Характеристика эволюционных этапов развития биосферы

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Возникновение жизни и механизм ее эволюции.

Мы установили, что наш мир нестационарен и непрерывно направленно эволюционирует. Расширение Вселенной задает направление течения времени, во Вселенной происходит непрерывное рассеяние энергии и вещества, рост энтропии, которая является мерой беспорядка. Однако, рассеяние и рост беспорядка во Вселенной в целом порождает локальные структуры, сложность которых постоянно растет. Последовательно возникли элементарные частицы - атомы - молекулы - химические соединения. А также сгущения материи - галактики - звезды планеты. Планеты структурировались, опять-таки в результате рассеяния сконцентрировавшейся в них энергии, вещество планет дифференцировалось, возникли сложно взаимодействующие между собой оболочки. В определенных планетных структурах происходило дальнейшее усложнение химического состава и взаимоотношений компонентов. При этом планета (как и вся Вселенная) эволюционировала как целостная система.

И, наконец, по крайней мере на одной из планет - Земле - возникло такое явление как жизнь. Что такое жизнь? Сейчас ясно, что живые организмы - это устойчивые диссипативные структуры, устойчивость которых обеспечивается непрерывным обменом с окружающей средой. Но такого определения не достаточно. Наверное главнейшее свойство, которое отличает живое от неживого, - это способность к высокоточному воспроизводству сложнейших структур с сохранением непрерывно накапливающейся, возрастающей информации. Поразительна чрезвычайная устойчивость этой системы воспроизводства.

Как она возникла впервые? Это наверное самый интересный, но и самый трудный вопрос в проблеме жизни. На него пока нет ответа. Именно это обстоятельство сильнее всего подталкивает человека к признанию существования некой высшей нематериальной силы - Создателя. Вся история развития жизни на Земле, вся последовательность ее усложнения, включающая резкие скачки, говорит в пользу естественного возникновения жизни, однако, окончательно в этом убедиться можно будет, лишь экспериментально воспроизведя процесс перехода от неживого к живому.

Биологические системы развивались в сторону усложнения в течение всей истории Земли. Причем это развитие и усложнение шло параллельно на нескольких уровнях. Можно назвать такие уровни: биохимический, клеточный, многоклеточных организмов, биоценозов, биосферы. Причем надо подчеркнуть, что вся эта иерархия существует параллельно и одновременно. Эволюция каждого отдельного вида неотделима от эволюции всей системы биосферы.

Дело в том, что для существования каждого вида живых существ необходим сложный комплекс условий: определенный диапазон температур окружающей среды, наличие необходимых источников вещества и энергии, причем источников возобновляемых и т. д. Создать и, главное, поддерживать этот комплекс условий один вид живых существ неспособен. Биосфера - это устойчивая система, постоянно питаемая энергией извне, но в которой происходит замкнутый круговорот вещества. Именно этот круговорот поддерживает устойчивость биосферы, поддерживает условия, необходимые для существования жизни. Такой круговорот может осуществляться только в сообществе функционально разнообразных организмов с принципиально разнообразным набором типов питания. Поэтому уже в самом начале должны были существовать сложные сообщества самых простейших организмов. Первый отметил такую необходимость В.И.Вернадский примерно сто лет назад, в начале двадцатого века, однако это стало ясно многим лишь в последнее время.

Долгое время биология занималась только высокоорганизованными животными и растениями. На базе их изучения была создана Дарвином теория эволюции. Геологическая история жизни простиралась только на 600 миллионов лет назад, на период так называемого фанерозоя - эры «скелетной» жизни. Лишь недавно граница жизни на Земле была «отодвинута» резко назад, почти до рождения Земли: из 4,6 миллиардов лет существования Земли не менее 3,5 миллиардов лет на ней существовала жизнь. Первые 2 миллиарда - это были так называемые прокариоты - организмы, представленные безъядерными клетками. Примером прокариотов, не изменившихся за миллиарды лет являются синезеленые водоросли или цианобактерии.

Сначала это были анаэробы, жившие в бескислородной среде. Многие из них продуцировали кислород, являющийся отравой для них. Такое самотравление кислородом породило первую глобальную экологическую катастрофу - жизнь могла погибнуть, уничтожив сама себя. Но она не погибла. Впоследствии возникли аэробы, живущие в кислородной среде. Кислород способствовал активизации обмена веществ и ускорению эволюции, но аэробы не вытеснили полностью анаэробов, последним удалось сохранить свою экологическую нишу в единой биосфере. Сначала аэробы существовали в меньшинстве в «кислородных карманах», затем они поменялись с анаэробами местами. Эти микроорганизмы образовывали полноценные устойчивые системы с полным набором типов питания: авто- и гетеро-трофы, то есть питающиеся за счет окружающей неживой материи или за счет других организмов, и хемо-, фото-, лито- или органо-трофы - то есть использующие для поддержания своей жизнедеятельности химическую энергию, энергию излучения, минералы горных пород или органические вещества.

Затем в процессе развития возникли многоклеточные организмы. Как они возникли? Повидимому, в результате эволюции систем одноклеточных. Биоценоз одноклеточных, который в некотором смысле представлял собой своеобразный организм с некоторым разделением функций, превратился в многоклеточный организм как мы его наблюдаем сейчас. Дальше следовало образование новых видов, которые сменяли друг друга, о чем нам говорит палеонтология. Многоклеточные, высшие организмы имеют уже не все типы питания и не могли бы поддерживать стабильность биосферы без одноклеточных микроорганизмов. Среди них нет ни хемо- ни литотрофов и органотрофы не способны переводить органическое вещество в исходное неорганическое состояние. Мир микробов самодостаточен, мир высших животных и растений - нет.

Первую последовательную теорию образования видов и вообще механизма эволюции живого мира создал Чарльз Дарвин. Это вообще была первая законченная теория эволюции, которая оказала огромное влияние на все последующие эволюционные теории, относящиеся не только к живой, но и к неживой природе. Главное в теории эволюции Дарвина - это естественный отбор. Это вы учили в школе: случайные изменения, закрепляемые наследственно, и отбор путем конкуренции, основанный на требовании лучшей приспособляемости. Это общий принцип. Детали оказались не так просты.

Во-первых, чисто случайные малые изменения, из которых отбор выделяет и закрепляет благоприятные, - слишком медленный процесс для объяснения темпа наблюдаемого видообразования. Во-вторых, многое говорит за то, что новые виды образуются не за счет постепенного накопления очень малых изменений, а довольно серьезными скачками. (Например, невозможно представить себе появление птиц, благодаря постепенному преобразованию передних лап пресмыкающегося в крылья: промежуточные формы - уже без нормальных лап, но еще без крыльев - явно приграли бы в конкурентной борьбе.) В-третьих, если механизм отбора наиболее приспособленных основан лишь на конкуренции, невозможно объяснить такого огромного разнообразия сосуществующих видов, часто очень близких по образу жизни, способам питания и т. д.: более приспособленные вытеснили бы менее приспособленных, возник бы известный монополизм.

Периодически возникали разные «антидарвиновские» теории. Однако, основа дарвинизма - принцип естественного отбора устоял, только стало ясно, что механизмы его сложнее. Во-первых, малые случайные факторы должны быть способны вызывать крупные мутации, перестраивающие уже не случайным образом значительные блоки информации. Это вытекает из общего механизма эволюции структур, включающего неустойчивости и скачкообразные перестройки. Во-вторых, биологический вид нельзя рассматривать отдельно от биоценоза и биосферы в целом, точно так же как нельзя рассматривать клетку, входящую в состав многоклеточного организма, отдельно от всего организма. Оказалось, что отдельные виды, несмотря на конкуренцию за отдельные необходимые компоненты среды (пищу, воздух, воду, свет) помогают друг другу, поддерживая на нужном уровне общее состояние среды. Эволюция биоценоза основана не столько на конкуренции сколько на кооперации. Поэтому в наше время возник термин коэволюция, то есть совместная эволюция.

Биосфера эволюционирует как сбалансированная система с замкнутыми циклами, устойчивое существование которой требует всего разнообразия видов. Когда мы говорим о сбалансированности, мы подразумеваем, прежде всего, баланс продукции биологического вещества и его деструкции или редукции, то есть обратного превращения в исходную неорганическую материю. В естественном биоценозе эти процессы осуществляют соответственно организмы-продуценты и организмы-деструкторы. биосфера эволюция экосистема

Как мы уже знаем для того, чтобы о динамической системе можно было говорить как о структуре, она дожна обладать таким свойством как устойчивость, то есть сохранять свою идентичность при определенных изменениях параметров окружающей среды. Биосфера и биологические системы вообще обладают большой устойчивостью, которая обеспечивается их избыточностью.

Избыточность заключается во-первых в огромной потенциальной способности к воспроизводству, во много раз превышающей реальную потребность, во-вторых, в огромном разнообразии видов и форм жизни, во много раз превышающем минимально необходимое для поддержания равновесия и стабильности окружающей среды, и, в-третьих, значительное превышение по эффективности деструкторов над продуцентами.

Почему нужна избыточность? Дело в том, что различные естественные факторы постоянно нарушают природный баланс, и иногда эти нарушения очень значительны. Необычайно резкий всплеск вулканической активности может резко повысить содержание оксидов углерода и серы в атмосфере и ее запыленность; к очень сильным нарушениям климата может привести падение на Землю крупного метеорита-астероида; к огромным и резким изменениям может привести и перестройка океанической и атмосферной циркуляции, вызванная постепенной тектонической перестройкой структуры земной поверхности. Все эти катастрофы не только изменяют среду, но и сильно ослабляют биоту. Чтобы достаточно быстро, прежде чем они станут необратимыми, скомпенсировать разрушительное влияние таких катастрофических изменений на биосферу последняя должна обладать большим запасом "мощности".

Сохранение устойчивости возможно только при очень большом разнообразии организмов и их чрезвычайно большой способности к размножению. Тогда даже при значительном изменении условий, при котором погибнут 99% видов и организмов, оставшиеся смогут быстро поднять свою численность и сохранить достаточное разнообразие, чтобы поддержать круговорот вещества. Именно эта потребность в устойчивости и привела в процессе эволюции к такому огромному разнообразию видов и форм жизни и к такой огромной потенциальной способности к воспроизводству, во много раз превосходящей минимально необходимую. Исторически выработались полностью сбалансированные биоценозы, такие как тропический лес или северная тайга, включающие десятки и сотни тысяч видов. Огромная избыточность необходима для устойчивости.

Общая схема эволюции и биосфера.

Итак, повторим еще раз: все существующие научные данные и обобщения говорят нам, что наш мир - это мир направленно эволюционирующий. Направление эволюции задано процессом рассеяния первоначально чрезвычайно сконцентрированной энергии. В процессе этого рассеяния в результате гравитационных и гидродинамических неустойчивостей возникают разнообразные структуры возрастающей сложности. Эти структуры представляют собой диссипативные динамические системы, устойчивость которых поддерживается тем же потоком рассеяния энергии. Теоретические прогнозы говорят, что такой процесс усложнения должен будет смениться упрощением, когда поток рассеяния станет недостаточным для поддержания всей сложной иерархии диссипативных структур. Однако сейчас локальное усложнение структур в отдельных частях Вселенной - это основной, определяющий эволюцию процесс. И таким он останется еще многие миллиарды, а возможно и десятки миллиардов лет.

Можно отметить такую закономерность: возникающие по мере эволюции Вселенной более сложные структуры все более локальны, занимают меньший объем и связаны со все меньшими потоками энергии. Системы звезд и галактик включают в себя все вещество Вселенной и связаны с потоком рассеяния энергии "Большого взрыва"; звезды и планетные системы связаны с потоком энергии рассеиваемой звездой; сложная структура планет "земной группы" возникает лишь в планетах, составляющих по массе намного меньше одного процента от массы всех звезд и планет и связана с потоком энергии, рассеиваемой планетой; наконец, жизнь покрывает тонкой пленкой лишь поверхность некоторых, а может быть и всего одной планеты земной группы и обеспечивается энергией медленных химических реакций, преобразующих часть попадающей на планету энергии излучения центральной звезды. (Правда, появившаяся на самом последнем этапе разумная жизнь имеет шанс с помошью техники резко увеличить прстранственные и энергетические масштабы своего развития).

Существующие структуры образуют иерархию по масштабам и сложности и обладают устойчивостью в определенном диапазоне условий существования, которые непрерывно меняются. При достаточно сильном изменении условий эта устойчивость нарушается и возникают новые типы структур. Механизм возникновения новых структур можно назвать бифуркационным, по сути своей он точно такой же как и в наипростейшем случае прогибания упругой пластинки, который мы разбирали выше. Здесь подключается элемент случайности. В точке бифуркации потерявшая устойчивость структура может перейти в одно из нескольких одинаково вероятных состояний, где снова возникает устойчивость и этап детерминированной эволюции. Выбор системой дальнейшего пути в точке бифуркации определяется случаем.

Такой бифуркационной перестройкой стало на Земле возникновение жизни и образование биосферы. Надо подчеркнуть, что биосфера должна была возникнуть сразу как целое, как сбалансированная система, обеспечивающая свою устойчивость благодаря замкнутым циклам преобразования вещества, и можно предполагать, что для Природы реализовавшийся у нас вариант в то далекое время был не единственным возможным. Усложнение структур - процесс закономерный, но то что возникла именно жизнь, такая какой мы ее видим, определил случай.

Биологическая система - биосфера - в процессе своей эволюции попадала на точки бифуркации меньшего ранга не раз. Наболее фундаментальных этапов перестройки биосферы можно выделить два. Первый имел место примерно два миллиарда лет назад, когда появилась кислородная атмосфера и аэробная жизнь. При этом изменились не только потенциальные возможности жизни и темп ее эволюции, но и вся географическая оболочка и геологическая среда верхней части земной коры.

Второй такой же по значимости (а может быть и более значимый, равнозначный появлению жизни) этап неустойчивости мы переживаем сейчас. Он связан с появлением человека, обладающего разумом. Человек принципиально изменил характер эволюции биосферы - он начал превращать ее в ноосферу. Этот термин придумал француз Тейяр де Шарден в начале нашего века, но современный смысл ему придал великий русский ученый В.И.Вернадский. В ноосфере фактором, определяющим развитие структуры, становится разум. Он меняет коренным образом структуру географической оболочки и темпы эволюции. Сейчас мы стоим на точке бифуркации - состояние биосферы неустойчиво, человек ломает, преобразовывает сбалансированные структуры и каково будет новое устойчивое состояние - возникнет ли стабильная ноосфера, как она будет выглядеть будет ли это искусственная техносфера, или что-то другое, или разум уничтожит сам себя и развитие биосферы пойдет совсем иным путем - пока можно строить только предположения. Ясно одно: никакая простая экстраполяция тенденций предшествовавшего развития не поможет нам сделать прогноз и разработать стратегию выживания. Ноосферу будет создавать разум, и только изучение самых общих законов мироздания и познание самого себя может ему в этом помочь.

Эволюция биосферы после появления человека.

Проблемы экологии.

Так что же такое человек? Когда и как он появился?

Поисками предков современного человека, поисками разных «недостающих звеньев» в цепочке от обезьяны к человеку ученые занимаются давно. Мы знаем питекантропов, синантропов, австралопитеков, зинджантропов, неандертальцев. Возраст «первочеловека» отодвигался чуть ли не до 3 миллионов лет, а ответвление наших предков от предков современных обезьян - до 15 миллионов лет.

Однако последние исследования (1987 год), основанные на изучении генетического материала (ДНК митохондрий клетки), показали, что род человеческий, повидимому, начался всего лишь примерно 200 тысяч лет назад от общей праматери. Все люди генетически практически тождественны, а такие «предки» как неандерталец и синантроп оказались тупиковой ветвью генеалогического древа, не приведшей к человеку разумному. Все указывает, что человека породила некая единственная эпохальная мутация, запустившая механизм мышления, которая произошла не очень давно.

Мышление выделило человека из остальной живой природы. Человек - это живой организм, впервые осознавший сам себя, свою самоидентичность и отличие от всего остального мира. Животное находится в гармонии с окружающим миром, и эта гармония устанавливается на инстинктивном уровне, животное автоматически встраивается в естественную сбалансированную систему. Человек же, осознав самого себя, оказался в изоляции, и ему пришлось заново, сознательно, «строить мир», чтобы найти свое место в нем и снова соединиться с ним. В результате человек создал новый уровень организации, называемый человеческим обществом, занялся познанием мира и самопознанием и начал покорять и переделывать природу, создавать техносферу.

Что ждет человека дальше? Ответ затрагивает два аспекта: что ждет человека как отдельный уникальный биологический вид? и что ждет человека, как компонент биосферы? (Что ждет биосферу после того, как главным ее компонентом стал человек?).

Как считают некоторые биологи, биологическая эволюция человека прекратилась, так как, создав себе искусственно стабилизированную среду, человек исключил фактор естественного отбора. Но так считают не все. И я полагаю, что нет достаточных оснований для такого вывода, а для экспериментальной проверки срок пока слишком мал. Имеют основания и пессимистические прогнозы физического вырождения человечества, так как успехи медицины сейчас позволяют выживать слишком многим дефектным особям, которые нормально должны были погибнуть, не дав потомства.

Есть и оптимистические прогнозы. Да, человек выделился из природы, нарушил естественные механизмы регуляции здоровья и процветания вида, но он если еще не научился, то научится компенсировать эти потери и достигнет лучших результатов, чем неразумная природа.

Здоровью человека больше всего вредят чрезмерные стрессы, связанные с ускоренным ритмом жизни и скученностью, и гиподинамия. Отсутствие физических нагрузок приводит к очень большому разбалансу в функционировании организма. Инфаркты и инсульты как результат детренированности и переедания. Авитаминозы, так как потребность в еде уменьшается, и человек вынужденно недобирает витамины: либо он должен сильно переедать и жиреть, либо жить с авитаминозом, так как концентрация витаминов в продуктах питания невелика. Например, суточная доза витамина В1 содержится в 900 граммах ржаного хлеба (одного из самых богатых этим витамином продукта), а сейчас человек съедает в день едва одну десятую этого количества.

Человек борется со всем этим витаминными таблетками и физкультурой, но эффект невелик. Психология плохо перестраивается.

А еще наркотики, болезни типа СПИДа и т.д.

Однако, несмотря на все это, сам человек может и не дожить до момента своей полной физической деградации, так как гораздо быстрее деградирует среда его обитания и это может оказаться фатальным. К счастью человечество начинает проникаться сознанием возможности и даже близости экологической катастрофы, вызванной его собственной деятельностью, и это вселяет надежду, что ее удастся избежать. В чем же суть катастрофы?

Выделившись из остальной природы благодаря своему разуму, человек стал переделывать окружающую среду, приспосабливая ее к своим нуждам. В результате численность человечества перестала регулироваться естественными процессами и начала неудержимо расти. Одновременно росла и интенсивность воздействия на природу каждого индивидуума. Животное извлекало из окружающей среды пищу и очень быстро возвращало все взятое, причем там же, где оно было взято, поддерживая баланс вещества. Человек извлекал гораздо больше, чем необходимо для пропитания и возвращал изъятое в радикально преобразованном виде и обычно не там, где брал.

Чтобы прокормиться, человеку пришлось вывести особые высокопроизводительные сорта растений и породы животных, создать отличные от естественных так называемые культурные ландшафты и сообщества живых существ. Продукция этих сообществ изымалась безвозвратно, а обеднение среды полезными компонентами компенсировалось искусственно и неполноценно. В результате уже с древних времен стали возникать локальные кризисы производства продуктов питания, такие как гибель древней цивилизации Двуречья в результате снижения плодородия орошаемых земель. В начале XIX века английский ученый Томас Мальтус пришел к выводу, что вообще возможности Земли ограниченны, и рост производства продуктов питания должен отставать от роста населения, если последний не ограничивается войнами и эпидемиями.

Потребность в продовольствии заставляла человека осваивать все новые и новые территории, преобразуя природу, но все яснее становилось, что неограниченный рост населения Земли неминуемо должен привести к кризису связанному с массовым голодом. А еще позже, во второй половине XX века стало ясно, что при современном способе существования человечества наибольшую опасность представляет собой не угроза голода, а угроза отравления всего живого продуктами человеческой деятельности.

Прежде всего человек обратил внимание на явные случаи губительного воздействия промышленности на его жизнь и природу. Загрязнение атмосферы дымом, оксидами серы, азота, ядовитыми органическими молекулами при сжигании топлива. Загрязнение водоемов жидкими отходами производства, делающими воду непригодной для питья и губительной для большинства живых организмов. Загрязнение воды и воздуха радиоактивными отходами. Оксиды серы и азота в угольном и мазутном дыме, расворяясь в атмосферной влаге породили кислотные дожди, угнетающие и губящие растительность на огромных территориях. Катастрофически разрастающиеся свалки бытовых отходов, которые при возгорании выделяют огромное количество самых разнообразных ядов и, прежде всего, чрезвычайно ядовитые и очень стойкие диоксины. Нефть, вытекающая при авариях танкеров, покрывает губительной пленкой огромные площади океанов.

Все эти загрязнения либо вообще отсутствовали в "доиндустриальной" природе либо образовывались в количествах на много порядков меньших чем сейчас. Человек может "задохнуться в собственных отбросах". Однако отбросы, химические и радиоактивные загрязнения не являются столь страшными сами по себе, они не являются непреодолимым злом. Дело в том, что от любого загрязнителя можно избавиться и проблема это чисто экономическая. Например, вредоноснейшие оксиды серы и азота могут быть полностью извлечены из дыма и использованы для получения различных полезных продуктов, при этом станут не нужны многие предприятия по переработке серных руд и по связыванию азота из воздуха. Просто это пока слишком дорого и соответствующая необходимость еще не достаточно осознана обществом. То же можно сказать и обо всех других отходах. Автомобили можно перевести на электричество или на водородное топливо, дающее на выхлопе чистую воду, и т. д. Все это в принципе доступно уже сейчас, но требует очень больших затрат.

Возникает впечатление, что по мере роста общественного сознания и общественного богатства можно будет все технологии сделать "чистыми" и спасти окружающую среду. Однако это не так. Чистые технологии требуют не только больше денег, они требуют также больше энергии. Потребность в энергии не зависит от воли человека и уровня организации производства - она определяется законами природы. Повышение экологической чистоты производства энергии требует дополнительного ее расхода "на собственные нужды", понижает эффективный КПД энергетического предприятия и, таким образом, неминуемо увеличивает то загрязнение, от которого невозможно избавиться - тепловое. За совершенство структуры надо платить ростом диссипации, снижением качества энергии, ростом количества рассеянного тепла, которое может привести к перегреву окружающей среды. Законы термодинамики неумолимы.

Часто видят выход в использовании так называемых альтернативных источников энергии. К ним относят энергию ветра, волн, приливов, тепловую энергию океанической воды и земных недр (геотермальную), солнечное излучение. Иногда и ядерную энергию, но ее уже чаще считают одним из традиционных источников. Из перечисленных видов энергии геотермальная черпается из запасов тепла в недрах Зеили, энергия приливов - из кинетической энергии вращения Земли, в обоих случаях тепло добавляется в географическую оболочку так же как и при сжигании ископаемого химического или ядерного топлива. Преимущество лишь в отсутствии химических и радиоактивных отходов (хотя в геотермальной энергетике на поверхность выводятся высокоминерализованные термальные воды, основательно загрязняющие окружающую среду если не принимать специальных мер). Остальные виды энергии имеют источником солнечное излучение, приходящее на Землю, и дополнительного тепла в географическую оболочку не вносят.

Все эти источники используются уже сейчас, но только в опытном порядке и в так называемой малой энергетике - то есть как автономные источники энергии малой мощности, работающие в особых условиях (на таежной метеостанции, космическом корабле и т. д.). Заменить традиционные источники в большой энергетике они пока не могут и, повидимому не смогут никогда. Их главные недостатки - неравомерность поступления и очень низкая плотность потока энергии при низком ее качестве. Неравномерность поступления требует использования аккумулирующих систем огромной емкости. Низкая плотность потока и низкое качество энергии приводит к очень большим размерам и материалоемкости энергетических станций и низкому КПД. Такие станции занимают большие площади, а их строительство требует создание целой индустрии, которая также наносит вред природе.

Хороший пример производства "чистой" и "даровой" энергии (так считалось, когда они строились) - это наши гидростанции на Волге. Никаких вредных выбросов, вечный, даровой, возобновляемый источник энергии - раз вложил деньги (хотя и большие), построил, а потом стриги купоны и сто и тысячу лет - в этом убеждали себя и народ строители. Теперь ясно, что затопление и подтопление сельскохозяйственных землель и уменьшение во много раз стада осетровых рыб и ряд других негативных последствий принесли убытки, во много раз превосходящие стимость всей электроэнергии. Потеря высокопродуктивных пойменных земель потребовала освоения под сельское хозяйство новых территорий и, соответственно, дальнейшего сокращения сбалансированных биоценозов. Цепочку неблагоприятных следствий можно тянуть очень далеко.

Но воздействие человека на биосферу не ограничиватся прямыми загрязнениями, оно гораздо сложнее. Мы говорили, что биосфера представляет собой целостную сбалансированную саморегулирующуюся систему. Эта система поддерживает стабильные условия своего существования, сглаживая, демпфируя все неблагоприятные внешние воздействия, нарушающие стабильность. Для этого необходимо, чтобы способность биосферы к компенсации неблагоприятных воздействий превосходила максимально возможную их интенсивность. Что для этого нужно?

Биосфера потребляет разнообразные химические вещества на строительство своих организмов и возвращает их обратно при разложении этих организмов. Этот круговорот лучше всего проиллюстрировать на примере основного элемента жизни - углерода. Баланс его может быть подсчитан. Ежегодно поступает в биосферу и изымается из нее 1011 тонн. Баланс сходится с точностью 10-4. Кроме того, в результате геологических процессов в биосферу поступает ежегодно дополнительно 107 тонн неорганического углерода. Как показывает изучение состава пузырьков воздуха, захороненных в кернах полярных ледников, содержание СО2 в атмосфере было неизменным последние 10 тысяч лет, а запас органического углерода, накопленный в захороненном виде в биосфере соответствует его дополнительному притоку из глубин Земли за 100 тысяч лет. То есть биосфера (точнее биота - сбалансированная совокупность организмов, способная компенсировать нарушения баланса в биосфере - домашние животные и культурные растения не отвечают этому условию) с высокой точностью и надежностью компенсировала этот поток и его случайные флуктуации, поддерживая состав атмосферы. (Кстати, поддерживается и содержание кислорода, который изымается геохимическими процессами).

Эта компенсация осуществляется за счет отрицательных обратных связей в соответствии с принципом Ле Шателье, а надежность обеспечивается большой избыточностью: поток вещества, участвующий в круговороте, в 10000 раз превышает средний поток углерода, поступающий за счет геологических процессов. Также избыточен и круговорот кислорода и других химических веществ. Мы уже говорили, что такая большая избыточность нужна для быстрой компенсации ударных разрушительных воздействий на биосферу, прежде, чем они смогут привести к вымиранию слишком многих видов и нарушению сбалансированности биоты.

Нормально функционирующая биота должна увеличивать потребление и перевод в неактивную форму СО2 при увеличении его концентрации в атмосфере за счет любых процессов, в частности и за счет сжигания человеком горючих ископаемых. Так и было до начала нашего века, когда человек использовал менее одного процента биологической продукции суши. Сейчас, когда это использование достигло 10%, суша перестала работать компенсатором в соответствии с принципом Ле Шателье. Сейчас биота суши уже не только не компенсирует индустриальное поступление СО2, но вносит свой отрицательный вклад, сопоставимый с индустриальным.

Это результат ее разрушения человеком. Все искусственные, культурные системы - сельскохозяйственные угодья, сады и парки и т.д. - имеют разомкнутый оборот: они поддерживаются в сбалансированном состоянии благодаря искусственному внесению потребляемых веществ и удалению продуктов и отходов. Так поддерживается в стационарном благополучном состоянии данная система, но состояние биосферы в целом при этом ухудшается. В частности, все культурные сельскохозяйственные земли добавляют в атмосферу парниковых газов столько же, сколько и заводы, фабрики и электростанции. Вырубка лесов, осушение болот, распашка целины высвобождают огромное количество запасенного в земле органического углерода.

Но дело не только в малой эффективности культурных садов и полей для поддержания сбалансированности природной среды. Уничтожая естественные сообщества организмов, человек обедняет видовой состав биоты, причем не только на данном участке земной поверхности, но и на Земле в целом - в мире ежегодно исчезают благодаря человеку тысячи видов. А обеднение видового состава резко ослабляет способность биоты компенсировать случайные резкие нарушения баланса. Любая естественная природная катастрофа с каждым годом становится все опаснее для биосферы.

Полученные к настоящему времени результаты говорят, что биосфера способна работать в соответствии с принципом Ле Шателье в компенсаторном режиме только если изъятие человеком ее продуктов не превышает 1%. Эти условия пока еще существуют только в океане. Океан еще нормально реагирует на нарушение состава атмосферы, но и он уже «на грани». На суше еще остались сбалансированные биоценозы, которые работают в нужном направлении. Но таких сбалансированных систем осталось мало, и площадь их катастрофически сокращается.

Итак. Устойчивость биосферы поддерживается очень точной сбалансированностью процессов продукции и деструкции и огромной мощностью этих процессов, превосходящих в 10000 раз среднюю мощность естественных процессов, нарушающих баланс. Сбалансированность процессов обеспечивается огромным видовым разнообразием как продуцентов так и деструкторов. Разнообразие и конкурентность обеспечивают быструю и адекватную реакцию системы на внешние флуктуации и относительную малость внутренних случайных флуктуаций - замкнутый круговорот веществ быстро восстанавливается.

Человек уничтожает естественные замкнутые, богатые и сбалансированные природные сообщества и заменяет их разомкнутыми, не сбалансированными, не способными гасить внешние флуктуации. Эти искусственные сообщества не обладают внутренней устойчивостью и способны сами быть источником огромных флуктуаций. Именно эта неустойчивость искусственных сообществ, создаваемых человеком, и есть неминуемый источник катастрофы, если замена ими естественных зайдет слишком далеко.

Наиболее продуктивные сообщества биосферы - это леса и болота. И стабилизаторами естественной среды они могут быть только в естественном состоянии. Если лес уничтожить на какой-то площади, круговорот вещества на ней разомкнется. Природа восстанавливает его следующим образом: сначала поврежденный участок зарастает быстрорастущими породами, которые образуют временное сообщество, которое уже через 10 лет уменьшает разомкнутость кругооборота со 100% до 10%, затем сообщества последовательно сменяют друг друга и примерно через 300 лет восстанавливается первоначальный девственный лес, сбалансированный до 99,99%. Человек, занимаясь культурным лесопользованием, обрывает этот процесс, производя рубки каждые 50 лет, когда подрастают искусственно посаженные ценные породы деревьев. При этом разомкнутость круговорота остается и такой лес не может выполнять свою стабилизирующую функцию. Необходимо рубить не чаще, чем раз в 300 лет.

Совсем недавно, когда начали бить в набат по поводу уничтожения тропических лесов, их называли «легкими планеты», так как они дают наибольшую продукцию кислорода. Но вскоре стало ясно, что другим регионам планеты они в этом смысле ничего не дают, ибо весь произведенный кислород они сами же и потребляют на разложение растительных остатков. Тропический дождевой лес - замкнутая экосистема. Однако именно поэтому роль его в жизни биосферы огромна - он является стабилизатором состава атмосферы, реагируя должным образом на вызванные разными факторами отклонения. Недавно было подтверждено точными измерениями, что дождевой тропический лес в бассейне Амазонки отреагировал на повышение концентрации СО2 в атмосфере сдвигом баланса в пользу преимущественного поглощения этого газа. Но в масштабах планеты вклад оставшихся к настоящему времени как тропических так и северных лесов совершенно недостаточен.

Вообще стабильность биосферы возможна лишь если человеком используется не более 1% продукции биосферы. Остальные 99% должны работать на стабилизацию природной среды в замкнутых, не дающих ничего «на рынок» циклах. Это необходимая плата, своеобразный природный налог ради стабильности.

Что же делать человеку? Если оставить 99% биосферы в естественном состоянии, нынешнее население Земли не прокормить. Выход можно искать в двух направлениях, причем гарантированный результат, повидимому, может дать все-таки только одно.

Первое направление: направить максимум средств и усилий на создание искусственной среды обитания, оставив лишь цепь заповедников для сохранения (на сколько это будет возможно) генофонда - не для стабилизации среды. Это, по существу, продолжение нынешней стратегии развития, только с огромным увеличением усилий, направленных на искусственную стабилизацию окружающей среды. Если объединить усилия всех стран и при этом ликвидировать всю военную промышленность, а высвободившиеся средства направить полностью на программу стабилизации, то не исключено, что можно будет достичь успеха. Однако все равно, даже если ее удастся осуществить (что не гарантировано), по эффективности и надежности такая искусственная система будет значительно уступать естественной и все равно потребует стабилизации численности населения.

Второй выход: перевести 99% биосферы в естественное состояние. Этот путь гарантирует максимум надежности, но потребует сокращения населения примерно в 10 раз и почти полного отказа от использования невозобновимых органических энергоресурсов.

В любом случае требуются фундаментальная смена самого принципа развития цивилизации - замена экстенсивного пути интенсивным. В каждом биологическом виде заложена тенденция неограниченного экстенсивного развития. В дочеловеческой биосфере взаимодействие различных видов при огромном их разнообразии ограничивало возможности каждого и стабилизировало систему в целом. Отдельные флуктуации вроде безудержного размножения саранчи быстро гасились - размножившаяся популяция уничтожала все вокруг себя и погибала сама. Опустошенная территория восстанавливалась, так как вокруг было достаточно территорий нетронутых. Человек как биологический вид сохранил исходную тенденцию к экстенсивному развитию и в тоже время выделился из природы и приобрел небывалое могущество благодаря разуму. Это дало ему способность в отличие от саранчи опустошить не ограниченную территорию, а всю планету, причем опустошить необратимо. Погубив себя, человек способен утащить с собой в могилу и всю высокоорганизованную жизнь. Спасти его может только тот же разум, который дал ему силу все погубить. Однако думать надо очень быстро.

Как же обстоит дело в мире ? Сейчас осознание ограниченности ресурсов Земли и близости экологической катастрофы происходит уже во всем мире, но делается для ее предотвращения крайне мало. Тем не менее положительные тенденции есть. Темпы роста народонаселения сокращаются быстрее, чем предполагали эксперты еще совсем недавно, причем они сокращаются не только в развитых странах, где это началось уже давно, но и в развивающихся. Это связано, прежде всего, с урбанизацией и изменением образа жизни и отчасти с пропагандой и административными мерами (Китай). С середины 90-х годов начали уменьшаться не только темпы, но и величина абсолютного прироста.

Огромный источник нестабильности в мире - неравномерность развития отдельных стран. Разница в богатстве и качестве жизни между основными развитыми странами и остальным миром увеличивается. Сейчас стоимость валового национального продукта, приходящегося на душу населения, в первой по этому показателю стране мира - Швейцарии - и в последней - Мозамбике различается почти в 500 раз. В беднейших странах население растет наиболее быстро, а производство (в том числе и продуктов питания) практически не растет вообще. Абсолютная нищета, постоянная жизнь на грани голода заставляет эти страны хищнически губить свою природу, чтобы как-то выжить сейчас. Они производят очень мало по сравнению с развитыми странами, но ущерб, наносимый ими природе, из-за примитивного способа хозяйствования соизмерим с ущербом, наносимым развитыми странами. В этом им сильно помогают сами развитые страны, организуя на чужой территории вредные и опасные производства без необходимых жестких мер защиты, которые требуются в своей стране.

Все должны понять, что наш мир един, и биосфера Земли - это единое целое, единый организм. Невозможно обеспечить экологическое благополучие ни в одной стране, ни в отдельной группе стран. Все развитые страны должны понять, что повысить качество жизни, образовательный уровень и прочие показатели развивающихся стран (лучше их называть просто бедными, так как с развитием у большинства из них, мягко говоря, плохо) до уровня стран развитых необходимо не только ради самих этих бедняков, но ради всей Земли, в том числе и ради населения самых благополучных стран. На это должны быть направлены усилия и средства как минимум такие же, какие тратятся сейчас во всем мире на военные цели.

Об этом впрямую сказано уже на двух международных конгрессах, посвященных проблеме «устойчивого развития», под идеей подписались представители большей части стран мира, но до практического ее воплощения еще далеко. Для этого нужно реальное объединение усилий, международные законы и некое мировое правительство с полномочиями существенно большими, чем те, которые сейчас имеет ООН. И богатые страны должны полностью осознать, что именно им придется вложить в это дело значительную часть своего дохода, ибо больше некому.

Задача перехода к «устойчивому», то есть не экстенсивному, не количественному, а качественному развитию весьма трудна. И главное в том, что у человечества осталось слишком мало времени и возможностей для маневра. Для реального объединения усилий всего населения Земли необходимо выровнять образовательный и жизненный уровень всех стран. Это потребует огромных затрат от богатых стран и значит напряжения их хозяйственного механизма. В то же время уже сейчас необходимо ограничивать потребление энергии, уменьшать вредные помышленные выбросы, переходить к более экономным и, естественно, более дорогим технологиям. Необходимо сбалансировать эти противоречивые требования.

Есть ли еще жизнь во Вселенной?

Этот вопрос начал волновать человека как только он осознал огромность мира и возможность существования других солнц и планет. Долгое время к нему подходили только с философских мировоззренческих позиций. Исключительность земной жизни и человека, созданного по образу и подобию божьему, утверждала христианская церковь. Множественность обитаемых миров, как противовес этой божественной исключительности утверждали противники монотеистической религии. Говоривший о жизни на других мирах Джордано Бруно был в 1600 году сожжен святой инквизицией за ересь. Еще раньше о существовании других миров, полностью подобных нашей Земле с ее жизнью, говорили античные философы. Однако, все утверждения опирались только на общие философские соображения, никаких доказательств (кроме святого писания у церковников) ни у одной из сторон не было.

После изобретения телескопа, когда прямые наблюдения показали, что поверхность Луны, а потом и Марса имеет сходство с поверхностью Земли, представления о возможности жизни на этих планетах получили дополнительную опору. Стало широко распространяться мнение, что жизнь должна быть на всех планетах и даже на Солнце. Но это тоже были домыслы «из общих соображений». Настоящий научный подход к проблеме распространенности жизни во Вселенной стал возможным лишь во второй половине XX века, когда была получена достоверная информация о строении и эволюции галактик, звезд и планетных систем, с одной стороны, и о сущности и истории развития жизни на Земле - с другой.

До сих пор не имеется экспериментальных свидетельств существования жизни где-либо кроме Земли. Поэтому мы можем заниматься лишь теоретической оценкой возможности возникновения и вероятной распространенности жизни. Особо стоит вопрос о возникновении не просто жизни, а разумной жизни. Задача разбивается на две: 1) существует ли жизнь на других планетах солнечной системы? На этот вопрос ответ будет дан в ближайшее время путем прямой экспериментальной проверки; 2) существует ли жизнь еще где-либо во Вселенной и как широко она распространена?

Современная наука может указать набор условий, необходимых для возникновения жизни. (Мы здесь говорим о земной белковой жизни. В принципе можно допустить возникновение жизни и на другой материальной основе (хотя это мало вероятно), но самые общие условия, нужные для ее возникновения должны быть примерно теми же). Эти условия следующие.

Во-первых, необходимо присутствие достаточно полного набора химических элементов в достаточных количествах - иначе не могут быть построены сложные молекулы нужные для осуществления функций живого организма. Следовательно, жизнь может возникнуть только на планете у звезды как минимум второго поколения из вещества обогащенного элементами тяжелее гелия.

Во-вторых, необходима высокая стабильность условий с умеренными температурами на значительном промежутке времени. Особенно это существенно для возникновения достаточно сложной жизни, не говоря уже о разумной. Судя по тому, что мы видим на Земле, время эволюции от момента зарождения жизни до появления многоклеточных по сложности равных моллюскам составляет по крайней мере 3 миллиарда лет. В течение этого времени не должно было быть ни повышений среднегодовой температуры до величин, близких к температуре кипения воды, ни длительных понижений до температуры ее замерзания. Такие условия могут быть только вблизи одиночных звезд с массой, не сильно отличающейся от массы Солнца: у заметно более массивных звезд период стабильности слишком короток и от них идет слишком мощный поток жесткой радиации, разрушающей сложные молекулы; у маломассивных звезд наблюдаются очень большие пульсации светимости. У двойных звезд планеты не могут иметь стабильных орбит. Стабильная сама по себе звезда типа Солнца должна находиться в спокойной, не слишком густо населенной области галактики - вдали от ее активного центра, вдали от областей современного звездообразования, и т. д.

В-третьих, необходимо существование жидкой среды, для осуществления реакций обмена веществ, сборки сложных молекул. Такой жидкой средой на Земле является вода. Некоторые исследователи допускают, что в других условиях такой средой может быть аммиак.

Удовлетворяющих всем необходимым условиям звезд не так уж много. Неизвестно какая часть из них имеют планеты. Прямыми наблюдениями пока не обнаружено планет ни у одной звезды кроме Солнца, хотя из теоретических соображений их можно ожидать у большинства одиночных звезд. Однако, остается неясным какова вероятность наличия не просто планет, а планет земного типа.

Для стабильности условий возле стабильной звезды нужно, чтобы и планета находилась на стабильной, близкой к круговой, расположенной на подходящем расстоянии орбите. Всем этим условиям в Солнечной системе отвечает в полной мере только Земля. В какой-то мере приближается к этому Марс. Целый ряд деталей его поверхности говорит о возможном сравнительно недавнем существовании на его поверхности текучей воды. Первоначально Марс, повидимому, имел и более плотную чем сейчас, близкую по плотности к земной, атмосферу. Условия для возникновения жизни в свое время были, а, раз возникнув, жизнь могла постепенно адаптироваться и к нынешним суровейшим условиям. Вопрос о жизни на Марсе пока еще не закрыт.

На поверхности Венеры температура 450 градусов Цельсия не допускает возникновения жизни, но на высоте в несколько десятков километров в ее атмосфере условия соответствуют земным, и можно допустить возникновение плавающих в воздухе микроорганизмов.

Один из галлилеевых спутников Юпитера - Европа - сплошь покрыт панцирем льда. На этом льду видны трещины разломы и другие следы деформаций, говорящие в пользу его подвижности и возможного существования подледного океана, подогреваемого внутрипланетным теплом. В таком океане возможна жизнь вблизи глубинных термальных выходов, подобная той, что имеет место у таких выходов на дне земных океанов. В 2003 году национальное космическое агентство США планирует запуск космического аппарата для радиолокационного зондирования Европы. В случае обнаружения подледного океана будет запущен аппарат со специальной буровой установкой для взятия проб воды на предмет анализа и обнаружения возможной жизни.

Существование планетных систем у других звезд, как мы уже говорили выше, весьма вероятно, хотя пока нет возможности получить прямые наблюдательные свидетельства. Из общих теоретических соображений можно предположить существование миллиардов планетных систем в Галактике, и в них, по крайней мере, нескольких миллионов планет с условиями, подходящими для возникновения жизни земного типа. Какова вероятность возникновения жизни при наличии подходящих условий мы не знаем, но хочется думать, что она возникла не на одной Земле.

Все эти возможности касаются только простейшей жизни. Для перехода к разумной жизни, повидимому, нужны существенно более жесткие требования. Кроме того, нельзя с уверенностью сказать, что разумная жизнь должна быть обязательной закономерной стадией развития. Возможно это редчайший, может быть единственный осуществившийся вариант. И в то же время разумная жизнь с большой вероятностью может проявить себя в космических масштабах таким образом, чтобы ее можно было обнаружить на космических расстояниях. Над этой проблемой уже немало потрудились теоретики и принимался ряд практических попыток обнаружения признаков разумной жизни во Вселенной, прежде всего - поиск радиосигналов искусственного происхождения (программа SETI).

Но пока свидетельств о том, что где-то еще во Вселенной есть братья по разуму, мы не имеем. И более того, теретические оценки возможной распространенности жизни во Вселенной по мере углубления наших знаний дают все меньшие и меньшие величины. Если в начале семидесятых годов эксперты оценивали расстояние до ближайшей, существующей одновременно с нами цивилизации в 1000 световых лет, то в начале восьмидесятых уже в 10000, а сейчас большинство склоняется к тому, что мы единственная цивилизация по крайней мере в нашей Галактике.

Сценарии дальнейшей эволюции Вселенной.

Итак, в настоящий момент Вселенная расширяется, ее вещество разлетается, наиболее далекие объекты, видимые в крупнейшие телескопы, удаляются от нас со скоростями, превышающими три четверти скорости света. Процесс расширения и рассеяния первоначальной огромной тепловой энергии привел к структурированию материи. Сейчас эволюция материи идет в направлении все большего местного усложнения диссипативных структур. По крайней мере в одной точке Вселенной - на нашей планете - появилась жизнь, которая продолжает усложняться. Усложняются как организмы так и биоценозы, разумная жизнь строит все усложняющиеся искусственные системы. Возможно, существуют и другие такие «точки роста» сложности, можно предположить появление каких-то связей между ними. Возникает вопрос: до чего же этот процесс может дойти? Что ожидает нас и всю нашу Вселенную вообще где-то в бесконечно отдаленном будущем?