10.5. Формирование и развитие биосферы Земли

Как было отмечено выше, жизнь на Земле первоначально поя­вилась в форме примитивной биосферы. Соответственно присутст­вие жизни на планете стало коренным образом преображать окру­жающую среду. Ведь два важнейших компонента биосферы — жи­вое вещество и среда их обитания — непрерывно взаимодействуют между собой и находятся в тесном органическом единстве, образуя целостную динамическую систему. Развитие биосферы Земли мож­но рассматривать как последовательную смену трех этапов: восста­новительного, слабоокислительного и окислительного.

Восстановительный этап в развитии биосферы ,

Как считают многие ученые, восстановительный этап развития биосферы начался еще в космических условиях и завершился появ­лением на Земле гетеротрофной биосферы. На этом этапе развития биосферы появились малые сферические анаэробы и прокариоты. Физиологические процессы этих организмов основывались не на кислородном окислении, а на дрожжевом брожении. Изначально в, атмосфере Земли присутствовали лишь следы свободного кислоро­да. Производство свободного кислорода начали первые организмы^ Но количество кислорода было незначительным и пока он приводил лишь к окислительным процессам на земной поверхности и в океане.,

267

Поскольку первые организмы были гетеротрофами. они нужда­лись в питании. Пищей для них стали ранее накопленные органи­ческие соединения, растворенные в водах первичного океана, так как первичная биосфера ограничивалась водной средой. Но жизнь нуждалась в дополнительных источниках энергии. Поэтому на ран­них стадиях эволюции живые организмы активно использовали раз­личного рода радиацию- По мнению А.И Перельмана, особенно важную роль играл радиоактивный калий, который поглощался первыми организмами. Потребность в калии впоследствии закрепи­лась генетически, хотя для более высокоорганизованных форм ра­диоактивность перестала служить источником энергии.

Продолжительность существования первичной восстановитель­ной биосферы в геологических масштабах была невелика. Причина этого заключалась в том, что первичные гетеротрофные организмы быстро размножались и, естественно, довольно быстро исчерпали свою питательную базу. Поэтому, достигнув максимальной биома сы, они должны были либо вымереть от голода, либо перейти к тотрофному (фотосинтетическому) способу питания.

Слабоокислительный этап в развитии биосферы

Слабоокислительный этап в развитии биосферы связан с появ­лением около 4 млрд, лет назад процесса фотосингсза. Новый спо­соб питания был основан на том, что некоторые простые соедине­ния обладают способностью поглощать снег, если в их составе есть атом магния (как в хлорофилле). Уловленная таким способом све­товая энергия может быть использована для усиления реакций об­мена, в том числе и для образования органических соединений, которые при необходимости могут расщепляться с высвобождением энергии. Именно таким путем происходило образование хлорофил­ла, приведшее в конечном итоге к появлению фотосинтеза, позво­лявшего получать энергию непосредственно от Солнца.

Но первичная поверхность Земли, лишенная свободного кисло­рода, облучалась ультрафиолетовой радиацией Солниа. Поэтому, возможно, первые фотохимические организмы использовали радиа­цию ультрафиолетовой части спектра. Только после возникновения озонового экрана (в связи с появлением свободного кислорода как лобочного продукта того же фотосинтеза) автотрофные фотосинте-зирующие организмы начали использовать излучение в видимой части солнечного спектра.

Новый способ питания способствовал быстрому расселению ор ганизмов нового типа у поверхности первичных водоемов. Оказав шись более приспособленными, они вытеснили первичные гетеро трофные органнмш. Можно предполагать, что в раннем океа)

268

шла борьба между первичными и вторичными организмами, завер­шившаяся победой автотрофов. Немаловажным фактором в этой борьбе стало то, что автотрофы в качестве отходов своей жизнедея­тельности выделяли свободный кислород, который стал смертель­ным ядом для первичных гетеротрофов.

Первыми автотрофными организмами, очевидно, были цианеи, а затем зеленые водоросли. Останки их находят в породах архейско­го возраста (около 3 млрд. лет назад). В то время, очевидно, суще­ствовало множество видов водорослей, как свободно плавающих в воде, так и прикрепленных ко дну. Хотя свободный кислород и был ядом для первичных аэробов, не все они погибли. Некоторые оста­лись жить в болотах, где не было свободного кислорода. Там, пита­ясь, они выделяли метан. Некоторые же первичные организмы смогли приспособиться к кислородной атмосфере.

Параллельно с этим шел процесс формирования эукариотов. Про кари оты — простые, выносливые и практически бессмертные организмы — уступали место смертным эукариотам. Прокариоты, обладавшие высокой вариабельностью, способностью к быстрому размножению, легко приспосабливались к меняющимся условиям среды, существовавшим в первые периоды истории Земли. Но с формированием кислородной атмосферы условия стабилизирова­лись, и в этих новых условиях нужны были организмы нового типа, приспособленные к ним. Нужна была не генетическая гибкость, а генетическая стабильность. Эукариоты появились к концу второго этапа развития биосферы Земли.

Рассмотренные процессы составили содержание второго этапа в истории развития биосферы Земли, продолжавшегося до заверше­ния осад кона ко пления полосчатых железистых формаций докем-брия примерно 1,8 млрд. лет назад. Таким образом, этот период в истории биосферы занял почти половину всей геологической исто­рии планеты. Дело в том, что хотя свободный кислород и появлял­ся в значительных количествах, но он расходовался не на образова­ние атмосферы, а на окисление железа, сернистых соединений и других поливалентных металлов. При этом окислы железа осажда­лись, образуя полосчатые формации. Только после освобождения океана от железа и других металлов концентрация кислорода в ат­мосфере стала резко возрастать.

В естествознании существует понятие «точки Пастера» — такой концентрации свободного кислорода, при которой кислородное дыхание становится более эффективным (примерно в 50 раз) спо­собом использования внешней энергии Солнца, чем анаэробное брожение. Этот критический уровень примерно равен 0,01 от со­временного показателя содержания кислорода в атмосфере. После перехода через точку Пастера преимущество в естественном отборе

269

Получают организмы, способные к кислородному дыханию. С этого

момента начинается трегий этап в эволюции биосферы Земли.

Окислительный этап в эволюции биосферы

Третий этап эволюции биосферы связан с развитием фотоавто-¹ трофной биосферы Земли. С этого момента количество кислорода в-1 атмосфере начало резко повышаться. Еще в протерозое (2,6 млрд. —| 570 млн. лет назад) эукариоты разделились на растительные и жи-1 вотные клетки. Большей частей растительных клеток использовался фотосинтез. Благодаря этому концентрация кислорода в атмосфере-; возрастала, и его уже стало хватать для процессов дыхания, же в океане появились первые многоклеточные организмы.

Около 400 млн. лет назад (конец ордовика — начало силура),; когда концентрация свободного кислорода в атмосфере достигла! 10%, возник озоновый экран, предохраняющий живое вещество от| жесткого излучения, и жизнь вышла из моря на сушу. Как только! это случилось, резко возросла интенсивность реакций фотосинтеза а следовательно, и поступление кислорода в атмосферу. Всего за! 100 млн. лет концентрация кислорода достигла современного зна-ч чения в 21%. После этого состав атмосферы практически не менял-^ ся до наших дней.

Выход жизни на сушу обусловил резкое увеличение массы жи­вого вещества. (Масса живого вещества суши в 800 раз больше био­массы океана.) Одновременно жизнь проникала все глубже в океан, осваивая все большие глубины. Наземные растения, отмирая, по­ложили начало образованию угля, нефти, газа, горючих сланцев. Стал меняться биогеохимический круговорот элементов. При этом снижалась роль основных пород, и в земной коре вместо магния, кальция, железа большую роль стали играть кремний, натрий, алю­миний, калий. Также благодаря деятельности живых организмов резко возрос круговорот кислорода и углекислого газа. Эти процес­сы, а также постепенное снижение уровня радиации стимулировали и ускоряли усложнение живого вещества, вели к появлению новых, более высокоорганизованных видов.

Так, на суше появились папоротники, хвощи, семенные папо-л ротники. Развитие наземной растительности и образование почв| создали предпосылки для выхода на поверхность континента животных. В результате эволюции растительного мира в мезозойской! эре (около 200 млн лет назад) возникли леса хвойных и цветковых| растений.

Формирование и развитие биосферы предстает как чередование | этапов эволюции, прерываемых скачкообразными переходами качественно новые состояния, в результате чего образовывались №

270

более сложные и упорядоченные формы живого вещества: В исто­рии биосферы бывали временные остановки прогрессивного разви­тия, но они никогда не переходили в стадию деградации, поворота развития вспять. Чтобы убедиться в этом, достаточно посмотреть на основные вехи в истории развития биосферы:

• появление простейших клеток-прокариотов; появление значительно более организованных клеток-эука-риотов;

объединение клеток-эукариотов с образованием многоклеточ­ных организмов, функциональная дифференциация клеток-й организме;

появление организмов с твердыми скелетами и формирование высших животных;

возникновение у высших животных развитой нервной систе­мы и формирование мозга как органа сбора, систематизации, хранения информации и управления на ее основе поведением й)| организмов;

• формирование разума как высшей формы деятельности мозга;

• образование социальной общности людей — носителей разума.

Вершиной направленного развития биосферы стало появление в ней человека. В ходе эволюции Земли на смену геолого-биологи­ческой эволюции пришел период социальной эволюции, который принес самые крупные изменения в биосфере Земли, во всем обли­ке нашей планеты.