Ознакомьтесь с Условиями пребывания на сайте Форнит Игнорирование означет безусловное согласие. СОГЛАСЕН
Короткий адрес страницы: fornit.ru/2101 
Содержание журнала Достижения науки, техники и культуры
Биотический круговорот.
|
Автор:Владимир Васильевич Малахов – член-корреспондент РАН Человеческую цивилизацию обязательно ожидает естественная гибель, естественное исчезновение. И что этот процесс – умирание цивилизации, однако, не означает, что жизнь на Земле закончится. Жизнь на земле не закончится, она будет продолжаться и достигнет новых высот, но уже без человека. Человеческая цивилизация появилась на земле в связи с тем, что в этом была определенная необходимость с точки зрения развития биосферы. И выполнив свою функцию, она естественным образом исчезнет. Правда, для того чтобы подвести к этой мысли, я все-таки вернусь далеко назад – к периоду появления жизни, к периоду появления биосферы. Все методы, которыми располагает наука, показывают, что Земля, как и все остальные небесные тела Солнечной системы, сформировалась около четырех с половиной миллиардов лет назад. Первичная Земля сильно отличалась от современной, в частности, тем, что в течение первых 500 миллионов лет она была практически сухая, то есть на ней не было ни океанов, ни морей. Вода, более или менее обширные водоемы появились примерно четыре миллиарда лет назад, за счет постепенной дегазации недр планеты. Водяной пар, выходивший из недр планеты вместе с другими газами, конденсировался, и в результате этого на Земле появились водоемы. На картинке вы видите художественное изображение Земли до появления на ней водоемов. Как только появились более или менее обширные водоемы, так появились и первые осадочные породы, возраст которых датируются примерно 4 млрд. лет. И уже в этих первых осадочных породах мы находим несомненные признаки живых организмов. Самые древние осадочные породы – это формации Исуа, и в этой формации уже обнаружены такие следы существования примитивных бактериальных организмов, близких к современным сине-зеленым водорослям, к цианобактериям. Бактерии и сине-зеленые водоросли – это так называемые прокариотные организмы – организмы без клеточного ядра. Вот, начиная с периода, отдаленного от нас на 4 млрд. лет (это время появления жизни и биосферы), в течение последующих 2-х млрд. лет биосфера была прокариотной. А на протяжении двух миллиардов лет бактерии, то есть прокариотные организмы, осуществляли весь существовавший тогда биотический круговорот. Так называемые автотрофные бактерии создавали органическое вещество из воды и углекислого газа, используя энергию солнечного света (то есть, за счет процесса фотосинтеза) или энергию химических реакций (этот процесс называется хемосинтезом). Но ведь понятие круговорота подразумевает, что созданное органическое вещество затем разлагается снова до углекислого газа и воды, и организмы могут снова использовать их для нового цикла круговорота. В древней биосфере этот круговорот функционировал очень неэффективно. Органическое вещество разлагалось под действием физических и химических факторов, то есть очень медленно. Отчасти органическое вещество разлагалось и под действием тех ферментов, которые выделяли наружу гетеротрофные бактерии – то есть бактерии, которые используют готовое органическое вещество. Это тоже медленный процесс. Поэтому огромные массы созданного автотрофными бактериями органического вещества просто захоранивались, становились недоступными для других организмов, выходили из круговорота. Вот что означает, что биотический круговорот в биосфере, состоящей из одних бактерий, был несовершенным. Дело в том, что прокориотные организмы – бактерии, не умеют никого заглатывать. У бактерий ведь практически не бывает хищничества. Даже если (очень редко) у бактерий есть какие-то формы, которые называют хищниками, то приходится признать, что хищничество это – очень своеобразно. Хищник оказывается значительно меньшим по размерам, чем жертва, и разрушает жертву изнутри. Совсем иначе поступают так называемые эукариотные организмы – организмы с клеточным ядром. Они могут заглатывать свою добычу, а затем переваривать ее либо в пищеварительных вакуолях внутри клетки, либо в кишечнике. Дело в том, что они обладают двумя клеточными белками – актином и миозином. Они есть у всех эукариотных организмов, то есть у всех организмов с клеточным ядром – у животных, у растений, у грибов. Это те белки, которые обеспечивают всякую подвижность – амебоидное движение, формирование пищеварительных вакуолей, сокращения клеток, в том числе и мышечные сокращения. Это – универсальные белки клеточной подвижности. И когда они появились, организмы научились друг друга заглатывать. До появления актина и миозина, до появления эукариотных организмов органическое вещество, которое создавалось бактериями, некому было съедать. Это вещество очень медленно разлагалось под действием физических и химических факторов и захоранивалось. В первые два миллиарда лет существования биосферы накопились громадные запасы сланцев, нефти, газа, а ведь это все – углерод. Когда-то он был в телах живых организмов, а потом из-за несовершенства биотического круговорота этот углерод не смог вернуться снова в этот круговорот. Здесь нужно еще раз подчеркнуть, что в этот ранний период существования биосферы много бактерий занималось не только фотосинтезом, а хемосинтезом. То есть они занимались окислением разных субстратов, осуществляли другие химические реакции, в результате которых осаждались окислы и другие соединения металлов, то есть формировались руды. Таким образом, многие руды металлов, которыми мы до сих пор пользуемся (железа, марганца, урана, по некоторым представлениям, даже золота), – это тоже результат несовершенства биологического круговорота – их создали древние бактерии. Иногда это громадные залежи, которыми человечество пользуется до сих пор. Иногда, это громадные залежи, такие как, скажем, Курская магнитная аномалия.Она потому и называются аномалией, что даже стрелка компаса там неправильно показывает. И это громадное количество железа отложено в результате деятельности железобактерий около двух миллиардов лет назад – это время образования многих руд, которыми человечество пользуется в наше время. Появление актиново-миозинового комплекса позволило организмам осуществлять разные формы клеточной подвижности, например, образовывать псевдоподию. А с помощью этих псевдоподий можно двигаться, а можно еще и заглатывать другие клетки. Первые эукариотные формы – это как раз и были существа, которые приобрели актин и миозин и смогли заглатывать других организмы. Появление клеточного ядра было связано с появлением актина и миозина и переходом к хищному способу питания. Способ питания эукариот путем захвата пищевых частиц означал, что хищник был крупнее жертвы. Действительно, линейные размеры мелких почвенных амеб или жгутиконосцов, питающихся бактериями, приблизительно в 10 раз больше размеров бактерий. Таким образом, объем цитоплазмы эукариот приблизительно в 1000 раз больше, чем у прокариот. Такой большой объем цитоплазмы требовал и большого числа генофоров, кольцевые молекулы ДНК, которые у прокариотов крепились к стенке клетки. Сильная подвижность цитоплазмы, которая возникает при амебоидном движении и формировании пищеварительных вакуолей, требовала некоторой сегрегации компонентов внутри клетки. Иначе наследственные молекулы – генофоры, на которых записана генетическая информация, оказывались бы поврежденными и разбросанными по всей клетке. Можно предполагать, что для защиты наследственных молекул – молекул ДНК – возникла некоторая центральная защищенная область цитоплазмы, произошел процесс компартментализации цитоплазмы. Вот эта центральная защищенная область цитоплазмы – и есть клеточное ядро, которая сформировалась за счет глубоких впячиваний поверхностной цитоплазматической мембраны. При этом ядерная оболочка оказывается двойной – что и наблюдается на самом деле. Эукариотные хищники заглатывали и переваривали бактерий, возвращали в биотический круговорот углерод и другие биогенные элементы. Биотический круговорот стал работать с несравненно большим КПД, выход вещества из круговорота резко уменьшился. Правда, то, что было захоронено в предыдущие два миллиарда лет, живые организмы достать уже не могли. Это так и лежало в этих захороненных пластах. И вторая важнейшая вещь, связанная с деятельностью первичных организмов – прокариот – это появление в атмосфере кислорода. По современным представлениям первичные организмы, населявшие землю, были в основном автотрофными организмами. В частности, это были фотосинтезирующие бактерии (более или менее похожие на современные цианобактерии). А ведь в результате фотосинтеза выделяется кислород. Первичная атмосфера была бескислородная, мы хорошо это знаем, потому что в это время образовывались неокисленные руды, например, пириты, которые в кислородных условиях не образуются. Первые два – два с половиной миллиарда существования биосферы – это был бескислородный мир. На самом деле, в этом бескислородном мире были "кислородные карманы" (по выражению академика Г.А. Заварзина), например, в толще строматолитов. Но вся остальная биосфера была бескислородная. Тот кислород, который выделялся в процессе фотосинтеза, тут же связывался химическими веществами, и прежде всего – железом. В первые два – два с половиной миллиарда лет железа было относительно много в поверхностных слоях Земли. Но железо, как тяжелый элемент, постепенно уходило в глубь планеты в результате гравитационной дифференцировки. Это тот процесс, благодаря которому постепенно появилось тяжелое железное ядро и относительно легкая силикатная мантия. А до этого все это железо в поверхностных слоях поглощало выделяемый в процессе фотосинтеза кислород. И как раз приблизительно два – два с половиной миллиарда лет назад произошло очень важное событие – атмосфера стала кислородной. Концентрация кислорода стала приближаться примерно к одному проценту. И это была настоящая катастрофа, глобальный биосферный кризис. Дело в том, что кислород – очень активный элемент. Он окисляет и тем самым разрушает очень многие органические соединения. На самом деле, это остается проблемой для живых организмов до сих пор. Вы ведь знаете, что очень многие лекарства называются антиоксиданты. Это вещества, препятствующие окисляющей деятельности кислорода. Благодаря деятельности кислорода в клетках образуется недоокисленные соединения, радикалы, которые разрушают клеточные мембраны, повреждают генетический материал и т.п. Кислород очень активный элемент, и справляться с ним нелегко. Сейчас эукариотные организмы с кислородом справляются, потому что у них есть особые органеллы в клетках – митохондрии. Митохондрии окружены двумя цитоплазматическими мембранами. Одна из них внутренняя – это мембрана самой митохондрии, а наружная – это мембрана той вакуоли, в которой митохондрия находится. Митохондрии осуществляют процесс окислительного фосфорилирования. Они не только поглощают и использует тот кислород, который находится вокруг нас, но за счет окисления ненужных клетке продуктов обмена производят огромное количество энергоемкого соединения – АТФ, которое используется на все метаболические нужды клетки: на движение, на сокращение и на различные биосинтетические процессы (включая синтез белка). Важно подчеркнуть, что митохондрии – автономны. Что значит автономны? На самом деле, у них есть собственный наследственный материал. У них есть собственная ДНК, и эта ДНК хоть и небольшая, но устроена так же, как ДНК бактерии. Это – кольцевая ДНК, такая же, как у бактерий, и в ней записаны собственные митохондриальные гены. У митохондрий есть и автономный аппарат для биосинтеза белка – собственные рибосомы, причем, это рибосомы бактериального типа. И размножаются митохондрии путем деления, они не возникают в клетке заново. Митохондрии – это как бы оксифильные (то есть любящие кислород) бактерии, поселившиеся внутри клетки, вся остальная цитоплазма которой боится и не любит кислорода. Вот почему и возникла идея о том, что митохондрии – это симбионты. Когда-то давно древний эукариот питался какими-то оксифильными бактериями, а потом вступил с ними в симбиоз. Он стал их не переваривать, а наоборот, культивировать внутри цитоплазмы. И это дало возможность эукариотным организмам выйти за пределы этих крошечных аэробных карманов, когда вся биосфера стала кислородной. Установления этого симбиоза с митохондриями позволило эукариотным организмам жить в атмосфере, наполненной этим ужасно агрессивным веществом – кислородом. И на этом, конечно, симбиоз не закончился. Симбиотическое происхождение предполагается для многих других органелл эукариотной клетки, например, для жгутика и реснички. Если вы возьмете инфузорию-туфельку, какую-нибудь трихомонаду, ресничного червя, сперматозоид папоротников (у папоротников есть сперматозоиды!) и эпителий трахеи человека, то обнаружите совершенно идентичное строение. И, возможно, это строение унаследовано тоже от какого-то симбионта – древней подвижной спирохетоподобной бактерии. Но и на этом симбиоз не закончился. За счет симбиоза возникли различные группы эукариотных растений. Так, красные водоросли возникли за счет симбиоза каких-то хищных гетеротрофных организмов с цианобактериями. Это следует из того, что пигменты хлоропластов (так называют органеллы, занимающиеся фотосинтезом) красных водорослей совершенно такие же, как пигменты цианобактерий. В хлоропластах есть собственная кольцевая ДНК (как у бактерий), собственные рибосомы, они автономны и размножаются путем деления. Иначе говоря, цианобактерии вступили в симбиоз с хищным простейшим и стали его хлоропластами. А вот зеленые водоросли возникли за счет другого симбиоза. Хлоропласты зеленых водорослей – совсем другие. Они содержат совершенно разные пигменты. У зеленых водорослей – это хлорофиллы А и Б ( а у красных – это хлорофилл А и особые пигменты – фикобилины). Это означает, что какая-то другая, не сине-зеленая, а зеленая бактерия вступила в симбиоз с хищным эукариотным простейшим. Кстати, бактерии с хлорофиллами А и Б относительно недавно были найдены. Это знаменитый прохлорон и прохлоротрикс и еще несколько не часто встречающихся зеленых фотосинтезирующих бактерий. Кстати, тот же набор пигментов и высших зеленых растений – папоротников, хвойных, цветковых. Они все связаны родственными связями с зелеными водорослями. Еще более интересную картину многоярусного симбиоза демонстрируют бурые водоросли, криптомонады, диатомовые и другие формы с золотистыми хлоропластами. У них хлоропласты выглядят не как бактерии, а как эукариотные организмы. В их хлоропластах есть особая органелла – нуклеоморф. Она похожа на маленькое эукариотное ядро. Это означает, что здесь произошел двукратный симбиоз: сначала какой-то хищный эукариот съел фотосинтезирующую бактерию (правда, с хлорофиллами А и С, потому что это хлоропласты золотистого цвета), а потом его самого съели. Сначала хищный эукариот вступил в симбиоз с какой-то фотосинтезирующей бактерией, а потом его приобрело в качестве симбионта другое какое-то простейшее. Так что хлоропласты криптомонад, бурых и диатомовых водорослей представляют собой потомки не бактерий, а каких-то уже эукариотных организмов. Идея симбиотического происхождения основных компонентов эукариотных клеток стала сейчас парадигмой современной биологии. Появление свободного кислорода сделало возможным жизнь на суше. Как легко догадаться, пока не было кислорода, не было и озонового слоя, стало быть, и жить на суше (морских организмов защищал слой воды) было невозможно. Первые растительные организмы на суше появились только, начиная, видимо, с ордовика (ну, может быть, какие-то водорослевые подушки во влажных затененных местах могли быть в кембрии), то есть всего лишь 500-400 миллионов лет назад. В то время гидрорельеф суши был совершенно другой . Не было лесов, не было никакого растительного покрова, сберегающего воду, и значит, не было и постоянно текущих рек. Наиболее распространенный тип континентальных водоемов – это временные (пересыхающие) мелководные водоемы, большие и маленькие лужи, бессточные изолированные озера (конечно, соленые), русла, которые только время от времени наполнялись водой. Морские водоросли расселяются жгутиковыми зооспорами. Во временных или изолированных водоемах на суше такой способ расселения неэффективен: ведь никуда дальше временного или изолированного водоема зооспора не уплывет. Поэтому у многоклеточных водорослей, поселившихся в мелководных временных водоемах, был пластинчатый таллом, помещавшийся в воде, а вверх в воздух поднимался спорофит – орган, из которого высыпались воздушные, устойчивые к высыханию споры. Прошло еще немало времени, прежде чем на суше появились настоящие леса. Это случилось только в каменноугольном периоде, то есть, 300-350 млн. лет назад. Только тогда на суше зашумели леса. Леса были, а потреблять эту биомассу было еще некому. Насекомые тогда только-только появились, их было недостаточно, чтобы разгрызть, разрушить всю эту древесину. Дело в том, что грибы и бактерии, которые разлагают органическое вещество, созданное растениями, не могут проникнуть в массивный ствол. Кто-то должен его разгрызть на маленькие кусочки, проделать в нем ходы, которые будут заселены грибами и бактериями. Сейчас это делают насекомые своими маленькими острыми челюстями. Самый древний и самый распространенный тип ротового аппарата у насекомых – это ротовой аппарат грызущего типа. Пока не появилась обширная и разнообразная фауна насекомых, громадная растительная биомасса каменноугольного периода захоранивалась, содержащийся в ней углерод и другие биогенные элементы не возвращались в круговорот. Вот почему этот период и называется каменноугольным, никогда позднее в истории биосферы каменные угли в таком объеме не образовывались. При фотосинтезе из атмосферы изымается углекислый газ и выделяется кислород. Поскольку углерод захоранивался, то концентрация кислорода росла, и считается, что в каменноугольном периоде достигала 40% и выше. Это, кстати, позволило насекомым быть очень крупными, до 1 м. У насекомых кровь не переносит кислород, у них трахейная система в виде ветвящихся трубочек, по которым воздух доставляется непосредственно к органам, и газообмен идет через полостную жидкость без гемоглобина. Такая дыхательная система эффективна только у мелких организмов. Но при высокой концентрации кислорода насекомые могли быть значительно крупнее, чем сейчас. Это было следствием высокой концентрации кислорода в каменноугольном периоде. В океане основные производители органического вещества – одноклеточные диатомовые водоросли. Сейчас они создают до 90 % всей биомассы в океаническом планктоне. А потребляют эту биомассу тоже членистоногие, только не насекомые (как на суше), а ракообразные – так называемые веслоногие рачки – копеподы. У диатомовых водорослей – кремнеземные панцири, их тоже надо разгрызать – у веслоногих рачков челюсти (мандибулы) пропитаны кремнеземом , и поэтому они могут это делать. В океане система создания и утилизации органического вещества работает в основном как система, диатомовые водоросли – веслоногие рачки, а на суше – высшие растения – насекомые. Тем не менее, использовать то органическое вещество, которое было накоплено древними бактериями, то есть нефть, газ, сланцы или уголь, который накопили наземные растения из-за того, что в свое время насекомые не смогли их разгрызть и измельчить, – живые организмы не могут. Это вещество вышло из биологического круговорота, а ведь оно могло бы оказаться в телах животных и растений. Вот это было биосферной предпосылкой появления человеческой цивилизации. Ведь кто может извлечь из недр Земли уголь, нефть, газ и те руды, которые возникли в результате деятельности бактерий? Животные и растения этого сделать не могут. Для этого и нужна была человеческая цивилизация. Ведь что делает цивилизация. Она извлекает уголь, нефть, газ, сжигает их и возвращает в атмосферу в самом доступном для живых организмов виде – в виде углекислого газа. Этот углекислый газ снова будет использован в фотосинтезе, войдет в тела растений, потом в тела животных. В этом и есть биосферная функция человеческой цивилизации. Добыть, по возможности, всю нефть, газ, уголь, сжечь их, насытить атмосферу углекислым газом. А после того как человечество выполнит эту свою функцию, то есть сожжет нефть, газ, уголь, оно естественным образом исчезнет, то есть, не в результате катастрофы или атомной войны, а просто в результате того, что исчерпаются средства для существования цивилизации. Сначала – не для существования человеческого вида (человек большую часть своей истории жил как охотник и собиратель в составе природных сообществ), а для цивилизации, основанной на накопленном топливе, которое создано миллиарды лет назад, если речь идет, скажем, о нефти, газе или сланцах, да и о рудах тоже. Мы добываем из руд, созданных бактериями, металлы, потом распыляем их и спускаем в реки, а потом и в океан. И нам кажется, что мы отравляем биосферу, убиваем массу живых организмов. Конечно, отравляем, погибают живые организмы, исчезают и будут исчезать виды, сотни и тысячи видов животных и растений. Но для развития биосферы это не опасно (это опасно только для самого человека, потому что своей деятельностью он уничтожает среду, в которой только и может существовать), более того, это – для биосферы благотворно. Эти металлы войдут в состав новых ферментных систем (ведь живые организмы используют металлы в ферментных системах), и жизнь расцветет на новом уровне, биосфера получит новый импульс к развитию. Ну, а что будет после исчезновения человечества? Мы можем на эту тему порассуждать и кое-что предсказать, исходя из известных нам закономерностей геологических и биологических процессов. Современное состояние экологической мысли исходит из предположения о том, что человечество ожидает вечная жизнь. Молчаливо предполагается, что, хотя жизнь каждого человека конечна, человечество в целом ожидают тысячи, миллионы лет прогресса, выход в космос, покорение галактик и т.д. Мне это напоминает состояние очень молодого человека, 12-15-летнего подростка, которому кажется, что жизнь вечна. Потом человек начинает осознавать, что его жизнь конечна и начинает более или менее осознанно создавать свою жизненную программу. Один пытается больше увидеть в жизни, другой – больше испытать, бросается в разные наслаждения, предпринимает какие-то эксперименты над собой. Третий, наоборот, начинает следить за своим здоровьем. Кто-то другой думает о том, какие книги ему надо успеть написать, музыкальные произведения создать... Программы могут быть разными, но они исходят из того, что жизнь человека (по крайней мере, его земная жизнь) конечна. Человечество в целом исходит из неверного представления о том, что его существование бесконечно, никогда не прервется, если только само человечество не затеет что-нибудь вроде глобальной ядерной войны. Это неверно. Человеческая цивилизация появилась потому, что для этого были биосферные предпосылки, – громадные, накопленные предшествующими этапами развития биосферы и выведенные из круговорота залежи биогенных элементов. Биосферная функция человечества – добыть и сжечь нефть, газ, уголь, добыть металлы, распылить их и спустить со сточными водами в океан. Когда эта функция будет выполнена, человеческая цивилизация естественным образом (не в результате атомной войны или катастрофы) отомрет из-за исчерпания ресурсов существования. И никакая атомная энергия тут не поможет, поскольку запасы урановых руд, созданные древними бактериями – конечны. Человек как биологический вид еще просуществует какое-то время (на основе простого "экологически чистого" сельского хозяйства, разных форм собирательства и охоты – то есть "использования воспроизводимых ресурсов") и вымрет, как вымерло большинство видов из-за естественных изменений среды обитания. Человечество должно строить программу своей жизни не как программу развития (устойчивого или неустойчивого), а как программу, подразумевающую переход от юности к зрелости, а от зрелости к неизбежному старению и смерти. Это совсем другой тип программ, чем программы так называемого "развития". Можно выбрать "программу Ахиллеса" – жизнь короткую, но бурную. Большинство, вероятно, предпочло бы, чтобы была выбрана программа возможно более длительной жизни человечества, тогда надо очень жестко экономить ресурсы и отказаться от высокого уровня жизни (и связанных с ним колоссальных трат энергии и ресурсов). Нужно осознать, например, что программы, предусматривающие полеты в космос, экспедиции к Марсу и Юпитеру, а также автомобиль в каждой семье (для всех 6 миллиардов жителей планеты, в ином случае обездоленные взбунтуются) – это сокращение жизни человечества. Ну, и тем более непроизводительные и колоссальные расходы ресурсов на военные технологии. Я призываю задуматься не о "развитии", а о том, как обеспечить максимальную продолжительность жизни человечества, так сказать, подумать о старости. |
Оценить статью >> пока еще нет оценок, ваша может стать первой :)
http://www.scorcher.ru/xml/news.rss
|