Реферат: Основные моменты истории биосферы

Б. В. Поярков

История биосферы относится к тем фундаментальным знаниям, к которым можно подходить по-разному. Во-первых, рассматривать их как цель, постоянно расширяя область знаемого за счет сферы незнания. Во-вторых, подходить к этим фундаментальным знаниям, как средству построения новой деятельности. Последний подход лежит в основе выдвинутого В. Д. Шадриковым принципа фундирования знаний при преобразовании работы педагогических вузов. Именно с этих позиций автор и стремился рассмотреть историю биосферы, выбрать из этой обширнейшей области фундаментальных знаний то, что может помочь нам в построении деятельности, направленной на преодоление экологического кризиса.

Выполнению поставленной задачи способствовало то, что автор, будучи палеонтологом - стратиграфом по первой своей профессии, принимал в течение 25 лет непосредственное участие в исследованиях, связанных с познанием тех или иных сторон истории нашей планеты, т. е. непосредственно "изнутри" знаком с этой областью знаний. Систематизации накопленных данных помогло и то, что на протяжении ряда лет я читал курс "Историческая геология" на геофизическом факультете Дальневосточного государственного университета. Увидеть в истории биосферы те принципы, которыми важно руководствоваться при построении деятельности, мне помогло то, что последние 25 лет я занимался на Дальнем Востоке и в Ярославской области решением региональных проблем природопользования. Этот опыт моей второй профессии обобщен в двух спецкурсах ("Историко-социальные аспекты регионального природопользования" и "Экологическая безопасность и государственное управление"), которые я читаю уже несколько лет в Институте государственного и муниципального управления. Иными словами непосредственно сталкиваюсь с той деятельностью, для построения которой так необходимы результаты обобщения фундаментальных знаний по истории биосферы нашей Земли. Все это помогло мне выделить в истории биосферы те основные моменты, которые, с моей точки зрения, наиболее важны для построения деятельности в наши дни. Результаты такого анализа излагаются в данной статье.

В настоящее время на основе данных абсолютной геохронологии считают, что наша Земля как планета сформировалась 4,6 - 4,7 млрд. лет тому назад. В самом начале каменное тело планеты слагалось протопланетным веществом, близким по своему химическому и минеральному составу метеоритам. О степени однородности этого тела в те далекие времена нет единого мнения. Одни считают его гомогенным (однородным), другие и в их числе А. П. Виноградов (1967 и др.), предполагают, что ему были присущи первичные неоднородности. Очень рано обособилось ядро планеты и облегающая его мантия, в строении которой тоже допускаются первичные неоднородности. Внешние оболочки нашей планеты (земная кора, гидросфера, атмосфера) появились позже в результате дифференциации и дегазации первичного вещества мантии. В этих процессах существенную роль играл механизм, названный А. П. Виноградовым (1967) зонной плавкой. В результате зонной плавки вещества первичной мантии образовались легкоплавкие компоненты базальтового слоя земной коры, а летучие - сформировали первичную гидросферу и первичную атмосферу. На стыке этих трех оболочек возник внешний круговорот воды. Пространство, занятое этим внешним круговоротом воды, А. А. Григорьев назвал в 1932 г. географической оболочкой Земли.

Наличие в географической оболочке Земли воды в жидкой фазе предопределило возможность развития живых организмов. Наиболее древние остатки живых организмов, из известных нам, установлены в горных породах, которые сформировались примерно 3,5 - 3,9 млрд. лет тому назад. Эти окаменелые остатки древнейших живых организмов, названы микро-фоссилиями. Относятся они к цианобактериям. Принципиально важно, что и в метеоритах, возраст которых более 4,5 млрд. лет, нашли бактериоморфные формы весьма похожие на микрофоссилии цианобактерий (Заварзин, 1999 и др.). Эти данные свидетельствуют, что примитивные формы живых организмов были распространены во Вселенной и за пределами нашей планеты. Однако, те живые организмы, которые сейчас нас окружают, произошли в результате развития первичных форм жизни в земных условиях.

С появлением первых организмов в географической оболочке нашей планеты началось формирование биосферы, т. е. в географической оболочке обособилось пространство, осваиваемое живыми организмами. Постепенно биосфера (сфера жизни) будет расширять свои границы, пока не охватит всю географическую оболочку.

Цианобактерии относятся к прокариотам. Они в те далекие времена были основными продуцентами, т. е. теми, кто создает первичную массу органики из неорганических веществ в результате фотохимических и других реакций. Возможно, что в начале биогеохимические процессы в биосфере были не замкнуты. Однако ограниченность биогенных веществ в географической оболочке вынудило биоту создать замкнутые биогеохимические циклы. Так в те далекие времена неминуемо должны были появиться деструкторы, которые стали бы разлагать органическое вещество до исходных неорганических соединений, тем самым, решая вопрос с ресурсами для дальнейшего развития биоты. Этими деструкторами тоже были бактерии - органотрофы. Цианобактерии и бактерии органотрофы образовывали в экосистемах четко работающую трофическую систему, названную трофической пирамидой. "Трофическая сеть в анаэробных сообществах представляет согласованную систему не менее четкую, чем транспортная сеть в промышленном производстве (Заварзин, 1999, с. 101).

Цианобактерии существовали в водной среде в виде своеобразных матов, которые сформировали мощные карбонатные пласты построек строматолитов. Эти строматолиты широко развиты в протерозойских породах. Циаонобактерии оказались той группой организмов, которая прошла через всю историю Земли и сыграли значительную роль в формировании биосферу современного вида. Все началось с того, что побочным продуктом жизнедеятельности цианобактерий был кислород. Он из трофической системы стал поступать в океан, воды которого тогда имели иной, чем ныне, химический состав. В них было значительно более высокое содержание восстановителей (сероводорода и закисного железа). Благодаря поступающему кислороду эти восстановители окислялись, превращаясь в сульфаты и окислы железа.

Балансовые расчеты показали, что если исходить из массы органического углерода в осадочных породах, то этой массе должны были соответствовать не только масса кислорода в атмосфере, но кислород, входящий в состав сульфатов океанических вод и в окисные руды железа, так называемые железистые кварциты.

Именно такое биосферное происхождение имеют железные руды Курской магнитной аномалии, дающие сейчас нам лучшие руды для производства чистого железа.

Пока не были окислены запасы сероводорода и восстановленного железа в водах первичного океана, кислород из океана не поступал в атмосферу. Как только содержание кислорода достигла примерно 1% от современного, стало возможным жизнь аэробных организмов.

Первая из известных нам бифуркаций. Примерно 1 млрд. лет тому назад, в начале позднего протерозоя, произошла так называемая неопротерозойская революция. Ее можно считать первой из известных нам точкой бифуркации в развитии нашей планеты.

Понятие бифуркация в научный обиход введено теорией развития самоорганизующихся динамических систем. "Бифуркация - это некоторый протяженный во времени процесс кардинальной перестройки системы ... Его последствия практически непредсказуемы, поскольку память системы оказывается ослабленной, а роль случайных факторов резко усилена" (Моисеев, 1999, с. 5).

Эта кардинальная перестройка биосферы в неопротерозое связана с появлением одноклеточных организмов (протистов) с эукариотной клеткой довольно сложного строения, хотя первые эукариты появились значительно раньше, около 2 млрд. лет тому назад. Мы не знаем, почему появились эукариоты, но знаем, как они возникли. Появление их связано с образованием комбинаторных соединений различных бактерий с последующей интеграцией их в целостный организм (Заварзин, 1999). Возникали разные комбинаторные соединения бактерий, которые, в конечном счете, привели к появлению уже среди протистов двух основных типов клеток: один из них был назван растительный, а другой - животный. Из протистов (как растительных, так и животных) в начале произошли колониальные, а затем и многоклеточные растительные и животные организмы.

Среди животных это - "бесскелетная фауна венда, где вероятно существование колониально-симбиотических форм, наряду с детритофагами, фильтраторами, хищниками; ей предшествует флора макроводорослей - найдены крупные талломы с остатками бангиевых водорослей с достаточно сложным циклом (жизненным циклом развития - Б. П.). Условием развития многоклеточных служат хорошо понятый переход от колониальных форм к дифференцированным целостным организмам. Это системный переход, связанный не только с приобретением, но и с некоторой потерей способностей. Все переходы от колониального способа жизни к многоклеточности возможны только для эукариотов. Здесь в большей степени проявляется принцип "матрешки", когда на маленькую куклу одевается большая. Доминирующим становится процесс усложнения с последующей дифференциацией функций клеток внутри организма и формированием тканей, отличающих колонии от многоклеточных организмов. Эти изменения, безусловно, системны, поскольку сам организм есть система. Однако основу их составляет дифференциация изначально однородного материала" (Заварзин, 1999, с. 99 - 100). Остатки этой бесскелетной фауны венда известны из верхнего протерозоя Австралии, Алданского щита Сибири, на беломорском побережье Кольского полуострова.

Эта неопротерозойская революция происходила в океане, который по своему химическому составу резко отличался от первичного протоокеана и по господству в нем хлоридов и сульфатов начал приближаться к современному составу океанических вод. Атмосфера к позднему протерозою приобрела азотно-кислородный состав, хотя концентрации отдельных газов в ней отличались от современных. Такая новая для биосферы биогеохимическая среда к началу неопротерозойской революции была создана бактериальными сообществами. В этом впервые в истории Земли проявилась модифицирующая роль живого вещества. Побочный продукт жизнедеятельности цианобактерий - кислород - был с их точки зрения жутким загрязнением биосферы. Но именно биогенный кислород привел к модификации биогеохимических условий, к которым была вынуждена приспосабливаться биота. Вероятно, таким приспособлением и было появление эукариотов. С тех далеких времен в биоте началось преимущественно морфологическое развитие эукариот, которое привело к наблюдаемому сейчас биоразнообразию.

Необходимо подчеркнуть, что и создание трофической системы в бактериальных сообществах и появление в неопротерозое эукаритных одно - и многоклеточных организмов связано с реализацией принципа кооперации. Именно в соответствии с этим принципом на разных уровнях организации живого вещества возникли как клеточные и многоклеточные организмы, так и экосистемы.

Вторая бифуркация в развитии биосферы произошла 570 млн. лет тому назад, когда эукариота (растения и животные) освоили построение минерального скелета из карбоната кальция.

"Биоминерализация становится внутриклеточным процессом и не зависит от внешних условий. Образовавшийся скелет может растворяться или же захоронятся в виде биогенной известняковой породы. Созданной кокколитофоридами, фораминиферами - протистами, колониальными губками, коралловыми группировками или же моллюсками на очень широкой шкале биологической эволюции. Меняется и сопряженный с кальциевым цикл неорганического углерода. Этот цикл в свою очередь сопряжен с циклом органического углерода соотношением 1:1, поскольку осаждение карбоната из бикарбоната требует удаления из сферы реакции агрессивной углекислоты, как это происходит и сейчас в экосистеме кораллов или известковых водорослей" (Заварзин, 1999,с.99).

В результате изменился газовый состав атмосферы: в ней увеличилось содержание кислорода, а углекислого газа уменьшилось. Увеличение содержания кислорода примерно до 10 % от современного уровня его содержания привело к образованию озонового слоя. Это имело далеко идущие последствия: жесткое ультрафиолетовое излучение, губительное для биоты, стало задерживаться озоновым экраном и перестало доходить до дневной поверхности. Благодаря этому создались условия для выхода на сушу животных и растений. Так еще раз проявилась модифицирующая роль живого вещества в развитии биосферы.

Третья бифуркация в развитии биосферы произошла около 410-400 млн. лет тому назад, в конце силура, когда образовался наземный растительный покров, изменивший биогеохимические и геофизические циклы. "В конце силура - девоне началось формирование растительного покрова, когда фотосинтезирующая поверхность была вынесена в атмосферу из водной среды. Кульминация формирования растительного покрова достигла в карбоне (350 - 270 млн. лет тому назад -Б. П.). С тех пор наземная жизнь протекает в аэротопе - пространстве от почвы до верхушек деревьев - и в почве как корнеобитаемом слое. Вынос фотосинтезирующей поверхности в атмосферу происходил с образованием органического скелета стебля и с накоплением больших масс целлюлозы и лигнина. Эти соединения изменили количественные соотношения в наземном углеродном цикле. Изменился и атмосферный гидрологический цикл за счет появления эватранспирации (испарения воды наземной растительностью - Б. П.). Отсюда стал иным и процесс денудации. Растительный покров тесно связан с развитием грибного мицелия в почве, поэтому растительный покров следует рассматривать как растительно-грибную систему ... наличие грибов на поверхности континентов, как предварительное условие развития растительности чрезвычайно важно, так как обусловливает замыкание углеродного цикла потенциально мощным процессом деструкции, до того как появятся новые продуценты ... Деятельность животных связана, прежде всего, с биотурбацией, но в общих биогеохимических циклах они играют модифицирующую, а не определяющую роль. Вся биосфера этого типа существенно аэробна, исключая лишь относительно небольшие анаэробные карманы в амфибиальных ландшафтах, где происходило накопление углей - углеродный цикл был разорван. Таким образом, платформенные области (в смысле континентальные - Б. П.) стали играть существенно иную роль в экономике планеты" (Заварзин, 1999, с. 98).Об этом говорят и современные оценки источников поступления биогенного кислорода в атмосферу: примерно 50% кислорода дают морские растения и 50% наземная растительность (Физическая география мирового океан, 1979). Если учесть, что суша занимает всего лишь 1/3 поверхности нашей планеты, а моря и океаны 2/3, то процесс фотосинтеза на суше идет интенсивнее примерно в два раза.

Сформировавшийся в конце палеозоя химический состав морской воды, газовый состав атмосферы, а также строение трофической пирамиды, свойственной биоте, сохранились без особых принципиальных изменений до современности. Однако, ряд последовательных изменений, происшедших среди животного царства, привели к возможности новой перестройке биогеохимических циклов и связанной с ней новой бифуркации в развитии биосферы. Вот как выстраивает эти события Н. Н. Моисеев (1999).

К первому такому событию относится быстрое и массовое исчезновение в конце мелового периода (75 - 70 млн. лет тому назад) динозавров. Причины их вымирания до сих пор неясны. Однако, то, что динозавры сошли с арены жизни, открыло дорогу млекопитающим, которые были современниками динозавров, но на "иерархической лестнице жизни" занимали более низкую ступень.

Второе событие произошло в начале четвертичного периода в одной из групп млекопитающих благодаря резкому изменению климата. При наступившем похолодании предки человека австралопитеки были вытеснены из тропических лесов в савану. Их вытеснили более приспособленные для жизни в лесу человекообразные обезьяны. Вместо того чтобы погибнуть в опасной саванне, предок человека встал на задние лапы, освободил передние, научился использовать искусственные орудия и превратился из мирного вегетарианца в агрессивного хищника ... На заре палеолита на Земле существовало уже не просто умное животное - стал формироваться человек. Появился каменный топор, умение владеть огнем, навыки коллективной охоты" (Моисеев, 1999, с. 6). Однако, первое же техническое изобретение (каменный топор) показало, что у техники есть две стороны медали и ее применение губительно, если использование технического изобретения не будет сочетаться с тем, что в последствии (в ХХ веке) получило название "защиты от дураков". Наши предки, получив в руки топор, не только стали сильнейшими из хищников и, тем самым, вышли из состава биоценоза, но стали пускать его в дело без всяких ограничений, в том числе и в боях за самку. Отсюда и проломленные черепа молодых предков будущего человека, которые были обнаружены в конце сороковых - пятидесятых годах ХХ века супругами Лики и их последователями в Олдувайском ущелье (Кения). В развитии наших предков возникала тупиковая ситуация: каменный топор давал большие преимущества и вместе с тем неразумное его употребление (без разбора) ставило наших предков на грань исчезновения.

Третье событие как раз и связано с успешным разрешением с возникшей тупиковой ситуации. Как предполагает австрийский антрополог Лоренц, выход из тупика был найден благодаря возникновению в стадах наших предков табу "Не убий!"

"Умение найти нужный кремень, обработать его и превратить в топор требует совсем иных качеств личности, чем уменье использовать топор в драке. Найденные проломленные черепа, может быть, и принадлежали как раз тем умельцам, которые были способны делать топоры и передавать свои знания и навыки следующим поколениям. Табу "Не убий!" не было закодировано в генетической памяти. Оно утверждалось в рамках отбора на уровне отдельных родов, общин, племен и носило общественный характер, было основой формирования системы нравов" (Моисеев, 1999, с. 7). В этом предположении о зарождении морали опять таки проявляется принцип кооперации: наиболее жизнеспособными оказались те племена и общины, которые, учитывая индивидуальные различия соплеменников, сумели выделить и сохранить свою интеллектуальную элиту, усложнив на кооперативных началах структуру своего общественного устройства. Благодаря сохранению интеллектуальной элиты, наши предки смогли усовершенствовать технологию обработки камня и создать метательное оружие. "Эти обстоятельства имели катастрофические последствия: человек за относительно короткое время сделался абсолютным гегемоном, монополистом в животном мире и полностью использовал возможности новой техники. ... В результате он быстро извел крупных копытных - основу своего рациона и поставил свой биологический вид на грань голодного вымирания. Количество населения, судя по сопоставлению неолитических и палеолитических стоянок, сократилось во много раз" (Моисеев, 1999, с. 9). Вновь возникла перед нашими предками очередная тупиковая ситуация.

Четвертое событие связано с находками, которые помогли выйти из тупика. Человечество изобрело земледелие, т. е. научилось создавать искусственно разбалансированные агроценозы, с которых можно было снимать урожай для своего пропитания. Потом было изобретено скотоводство. Эти два новшества называли неолитической революцией. "В результате качественно изменился характер эволюции биосферы: возникла вторая природа, или техносфера, появились искусственные биогеохимические циклы, т. е. новый круговорот веществ в природа, ранее не существовавший ... рождение собственности и общества потребления, как неизбежного ее следствия, ... появлялись новые потребности, вернее, расширялись старые ... и, может быть, самый главный результат того относительно спокойного развития биосферы, который мы наблюдаем за последние 10 тыс. лет - постепенное утверждение Разума, как важнейшего элемента биосферы, важнейшего фактора ее развития (Моисеев, 1999, с. 8 - 9). Деятельность человека стала своеобразным усилителем в преобразовании энергии (Подолинский, 1991). Человечество, как верно и точно заметил В. И. Вернадский, постепенно превратилось в грозную геологическую силу планеты, которая подвела биосферу к глобальному экологическому кризису. Этот кризис обусловлен двумя обстоятельствами, имеющими фундаментальное значение. "Первое было впервые обозначено еще Мальтусом. Не очень существенно то, что англиканский пастор ошибся в своих расчетах, и что уменьшение производства пищи на душу населения в планетарном масштабе началось только на грани 70-ых и 80-ых годов нынешнего, а не XVIII столетия, как думал Мальтус. Аппетиты человека однажды превзойдут ресурсы беднеющей планеты. И не только в сфере производства пищи, но и любых других ресурсов, необходимых для жизнеобеспечения растущего человечества. Ко второму обстоятельству относится то, что антропогенная нагрузка на биосферу непрерывно растет, причем со все возрастающей скоростью, что грозит потерей устойчивости того квазиравновесия (или "устойчивого неравновесия" по Э Бауеру), в атракторе которого происходит развитие ....Homo sapiens. Индикаторами приближения к бифуркационному состоянию являются и неизбежное потепление климата, и утончение озонового слоя, и уменьшение биоразнообразия, и множество других фактов. Косвенным подтверждением предположения о возможной потери устойчивости служат и наши эксперименты по компьютерной имитации воздействия ядерной войны на состояние биосферы. После возмущений ядерными взрывами и пожарами биосфера примерно через год снова приходила в состояние равновесия, но качественно отличное от исходного. ... Одной мысли о том, что в борьбе за исчезающие ресурсы оскудевающей планеты будут участвовать не кроманьонцы с их каменными оружием, а государства, владеющие арсеналами ядерных боеприпасов, достаточно, чтобы почувствовать весь, мягко говоря, дискомфорт надвигающегося времени" (Моисеев, 1999, с. 9). На лицо новая тупиковая ситуация.

Суть ее заключается в следующем. Изложенное ранее свидетельствует, что в биосфере наблюдается постоянное усложнение круговоротов вещества. Первоначальные абиогенные круговороты воды и других элементов и соединений возникли одновременно с появлением географической оболочки. Собственно возникновение этих круговоротов и привело к обособлению в теле нашей планеты географической оболочки. Потом в эти неорганические круговороты были вынуждены вписаться биогеохимические циклы благодаря формированию трофической пирамиды. Только так ограниченным количеством биогенных элементов живое вещество могло пользоваться бесконечно долго (несколько миллиардов лет). Если бы живое вещество не приняло принцип круговорота, то биогенные элементы были бы израсходованы очень быстро (в течение нескольких десятков миллионов лет). После неолетической революции во все возрастающем темпе естественное начало заменяться искусственным в особо больших размерах благодаря развитию инженерии. Появившиеся новые технологические процессы, как правило, не были замкнуты в циклы и потому не вписывались в природные (неорганические и биогеохимические) процессы. Именно в не замкнутости технологических процессов кроется угроза истощения природных ресурсов и загрязнение окружающей природной среды во все возрастающем масштабе. Поэтому выход из возникшей тупиковой ситуации один единственный - надо принять "правила игры" биосферы, как более крупной и всеобъемлющей системы по сравнению с миром человека. Принять эти "правила игры" означает на основе энерго - и ресурсосберегающих технологий замкнуть технологические процессы в циклы и тем самым вписать технологические процессы в естественные круговороты вещества. Для осуществления этого на практике одних инженерных знаний мало: необходимы и существенные изменения в нравственной сфере. Аналогично тому, как в палеолите выход из тупиковой ситуации был найден благодаря введению табу. _Не убий!" Сейчас человечество перед угрозой глобальной экологической катастрофой, осознав возможность своего собственного исчезновения, должно ввести новое табу - "Не убий биосферу!" и на этой основе реализовать новую стратегию - переход к экологически безопасному и устойчивому развитию.

Рассмотренная выше реконструкция основных узловых моментов истории развития нашей планеты, как большой геосферно-биосферной системы, приводит к следующим выводам.

--> ЧИТАТЬ ПОЛНОСТЬЮ <--