочисленные шаровидные, дисковидные и многоугольные оболочки микроскопических водорослей. Палеонтологические данные позволяют, однако, полагать, что при любых причинах образования жизни, ее дальнейшее развитие состоит в непрерывном изменении, эволюционировании живых организмов. Согласно теории эволюции современные организмы возникли от более древних форм жизни, унаследовав от них ряд признаков и претерпели различные модификации.
Генетические основы эволюции. Любой организм содержит в себе информационный запас развития, который определяется содержащимся в нем генетическим материалом, унаследованным от организмов предыдущего поколения. Единицами такого генетического материала (и информации) являются гены. Однако гены могут нести не только сходные черты, но и различия, вызванные наследственными изменением генетического материала, называемым мутациями. Мутации могут, в свою очередь, вызываться ошибками при копировании генетического материала, возникать в результате химического воздействия или излучения. Они случайны, весьма редки (лишь у нескольких особей одна на 100 000) и в большинстве случаев неблагоприятны для своего носителя.
Помимо мутационной, изменчивость также возникает в результате смешивания генов при половом размножении, потому что каждый потомок получает половину генов от каждого из родителей. Общая сумма всех генов, имеющихся у данной популяции составляет ее генофонд.
Можно оценить, сколько раз встречается тот или иной ген в данной популяции и определить частоту его встречаемости, например в первом и втором поколении. Разница покажет нам изменения в генетическом фонде, то есть эволюцию, происходящую в популяции. Под популяцией в экологии понимается совокупность организмов одного вида, в той или иной степени изолированная от других таких же совокупностей, способная длительно существовать на единой территории, самовоспроизводиться и изменяться вследствие преимущественного размножения тех или иных групп входящих в ее состав особей. Таким образом, эволюция популяции есть изменение частоты встречаемости одного или нескольких генов в данной популяции, от поколения к поколению. Эволюционирующая компонента то есть компонента, изменяющаяся во времени, определяет популяцию, а не отдельный, входящий в нее организм. Однако, накопление изменений частоты некоторых генов в генофонде на протяжении многих поколений может привести к резким изменениям и в популяции.
Находки организмов, ныне не существующих на Земле, убеждали в том, что в разное время Землю заселяли разные их виды. Геолог Чарльз Лейаль опубликовал в 1830 г. первый том “Основания геологии”, в котором доказывал постепенность геологического развития Земли.
В 1809 г. Жан Батист де Ламарк выдвинул идею, что организмы на протяжении всей своей жизни могут приобретать признаки, повышающие их приспособленность к среде обитания, эти признаки они могут передавать своим потомкам. Суть этой теории, получившей название ламаркизм, чаще всего иллюстрируют примором с шеей жирафы. Так как жирафам постоянно приходилось вытягивать шею, чтобы дотянуться до листьев на деревьях, рассуждал Ламарк, то их шеи вытягивались и они передавали такую удлиненную шею своим потомкам.
Однако вскоре появилась революционная теория эволюции путем естественного отбора выдвинутая Чарльзом Дарвиным и Альфредом Расселом Уоллесом.
Примечательно, что за несколько дней до того, как Ч.Дарвин готовился передать свой доклад в издательство, Альфред Рассел Уоллес прислал ему свой очерк, посвященный вопросам эволюции. Между тем идеи, относящиеся к эволюции, были практически идентичны и Лейаль настоял на том, чтобы тот и другой материалы были опубликованы совместно. Соответственно в 1858 г. ими и была выдвинута теория эволюции на заседании лондонского Линеевского общества. А в 1858 г. была опубликована монография Ч.Дарвина “Происхождение видов” в которой была описана эволюция на основе механизма естественного отбора. Книга была иллюстрирована многочисленными примерами и вызвала множество споров, ибо противоречила библейским положениям о происхождении видов и утверждала, что эволюция может происходить и без вмешательства человека или божественного начала.
В качестве классического примера естественного отбора и преобразования вида, происходящего на популяционном уровне, было рассмотрено изменение цвета бабочки березовой пяденицы на севере Англии в результате развития там промышленного производства. Биологи обратили внимание на то, что бабочки серого цвета за последние 100 лет стали сравнительно редки и были замещены бабочками черного цвета Особенно заметно это было вблизи крупных промышленных городов. Причина такого смещения цвета была предположительно связана с гибелью светло-серых лишайников и почернением стволов деревьев от копоти, образующейся при сжигании угля. Белые бабочки были лучше видны на темных стволах деревьев и в первую очередь становились жертвами птиц.
Был проделан классический эксперимент - выращено в лаборатории и помечено большое количество черных и светлых бабочек, которые были выпущены на волю в загрязненной и незагрязненной местности. Процент выловленных черных бабочек был вдвое выше в загрязненной местности, нежели незагрязненной. С другой стороны, в незагрязненной местности птицы выловили на глазах у наблюдателей черных бабочек вдвое больше, нежели светлых. Следовательно, в загрязненной местности птицы поедают больший процент бабочек, содержащих ген светлой окраски и больший шанс выжить до половой зрелости и оставить потомство принадлежащее бабочкам, несущим ген серой окраски.
Надобно заметить, что именно лишайники, получающие материал для построения своих тканей непосредственно из воздуха, при его загрязнении гибнут в первую очередь. В этом отношении лишайники являются прекрасными индикаторами состояния воздушной среды в многолетнем разрезе.
Случайность в генетическом отборе может иметь порой решающее значение. Случайные мутации, могущие возникать в результате генетической ошибки или благодаря какому то однонаправленному воздействию, например физическому или химическому на генетический аппарат отдельных особей могут привести к устойчивому их изменению.
Модель постепенной эволюции не укладывается в имеющиеся палеонтологические материалы, в частности сходство многих очень древних организмов с современными. Казалось бы, они, эти организмы, должны были бы измениться более существенно. И наоборот, буквально за несколько тысяч лет появлялись новые виды. На этом основании была разработана модель прерывистой эволюции, совмещавшая в себе возможность медленного эволюционного развития с революционным взрывным.
Биологическое разнообразие
Совокупность всех разновидностей живых существ Земли именуют биологическим разнообразием или биоразнообразием, которое начало возникать с зарождением жизни около 4 млрд. лет назад. Невозможно подсчитать сколько всего видов возникало и исчезало на Земле. Сегодня в науке описано около 2 млн. видов животных, более 1,5 млн. насекомых, примерно 0,5 млн. видов растений, свыше 100 тыс. видов грибов и 40 тыс. видов простейших. Только лесной зоне Якутии насчитывается 1891 вид сосудистых растений, 300 видов мхов, более 500 видов лишайников, более 250 видов наземных позвоночных.
Количество описанных видов увеличивается, так, например, в 1993 г. во Вьетнаме обнаружили новый вид антилопы. Это крупное животное. Пополнение биоразнообразия происходит в основном за счет насекомых, каждый год открывают до 2 тыс. новых видов. Пополняются новыми видами списки рыб, червей, грибов. Большинство специалистов склоняется к цифре 5-6 млн видов. Имеются географические закономерности видового разнообразия, например, для России оно постепенно возрастает с севера на юг. Самых больших для суши величин видовое разнообразие достигает в тропических дождевых лесах.
С 1600 года по оценке ученых за 400 лет безвозвратно исчезли 83 вида млекопитающих, 113 видов птиц, 21 вид рептилий, 23 вида рыб и 384 вида высших растений. Этот печальный список не полон, ведь многие животные и растения исчезли прежде, чем были обнаружены учеными. В конце ХХ века планета теряет один вид позвоночных животных ежегодно. Существует Красная книга Международного союза охраны природы и Красные книги отдельных государств и отдельных районов и регионов. В настоящее время под угрозой исчезновения находится почти 20 тысяч видов растений, 320 видов рыб, 48 амфибий, 1355 видов рептилий, 924 видов птиц и 414 видов млекопитающих. Исчезновение видов нарушает тонкий природный баланс, который складывался миллионы лет. Утрата вида ведет к скрытой цепочке негативных последствий, вследствие которого экосистемы зачастую становятся неустойчивыми. Этот процесс может стать опасным не только для природы, но и человечества в целом.
Основные экологические проблемы
По ходу курса мы познакомимся с современными экологическими проблемами, которые в перечислении Н.Ф.Реймерса с уточнениями и добавлениями, представляются следующими:
1. Изменение климата Земли в результате естественных геологических процессов, усиленных тепличным эффектом, вызываемым изменениями оптических свойств атмосферы выбросами в нее главным образом СО, СО2, других газов;
2. Замусоривание околоземного космического пространства (ОКП), последствия которого до конца пока не осмыслены, если не считать реальную опасность космическим аппаратам, включая спутники связи, локации поверхности земли и другие, широко использующиеся в современных системах взаимодействия между людьми, государствами и правительствами;
3. Сокращение мощности стратосферного озонового экрана с образованием так называемых “озоновых дыр”, снижающих защитные возможности атмосферы против поступления к поверхности Земли опасной для живых организмов жесткой коротковолновой ультрафиолетовой радиации;
4. Химическое загрязнение атмосферы веществами, способствующими образованию кислотных осадков, фотохимического смога и других соединений, опасных для биосферных объектов, включая человека и создаваемых им искусственных объектов;
5. Загрязнение океана и изменение свойств океанических вод за счет нефтепродуктов, насыщения их углекислым газом атмосферы, в свою очередь загрязненной автотранспортом и теплоэнергетикой, захоронения в океанических водах высокотоксичных химических и радиоактивных веществ, поступления загрязнений с речным стоком, нарушения водного баланса прибрежных территорий в связи с регулирования рек;
6. Истощение и загрязнение всех видов источников и вод суши;
7. Радиоактивное загрязнение отдельных участков и регионов с тенденцией его расползания по поверхности Земли;
8. Загрязнение почв вследствие выпадения загрязненных осадков (например - кислотные дожди), неоптимального использования пестицидов и минеральных удобрений;
9. Изменение геохимии ландшафтов, в связи с теплоэнергетикой, перераспределением элементов между недрами и поверхностью Земли в результате горнометаллургического передела (например концентрация тяжелых металлов) или извлечения на поверхность аномальных по составу, высокоминерализованных подземных вод и рассолов;
10. Продолжающее накапливание на поверхности Земли бытового мусора и всякого рода твердых и жидких отходов;
11. Нарушение глобального и регионального экологического равновесия, соотношения экологических компонентов в прибрежной части суши и моря;
12. Продолжающееся, а местами - усиливающееся опустынивание планеты, углубление процесса опустынивания;
13. Сокращение площади тропических лесов и северной тайги, этих основных источников поддержания кислородного баланса планеты;
14. Освобождение в результате всех вышеуказанных процессов экологических ниш и заполнение ими иными, видами;
15. Абсолютное перенаселение Земли и относительное демографическое переуплотнение отдельных регионов, крайняя дифференциация бедности и богатства;
16. Ухудшение среды жизнеобитания в переуплотненных городах и мегаполисах;
17. Исчерпание многих месторождений минерального сырья и постепенный переход от богатых ко все более бедным рудам;
18.Усиление социальной нестабильности, как следствия все большей дифференциации богатой и бедной части населения многих стран, возрастания уровня вооруженности их населения, криминализации, природных экологических катаклизмов.
19. Снижение иммуного статуса и состояния здоровья населения многих стран мира, включая Россию, многократное повторение эпидемий, имеющих все более массовый и тяжелый по последствиям характер.
Вот далеко не полный круг проблем, в решении каждой из которых специалист может найти свое место и дело.