Dzhalmuhambetov A.Ju., Fisenko M.A

шающая роль в превращении неживого вещества в живую материю принадлежала белкам. Молекулы белков способны к образованию коллоидных гидрофильных комплексов, притягивая к себе молекулы воды, создающие вокруг них оболочку. Эти комплексы могут обособляться от водной фазы и образовывать своего рода эмульсию. Слияние таких комплексов друг с другом приводит к отделению коллоидов от среды, то есть к их коацервации и образованию коацерватных капель (рис. 6).

вода

вода

Рис. 6. Коацервация гидрофильных белковых комплексов

Коллоидный состав коацервата, очевидно, зависел от состава окружающей среды. Разнообразие состава «первичного бульона» в разных местах приводило к различиям в составе коацерватов и к «биохимическому естественному отбору».

3.Со временем некоторые коацерватоподобные системы начали использовать энергию химических связей поглощаемых органических веществ для развития, поддержания и совершенствования своей молекулярной организации. Предполагается, что входящие в состав коацерватов вещества вступали в дальнейшие химические реакции; при этом происходило поглощение коацерватами ионов металлов и образование ферментов. По мере своего развития гетеротрофные коацерваты начали регулярно использовать последовательный ряд биохимических реакций для высвобождения энергии химических связей органических молекул.

4.На границе между коацерватами и средой выстраивались молекулы липидов, которые образовывали примитивную клеточную мембрану, обеспечивавшую коацерватам стабильность. Развиваясь, они стали использовать энергию для транспортировки материалов через мембрану клеток. Избирательная проницаемость мембран, состоящих из белков и липидов, сопровождается активным транспортом, на что тратится энергия.

5.У «прогрессивно» устроенных организмов одна из групп молекул – нуклеиновые кислоты – установила первичный контроль над основными процессами, идущими в клетке. Это обеспечивало стабильность и контролируемость в процессе жизнедеятельности. Поэтому они оказались более конкурентоспособными. В результате их включения коацерваты, покрытые липидной оболочкой, приобрели способность к самовоспроизведению и

71

внутренней перестройке. Так могла возникнуть первичная гетеротрофная клетка – протобионт.

6. При отборе преимущество было на стороне организмов, которые после завершения роста вырабатывали надежные методы размножения. При росте клетки уменьшается отношение площади ее поверхности к объему (R2R3 ), поэтому уменьшается поступление веществ и энергии на единицу массы. Одним из путей эффективного усвоения веществ, становится деление клетки. Информацию для деления клетка получает от ДНК. Нуклеиновые кислоты способны к самоудвоению и зашифрованные в их химической структуре биологические признаки передаются из материнской клетки в дочерние, образующиеся при делении. Механизм самоудвоения молекулы ДНК был понят после открытия в 1953 г. ее строения (Д. Уотсон, Ф. Крик и М. Уилкинс). Предполагается, что ядерные клетки возникли из совокупности безъядерных клеток,из которых образовались ядра и органеллы.

7.В химической структуре нуклеиновых кислот закодирована информация, контролирующая жизнедеятельность клеток. ДНК управляет синтезом белков, в том числе и ферментов, которые контролируют биохимические процессы.

8.Как правило, при самоудвоении (репликации) ДНК образуются точные копии. Однако случайные мутации могут искажать исходную информацию, вызывая изменение клеточных процессов.

9.Перед гетеротрофами встают следующие проблемы: 1) получение энергии из окружающей среды; 2) самоорганизация и самоуправление;

3)воспроизведение; 4) адаптация к изменениям окружающей среды. По мере уменьшения первичных органических веществ в океане, гетеротрофам становилось все труднее «добывать» органические молекулы, поэтому возникла необходимость получения солнечной энергии. Первые организмы, которые могли использовать свет, скорее всего, были частично гетеротрофны. Такие бактерии встречаются и сегодня.

Возникшие автотрофы с помощью фотосинтеза усваивают энергию света и синтезируют органические молекулы с выделением кислорода:

хлорофилл + + H2O + CO2 хлорофилл + O2 + крахмал.

Постепенно происходит накопление кислорода в атмосфере. Возможно, хлоропласты растительных клеток образовались в результате включения фотосинтезирующих бактерий.

10. Около 400 миллионов лет назад образовался озоновый «щит» атмосферы. Живые организмы получили возможность жить на суше, так как озоновый слой спасал их от ультрафиолетового излучения. После появления кислорода в атмосфере Земли у живых клеток сформировался дыхательный процесс, при котором кислород используется для высвобождения энергии из органических соединений.

72

Последовательность становления жизни на планете можно выразить следующей упрощенной схемой: клетки деление на растительные и животные клетки многоклеточные организмы дифференциация клетокорганы заселение суши.

Живые системы – это открытые неравновесные системы, способные создавать порядок из хаотического теплового движения молекул, противодействуя возрастанию энтропии. Живое увеличивает информацию, увеличивая энтропию окружающей среды. Выделяют следующие основные признаки живых систем.

Единство химического состава. В живых организмах 98 % состава приходится на четыре химических элемента: углерод (C), кислород (O), водород (H) и азот (N).

Активный обмен с окружающей средой веществом, энергией и информацией обеспечивает относительное постоянство химического состава и биохимических процессов (саморегуляция).

Живое способно к самовоспроизведению. Оно усваивает полученные вещества, перестраивает их соответственно своим материальным структурам и за счет этого многократно воспроизводит их.

Живые системы обладают наследственностью, они способны передавать свои признаки от поколения к поколению. При огромной сложности структуры для них характерна определенная компактность. Например, яйцеклетка кита содержит 5 10–18 кг ДНК, в которой заключена информация для подавляющего большинства его признаков. Масса же кита может составлять 5 104 кг (разница составляет 22 порядка).

Изменчивость – свойство, связанное с приобретением организмами новых признаков и свойств под действием факторов окружающей среды.

Вчастности, наследственная изменчивость создает разнообразный материал для отбора и приводит к появлению новых форм жизни.

Всему живому присуща раздражимость. Она связано с передачей информации из внешней среды биологической системе (организму, органу, клетке). Это свойство выражается реакциями живых организмов на внешнее воздействие, благодаря чему они избирательно реагируют на условия окружающей среды.

Дискретность живой материи. Любая биологическая система состоит из отдельных, но взаимодействующих частей. Живые системы характеризуются очень высоким уровнем упорядоченности и асимметрии в пространстве и времени.

Способность к росту и развитию. Рост сопровождается развитием.

Врезультате развития возникает новое качественное состояние объекта. Развитие живой формы материи представлено индивидуальным и историческим развитием. У каждой живой системы своя «история», есть прошлое. У неживых систем истории практически нет. Раз, зародившись на Земле, жизнь находится в процессе постоянной эволюции.

73

Все многообразие жизни на Земле объясняется эволюционным процессом и влиянием окружающей среды на формирование живых систем. Существование эволюции в живой природе было доказано Ч. Дарвином в 1839 г. Современные представления об эволюции живого мира – это результат развития дарвиновской теории эволюции и генетики.

Согласно синтетической теории эволюции изменения биологического вида происходят по следующей схеме: мутация появление нового признака борьба за существование естественный отбор появление нового вида.

Структурные изменения ДНК – мутации приводят к появлению новых признаков живого организма. Избыточное самовоспроизведение ведет к борьбе за существование, в которой особи, имеющие полезную мутацию, получают преимущество в выживании и оставлении потомства. Это ведет к распространению и закреплению приобретенного полезного видового признака.

В последние десятилетия развиваются теории, в которых отмечается важная роль сосуществования и симбиоза живых систем в процессе эволюции. С этих позиций естественный отбор не «автор», а скорее «редактор» эволюции.

Биосфера. Идеи В.И. Вернадского

Жизнь на нашей планете сосредоточена в биосфере, представляющей собой одну из оболочек земного шара, в которой геохимические и энергетические превращения определяются суммарной активностью всех живых организмов – живого вещества. Живое вещество представляет собой совокупность всех форм жизни в биосфере. Результаты интегрированной активности живых организмов проявляются не только в виде их приспособленности к обитанию в условиях определенной среды, но и в обратном воздействии на среду, изменяющем ее характеристики. В основе этого лежит процесс обмена веществ как специфическое свойство жизни.

Живое вещество планеты составляет лишь часть биосферы. Если живое вещество равномерно распределить по поверхности нашей планеты, то оно покроет ее слоем всего в 2 см толщиной. Даже растительный покров суши (а среди растений есть гиганты, достигающие в высоту 100 м) – это невероятно тонкая зеленая оболочка планеты, едва превышающая 0,00001 часть ее радиуса.

Общая масса живой материи на Земле составляет по различным оценкам от 1,8 1012 до 2,4 1012 тонн, из которых на долю Мирового океана приходится лишь 0,13 %, а остальное – на сушу. Основную часть биомассы суши составляют зеленые растения (99,2 %), а в Мировом океане – животные (93,7 %). Имеются существенные отличия и в распределении живого вещества на континентах и в океане. Подсчитано, что около 90 % биомассы суши сосредоточено в лесных формациях. Объясняется это тем, что ле-

74

са, занимая постоянные участки поверхности суши, могут развивать массивную структуру, которая способствует накоплению элементов питания в тканях растений, тем самым, предотвращая их потери. А фитопланктон океана, где доминируют кратковременно живущие одноклеточные организмы, не может аккумулировать и длительно хранить питательные вещества. Важно также то, что в океане гораздо меньше углерода, чем в атмосфере. Поэтому растительный мир суши значительно продуктивнее фитопланктона океана.

Количество биомассы любой экосистемы связано с ее биологической продуктивностью, то есть с количеством органического вещества, производимого организмами сообщества в единицу времени на единице площади. Эти количественные показатели экосистем зависят, в конечном счете, от совокупности экологических факторов существования, что хорошо оценивается через спектр жизненных форм.

Биосфера – это открытая система, существующая около 3,8 миллиардов лет. Она непрерывно функционирует только в силу своей неразрывной связи с другими геосферами планеты. Термин «биосфера» был введен Э. Зюссом, но глубокое изучение биосферы началось с работ В.И. Вернадского. Он выдвинул ряд принципиальных идей, касающихся биосферы:

1.Принцип целостности биосферы – все живое на земле взаимосвязано.

2.Принцип гармонии биосферы и ее организованность.

3.Роль живого в эволюции Земли. Живые системы изменялись и изменяли Землю.

4.Космическая роль биосферы в трансформации солнечной энергии.

5.Правило инерции. Жизнь растекается по Земле подобно газу, причем мелкие организмы размножаются быстрее.

6.Первичность автотрофов, создающих органические вещества из неорганических. Например, растения берут необходимое изнеживой материи.

7.Жизнь определяется полем устойчивости растительности.

8.Постоянство количества живого вещества.

9.Понятие устойчивости равновесия биосферы. Устойчивость биосферы обусловлена сложностью и разнообразием видов.

Устойчивость биосферы

Специфическое свойство жизни – обмен веществ со средой. Любой организм получает из внешней среды определенные вещества как источники энергии и материал для построения собственного тела. Продукты метаболизма, непригодные для дальнейшего использования, выводятся наружу. Таким образом, каждая популяция в процессе своей жизнедеятельности ухудшает условия своего обитания. Возможность обратного процесса – поддержания жизненных условий определяется тем, что биосферу населяют виды с разным типом обмена веществ.

75

Физиологическая разнокачественность живых организмов представляет собой основное условие устойчивого существования жизни на планете. Теоретически можно представить возникновение жизни в одной форме, но в этом случае специфичность обмена веществ неизбежно ведет к исчерпанию ресурсов и «загрязнению» среды продуктами жизнедеятельности, которые невозможно использовать вторично. Вид должен погибнуть.

Устойчивое существование жизни возможно лишь при многообразии, разнокачественности ее форм, специфика обмена которых обеспечивает последовательное использование выделяемых в среду продуктов метаболизма, формирующее биогенный круговорот веществ.

В простейшем виде набор качественных форм жизни представлен продуцентами, консументами и редуцентами, совместная деятельность которых обеспечивает извлечение определенных веществ из внешней среды, их трансформацию на разных уровнях пищевых цепей и минерализацию органического вещества до составляющих, доступных для очередного включения в круговорот.

По результатам исследований, последние 600 миллионов лет, начиная с Кембрия, характер основных круговоротов на Земле существенно не менялся. Осуществлялись фундаментальные геохимические процессы, характерные и для современной эпохи: накопление кислорода, связывание натрия, осаждение кальция, образование кремнистых сланцев, отложение железных и марганцевых руд, сульфидных минералов, накопление фосфора. Менялись лишь скорости этих процессов. Считается, что масса живого вещества оставалась приблизительно постоянной, начиная с карбона, то есть биосфера с тех пор поддерживает себя в определенном режиме круговоротов. Стабильное состояние биосферы обусловлено в первую очередь деятельностью самого живого вещества, обеспечивающего определенную скорость фиксации солнечной энергии и биогенной миграции атомов. Таким образом, жизнь на Земле сама стабилизирует условия своего существования, что дает ей возможность развиваться бесконечно долго. Однако стабильность биосферы имеет определенные пределы, и нарушение ее регуляторных возможностей чревато серьезными последствиями.

Выступая как важнейший агент связывания и перераспределения солнечной энергии, живое вещество выполняет тем самым функцию космического значения. Однако в настоящее время на Земле появилась новая сила, по мощности воздействия не уступающая суммарному действию живых организмов – человечество с его социальными законами развития и мощной техникой, позволяющей влиять на ход биосферных процессов. Современное человечество использует не только огромные энергетические ресурсы биосферы, но и не биосферные источники энергии, например, атомной, ускоряя геохимические преобразования природы. Некоторые процессы, вызванные технической деятельностью человека, направлены противоположно по отношению к естественному ходу их в биосфере (рассеивание

76

металлов, руд, углерода и других биогенных элементов, торможение минерализации и гумификации, освобождение законсервированного углерода и его окисление, нарушение крупномасштабных процессов в атмосфере, влияющих на климат).

Биосфера отличается значительной устойчивостью, то есть ее способностью возвращаться в исходное состояние после любых возмущающих воздействий. Только за последние 570 миллионов лет отмечено шесть крупных катастроф. Причины таких катаклизмов могли быть различны: похолодание климата, вулканические извержения с обширными излияниями лавы, отступления океана, удары крупных метеоритов – биосфера все равно развивалась, приспосабливаясь к окружающей среде и одновременно оказывая на последнюю мощное преобразующее влияние. Образование атмосферного кислорода и увеличение его концентрации оказалось катастрофичным для некоторых видов – они вымерли, в то же время развитие других ускорилось. Содержание углекислого газа в атмосфере уменьшилось. Углерод начал накапливаться в биоте и детрите и преобразовываться в уголь, нефть и газ. В океанах из раковин и скелетов морских организмов образовались мощные отложения карбонатов (известняк, мел, мрамор) и силикатов. Полосчатые железняки, составляющие главные промышленные запасы железа, образовались около 2 миллиардов лет назад под воздействием кислорода, выделенного фотосинтезирующими бактериями. К образованию месторождений ряда других полезных ископаемых также причастны живые организмы.

Биосфера прошла огромный путь эволюции от простейших организмов до животных и растений и достигла видового разнообразия, которое оценивают примерно в 10 миллионов видов животных, растений и микроорганизмов, занимающих свою экологическую нишу.

Состояние биосферы определяется в основном физико-химическими характеристиками окружающей среды. Основная климатическая характеристика – температура у поверхности Земли – изменялась за время эволюции биосферы относительно мало. При современном значении средней температуры 288 К ее изменения, с учетом ледниковых периодов, не превышали 10–20 К.

Хотя на состояние экосистем и биосферы в целом физико-химические процессы в окружающей среде оказывают определенное влияние, сильно и обратное влияние живых систем на окружающую среду. В частности, содержание в атмосфере углекислого газа (СО2) и связанного с ним кислорода (О2) за последние 570 миллионов лет неоднократно колебалось. Причем количество СО2 каждый раз уменьшалось или увеличивалось в несколько раз. В одних случаях это способствовало развитию живой материи, а в других – мешало. Углекислый газ поступает в атмосферу преимущественно через вулканы, а расходуется на выветривание горных пород и образование биоты. Часть атмосферного углерода откладывается, создавая запа-

77

сы ископаемого топлива, а освободившийся кислород поступает в атмосферу. За 4 миллиарда лет из-за ослабления вулканизма концентрация углекислого газа в атмосфере уменьшилась в 100–1000 раз, что отрицательно повлияло на питание растений. В то же время накопление кислорода в атмосфере резко ускорило развитие биоты, что не было на пользу анаэробным организмам, в результате жизнедеятельности которых появился кислород. Они были почти полностью вытеснены вновь возникшими аэробными организмами.

Большое влияние биосферы на окружающую среду привело к гипотезе, что биота могла поддерживать в окружающей среде условия, благоприятные для ее жизнедеятельности. Но эта гипотеза противоречит ряду факторов (массовые вымирания, исчезновение миллиардов видов), а также дарвиновской теории эволюции. Если допустить, что биота может поддерживать состояние окружающей среды в оптимальных для себя пределах, то эволюция биосферы прекратилась бы, и сейчас могли бы существовать климат и богатейшая растительность каменноугольного периода. За время существования биосферы исчезло несколько миллиардов видов, тогда как сейчас существуют лишь несколько миллионов.

Имеются данные о том, что становлению человека как вида способствовали условия окружающей среды, в которых жили наши предки. Когда он научился поддерживать благоприятные условия своего существования, его эволюция как биологического вида прекратилась, сменившись эволюцией общества.

Задачи с решениями

Задача 1.9.1. Оцените общее количество связанного углерода в биосфере Земле. Оцените также суммарное количество энергии, которое может выделиться при сгорании сухого органического вещества, содержащегося в биомассе планеты.

Решение. Согласно данным, приведенным выше, суммарная масса живого вещества планеты равна по некоторым оценкам M = 2,4 1015 кг. Содержание углерода в клетках составляет С = (15–18) % по массе. Полагая С = 0,15, находим количество связанного углерода:

MC C M 3,6 1014 кг.

Для грубой оценки связанной в органической материи энергии можно воспользоваться величиной удельной теплоты сгорания сухого древесного угля, которая равна q = 3 107 Дж/кг.

W q MC 1,08 1022 Дж.

Так как основная масса живого вещества приходится на леса, это количество энергии биосфера запасает за десятки лет.

78

Задача 1.9.2. Определите количество солнечной энергии, падающей на поверхность Земли в течение года, и сравните эту величину с количеством связанной в органике энергии. Принять, что через атмосферу проходит к поверхности Земли = 0,6 от падающей солнечной энергии.

Решение. Солнечная постоянная, которая показывает количество падающей ежесекундно на единицу нормальной площади энергии вне пределов земной атмосферы, равна Q0 = 1,37 кВт/м2. За год T на поверхность Земли радиусом R = 6,37 106 м падает количество энергии, равное:

Wr Q0 R2 T ,

где земной год составляет T 365 24 3600 3,154 106 с. Подставив числовые данные, получаем:

Wr 0,6 1,37 103 3,14 6,372 1012 3,154 106 3,3 1023 Дж.

Из сравнения полученной величины с результатом предыдущей задачи видно, что количество годовой солнечной энергии на Земле на порядок превосходит энергию, заключенную в органическом веществе живой материи планеты.

Задача 1.9.3. Оцените количество углекислого газа и углерода в атмосфере, если по массе доля углекислого газа в атмосфере составляет= 0,03 %. Сравните количество углерода в атмосфере с количеством связанного углерода в биомассе Земли.

Решение. Так как толщина земной атмосферы много меньше радиуса Земли R, атмосферное давление P равно отношению веса атмосферы к площади поверхности земного шара:

mg P .

R2

Здесь m – масса атмосферы, g – ускорение свободного падения. Из этого равенства находим общую массу атмосферы:

m R2P , g

откуда для массы углекислого газа, содержащегося в земной атмосфере, получаем оценку:

Полагая среднее атмосферное давление у поверхности земли равным нормальному (P = 1,013 105 Па), численно находим:

79

В каждой молекуле углекислого газа СО2 массой 44 а.е.м. содержится один атом углерода массой 12 а.е.м. Поэтому масса углерода, содержащегося в атмосфере, равна:

Из решения задачи 1.9.1 известно, что количество связанного углерода в биосфере Земли составляет примерно 3,6 1014 кг. Эта величина более чем в три раза превосходит количество углерода в атмосфере, что лишний раз указывает на взаимозависимость био- и атмосферы Земли.

Вопросы для самоконтроля

1.Перечислите основные уровни организации живой материи.

2.Что представляют собой молекулы белков?

3.Из каких химических элементов преимущественно состоит живая клетка?

4.Чем отличаются автотрофные организмы от гетеротрофных? Приведите примеры тех и других.

5.На какие факты опирается теория биохимической эволюции?

6.Объясните с энергетической точки зрения. Почему процесс деления клеток увеличивает их биологическую эффективность?

7.Почему суммарная биомасса живых организмов на суше во много раз превосходит соответствующую величину для Мирового океана?

8.В каких глобальных преобразованиях энергии участвует биосфера?

9.Чем обусловлена устойчивость биосферы?

1.10. Самоорганизация открытых нелинейных систем

Успехи в развитии естествознания в течение последних десятилетий позволили сформулировать общие методы изучения сложнейших процессов эволюции природы и общества, которые можно обозначить терминами «синергетика» и «самоорганизация».

Чтобы разобраться в смысле термина «самоорганизация», необходимо обратиться к термодинамике. Второй закон термодинамики говорит о том, что в замкнутой системе, которая не обменивается веществом и энергией с окружением, энтропия возрастает до наступления равновесия, до полного хаоса в системе. Но в системах открытых, которые обмениваются веществом и энергией с окружением, ситуация может быть совершенно иной. В открытых нелинейных диссипативных системах при определенных условиях за счет обмена потоками с внешней средой суммарная энтропия системы, при том же значении энергии, может уменьшаться. При этом из хаоса спонтанно возникают структуры, которые могут последовательно переходить во все более упорядоченные. Эти структуры образуются за счет внутренней перестройки системы. Такое явление называют самоорганизацией.

80