Предыстория

Биосферой называют часть земного шара, в пределах которой существует жизнь. Для этой особой оболочки Земли наиболее важными являются три условия. Во-первых, в ней имеется много воды в жидком состоянии, что автоматически подразумевает наличие достаточно плотной атмосферы и определенный диапазон температур.

В современной биосфере солнечная энергия включается в биологический круговорот только через фотосинтез, осуществляемый организмами — носителями хлорофилла, а именно зелеными и пурпурными бактериями, синезелёными водорослями, фитопланктоном и высшими растениями. Все эти организмы обитают в зоне, куда попадают лучи Солнца. Это атмосфера, поверхность суши, верхний слой почвы и верхние слои воды. В водных экосистемах органическое вещество оседает в глубокие слои, перенося туда энергию и, тем самым, создавая возможность для жизни на больших глубинах. В почве также происходит вертикальный перенос вещества, а вместе с ним и энергии, Что обеспечивает существование многочисленных редуцентов и Детритофагов.

К настоящему времени накоплено множество доказательств того, что биосфера, да и наша планета в целом, обрела современный вид в результате длительной эволюции. Согласно более или менее общепринятой гипотезе Канта — Лапласа, развитой Отто Юльевичем Шмидтом (1891—1956), Земля, другие планеты и Солнце образовались в результате гравитационного сжатия газопылевого облака около 4,6 миллиардов лет назад.

Согласно современным взглядам, в центре Земли обпазова- лось внутреннее твёрдое ядро. Его материал состоит в основном из железа, которое, несмотря на высокую температуру, удержи -

Рис. 3.1. Схема строения Земли по современным взглядам. Относительные размеры не соблюдены

вается в твёрдом состоянии благодаря гигантскому давлению. Радиус твёрдого ядра — около 1300 км. Вокруг него, на глубине от 3 до 5 тысяч км располагается жидкое ядро. Мантия простирается от твёрдой поверхности Земли до глубины 3000 км и состоит главным образом из силикатов, то есть кислородных соединений кремния и алюминия. Наружная её часть вместе с земной корой на глубинах до 80 км называется литосферой. Под литосферой имеется слой толщиной около 300 км с пониженными жесткостью и вязкостью, называемый астеносферой. В 1912 г. немецкий геофизик Альфред Вегенер (Wegener, 1880—1930) показал, что земная кора состоит из отдельных литосферных плит, медленно двигающихся друг относительно друга («дрейф материков») и как бы «плавающих» поверх астеносферы. Материковая кора существенно отличается от океанической. Первая сложена из менее тяжелых минералов и достигает 75 км в глубину. Океаническая кора гораздо тоньше — порядка 10 км и состоит из тяжелых базальтов.

Первоначально при образовании Земля была холодной, но при дальнейшем сжатии потенциальная энергия тяготения, переходя в тепло, и энергия распада долгоживущих радиоактивных изотопов урана, калия и тория вызвали разогрев её недр.

вого океана, который образуется по мере того, как Аравийский полуостров дрейфует на север от Африки, вызывая землетрясения в Иране и Средней Азии. Океаническая кора, сталкиваясь с материковыми плитами, заглубляется под них, наращивая их толщу. На линиях этого столкновения возникают гигантские глубоководные океанические желоба шириной в десятки и длиной в сотни и тысячи километров с глубинами более 6 км. Наибольшая глубина (11 020 м) найдена в Марианском желобе на востоке Филиппинского моря.

Энергия трения плит друг об друга выделяется в виде тепла, и жидкая лава, извергаемая континентальными вулканами, не есть материал астеносферы или верхней мантии, а есть результат плавления горных пород за счёт этой энергии.

Новорожденная Земля не имела ни атмосферы, ни гидросферы3. В первый период её существования, о котором у нас нет каких-либо прямых данных, вероятно, имел место активный вулканизм с обильным излиянием базальтовой лавы.

Лабораторные исследования показали, что в этом тёплом океане могло происходить множество химических реакций, ведущих к образованию аминокислот — «кирпичиков», из которых строятся белки, и других органических соединений. Эта эпоха

5 Возможно кратковременное существование газовой оболочки, состоявшей в основном из лёгких газов — водорода и гелия, но эта оболочка быстро улетучивалась в окружающий космос и навсегда терялась Землёй.

(зон) «химической эволюции» продолжалась примерно миллиард лет и получила название катархея. С конца катархея начинается история биосферы, основные события которой показаны на рис. 3.2. Вероятно, важнейшим этапом химической эволюции явилось появление в начале зона архея веществ, способных к ав- токаталитическому синтезу, то есть молекул, способствующих появлению собственных копий. Скорее всего, это происходило путём деления материнской молекулы на дочерние и последующей достройки этих дочерних молекул. Среди этих органических молекул уже происходил естественный отбор на выживаемость, который привёл к образованию конгломератов, состоявших из молекул с разными функциями.

В первичных атмосфере и гидросфере кислород полностью отсутствовал. И это — очень важное обстоятельство. С одной стороны, в присутствии кислорода — мощнейшего окислителя органические молекулы не могли существовать, так как они почти мгновенно превратились бы в воду и углекислый газ. С другой стороны, тонкая бескислородная атмосфера не защищала поверхность Земли от жёсткого ультрафиолетового излучения Солнца, губительного для органического вещества. Поэтому жизнь возникла в океане, под защитой толщи воды. Примерно млрд лет тому назад появляются первые одноклеточные организмы, владеющие фотосинтезом, — синезелёные водоросли и бактерии. С этого момента живое вещество становится геохимическим фактором, сильнейшим образом влияющим на облик Земли. Освоившие фотосинтез организмы-продуценты непосредственно используют солнечную энергию, они захватывают мировой океан и в громадных количествах начинают выделять кислород. Наличие в гидросфере растворённого свободного кислорода создаёт возможность для появления организмов, живущих за счёт окисления органических и неорганических веществ. Часть этих организмов становится редуцентами, разлагающими аммиак с выделением молекулярного азота N2, который, будучи практически нерастворим в воде, поступает в атмосферу. Через некоторое время выделяется группа организмов-консументов, потребляющих готовую органику продуцентов. Здесь разделяются биологические царства. Продуценты не нуждаются в свобод-, ном движении, и от них происходит царство растений, а консу- менты должны иметь возможность двигаться в поисках пищи, и °т Них берёт начало царство животных.

Рис. 3.2. Хронология биосферы

Благодаря метаболизму живых организмов океана на протяжении протерозоя происходит постепенная смена первичной атмосферы на вторичную, состав которой близок к современному.

О, + {квант ультрафиолета} -» 20; 02 + О -gt; 03.              (3.1)

Озоновый слой начинает перехватывать жёсткое ультрафиолетовое излучение Солнца, и у живой материи появляется возможность выхода на сушу. Это и происходит примерно 500 миллионов лет назад[4].

К этому времени жизнь в океане буквально кипит. Уже появились многочисленные моллюски и ракообразные, прибрежная зона заросла гигантскими водорослями, и, наконец, уже существуют первые хордовые, от которых произойдут все позвоночные. Переход от внешнего скелета (панциря) к внутреннему носил принципиальный характер. Ослабление пассивной защиты компенсировалось усилением подвижности и ловкости; кроме того, исчезла необходимость в периодической полной линьке при росте организма, что дало большую экономию дефицитных строительных веществ. Рост подвижности привёл к необходимости иметь хорошее устройство управления, то есть к появлению и развитию головного мозга[5]. Первыми сушу стали осваивать растения и насекомые, появились двоякодышащие рыбы, способные жить и на воздухе, и в воде, от которых, по-видимому, произошли земноводные {амфибии). В девоне суша полностью заселяется, и видообразование происходит всё ускоряющимися темпами. Через 200 млн лет на Земле уже господствуют динозавры — потомки первых пресмыкающихся. Как и почему они практически полностью погибли 70 млн лет назад, до сих пор идут споры. Остаётся непонятным, почему катастрофа, постигшая динозавров, не отразилась столь же существенно на остальной биоте? Так или иначе, господство в животном царстве на суше захватили теплокровные млекопитающие, а в растительном — цветковые растения, и биосфера стала приобретать современный вид.

Важнейший вывод, который можно сделать, прослеживая историю биосферы и анализируя её современный элементный состав, состоит в том, что живые организмы влияют на абиотические условия на Земле в такой же степени, как эти условия влияют на биоту. И, следовательно, биосфера представляет собой единую динамическую систему из живых организмов и абиотической среды их обитания, пронизанную глубокими обратными связями, изменения в которой происходят в/Ходе общей эволюции — биологической, химической и физической.