"Возникновение и развитие жизни на Земле" - читать интересную книгу автора (Войткевич Георгий Витольдович)

Современная биосфера Земли и ее население

Живые организмы совместно со средой обитания, с которой они неразрывно связаны путем обмена веществ и энергетически, образуют особую оболочку Земли — биосферу. Современная биосфера нашей планеты со всем ее населением явилась результатом длительной эволюции живого вещества и изменения всей окружающей среды.

Представление о биосфере впервые было освещено в трудах знаменитого французского натуралиста Ж. Б. Ламарка (1744—1829). В геологические науки биосфера была включена по инициативе австрийского геолога Э. Зюсса (1834—1914). Однако грубокое учение о биосфере как качественно особой в энергетическом и геохимическом отношении оболочке Земли было развито в нашей стране выдающимся натуралистом В. И. Вернадским (1863—1945). В дальнейшем это учение пополнилось новыми идеями, разработанными А. П. Виноградовым, В. В. Ковальским, А. А. Полыновым, А. И. Пе-рельманом и другими, главным образом советскими, учеными.

Биосфера представляет собой сложнейшую организацию материи, в которой различные ее неорганические формы движения связаны с живым веществом. Миллионы видов организмов, существующих в биосфере, живут не сами по себе, а в закономерных ассоциациях многочисленных особей — биоценозах. По существу, зарождение первых живых организмов на нашей планете было появлением биоценозов. Иначе говоря, любая форма жизни связана с определенной средой, и, таким образом, проблема происхождения жизни есть проблема происхождения биосферы.

Для каждого организма обмен с внешней средой стал непременным условием его существования. По-видимому, всю биосферу нашей Земли следует понимать как ту часть ее материи, которая обменивается с живым веществом. По отношению к среде своего обитания все живые организмы подразделяются на автотрофные и гетеротрофные. К автотрофным организмам относятся те, источником питания которых служат неорганические минеральные вещества. Наиболее типичным процессом автотрофного питания является фотосинтез, когда с помощью солнечного луча создаются органические вещества из углекислого газа и воды окружающей среды. Для гетеротрофных организмов источник питания — готовые органические вещества. Нетрудно себе представить, что к автотрофным организмам относятся зеленые растения, а к гетеротрофным—животные. Однако следует отметить, что в биосфере существует небольшая часть микроорганизмов, сочетающих в себе автотрофный и гетеротрофный способы питания. Такую промежуточную форму организмов между растениями и животными представляют собой жгутиковые — эвглены, сохраняющие хлорофилл и обладающие автотрофным способом питания, а некоторые из них в зависимости от условий среды и освещения меняют автотрофный способ питания на гетеротрофный.

Большинство организмов современной биосферы относятся к аэробным, живущим в присутствии свободного кислорода атмосферы Земли; значительно меньшая часть, куда входят микроорганизмы,— к анаэробным, обитающим вне кислородной среды.

Живые организмы расселяются по условиям своего обитания в самых верхних слоях планеты: атмосфере, гидросфере, почве, осадочной оболочке — стратисфере. Организмы в биосфере образуют резко различные концентрации — от единичных бактерий и спор на кубометр атмосферного воздуха до мощных тропических лесов экваториального пояса планеты и следов жизни в пучинах Мирового океана.

Совокупность живых организмов образует единое целое — живое вещество планеты, ее биомассу. Общее количество биомассы и ее распределение между сушей и морем, по данным советских ученых Н. И. Базилевич, Л. Е. Родина и Н. Н. Розова, представлено в табл. 1. Нетрудно видеть, что биомасса организмов суши '(континентов) едва ли не в 800 раз превышает биомассу Мирового океана. Естественно заключить, что выход организмов на сушу в.. середине палеозойской эры привел к значительному увеличению всей биомассы Земли со всеми вытекающими биогеохимическими последствиями. В свое время В. И. Вернадский пришел к выводу о постоянстве биомассы в течение всей истории Земли. Однако этот вывод в настоящее время следует принимать весьма условно.

Поскольку условия для жизни в Мировом океане были наиболее благоприятными, можно считать, что гидросфера Земли отличалась постоянством биомассы на всем протяжении ее существования. В данном случае общее количество массы живого вещества определялось площадью поверхности Мирового океана — величиной, очевидно, изменчивой и зависящей от геологического развития земной коры.

Все организмы нашей планеты теснейшим образом связаны с водой. Как писал известный немецкий физиолог Р. Дюбуа (1818—1896), организм является одушевленной водой—eau animale. Для живого организма связанная вода, не теряющая своих основных свойств, является непременным составным компонентом. Количество ее в живых организмах, 3а исключением спор и инертных семян, колеблется от 60 до 99,7 % по весу. Вода играет огромную роль в жизнедеятельности организмов. У высших животных больше всего насыщены водой интенсивно функционирующие органы. Если в скелете 22% воды, в мышцах 76,6, то в сердце содержание воды повышается до 79,3, а в коре полушарий головного мозга достигает 83,3%. У молодых организмов в период интенсивного роста количество воды превышает 90%, а у взрослых падает до 50%. Из низкоорганизованных наиболее ярким примером являются медузы, количество воды в них 99,9% по весу. Но медузы — тела сложные, подвижные в морской среде. В то же в рем'' фауна моря более разнообразна по числу классов животных-, чем фауна суши.

Таким образом, эволюция основных классов я типов животного мира была тесно связана с водной средой обитания, что наложило свои отпечаток и на облик живущих ныне организмов.

В химическом отношении основу живого вещества составляет углерод, обладающий уникальной способностью создавать бесконечное множество разнообразных химических соединений. Любая форма живого организма состоит из сочетаний немногих химических элементов. Например, 96% массы человеческого тела составляют такие весьма распространенные в биосфере элементы, как Н, С, N, О. Остальные элементы входят в состав живых организмов в относительно небольших количествах, несмотря на исключительно важную роль некоторых из них в физиологических функциях. Можно считать, что все элементы таблицы Менделеева входят в состав живого вещества планеты, но в различных количествах. Общий характер распространенности химических элементов в живом веществе по степени их содержания показан в табл. 2.

Живые организмы обладают избирательной способностью использовать химические элементы из внешней среды в соответствии со своими физиологическими потребностями. Многие элементы входят в состав как органических, так и минеральных соединений живых существ, Их можно подразделить на главные структурные элементы (С, Н, N, О, Р, S, Na, К, F, Mg, Si, Ca) и элементы-биокатализаторы (Fe, Си, В, Mn, J). Наиболее важные химические элементы живых организмов называют биофильными. Комбинация их атомов дает многообразие молекул органических веществ.

Однако различные формы жизни состоят из довольно небольшого числа простых молекул, относящихся к мономерам. Наиболее важные мономеры — аминокислоты, образующие белки. Живое вещество биосферы состоит преимущественно из длинных молекул, имеющих вид цепочек. Цепочки связываются друг с другом и образуют полимеры, в которых определенные структуры повторяются с небольшими вариациями. В полимерах бывают кольцевые структуры и боковые ответвления, а сами цепочки иногда сворачиваются в специфические сложные структуры. Эти структуры позволяют некоторым белковым полимерам проявлять себя в качестве катализаторов, ускоряющих протекание химических реакций. Такого рода органические катализаторы называются ферментами. Многообразие органических химических соединений обусловлено образованием различных полимеров из мономеров и сочетанием полимеров друг с другом различными способами. Основу живого вещества составляют углеводы, жиры, вода и нуклеиновые кислоты (рис. 1).

Углеводы — весьма распространенные органические соединения. Они представляют собой наиболее простые соединения углерода, состоящие из С, О, Н в разных отношениях, обычно выражаемых общей формулой С_nН_2nО_n. К ним относятся моносахариды, например глюкоза и фруктоза (C₆H₁₂O₆). В тканях животных встречается наиболее сложный сахарид — гликоген. Одна его молекула состоит из 1 тыс. молекул моносахаридов. В составе растений очень важной является клетчатка (целлюлоза), из которой построены стенки растительных клеток.

Жиры — сложные органические соединения, состоящие из сочетаний различных жирных кислот. В молекулах жиров атомы углерода образуют цепи, соединенные с атомами водорода. Кислорода очень мало. Структурная формула одной из жирных кислот приведена на рис. 1.

Белки — исключительно сложные органические природные соединения. Кроме С, О, Н, они содержат N, иногда S. Молекула обычного белка состоит из нескольких сот мономеров — аминокислот. Каждый тип белка отличается от другого типа набором аминокислот и порядком расположения их молекул в пространстве. Из большого числа возможных аминокислот только 20 относительно широко распространены в живых организмах. Их состав представлен в табл. 3. Средняя молекула белка, Состоящая из 100 молекул аминокислот, может дать 20¹⁰⁰ комбинаций структур, что намного превышает число атомов в нашей Галактике. Однако большинство живых организмов синтезируют и используют менее 100 тыс. типов белковых молекул.

Организованные скопления органического вещества, способные к самовоспроизведению и представляющие собой единицы наследственности, называются генами. Они в общем построены из пуринов, пиримидинов, сахара и фосфатных ионов. Структурные формулы пурина и пиримидина даны на рис. 1.

Основное условие существования живых организмов — это способность к самовоспроизведению. Установлено, что во всех живых организмах процессом воспроизведения управляет один и тот же полимер — дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК). Молекулы ДНК совместно с близкими им молекулами рибонуклеиновой кислоты (РНК) снабжают организм информацией о том, как ему функционировать.

Молекулы ДНК хранят генетический код, сообщающий следующему поколению организмов, как поддерживать обмен веществ, расти и размножаться. Вся генетическая информация содержится в последовательности химических групп, которые располагаются внутри молекулы ДНК по всей ее длине. ДНК состоит из двух цепей молекулярных построек, которые обвивают друг друга, образуя замкнутую двойную спираль.

По данным генетики и молекулярной биологии, все живое на нашей планете (рыбы, птицы, растения и другие организмы) построено как бы по единому плану—из— сходных строительных блоков, сложенных из белков, нуклеиновых кислот, полиcахаридов и липидов. Набор химических элементов, образующих структуру клеток, в общем довольно ограничен и определяется главными биофильными элементами.

Поскольку большую часть геологического времени эволюция растений и животных протекала в морской воде, растворенные в ней химические элементы неизбежно вошли в состав этих организмов и повлияли на общий ход некоторых жизненных процессов. И в современную эпоху соотношение ряда элементов в составе некоторых животных как бы повторяет соотношение их в морской воде. Сравнение соответствующих отношений для ряда элементов с составом крови или мягкой части тела различных животных представлено в табл. 4.

Население биосферы Земли в морфологическом отношении чрезвычайно разнообразно. Размеры отдельных индивидуумов колеблются в чрезвычайно широких пределах. Среди растений мы встречаем бактерии, измеряемые микрометрами, гигантские водоросли (Macrocystts), достигающие 300 м длины, и эвкалипты высотой до 150 м. Среди животных известны мельчайшие инфузории (десятки микрометров) и гигантские синие киты длиной до 33 м.

Весь живой мир нашей планеты издавна подразделялся на животных и растения. Однако в настоящее время углубленное изучение структур клеточных организаций позволяет произвести более основательную и новую систематизацию.

Самыми низкоорганизованными живыми существами являются бактерии и синезеленые водоросли. Они отличаются от всех Других организмов отсутствием истинного ядра в клетке и особым положением ДНК, которая располагается в клетке свободно, не отделяясь от цитоплазмы ядерной мембраной. Эти организмы получили название прокариотов (Procaryota — доядерные). У всех остальных одноклеточных и многоклеточных организмов имеется настоящее ядро, окруженное мембраной и резко отграниченное от цитоплазмы. Такие организмы названы эукариотами (Eucaryota — ядерные). Кроме дифференцированного ядра и цитоплазмы, у части их представителей имеются митохондрии, а у многих — пластиды и сложные жгутики.

На рис. 2 показано строение одноклеточных представителей прокариот и эукариот. В табл. 5 отмечены главные особенности их организации. Оказывается, что различия между прокариотами и эукариотами гораздо более глубокие и существенные, чем, например, между высшими растениями и высшими животными (и те и другие эукариоты). Именно эукариоты подразделяются на два царства — растений и животных. Однако в настоящее время из царства растений исключают бактерии и сине-зеленые водоросли. В то же время наметилась четкая тенденция выделять грибы в качестве отдельного царства живых организмов. Большинство специалистов-микологов считают, что происхождение грибов от какой-то группы растений маловероятно. Значительно более вероятно происхождение грибов от гетеротрофных амебоидных двужгутиковых простейших. Близость грибов к животным подтверждается данными современной биохимии.

Учитывая вышеизложенное, можно считать, что органический мир биосферы состоит из четырех царств: доядерных (прокариот), животных, грибов и растений. Древнейшими в геологической истории были прокариоты, следы жизнедеятельности которых выявлены морфологи-чёски и биохимически в формациях докембрия. Главные черты генетических взаимоотношений между прокариотами, растениями, грибами и животными представлены на рис. 3.

Эукариоты представлены главным образом растениями и животными. Растения являются неподвижными организмами (у них нет собственных средств передвижения). Клетки их покрыты жесткой целлюлозой в виде оболочки, которая их защищает и не дает возможности свободно двигаться. Поэтому для накопления питательных веществ растительные клетки используют главным образом процесс фотосинтеза. Напротив, клетки животных имеют эластичную оболочку. Животные сами активно передвигаются в поисках лучших мест обитания и пищи, Следует, однако, отметить, что существуют морские формы животных (губки, кораллы, морские лилии), ведущие прикрепленный образ жизни и потребляющие пищу в виде микроорганизмов.

В способах питания и перемещения заключается основное различие между растениями и животными, которое оформилось еще в докембрийское время, когда биосфера была населена одноклеточными организмами. Численность видов животных примерно в 4 раза превышает таковую растительных организмов, т.е. животный мир нашей планеты более разнообразен, чем мир растений.

По числу видов первое место среди животных занимают насекомые. Этот наиболее многочисленный класс беспозвоночных насчитывает свыше 1 млн видов. Общее соотношение численности различных видов животных дано на рис. 4. Очевидно, что число видов насекомых резко превышает число видов любого класса живых организмов. Но, по заключению энтомологов, помимо учтенных видов насекомых, в пределах биосферы существует еще столько же неучтенных. Поскольку насекомые способны к быстрому размножению, очевидно, что они представляют собой мощный биологический и геохимический фактор. Ориентировочные расчеты показывают, что на нашей планете обитает минимум 108 млрд насекомых, т.е. на каждого человека на Земле приходится около 250 млн представителей этого класса.

Следующим по числу видов идут моллюски, но их значительно меньше, чем насекомых. Позвоночные животные по числу видов занимают третье место, а среди них наиболее развитый класс — млекопитающие составляют одну десятую часть. Примерно половина позвоночных приходится на долю рыб. Таким образом, если у членистоногих наиболее интенсивное образование видов происходило на суше, преимущественно среди насекомых, то у позвоночных наиболее благоприятные возможности для этого реализовывались в водной среде.

Рис. 3. Генетические взаимоотношения различных царств живых организмов. Одноклеточные прокариоты привели к образованию более сложных одноклеточных эукариот, от которых произошли все три царства многоклеточных: растения, грибы и животные

Рис. 4. Соотношение численности видов животных

1 — хордовые; 2—моллюски; 3 — членистоногие (а — насекомые, б — паукообразные, в — ракообразные); 4 — черви; 5 — одноклеточные; 6 — прочие

Среди растений более половины видов составляют покрытосеменные, которые возникли в недавнем геологическом прошлом в основном на поверхности суши. Их развитие теснейшим образом было связано с развитием насекомых, игравших роль опылителей. Среди млекопитающих наибольшее число видов приходится на долю грь1зунов. Они также были связаны в своем развитии с покрытосеменными растениями.

Органический мир суши в видовом отношении более разнообразен, чем органический мир водной среды. Если число видов сухопутных животных составляет 93%, то водных только 7%. Среди растений наблюдается аналогичное соотношение: 92% приходится на сухопутные формы и 8% на водные. Совершенно очевидно, что выход организмов на сушу открыл широкие возможности для их прогрессивной и ускоренной эволюции. Правда, этот процесс носил избирательный характер. Если не учитывать предков позвоночных животных, то можно полагать, что на суше обитало всего лишь шесть классов животных из трех типов. В то же время 60 классов, относящихся к остальным типам, продолжали существовать в море. Однако при такой ситуации число видов наземных организмов было значительно больше, чем морских.

В пределах всей биосферы Земли и ее составных частей нет существа, которое жило бы в полном одиночестве. Изменение в окружающей среде может резко нарушить равновесие между ею и экологической системой и определяет порой коренные перемены в этой системе.

Живые организмы характеризуются большим разнообразием в пределах суши и моря. Живое население моря распределяется на разных глубинах. Часть прибрежной зоны океана от берега до глубин 200 м называется шельфом. В зависимости от степени помутнения и наличия взвешенных частиц солнечный свет способен проникать на глубины от 80 до 200 м. Естественно, что в этой зоне могут существовать фотосинтезирующие растения, преимущественно водоросли, вырабатывающие большое количество питательных веществ, которыми питаются морские животные. Далее, к срединным областям океана, располагается континентальный склон и абиссальная зона, куда солнечный свет не доходит и где количество организмов резко уменьшается. В зависимости от места обитания и способов передвижения живое население моря распределяется на планктон, нектон и бентос.

Свободноплавающие, взвешенные в воде мелкие организмы составляют планктон, который разделяется на фитопланктон, состоящий из растений, и зоопланктон — из мелких морских животных. Активно передвигающиеся в воде животные образуют нектон. Самые крупные животные нектона — это киты, дельфины, акулы. К нектону относятся и костистые рыбы, питающиеся обильным планктоном. Живые организмы, населяющие морское дно преимущественно в области сублиторальной зоны, составляют бентос, который разделяется на прикрепленный (водоросли, губки, кораллы) и подвижный (моллюски, ракообразные, иглокожие и др.). В абиссальной зоне темных глубин океана встречаются некоторые бактерии и несколько видов плесневых грибов. Животные этой зоны питаются за счет остатков организмов планктона, опускающихся из освещенной зоны. По современным данным, нет таких глубин, где не могла бы существовать жизнь. Даже в самой глубокой впадине — Марианской (глубина 11 022 м) — удалось обнаружить и сфотографировать ракообразных и других животных. Распределение населения в море представлено на рис. 5.

На поверхности континентов различные экологические системы не всегда четко разграничиваются, и часто одна из них накладывается на другую. Наиболее выразительно проявляется зональный — широтный характер распределения растительности. Эти зоны в принципе повторяются в горных системах, где от подошвы до горных вершин происходит изменение растительных поясов от теплолюбивых форм до хвойных лесов, альпийских лугов и вечных снегов. От общего широтного характера распределения растительности имеются многочисленные отклонения. Часто распределение растительности зависит от изменений климата, вызванных близостью теплых морских течений, от положения, высоты местности и других факторов. Размещение животных в общем связано с растительными зонами, но при этом наиболее широкие пространства обитания имеют птицы, совершающие сезонные массовые перелеты.