Эволюция биосферы

       Сознанием трудно охватить бесчисленное множество мест, где впервые могла образоваться живая структура, ставшая, может быть, прародительницей жизни на всей Земле. Если привлечь вероятностные методы для оценки реальности такого события, то большинство из них, оперируя громадными числами и «логикой», доказывают его невозможность. Действительно, трудно представить одномоментное появление среди нагромождений мертвой материи клеточных структур с содержащимися в них нуклеиновыми кислотами — высокомолекулярных соединений с количеством молекул до нескольких миллионов.

        Белковые организмы в жидкой среде возникали и погибали, но при определенных условиях на планете закрепились только те из них, которые выработали механизм поглощения внешней энергии в количествах, достаточных для сохранения вида.

         В живой природе, как и во всем материальном мире, практически бесконечное разнообразие возникает на основе сочетания немногих элементов. В состав живых организмов входят те же химические элементы, что и в состав объектов неживой природы, но их количественное соотношение неодинаково. Только на шесть элементов — углерод, кислород, водород, азот, серу и фосфор — приходится в среднем почти 99% состава всех живых существ, от вирусов до человека. Эти элементы называют биогенными. Их соединения образуют несколько десятков природных биомономеров (аминокислот, нуклеотидов, жирных кислот, сахаров) и других органических веществ, различные сочетания которых, в свою очередь, дают уже огромное число индивидуальных биополимеров.

          Первые настоящие клетки — прокариоты-автотрофы, предки цианобактерий (сине-зеленых водорослей), жившие около 3,5 млрд. лет тому назад, были необычайно жизнестойки, выживали в любой, даже самой агрессивной среде, и не знали естественной смерти, размножаясь простым делением. Появившиеся вслед за ними ядерные фотосинтезирующие клетки приобрели более совершенную энергетику, но заплатили за это утратой бессмертия. Возникновение генетического кода и механизма передачи наследственных программ развития увеличило разнообразие форм и приспособляемость свободных клеток, но зато оказалась резко пониженной их индивидуальная физико-химическая, метаболическая устойчивость. Им понадобилась кооперация.  

         В первичной атмосфере и гидросфере кислород полностью отсутствовал. И это — очень важное обстоятельство. С одной стороны, в присутствии кислорода — мощнейшего окислителя органические молекулы не могли бы 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 3,5 млрд. лет тому назад появляются первые одноклеточные организмы, владеющие фотосинтезом, — сине-зелёные водоросли и бактерии. С этого момента живое вещество становится геохимическим фактором, сильно 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. Происходит разделение биологических царств. Продуценты не нуждаются в свободном движении, и от них происходит царство растений, а консументы должны иметь возможность двигаться в поисках пищи, и от них берёт начало царство животных.

              Подвижность животных, их гибкое поведение на основе переработки сигнальной информации многократно раздвинули сферу жизни. Появился мозг — живой компьютер, обладающий огромным потенциалом самонастройки, увеличения памяти, самообеспечения адаптивными программами. Возникла великолепная периферия — органы чувств и совершенных двигательных реакций. Но за большое число степеней свободы и богатство выбора пришлось заплатить необычайно возросшей напряженностью жизни, остротой борьбы за существование, постоянным риском гибели.           

             Благодаря метаболизму живых организмов океана на протяжении протерозоя происходит постепенная смена первичной атмосферы на вторичную, состав которой близок к современному. Уменьшаются концентрации аммиака и углекислого газа, их сменяют свободные азот и кислород. Свободный кислород окисляет СО, СН₄, H₂S и SO₂, и их концентрации в атмосфере становятся ничтожными. В верхних слоях атмосферы молекулы кислорода О₂ расщепляются и образуют озон О₃ согласно реакциям:

О₂ + {квант ультрафиолета}= 2О^о;    О₂ + О^о = О₃

        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.  Судя по всему, в протерозое одновременно росли и плотность атмосферы, и содержание кислорода. И то, и другое резко увеличило её способность защищать поверхность Земли от метеоритного дождя, что также немаловажно.

        К этому времени жизнь в океане буквально кипит. Уже появились многочисленные моллюски и ракообразные, прибрежная зона заросла гигантскими водорослями,  уже существуют первые хордовые, от которых произойдут все позвоночные. Переход от внешнего скелета (панциря) к внутреннему скелету 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.   Головоногие моллюски, осьминоги и кальмары, вовсе отказались от скелета, что привело к интенсивному развитию совершенной нервной системы и мозга и, соответственно, высоких «умственных способностей», за которые они получили прозвище «приматы моря». Рост подвижности привёл к необходимости иметь хорошее устройство управления, то есть к появлению и развитию головного мозга. 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. С появлением многоклеточных организмов, образованием царств грибов, растений и животных и выходом их на сушу еще во много раз увеличилось биоразнообразие. Начались освоение экологических ниш и формирование биосферы Земли. Но вместе с многоклеточностъю к живым существам пришли старость и болезни, в том числе инфекции, злокачественные опухоли, паразитизм.         

       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.

          Существование биосферы основано на непрерывном движении вещества и информации внутри живых организмов и между организмами и окружающей их средой. Это движение требует энергии, и каждый организм и биосфера в целом работают как тепловые машины. При этом они, естественно, подчиняются основным законам (началам) термодинамики.

         Первое начало термодинамики, или закон сохранения энергии, гласит, что «энергия инвариантна по отношению к любым процессам». Это означает, что энергия может переходить из одной формы в другую, но её суммарное количество остаётся постоянным. Например, свет может перейти в тепло или в потенциальную химическую энергию, запасённую в органическом веществе растения в процессе фотосинтеза, но общее количество энергии при этом останется тем же. Строго говоря, во Вселенной постоянной остаётся сумма энергии и массы, так как масса превращается в лучистую энергию при ядерных реакциях, например, в недрах Солнца и других звёзд, или в атомном реакторе. Вместе с тем энергичный квант излучения может превратиться в пару материальных частиц электрон — позитрон.

          Общность химического состава и молекулярно-структурных свойств живых систем отражена в сформулированном В.И. Вернадским законе физико-химического единства живого вещества: «Всё живое вещество Земли физико-химически едино и поэтому подчиняется основным физико-химическим закономерностям». Закон не исключает биохимической специфики видов и индивидуумов, но подчеркивает качественное единство всего живого. Многочисленность и разнообразие природных биологических форм хорошо известны. В настоящее время на основании морфологических и биохимических различий надежно зарегистрировано более 1,7 миллиона видов организмов. Существуют основания считать, что за счет большого числа неидентифицированных низших форм фактическое общее число видов может быть в 3-5 раз больше. В литературе часто называют диапазон числа видов на планете от 5 до 30 миллионов.

           Теплокровность, термостатирование мозга у высших животных намного повысили точность нервных процессов, возможность их сложнорефлекторной организации. Появились зачатки рассудочной деятельности и предпосылки интеллекта. Умение перерабатывать информацию, отделенную от инстинктов, открыло нашему предку возможность творчества, умение создавать искусственные предметы, не встречающиеся в природе. А материализация информации с помощью речи, изобразительного искусства и письма позволила преодолеть биологический запрет на наследование приобретенных свойств и обеспечила культурное наследование в виде обучения.  Человек распространил эти возможности, постепенно отгораживаясь и от суровых природных условий, и от законов живой природы, но потребляя при этом все больше природных ресурсов. Ему ничто не давалось даром, но он занял исключительное положение в природе, и сегодня еще трудно определить цену, которую за это приходится платить.

                          Геохронологическая шкала