|
|
|
|
|
|
||
Уже сотни людей побывали в космосе* и через иллюминаторы космических летательных аппаратов видели внешний облик нашей планеты. Но еще в начале века В.И.Вернадский* сумел взглянуть на Землю с еще более далекого расстояния и силой могучего воображения увидел главное, что отличает Землю от других планет, - наличие на ней "проникнутой жизнью оболочки". Она охватывает расположенные вверх и вниз от поверхности планеты многокилометровые толщи воздуха, воды, горных пород, насыщенные организмами. Освоение людьми космоса повысило верхнюю границу этой оболочки и поставило новые задачи по ее исследованию.
Наличие на нашей планете водной оболочки - гидросферы* - и воздушной - атмосферы*, - действительно является одним из ее самых заметных отличий от других планет Солнечной системы. Но главное отличие все же состоит в том, что на Земле существует живое вещество - растительный и животный мир. В связи с этим еще в XIX веке французский биолог Ж.Б.Ламарк* и австрийский геолог Э.Зюсс* ввели понятие биосферы, означающей область жизни.
Биосферой называется та часть литосферы*, гидросферы* и атмосферы Земли, в которой существует живое вещество. В ее состав входят не только растительный покров, животный мир и человечество, обитающие на планете, но и все реки, озера, водная масса океанов, почвенный слой, верхний слой земной коры, значительная часть тропосферы*. На поверхности Земли практически нет участков, на которых отсутствует жизнь. Даже в жарких и безводных тропических пустынях, на поверхности высокогорных ледников и полярных льдов обнаружены микроорганизмы*.
В современном содержании понятие "биосфера" было всесторонне рассмотрено выдающимся русским ученым В.И.Вернадским. Он доказал, что вся совокупность живых организмов, обитавших и обитающих на Земле, играет огромную роль в ее геологической эволюции*, во всех современных физических и химических процессах, которые протекают на земной поверхности и в водной толще океанов. Все живое вещество Земли сосредоточено в очень узкой части пространства, прилегающего к земной поверхности и измеряемого по вертикали всего лишь несколькими километрами. Это меньше толщины вместе взятых литосферы и тропосферы. Что касается массы живого вещества*, то доля всей совокупности живых организмов в общей массе Земли просто ничтожна, и по отношению к массе биосферы составляет всего 0,25%.
Высказанные В.И.Вернадским взгляды о ведущей роли живого вещества в образовании современного химического состава атмосферы, гидросферы и части литосферы подтверждаются всем ходом развития науки. Эта роль обусловлена высокой геохимической активностью живых организмов: они способны усваивать солнечную энергию и, используя ее в процессе фотосинтеза*, создавать из простых веществ соединения значительно более высокой сложности. Деятельность живых организмов на земной поверхности связана с цепочками разнообразных физико-химических превращений веществ - синтезом, трансформацией, распадом, непрерывно происходящими в биосфере.
В результате этих превращений под прямым и косвенным влиянием живых организмов возникали в геологическом прошлом и возникают в настоящее время разнообразные земные образования, которые В.И.Вернадский предложил называть биокосными природными телами. Их объемы и значение для развития жизни на Земле позволяют сопоставить биосферу с другими геосферами* даже количественно.
Жизнь на нашей планете воплощается во множестве форм и на разных уровнях, но, принципиально важно то, что она едина. Все формы и проявления жизни не существуют сами по себе, а связаны сложными взаимоотношениями в единый комплекс жизни Эти взаимоотношения и связи удивительны. Именно они осуществляют биогенный круговорот веществ, то есть саму жизнь, и не дают ей прерваться. Взаимосвязи в биосфере очень стойки, но достаточно разорвать хотя бы одно звено или одну связь, и может погибнуть вся цепь взаимоотношений живой материи.
Каждая из оболочек Земли, в которой существует биосфера, являет собой особую, неповторимую среду жизни. Эта специфика определяет своеобразие жизненных форм, развивающихся в них. Так, вода представляет собой сплошную среду в которой возможно существование плавающих организмов. Поэтому жизнь пронизывает толщу воды от ее поверхности до самого дна. Характер движения обусловливает форму тел, например, обтекаемую, как у рыб, или расплывчатую, как у медуз. Относительно небольшое количество кислорода, растворенного в воде, сформировало сложную систему газообмена. Неоднородность химического состава морской воды (не просто воды, а раствора со множеством компонентов !) выработало у организмов особые приспособления для поддержания стабильности внутренней среды, например, ионного* состава.
Атмосфера* также является сплошной средой, но она менее плотная, чем вода. Вследствие этого обитатели атмосферы не могут существовать в отрыве от поверхности Земли долгое время: нет животных, которые парили бы в воздухе постоянно !
Наконец, поверхностный слой Земли представляет собой сложные структурное образование. Для существования в нем нужны развитые органы локации в темноте, способности рыть землю, обходиться малым количеством воздуха и многие другие.
Все это можно рассматривать как условия существования жизни. Но это и результат ее существования: наличие живых существ определяет современный химический состав и физические свойства воздуха, воды, почвы.
Таким образом, биосфера, с одной стороны, и среда жизни, с другой - результат жизнедеятельности организмов. Специфика биосферы состоит в том, что в ней все время поддерживаются связанный с деятельностью живых существ круговорот веществ и четко направленные потоки энергии. Это то, чего пока не найдено ни на каких других планетах.
В течение миллиардов лет живое вещество на Земле использовало и в ходе образования биокосных тел трансформировало солнечную энергию. Ее значительная часть законсервирована в угле, нефти и других полезных ископаемых органического происхождения. Ее другая часть была использована для формирования различных горных пород биокосного происхождения (от осадочных известняков до метаморфических гранитов), накопления солей, растворенных в воде океанов, кислорода, входящего в состав земной коры. Все эти природные тела и их компоненты, по выражению В.И.Вернадского, представляют собой прямые и косвенные следы существования "былых биосфер".
Земные недра "былых биосфер" свидетельствуют о прошлом Земли, прошедшей на ней жизни. По отложениям горных пород восстанавливают контуры древних морей, озер, рек, болот, пустынь. Здесь находят остатки организмов, живших тысячи и миллионы лет назад. Эти остатки, попав в реку или море, покрывались илом, песком, глиной, пропитывались солями и окаменевали. Иногда встречаются остатки растений и животных, живших сравнительно недавно и поэтому не окаменелых. Например, в вечной мерзлоте найдено несколько трупов мамонтов, живших тысячи лет назад, но полностью сохранившихся. Намного чаще встречаются только скелеты древних животных, их отдельные кости, зубы, раковины. Что касается древних растений, то в земных недрах находят стволы деревьев, отпечатки листьев на камнях.
Непрерывность развития организмов на Земле составляет один из основных законов биологии, открытый Ж.Ламарком* и Ч.Дарвином*. Установлено, что чем древнее растения и животные, населявшие Землю, тем они были проще устроены. Наоборот, чем ближе к нашему времени, тем организмы становились более сложными и более похожими на современные.
В настоящее время история Земли и жизни на ней делится на пять эр. Каждая эра состоит из нескольких периодов, а периоды складываются из эпох и веков. Наша эра называется кайнозойской, то есть эрой новой жизни. Ей предшествовали эры средней и древней жизни (соответственно мезозойская и палеозойская). Самыми древними эрами являются протерозойская и архейская.
От начала архейской эры нас отделяет более 3 млрд. лет. В слоях осадочных пород этой эры остатков организмов не обнаружено. В слоях же следующей, протерозойской эры, которая началась 2,5 млрд. лет назад, обнаружены остатки водорослей и морских беспозвоночных животных.
В то время в теплых водах лагун обитало множество разнообразных одноклеточных организмов. Они использовали и растительные, и животные способы питания. Другими словами на свету они были способны к фотосинтезу*, в темноте - к питанию органическими веществами.
Многоклеточные организмы, очевидно, произошли из колоний одноклеточных животных, в которых отдельные клетки* выполняли функции питания, движения, размножения, защиты, выделения и т.д. Первыми наиболее просто устроенными многоклеточными организмами были губки, затем - кишечнополостные*. Впоследствии от некоторых кишечнополостных произошли черви.
Некоторые из них перешли от плавания в воде к ползанию по дну. Это привело к тому, что их тела сплющились, появились различия между спинной и брюшной сторонами, начал обосабливаться головной отдел, образовались органы дыхания (жабры), сформировались органы движения, выделительная и кровеносная системы. Интересно, что соленость крови большинства животных и людей близка к солености морской воды.
Палеозойская эра началась 570 млн. лет назад. В земной коре сохранилось достаточно много остатков и следов существ, живших в то время.
В середине палеозойской эры произошло освоение растениями и животными суши. В то время в пресных водоемах уже обитали зеленые и сине-зеленые водоросли, бактерии*, низшие грибы, одноклеточные корненожки, жгутиковые, реснитчатые инфузории, а также беспозвоночные, кишечнополостные и черви. В периоды мелководий и засух водные растения, у которых начинали развиваться прообразы корней, выживали и постепенно расселялись в прибрежной полосе суши. Так начиналась эпоха наземного растительного мира.
Вместе с растениями на сушу начали переселяться сначала беспозвоночные, а потом и позвоночные. По-видимому, первыми из воды выбрались кольчатые черви, моллюски, а также предки наземных членистоногих.
Палеозойская эра состояла из шести периодов: кембрийского, ордовикского, силурийского, девонского, каменноугольного (или карбона) и пермского. В частности, каменноугольный период начался 350 млн. лет назад. В нем произошло наступление моря на сушу, горы сгладились. Большая часть Европейской равнины оказалась затопленной морем, образовались огромные заболоченные низины. В них пышно развивалась наземная растительность. Древовидные папоротники, плауны и хвощи высотой до 50 м и диаметром до 3 м образовывали густые леса. Климат* был теплый и влажный. У земноводных начали образовываться конечности, пригодные для хождения. Некоторые из них были похожи на змей, другие - на ящериц и крокодилов, достигавших в длину четырех метров.
Во второй половине карбона климат стал более прохладным и сухим. Огромные массивы лесов были потеснены песчаными и каменистыми пустынями. Это особенно характерно для последнего периода палеозойской эры - пермского. К его началу вымерли ракоскорпионы, трилобиты, многие кораллы, древние морские лилии и ежи, намного меньше стало амфибий*. В морях развилось больше костных рыб. На суше появились леса из голосемянных, в том числе хвойные.
Эти изменения жизненной среды повлияли на развитие животных, в первую очередь позвоночных. Некоторые земноводные перестали откладывать яйца в воду, а начали зарывать их в песок или кучи гниющих растений. Появились первые пресмыкающиеся. Они не имели постоянной температуры тела, и с заходом солнца их жизненная активность падала. По сравнению с земноводными у пресмыкающихся скелеты, мускулатура, кровеносная и нервная системы были намного совершеннее. Вследствие своей большой активности они в короткий промежуток времени заселили огромное пространство и стали господствующими на планете.
Мезозойская эра началась 230 млн. лет назад и продолжалась около 160 млн. лет. Она делится на три периода: триасовый, юрский и меловой. В начале мезозоя суша занимала громадные площади, но к его середине достаточно большая ее часть превратилась в море. В конце эры произошло мощное горообразование, и размеры материков увеличились. В морях широко распространились моллюски, на суше - пресмыкающиеся. Последние приспособились к жизни не только в море, но и на суше.
В мезозое появились все высшие представители растительного и животного мира: цветковые растения, двукрылые и перепончатокрылые насекомые, костистые рыбы, птицы и млекопитающие, а также многочисленные двуногие архозавры. Хождение на двух ногах было удобно для жизни среди высоких растений: поднятое тело позволяло лучше и дальше видеть.
В юрский и меловой периоды большие участки материков погрузились в море, климат стал мягким, ровным и теплым. Появились новые отряды пресмыкающихся, в том числе крокодилы и ящерицы, позднее - динозавры. В частности, бронтозавры, диплодоки и брахиозавры достигали 35 м в длину, 9 м в высоту, а их масса достигала 60 т ! Они были четвероногими, могли поднимать высоко шею и жили на побережьях морей и больших озер. Питались они мягкой растительной пищей.
В юрском периоде появились динозавры, ходившие на двух ногах. Их передние конечности были укорочены. Их масса достигала 5-7 т, а высота - 6-8 м. Это были хищники. В морях мезозоя жили ихтиозавры - рыбоящеры, похожие на дельфинов и достигавшие восьмиметровой длины. Они обладали спинными плавниками, ластами и рыбьими хвостами. Ихтозавры превосходно плавали, но не могли выбираться на сушу и были живородящими. В воздухе носились летающие ящеры - птерозавры.
В юрском периоде появились первые млекопитающие, но начальный период их развития изучен пока что недостаточно. Очевидно, их возникновение связано с изменениями зародышевого развития: переходом от откладывания яиц, которые согревало в основном солнечное тепло, к развитию зародышей в утробе матери и рождению живых детенышей.
В конце юрского периода появились первые цветковые растения, а к середине мелового периода новая растительность практически полностью вытеснила прежнюю. Благодаря появлению цветковых растений стали быстро развиваться такие высшие классы животных, как насекомые, птицы, млекопитающие. Увеличилась "кормовая" база, пища стала разнообразнее. В свою очередь, насекомые, птицы, млекопитающие сыграли большую роль в развитии цветковых растений: они способствовали перекрестному опылению цветов, а также и распространению плодов и семян.
К концу мезозоя вымерли все группы динозавров и многие отряды пресмыкающихся. Причина их массовой гибели, пока что остается загадкой.
Кайнозойская эра началась около 70 млн. лет назад. В ней различают четыре периода: палеогеновый, неогеновый, третичный, четвертичный. Из мира ящеров в эру новой жизни перешли ящеры, змеи, крокодилы, черепахи. Уже в начале эры появились все основные группы современных млекопитающих, в том числе и обезьяны.
Важную роль в эволюции млекопитающих сыграло развитие цветковых растений. Например, обезьяны могли появиться только при наличии цветковых растений, ибо их основной пищей являются плоды, ягоды и семена.
Четвертичный период, или антропоген, начавшийся около миллиона лет назад, несмотря на свою относительную краткость, богат событиями. В это время сформировались современные флора и фауна. В начале антропогена началось похолодание, но в высоких широтах Северного полушария было еще относительно тепло. Поэтому растительный и животный мир теперешних умеренных и холодных поясов значительно отличался от современного. Например, в Евразии, были широко распространены гигантские слоны, носороги, однопалые лошади, верблюды, антилопы, грызуны, похожие на гигантских бобров.
Во второй половине антропогена похолодание увеличилось. Это привело к оледенению больших пространств Европы, Азии, Северной Америки. Многие млекопитающие не смогли приспособиться к новым условиям и вымерли. Наиболее распространенными животными стали мамонты, волосатые носороги, северные олени, овцебыки, волки, песцы, грызуны.
В конце антропогена от одного из видов обезьян, ходивших на двух ногах при вертикальном положении туловища, произошли предки людей - питекантропы, или обезьянолюди. Позже от них произошли первобытные люди (неандертальцы), а примерно 100 тыс. лет назад появились люди современного вида.
С течением времени различие между умеренной и арктической зонами приблизилось к современному. Считается, что преобладающее большинство ныне существующих диких видов растений и животных уже было на Земле около 20 тыс. лет назад.
В настоящее время растения образуют почти сплошной растительный покров на поверхности Земли и являются одной из важнейших частей ее биосферы. Только зеленые растения способны, поглощая лучистую энергию Солнца, создавать из углекислоты, воды и минеральных солей органические вещества. Растения создают органическую массу как на суше, так и в воде. Именно растения служат местом обитания животных и пищей для них. Зародившись в океане, растения вышли на сушу и в процессе эволюции, в ходе естественного отбора за миллионы лет достигли удивительного разнообразия.
Так, у тропических растений появились приспособления, предохраняющие их от перегрева: у некоторых из них листья имеют блестящую поверхность, отражающую солнечные лучи; у других листья располагаются ребрами по направлению к источнику света. Северные и высокогорные растения, существующие в условиях постоянного холода прижимаются к земле.
Лиственные деревья средних широт приспособились к резкой смене тепла и холода: на период холодного времени года они сбрасывают листву. У некоторых растений в этот период надземные части отмирают совсем, и они сохраняют жизнь в клубнях или корневищах, залегающих глубоко в почве. Растения высоких широт (где лето очень короткое) имеют карликовую форму, начинают свое развитие еще под снегом, очень рано зацветают и быстро приносят плоды. В жарких условиях пустынь развились растения, которые способны запасать воду в утолщенных стеблях и листьях (например, кактусы), или имеют жесткие, не вянущие даже в сильную жару листья и ветки. Водяные лилии, кубышки, рдесты, растущие в воде, имеют в своих стеблях и листьях воздухоносные ткани, а их цветки раскрываются для опыления насекомыми на поверхности воды.
Растения способны приспосабливаться к химическому и физическому составу почвы: некоторые из них растут только на известковых почвах, другие - на кислых, лишенных извести, третьи - на почвах с избытком азота (при естественном или искусственном удобрении). Так, солянки растут только на неплодородных засоленных почвах; на сыпучих песках выживают растения, имеющие глубокие корни и сохраняющиеся даже тогда, когда ветер выдувает из-под их корней грунт или же засыпает их движущимися песками. А на голых отвесных скалах высокогорий растения ютятся в трещинах, запуская в них мощные корни и выставляя наружу лишь небольшие розетки листьев и яркие цветки. Таким образом, форма и многие свойства растений есть результат многовекового воздействия на их предков внешней среды.
Жизнь в океанах богата и разнообразна. Водная среда отличается от воздушной: в ней иначе распределяется температура, на больших глубинах существует огромное давление воды, солнечный свет проникает только в самые верхние слои. Для организмов, обитающих в воде, особенно важны такие свойства, как высокая теплоемкость, малая теплопроводность и большая растворимость в ней различных веществ.
Основным источником кислорода в воде являются водоросли. Именно в них осуществляется фотосинтез*. Вследствие этого в поверхностных слоях кислорода больше, чем в глубинных, причем если в атмосфере содержится 21% кислорода, то в газах, растворенных в воде, его 35%.
В поверхностных слоях воды и неглубоких прибрежных местах океанов и морей живое вещество выступает прежде всего в виде мелких одноклеточных (фитопланктона) и прикрепленных ко дну крупных водорослей (фитобентоса). Среди фитопланктона "пасется" громадное количество зоопланктона: рачков, червей и других мелких животных. Здесь же живут и откармливаются личинки многих донных животных, которые во взрослом состоянии прирастают ко дну или зарываются в ил (кораллы, моллюски, морские ежи и др.). Зоопланктон служит пищей кильке, сельди и многим другим рыбам, а также китам. Среди обитателей дна много илоедов. Заглатывая ил, они питаются остатками органических веществ, который оседают среди минеральных частичек ила.
Материковые воды смывают с поверхности суши различные вещества и удобряют тем самым океан. Течения, перемешивая воду, разносят эти вещества по всему океану. Отмершие организмы разлагаются бактериями* на дне океана или в толще вод, пополняя их азотом, фосфором, калием и другими веществами, необходимыми для жизни растений. В пополнении поверхностных слоев воды, где живут водоросли, минеральными питательными веществами большую роль играет вертикальное перемешивание и подъем глубинных вод. Здесь эти минеральные вещества поглощаются водорослями и продолжают свой путь в круговороте жизни: неорганические питательные вещества - водоросли - животные - бактерии* - питательные вещества.
Почти все растворенные в воде вещества необходимы различным обитателям океанов и морей. Так, моллюски, кораллы, губки, морские ежи и звезды, черви извлекают из воды углекислый кальций, приносимый с материков реками и использует его на построение раковин, панцирей, скелетов, содержащих известь. Благодаря деятельности организмов в Мировом океане поддерживается определенный солевой состав.
Растениям для поддержания жизни необходим солнечный свет, но на большие глубины солнечные лучи практически не проникают: часть из них отражается от поверхности воды, другая поглощается и рассеивается водой. С глубиной меняется спектральный состав света: красные лучи поглощаются верхними слоями и исчезают полностью на глубинах, больше 10 м; оранжевые лучи исчезают на глубине 100 м, зеленые - на глубине 500 м, и только синие лучи проникают до глубин в 1000 м. Так как водоросли нуждаются прежде всего в красных и оранжевых лучах, то в море они встречаются в основном на глубинах до 100 м, реже - до 200 м. Животные непосредственно в свете не нуждаются и поэтому населяют воды океана до самых глубин.
Еще недавно считалось, что глубины океанов свыше 6 км безжизненны, ибо такого громадного давления воды, как там не может вынести никакой живой организм: ведь с погружением на каждые 10 м давление увеличивается на 1 атм. В настоящее время доказано, что и на самых больших глубинах существует жизнь. Глубоководные обитатели приспособились к жизни при большом давлении. В их телах нет воздушных полостей, их тела содержат очень много воды. Так как она сжимается мало, давление извне давлением внутри организма легко уравновешивается. Так как на больших глубинах температура воды всего лишь 2-3o, то все жизненные процессы идут медленно и малое количество пищи, которое глубоководные животные находят на дне, вполне обеспечивает их жизнедеятельность.
Глубоководные животные существуют в постоянном мраке: некоторые их них вообще не способны видеть, другие способны улавливать малейшие проблески света. Некоторые животные имеют органы, излучающие свет. Например, на голове рыбки малокостеус две пары световых органов: одна из них излучает красный свет, другая - зеленый.
Многие глубоководные существа имеют органы, воспринимающие звуковые волны*. С их помощью в кромешном мраке улавливается приближение возможного врага, определяется местонахождение желанной добычи.
Чем ближе к поверхности морей и океанов жизнь, тем богаче и разнообразнее: в верхних слоях на глубинах до 500 м обитает более половины всех видов морских животных. И это естественно, ведь условия жизни в морях весьма благоприятны. В частности, растения здесь со всех сторон окружены питательным раствором, и его не надо добывать корнями из почвы. Самые большие животные в море - киты. Они в 20-25 раз массивнее слонов.
Освоение животными континентов и островов, их переселение на сушу шло медленно и длительно. Оказавшись на суше, они испытывали прежде всего недостаток воды: под действием сухого воздуха, ветра и солнца поверхность их тел быстро высыхала. Это препятствовало поглощению кислорода и выделению углекислоты - животные задыхались. Поэтому из всего разнообразия типов морских животных перейти к жизни на суше сумели только те, у которых поверхность была покрыта сплошным панцирем из хитина или извести, из роговых или костных чешуй, или же те, у которых большая часть тела была спрятана в раковину. В настоящее время океаны, моря и внутренние водоемы населяют животные 19 типов, а сушу только 10.
Животный мир суши обычно ассоциируется с крупными млекопитающими, птицами, змеями, рептилиями. С тропическими лесами в нашем представлении связаны гориллы, орангутанги, удавы, тигры, райские птицы. Вспоминая животных саванн*, мы называем слонов, львов, антилоп, зебр, грифов, страусов. Типичными представителями тайги являются, конечно же, медведи, лоси, глухари. Но главную роль в нашей природе, в частности, в процессах образования почв, поедании растительности, переработке ее остатков, опылении цветущих растений, а также в распространении инфекций играют беспозвоночные: паукообразные, насекомые, многоножки, черви и т.д. Это объясняется их огромным разнообразием и чрезвычайно большим числом особей. Ведь, если на 1 км2 леса или степи, саванны или пустыни насчитываются единицы, десятки или сотни крупных животных, а их суммарная масса редко превышает 1 т, масса-то беспозвоночных может достигать десятков тонн ! К тому же они быстро размножаются и развиваются, перерабатывая тысячи тонн пищи - растений, организмов и их остатков.
Исключительно важная роль животных состоит в уничтожении больных и недостаточно жизнеспособных растений. Этим животные способствуют естественному отбору, поддерживая жизнеспособность растений и направляя их эволюцию* в сторону большей приспособленности к изменяющимся условиям жизни. По отношению к самим растительноядным животным подобную же роль играют хищные и паразитические животные. С другой стороны, именно наземные животные способствуют в перекрестному опылению большинства видов покрытосемянных растений и распространению на новые территории семян, в частности, деревьев и кустарников.
Животные вместе с растениями участвуют в великом круговороте веществ в природе: зеленые растения, поглощая энергию солнечных лучей, создают из углекислоты, воды и минеральных солей органические вещества; животные, питаясь растениями, перерабатывают их ткани и рассеивают органические вещества по поверхности почвы и даже в ее толще; бактерии и грибы превращают органические вещества, в том числе и рассеянные животными, в минеральные соли и газы; эти соли и газы снова используются растениями для создания органических веществ. Этот круговорот представляет собой одну из самых основных форм движения в биосфере*. Без него жизнь на Земле продолжаться не может.
Анализируя процессы, происходящие в биосфере, В.И. Вернадский* пришел к выводу о том, что для обеспечения своей устойчивости жизнь должна быть непременно представлена в разных формах. Действительно, если предположить, что жизнь зародилась где-нибудь в океане в форме только одного биологического вида, то через некоторое время он извлечет из среды все, что ему нужно, выделит отходы своей деятельности, усеет все дно морей своими останками, и на этом жизнь прекратится: превратить эти останки в минеральные вещества будет некому.
Вот почему жизнь как устойчивое планетарное явление возможна только тогда, когда она разнокачественна. Эта разнокачественность в существующей на Земле биосфере характеризуется наличием трех составляющих: продуцентов*, консументов* и редуцентов*.
Продуцентами называются организмы, способные к фото - и хемосинтезу* и являющиеся в пищевой цепи веществ первым звеном, созидателем органических веществ из неорганических. К продуцентам относятся практически все растения.
Консументами называются организмы, являющиеся в пищевой цепи потребителями органического вещества. Консумены питаются растениями, животными или и растениями, и животными. Различают консумены первого и второго порядка. К первым относятся все растительноядные животные, ко второго - хищники.
Редуцентами называются организмы, разлагающие мертвые органические вещества (трупы, отбросы) и превращающие их в неорганические вещества. Последние могут быть вновь усваемы. К редуцентам относятся бактерии и грибы. В пищевой цепи редуценты относятся к консументам*.
Взаимодействие продуцентов, консументов и редуцентов обеспечивает постоянство, устойчивость биологического круговорота. Вследствие этого круговорота разнообразные формы жизни влияют на окружающую среду, организуют ее химизм, изменяют рельеф местности и микроклиматические условия. Зоны, в которых осуществляется биогенный круговорот, называются экосистемами, или, как их назвал В.Н.Сукачев*, биогеоценозами*. Они представляют собой однородные участки земной поверхности с установившимися составами живых существ (биоценозов*) и косных компонентов (почв, приземных слоев атмосферы*, солнечной энергии), находящихся во взаимодействии. Последнее связано с обменом веществ и энергии. Вся совокупность биогеоценозов*, имеющихся на Земле и осуществляющих биогенный круговорот веществ, и составляет биосферу.
На рис. 3.26, в качестве примера, показано, как расходуется энергия в экосистеме смешанного леса. Здесь справа вверху изображена соответствующая пищевая (трофическая*) цепь. Она условно представлена перевернутой пирамидой, которая характеризует численное соотношение различных категорий животных. Из указанных на рисунке показателей следует, что на всех уровнях большая часть энергии теряется на дыхание. Другая же часть энергии идет на прирост биомассы и, следовательно, определяет продуктивность экосистемы.
Во всех биогеоценозах продуценты*, консументы и редуценты составляют разнообразные наборы. Это является гарантией того, что, если что-то случится с одним из видов, то его долю влияния на биосферу возьмут на себя другие виды, и биогевоценоз не разрушится. Взаимосвязь биогеоценозов обеспечивает устойчивость жизненных процессов на планете в целом. Эта гарантия обеспечивается также тем, что различных биогеоценозов много: если где-то на Земле произойдет какой-то катаклизм (иэвержение вулкана, опускание земной коры, наступление/отступление моря, геологический сдвиг, похолодание и т. п.), то другие биогеоценозы поддержат существование жизни и со временем восстановят равновесие. Например, после того, как на острове Кракатау в результате извержения вулкана в 1883 году было полностью уничтожено все живое, через полвека жизнь на острове восстанавилась.
Итак, биосфера - это система биогеоценозов. Каждый из них представляет собой самостоятельную биологическую систему, точнее, подсистему. Она обеспечивает поддержание биогенного круговорота в конкретных географических условиях. Каждый биогеоценоз имеет свой набор видов, связанных друг с другом. Но взаимоотношения в биогеоценозах строятся на на уровне видов (ибо их представители могут обитать не только в данном биогеоценозе) и не на уровне особи (ибо тут они в основном пищевые и потому кратковременные), а на уровне популяций* видов.
Под популяцией понимается совокупность особей одного вида, длительно занимающая определенное пространство и воспроизводящая себя в течение большого числа поколений. Популяции за время совместной эволюции видов в составе биогеоценоза приспосабливаются друг к другу и стремятся устойчиво поддерживать соответствующие трофические цепи. Вид, являющийся потребителем, не может полностью уничтожить всю популяцию своих потенциальных жертв: в противном случае он погибнет сам. В свою очередь, уровень плодовитости жертв эволюционно складывается с учетом того, что часть популяции будет уничтожена хищниками. Но естественно, что всегда имеются ограничения и на численность самих хищников. Это поддерживает равновесие системы.
Любая популяция сама по себе также является устойчивой биологической* системой. Для обеспечения этого она непрерывно воспроизводит свой вид в биогеоценозе, в котором существует. Законы самоорганизации биосферы таковы, что между особями популяции, складываются взаимоотношения, направленные на организацию выполнения этой функции. В частности, при благоприятных условиях существования популяции ее особи начинают размножаться более интенсивно. Это приводит к тому, что между отдельными особями возникает конкуренция (из-за территории, самок и т. п.). Для популяции становится выгодно, чтобы часть особей размножаться перестала, и рост численности замедлился.
Понятно, что для особи отказ от создания потомства ненормален, но для популяции это необходимая реакция* на ее чрезмерную численность. Например, при определенной плотности внутри сообщества грызунов начинают обостряться внутренние отношения. При этом агрессивные формы отношений начинают преобладать над коммуникативными, возникает обстановка стресса. Последний приводит к гибели отдельных особей или к блокировке у некоторых из них поступления в кровь половых гармонов.
При резком ухудшении условий существования популяции (чрезмерно расплодились хищники, ухудшились климатические условия, стало мало корма и т.п.) популяция начинает сокращаться. Тогда включаются природные механизмы, стимулирующие размножение. Но популяция всегда стремится к оптимальному уровню своей численности, и, следовательно, для любой популяции характерен процесс саморегуляции.
Таким образом, биосфера представляет собой систему, в которой в качестве подсистемы выступают биогеоценозы. Каждый биогеоценоз, в свою очередь, является самостоятельной системой, в которой в качестве подсистемы выступают популяции. В них же подсистемами являются отдельные организмы. Каждый организм естественно представляет собой отдельную биологическую систему. Последняя является основной единицей обмена веществ. Весь биогенный круговорот веществ в планетарном масштабе возможен потому, что все организмы непрерывно осуществляют его с окружающей средой. Именно с организма начинается цепь взаимоотношений между составляющими живой материи. И ни на одном уровне эту цепь прерывать нельзя, ибо все они связаны между собой функционально.
Жизнедеятельность организмов сводится к дыханию, питанию и размножению. Последнее всегда считалось основным для живого вещества, гранью, которая отделяет его от неживой материи. Основные законы размножения организмов были известны давно. В частности, Ч.Дарвин* и А.Уоллес считали, что всякий организм при отсутствии внешних препятствий может за счет размножения рано или поздно покрыть всю поверхность земного шара: ведь организмы размножаются в геометрической прогрессии, причем мелкие организмы делают это гораздо быстрее, чем крупные.
Изучая биосферу, В.И.Вернадский выдвинул несколько фундаментальных положений. В своей книге "Биосфера" он первым рассмотрел проблему размножение организмов, в которой бы с точки зрения его значения для организованности биосферы, бытия планеты в целом. Прежде всего, он обратил внимание на значение числа в биогеохимических явлениях. Яркая, вечно изменчивая, полная красок, случайностей, разнообразия живая природа, оказывается, построена на мере и числе. Она согласована в своих тончайших проявлениях и, по существу, является частью стройной структуры, единого механизма. Масса, размеры, количество потомства, быстрота его воспроизведения численно обусловлены размерами планеты, запасами на ней воды и газов. В связи с этим участие живого вещества* в химических процессах Земли, его влияние на состав и характер атмосферы и гидросферы* являются результатом сложнейших взаимодействий, поддающихся исчислению и предвидению. Число охватывает область живого вещества на нашей планете так же, как оно охватывает космос*. Движения живых существ, связанные с размножением, перенос по поверхности планеты выработанной ими энергии - так же неизменны, не определены и так же могут быть вычислены, как движения небесных тел и электронов* в атомах*.
В.И.Вернадский обратил внимание на преобладание в живом веществе изотопов*, то есть атомов, имеющих разное строение, но обладающих одинаковыми химическими свойствами. Он предположил, что организмы различно относятся к изотопам, что живое вещество способно разлагать смеси изотопов и использовать в своей жизнедеятельности лишь некоторые из них. Он показал, что организмы строятся из однородных, чистых элементов, а косная материя из смеси изотопов. В этом, по мнению Вернадского, состоит существенное различие между живым и косным веществом.
В.И.Вернадский высказал свое полное согласие с принципом бережливости природы, сформулированным К.М.Бэром*. Этот принцип состоит в том, что любой организм расходует вещество, созданное им, с величайшей бережливостью. Организм не только не тратит его даром, но по возможности вообще не выпускает его из себя.
В.И.Вернадский рассматривал принцип бережливости как крупное биологическое обобщение, наблюдаемое в природе на каждом шагу. Этот принцип подтверждал гипотезу Вернадского о непрерывном сохранении химических элементов в жизненных циклах. Из этого принципа следует, что разделение изотопов возможно только живым веществом. Избирательное отношение организмов подтверждается изотопным составом атмосферы, ее биогенным происхождением. Кстати говоря, изотопный характер кислорода атмосферы и кислорода природной воды, оказывается не одинаков. Это, очевидно, является следствием избирательной способности организмов к различным изотопам.
До В.И.Вернадского оболочка жизни описывалась как особая, тонкая пленка, охватывающая поверхность нашей планеты и имеющая случайный характер. Вернадский же усматривал в поверхностной оболочке Земли не только область живого вещества, но и трансформатор энергии, механизм изменения планеты космическими силами. "Вещество биосферы, - писал ученый, - благодаря им проникнуто энергией. Оно становится активным, собирает и распределяет в биосфере полученную в форме излучений энергию, превращает ее в конце концов в энергию земной среды, свободную и способную производить работу".
Космический подход к биосфере позволил Вернадскому увидеть могущество жизни, создающей динамику* биосферы. Живое вещество - источник всех движений в земной коре, на поверхности ее и в ближайших недрах, в водной и воздушной оболочках. Живые организмы своим дыханием и питанием интенсифицируют круговорот химических элементов в земной коре. При этих процессах в организмы проникают и них перерабатываются громадные количества химических элементов.
Кроме того, живые организмы рождаются, растут, взрослеют, дают жизнь следующим поколениям, стареют и, наконец, умирают, возвращаясь своими остатками в земную кору. Тем самым они обмениваются химическими элементами с безжизненной средой. Возникает и поддерживается извечный круговорот, перемещение гигантского числа атомов. Без жизнедеятельности организмов на планете достаточно быстро установилось бы химическое и физическое равновесие, и она стала бы такой же безжизненной, как Луна.
Биосфера отъединяет Землю от космоса и в то же время это единственное природное тело, которое связывает планету с космическими силами и переводит по выражению В.И.Вернадского*, "космические излучения в ... земную энергию - электрическую, химическую, тепловую".
Как отмечал В.И.Вернадский, всего лишь за один год через живые организмы биосферы проходит масса атомов, равная массе Земной коры. Одни организмы накапливают какие-то химические элементы, другие их разлагают. В результате создаются залежи полезных ископаемых, обновляется атмосфера, меняется состав морской воды. Все эти явления - плоды жизнедеятельности живого вещества в течение миллионов лет.
Живые организмы, - писал Вернадский, - своим дыханием, питанием, смертью, разложением, постоянным использованием своего вещества, а главное длящейся сотни миллионов лет непрерывной сменой поколений, своим рождением и размножением - порождают одно из грандиознейших планетных явлений, не существующих нигде, кроме биосферы. Этот великий планетный процесс связан с миграцией* химических элементов в биосфере, движением земных атомов, непрерывно происходящим более двух миллиардов лет по вполне определенным законам.
Биогенная миграция производится силами жизни и, взятая в целом, является одним из самых грандиозных и самых характерных процессов биосферы, основной чертой ее организованности. Огромные количества атомов, исчисляемые огромными числами, находятся в непрерывной биогенной миграции. Ее эффект определяется массой живого вещества, интенсивностью их движения. Чем больше раз в единицу времени оборачиваются атомы, тем более интенсивна биогенная миграция".
В.И.Вернадский установил, что "всюдность и давление" жизни утверждаются в биосфере эволюционным путем, что наблюдаемая эволюция видов связана с особенностями биосферы, что ни жизнь, ни эволюция ее форм не могут быть независимы от биосферы.
Исходя из этого, Вернадский сформулировал следующий биохимический* принцип: эволюция видов, приводящая к созданию форм жизни, устойчивых в биосфере, должна идти в направлении, увеличивающем проявление биогенной миграции атомов в биосфере*.
Движение живого вещества в биосфере В.И.Вернадский даже назвал сначала "механизмом биосферы". В последующих работах он отказался от этого термина, посчитав его чисто техническим, и заменил словом "организованность". Введение понятия "организованность биосферы" является для построения теории биосферы одной из гениальнейших догадок Вернадского. Он подчеркивал, что все живые организмы этой организованностью связаны между собой настолько тесно, что нарушение человеком существующего "динамического равновесия" между частями биосферы в одном месте может вызвать катастрофические последствия в другом.
Учение Вернадского о биосфере несомненно является одним из крупнейших обобщений естествознания* XX века. Никто из естествоиспытателей XIX века, рассуждавших о "сфере жизни", даже в отдаленной мере не мог предвидеть фундаментального значения для изучения экологии человека современного представления о биосфере. Оно неизмеримо шире таких расплывчатых понятий, как "окружающая среда", "географическая оболочка" и т.п.
Прежде всего, биосфера Вернадского неразрывно связана с его концепцией* пространства-времени, т.е. она трехмерна и геоисторична. Сведение ее к современной жизнедеятельной пленке планеты не просто обедняет понятие биосферы, а лишает ее самой основы - бесконечной эволюции, неравномерности исторического развития, его непрерывности и необратимости.
Биосфера - не статическая структура "оболочки жизни", выступающая как извечная данность окружающего нас мира, а прежде всего геобиоисторический процесс. Только введя понятия о "былых биосферах", "геологической вечности биосферы", "пределах биосферы" (как пространственно-временном поле существования самой жизни) Вернадский* создал учение о биосфере, указал пути углубления ее познания. Это учение - одна из основных частей современной философии естествознания*. Оно является руководством по регламентации поведения людей в геобиосферной системе, которая за многие миллионы лет достигла устойчивого равновесия и надежности.
Важным положением в учении В.И.Вернадского является то, что биосфера - не закрытая самоуправляющаяся система, а открытая система, существующая, вероятно, столь же долго, как и сама Земля. Биосфера функционирует как таковая только в силу своей неразрывной связи с другими геосферами* нашей планеты, образуя вместе с ними единую суперсистему.
Свое понимание биосферы Вернадский называл геологическим. Его биосферная концепция* лишена узкой биологичности и поэтому не может быть вписана в сферу только биологических* наук. Она представляет собой интеграцию наук о Земле и жизни. В настоящее время она тесно связана с социально-экономическими науками. В этом состоит значение современных биосферных знаний в науке и в глобальных биосферных прогнозах*. Последние, к сожалению, приходится часто делать в условиях неконтролируемой технократической деятельности людей.