Экология. Учебник. Н.И. Николайкин. Технические науки и по специальностям в области 650000 Техника и технологии е издание, стереотипное москва 2004
 Скачать 4.61 Mb.
|
271 ное магнитное поле, и под действием силы Лоренца изменяется направление их движения. В целом движение становится колебательным по спиральной траектории вдоль силовых линий магнитного поля из Северного в Южное полушарие и обратно. В зависимости от энергии и величины заряда частицы совершают полный оборот вокруг Земли за время от нескольких минут до суток. Исследование космоса показывает, что магнетизм Земли — явление уникальное. На Луне ив ее окрестностях не обнаружено усиления магнитного поля по сравнению с окружающим ее пространством. На Марсе и Венере магнитное поле соответственно в тысячи и десятки тысяч раз слабее земного. Юпитер и Сатурн обладают протяженными магнитосферами. В соответствии с современной теорией существование и форма магнитосферы Земли определяются ее внутренним строением, значительно отличающимся от строения иных планет. В процессе эволюции нашей планеты происходило постепенное изменение (уменьшение) скорости вращения, при этом различные ее слои, имея разную плотность, тормозились по-разному. Проскальзывание менее плотного слоя мантии поболее плотному ядру привело к образованию своеобразного природного генератора, создающего с тех пор магнитное поле Земли. Поскольку скорость вращения планеты вначале была большей, то геомагнитное поле тогда было более мощным, чем в наши дни. Так, в пермский период годна Земле имела в девонский — 430 сут. Жизнь тесно связана с электромагнитными явлениями и без них невозможна. Считается, что без магнитного поля жизнь на Земле вообще не развивалась бы, без солнечной энергии, воды или некоторых химических элементов. Возникающие время от времени геомагнитные возмущения влияют на физико-химические процессы и через них — на направленность биохимических реакций. Во многих случаях магнитное поле определяет и поведение живых существ. Установлено, что дикие животные избегают линий электропередач высокого напряжения, а олени и серны отказываются есть корм из кормушек, расположенных подними даже в самые суровые периоды бескормицы. Для человека неблагоприятно резкое изменение характера воздействия магнитного поля, в частности, связанное с быстрым перемещением из одной точки планеты в другую, и особенно если это перемещение происходит с запада на восток. 272 Глава 7. БИОСФЕРА Изменения в геомагнитном поле обусловлены в основном солнечной активностью. Когда на Солнце происходит вспышка, тов сторону Земли вырывается поток солнечной плазмы. Проникая в магнитосферу, солнечный ветер резко повышает температуру частиц в верхних слоях атмосферы и способствует дополнительной ионизации, меняющей условия распространения радиоволн, возбуждающей свечения (наблюдаемые в виде полярных сияний) и магнитные бури. В годы активного Солнца плотность потока энергии солнечного ветра усиливается, граница радиационного пояса отодвигается и препятствие для космических лучей увеличивается. Радиационный пояс Земли представляет серьезную опасность для экипажей космических кораблей при длительных полетах в околоземном пространстве, а также выводит из строя оптические приборы и солнечные батареи. Наряду с закономерным изменением характеристик магнитного поля поземной поверхности имеют место глобальные, региональные и локальные особенности или аномалии, некоторые из которых используют в качестве поисковых признаков полезных ископаемых, прежде всего железной руды. Развитие науки и техники ведет к появлению разнообразных мощных искусственных электромагнитных полей и значительному локальному нарушению естественного магнитного поля планеты. Наличие глобального влияния антропогенной деятельности на магнитосферу пока не установлено. 7.3. Живое вещество биосферы Живое вещество — краеугольный камень учения о биосфере В. И. Вернадского, который акцентировал внимание на биогеохимической специфике этого образования следующим образом наземной поверхности нет химической силы более постоянно действующей, а потому более могущественной по своим конечным последствиям, чем живые организмы, взятые в целом. В настоящее время описано около 300 тыс. видов растений и более 1,5 млн видов животных. Из них 93% представлено сухопутными, а 7% — водными видами животных. Суммарная биомасса организмов сухопутных видов образована на 99,2% зелеными растениями (2,4 • 10 1 2 тина животными 7.3. Живое вещество биосферы 273 и микроорганизмами (0,2 • 1 0 1 1 т. В океане, напротив, растения составляют 6,3% (0,2 • 10 9 та животные и микроорганизмы — 93,7% (0,3 • 1 0 1 0 т) совокупной биомассы. Несмотря на то что океан покрывает более 70% поверхности планеты, в нем содержится лишь 0,13% биомассы всех живых существ, обитающих на Земле. Расчеты специалистов показали, что растения составляют около 2 1 % всех учтенных видов. Однако на их долю приходится более 99% биомассы, тогда как на долю животных — менее 1% биомассы. Среди животных 96% видов составляют беспозвоночные и только 4% — позвоночные, среди которых млекопитающие составляют примерно 10%. Эти соотношения иллюстрируют фундаментальную закономерность, а именно — в биосфере количественно преобладают формы, имеющие низкое качество развития (достигшие в процессе эволюции относительно низких степеней морфофизиологического прогресса. 7 . 3 . 1 . Свойства и функции живого в биосфере Живое вещество характеризуется определенными свойствами • стремление заполнить собой все окружающее пространство — давление жизни по Н. Ф. Реймерсу. Способность быстрого освоения пространства связана как с интенсивным размножением (некоторые простейшие формы организмов могли бы освоить весь земной шар за несколько часов или дней при отсутствии факторов, ограничивающих их потенциальные возможности размножения, таки со способностью организмов интенсивно увеличивать поверхность своего тела или образуемых ими сообществ. Так, площадь листьев растений нага составляет 8—10 га и более • возможность произвольного перемещения в пространстве например, против течения воды, силы тяжести, ветра и т. п • наличие специфических химических соединений (белков, ферментов и др, устойчивых при жизни и быстро разлагающихся после смерти • исключительное разнообразие форм, размеров, составов, а также высокая способность адаптироваться кус ловиям существования, значительно превышающие 2 7 4 Глава 7. БИОСФЕРА контрасты в неживом (косном) веществе. Так, некоторые организмы существуют при температурах, близких к абсолютному нулю (-273 С, а другие — до +250 С, иные микроорганизмы встречаются в охлаждающих водах атомного реактора, в ледовых панцирях планеты, в бескислородной среде и т. д • феноменально высокая скорость протекания реакций на несколько порядков (в сотни, тысячи и даже миллионы раз) быстрее, чем в неживой природе планеты. Косвенно это свойство можно оценить по скорости переработки веществ организмами в процессе жизнедеятельности, например, у наиболее активных организмов — грунтоедов. Так, весь однометровый слой почвы планеты проходит через организмы дождевых червей (масса которых враз больше массы всего человечества) всего залет. Организмы с фильтрационным типом питания проводят колоссальную работу, очищая весь океан от взвеси каждые четыре года, а веслоногий рачок — эпишура за год процеживает воду озера Байкал трижды • высокая скорость обновления живого вещества — для биосферы в среднем она составляет 8 лет, причем для суши — 14 лета для океана, где преобладают организмы с коротким сроком жизни (например, планктон, — 33 дня. Таким образом, за всю историю существования жизни общая масса живого вещества, прошедшего через биосферу, примерно враз превышает массу Земли. Деятельность живого вещества в биосфере в определенной степени условно можно свести к нескольким основополагающим функциям, дополняющим представление о его преобразующей биосферно-геологической деятельности. В. И. Вернадский выделял девять функций газовую, кислородную, окислительную, кальциевую, восстановительную, концентрационную и др. Позже классификация была несколько видоизменена (часть функций объединена, часть переименована. Наиболее современной является классификация А. В. Лапо, по которой выделяют следующие функции энергетическую газовую окислительно-восстановительную; концентрационную деструктивную транспортную средообразующую; рассеивающую. Свойства живого вещества определяются большой концентрацией (большими запасами) энергии в нем. 7.3. Живое вещество биосферы 2 7 5 7.3.2. Физико-химическое единство живого При всем разнообразии живое вещество физико-хими чески едино, имеет одни и те же эволюционные корни. В природе нет такого вида, который бы реагировал на некое химическое или физическое воздействие качественно иначе, чем организмы других видов 1 Существует лишь количественная разница, например, в чувствительности организмов к у-излучению (табл. 7.13). Таблица 7.13 Величина поглощенной дозы у-излучения, при которой через 30 дней погибает 50% организмов Организм Овцы Козы Собаки Морские свинки Люди Обезьяны Крысы Поглощенная доза облучения, Гр" 200 350 250—400 400 400 250—600 700—900 Организм Мыши Птицы, рыбы Насекомые Змеи Улитки Амебы Растения Поглощенная доза облучения, Гр 600—1500 800—2000 10 000 20 000 20 000 100 000 1000—150 000 * Приведенные значения являются в определенной мере завышенными. Например, доза в 2 Гр убивает эмбрионы многих насекомых, доза в 50 Гр приводит к полному бесплодию этих животных, и только с 1000 Гр поглощенная доза становится смертельной для взрослых особей. Поглощенная доза ионизирующего излучения — это отношение средней энергии, переданной излучением веществу, находящемуся в элементарном объеме, к массе вещества в этом объеме. Единица измерения в системе СИ — грей (Гр 1 Гр = Дж/кг. 1 Стратегия химической борьбы с вредителями изначально основывалась на неверных исходных рассуждениях. Нет и не может быть пестицида, гибельного для вредителей полей и безвредного для человека. Поэтому с самого начала следовало искать быстро разлагающиеся ядохимикаты, которые бы не попадали в пищу человека и вообще минимально контактировали с людьми. 276 Глава 7. БИОСФЕРА Закон физико-химического единства живого вещества имеет важное практическое значение для человека. Из него следует • нет такого физического или химического агента (абиотического фактора, который был бы гибелен для одних организмов и абсолютно безвреден для других. Разница лишь количественная — одни организмы более чувствительны, другие менее, одни входе отбора быстрее приспосабливаются, а другие медленнее (приспособление идет входе естественного отбора, теза счет тех, что не смогли адаптироваться к новым условиям • количество живого вещества биосферы в пределах рассматриваемого геологического периода есть константа — таков закон константности количества живого вещества В. И. Вернадского. И действительно, согласно закону биогенной миграции атомов, живое вещество является посредником между Солнцем и Землей. Если бы количество живого вещества колебалось, то энергетическое состояние планеты было бы непостоянно. Такое за время эволюции жизни на Земле случалось, но очень редко • общее видовое разнообразие в биосфере есть константа — число нарождающихся видов в среднем равно числу вымирающих. Процесс вымирания видов был неизбежен из-за изменения условий жизни на планете. Причем вид никогда не исчезает в одиночку, он тянет за собой еще порядка 10 других видов, уходящих вместе с ним. На их место, согласно правилам экологического дублирования, приходят другие виды, особенно в управляющем звене экосистем — среди консументов. Поэтому вовсе геологические периоды массового вымирания организмов наблюдалось и бурное видообразование. 7.3.3. Биогеохимические циклы Живое вещество по массе составляет 0,01—0,02% откосного вещества биосферы, однако играет ведущую роль в биогеохимических процессах. Ежегодная продукция живого вещества в биосфере составляет 232,5 млрд т сухого органического вещества. Зато же время на планете фотосинтезируется 115*10 т сухого органического вещества и 123 • 10 9 т кислорода. Для этого требу 7.3. Живое вещество биосферы 277 ется, чтобы 1 7 0 - 1 0 т диоксида углерода прореагировало ст воды. В процесс вовлекаются 6 • 10 9 т азота, 2 • 10 9 т фосфора, а также такие элементы, как калий, кальций, сера, железо. Живое вещество является наиболее активным компонентом биосферы. Оно осуществляет гигантскую геохимическую работу, преобразовывая другие оболочки Земли в геологическом масштабе времени. Все химические элементы живой материи циркулируют в биосфере по характерным путям, переходя из внешней среды в организмы, а затем возвращаясь во внешнюю среду. Эти в большей или меньшей степени замкнутые пути называют биогеохимическими циклами (или круговоротами), причем «био» относится к живым организмам, а «гео» — к горным породам, воздуху и воде. Термин биогеохимия предложен академиком В. И. Вернадским. В каждом цикле различают две части или два фонда резервный фонд — большая масса медленно движущихся веществ, в основном небиологический компонент подвижный, или обменный, фонд — меньший, но более активный, для которого характерен быстрый обмен между организмами и их непосредственным окружением. Для биосферы в целом все биогеохимические круговороты делят на круговорот газообразных веществ с резервным фондом в атмосфере или гидросфере (океан) и осадочный цикл с резервным фондом в земле. На рис. 7.25 показана схема биогеохимического цикла в сочетании с упрощенной схемой однонаправленного потока энергии, приводящего круговорот вещества в движение. В природе, в отличие отданной схемы, элементы никогда не бывают распределены по экосистеме равномерно и не находятся всюду водной и той же химической форме. Резервный фонд (часть круговорота, физически или химически отделенная от организмов) обозначен как фонд элементов питания, а обменный фонд изображен в виде заштрихованного кольца, идущего от автотрофов к гетеротрофами затем возвращающегося к автотрофам. Наличие больших резервных фондов (в виде атмосферы или океана) в круговоротах углерода, кислорода и азота способствует быстрой саморегуляции соответствующих биогеохимических циклов при различных местных нарушениях. Так, избыток С 2 , образовавшийся из-за интенсивного горения, достаточно быстро рассеивается в атмосфере и, кроме того, усиленное образование диоксида углерода компенсируется увели 2 7 8 Глава 7. БИОСФЕРА Поглощенный свет Рис. 7.25. Схема биогеохимического круговорота (заштрихованное кольцо, совмещенная со схемой однонаправленного потока энергии по Ю. Одуму): Р — валовая продукция Р п — чистая первичная продукция, которая может быть потреблена гетеротрофами в данной экосистеме либо экспортирована, например, для нужд человека R — дыхание Р — вторичная продукция чением его потребления растениями или превращением в карбонаты в море. Поэтому считается, что круговороты веществ, включающие в себя большие атмосферные фонды, в глобальном масштабе хорошо зарезервированы или, по выражению Ю. Одума, хорошо забуферены», так каких способность приспосабливаться к изменениям велика. В результате саморегуляции по принципу обратной связи подобные биогеохимические циклы достаточно совершенны. Тем не менее саморегуляция даже при таком громадном резервном фонде, каким является атмосфера, имеет свои пределы. Осадочным циклам характерно, что основная масса вещества сосредоточена в относительно малоподвижном и малоактивном резервном фонде — в земной коре. Поэтому круговорот таких элементов, как фосфор или железо, значительно менее самоконтролируем и достаточно легко нарушается даже при небольших местных помехах. 7.4. Эволюция — история жизни 279 Антропогенное вмешательство в биосферные процессы порой так ускоряет движение многих веществ, что их круговоро ты становятся значительно менее совершенными или процесс теряет цикличность. Складываются различные противоестественные ситуации, например, в одних местах возникает недостаток каких-либо вещества в других — их избыток. В частности, добыча и переработка фосфатных пород ведется столь несовершенно, что вблизи шахт, карьеров и заводов создается сильное локальное загрязнение. Кроме того, в сельском хозяйстве используется все больше и больше фосфорных удобрений, а неизбежное попадание фосфатов в водоемы, за которым следует их эвтрофикация (см. разд. 6.4.2.5), никак не контролируется. При оценке влияния деятельности человека на биогеохимические циклы важное значение имеют сравнительные объемы резервных фондов. Изменениям подвергаются в первую очередь самые малообъемные фонды. Усилия по охране природных ресурсов в конечном счете должны быть направлены на то, чтобы превратить нецикличе ские процессы в циклические. В связи с этим основной целью должно быть возвращение веществ вкруг о ворот, обеспечивающее их повторное использование. 7.4. Эволюция — история жизни Существует множество разнообразных теорий происхождения Вселенной, Земли и жизни на ней. Их достоверность постоянно подвергается сомнению, они все время проверяются, совершенствуются, уточняются в соответствии с сегодняшними взглядами и последними достижениями науки. Среди воззрений возникновения Вселенной во второй половине XX в. были наиболее распространены гипотезы стационарного состояния — Вселенная существовала извечно большого взрыва (с последующим расширением, продолжающимся и ныне 1 Термин эволюция (от лат evolutio — развертывание) широко применяется в науке. Говорят об эволюции атомов, галактик, Земли, машин, общества, методов познания и многого другого, подразумевая последовательность изменения исходного состояния во времени, приводящее к возникновению чего-то нового. 280 Глава 7. БИОСФЕРА родилась водной из черных дыр создана Творцом. До сих пор наука не опровергла идею божественного сотворения Вселенной, а теология (от греч theos — боги учение) не отрицает возможность того, что современные черты жизни приобретены ей в процессе развития на основании законов природы. На почтовой марке, выпущенной в США в честь астронавтов, первыми ступившими на Луну, сделана надпись В основе всего Бог. Вера в Божественное начало мира не мешает американским ученым быть в группе лидеров мировой науки. На практике наука и религия не всегда взаимоисклю чают друг друга, о чем свидетельствует значительное число ученых, придерживающихся религиозных убеждений. Тем не менее ив начале третьего тысячелетия основы этих теорий остаются умозрительными, так как не удается в сколь- нибудь наглядном виде воспроизвести события, происходившие при возникновении жизни. Это относится как к научным, таки к теологическим (религиозным) построениям. Однако одна из теорий — это теория эволюции, она все больше и больше характеризуется как совокупность ряда научных гипотез, каждая из которых поддается проверке. 7 . 4 . 1 . Земля во Вселенной 7 . 4 . 1 . 1 . Вселенная Вселенной принято называть весь существующий материальный мир, безграничный во времени и пространстве и бесконечно разнообразный по формам, которые принимает материя в процессе своего развития. Часть Вселенной, доступная исследованиям астрономическими методами, соответствующими современным достижениям науки, называют Метагалактикой Она состоит из нескольких десятков миллиардов галактик — гигантских звездных систем, содержащих сотни миллиардов звезд. Галактика, к которой принадлежит Солнце, называется Млечный Путь Она содержит не менее 100 млрд звезд с общей массой около 10 1 1 масс Солнца межзвездное вещество — газ и пыль, масса которых составляет около 5% массы всех звезд космические лучи, магнитные поля, излучения (фотоны. 7.4. Эволюция — история жизни 281 Центр (ядро) нашей Галактики находится от Земли в направлении созвездия Стрельца. Пространство между галактиками представляет собой газ, который состоит из атомов, молекул, частиц пыли (-1% массы межзвездного вещества) и пронизывается быстрыми потоками элементарных частиц — космическими лучами и электромагнитным излучением преимущественно рентгеновского диапазона частот. Концентрация этого газа мала — в среднем около 100 атомов водорода на литр, но общая масса его во Вселенной огромна и сопоставима с суммарной массой всех галактик. Крупномасштабная структура Вселенной в соответствии с современными представлениями такова. Области повышенной концентрации галактики галактических систем чередуются в пространстве с обширными областями относительной пустоты, имеющими размеры в сотни миллионов световых лет. Звездное небо долгое время было для человека символом незыблемости и вечности. В Новое время люди узнали, что неподвижные звезды движутся, причем с огромными скоростями. В XX в. человечество осознало еще более странный факт — расстояния между звездными системами (галактиками, несвязанными друг с другом силами тяготения, постоянно увеличиваются. При этом вся Вселенная постоянно расширяется. Идея о расширении Вселенной из сверхплотного состояния была выдвинута в 1927 г. бельгийским астрономом Ж. Лемет- рома предположение о том, что первоначально вещество было очень горячим, высказано в 1946 г. русским ученым ГА. Гамовым (1904—1968), с 1934 г. жившими работавшим в США. Картина расширяющегося мира была предсказана теоретически еще до того, как была обнаружена наблюдениями. В 1922 г. российский ученый А. А. Фридман (1888—1925) показал, что болыпинство решений уравнений А. Эйнштейна для мира в целом — нестационарны, зависят от времени, что наиболее естественное следствие уравнений тяготения есть расширение либо сжатие Вселенной. Позже был установлен факт постоянного расширения. В 1929 г. американский астроном Э. Хаббл (1889—1953) наблюдениями доказал, что скорости движения удаленных галактик направлены от нас. Более того, чем дальше расположена галактика, тем быстрее она убегает. Закон Э. Хаббла гласит 282 Глава 7. БИОСФЕРА I I Скорости галактик пропорциональны расстояниям до I них. Самые далекие из обнаруженных галактик удаляются со скоростью, близкой к скорости света. К концу XX в. сформировалась и развилась научная теория возникновения Вселенной, объединившая научные достижения, полученные при разработке ряда гипотез, в том числе большого взрыва, стационарного состояния и рождения в черной дыре. Она разработана космологами на основе последних достижений физики и признана современным научным миром, включая Российскую академию наук (РАН. В этой сфере знаний никакие измышления неприемлемы, все космологические теории проверяются точнейшими астрономическими наблюдениями, а не подтвердившиеся экспериментом — отвергаются. В соответствии с выводами, сделанными на основании исследований математических моделей, описывающих основные свойства Вселенной и подтвержденных наблюдениями, картина ее образования и эволюции на ранней стадии представляется следующей 2 Вначале весь мир был сжат в точку размером 10 32 мм на 20 порядков меньше размера атомного ядра) и с плотностью 10 9 3 г/см 3 ; при этом полная масса материи составляла всего Юг. В середине х годов XX в. Э. Глиннер предположил, что это было так называемое вакуумное состояние материи, для которого характерно огромное отрицательное давление. По абсолютной величине оно равно плотности энергии, те. произведению плотности материи на квадрат скорости света, но со знаком минус. Модель отрицательного давления — это натяжение, существующее, например, в растянутой резине. Материя вместо притяжения, традиционного для нормальных условий, находясь в вакуумном состоянии, создает гравитационное отталкивание подобно тому, как между одноименными электрическими зарядами возникает электростатиче- 1 Космология — наука, занимающаяся проблемой происхождения Вселенной. 2 Картина ранней Вселенной излагается в соответствии с опубликованным текстом доклада, сделанного одним.из ведущих отечественных космологов чл.-корр. РАНИ. Д. Новиковым на заседании Президиума РАН в 2001 г. 7.4. Эволюция — история жизни 283 ское отталкивание. Это гравитационное отталкивание, по современным общепризнанным представлениями послужило причиной чрезвычайно мощного «первотолчка», ранее приписывавшегося большому взрыву. Через Юс после рождения Вселенной (рис. 7.26) вследствие «первотолчка» материя получила начальные скорости и Вселенная начала расширяться с постоянным ускорением, так как сила гравитационного отталкивания продолжала действовать. Экспоненциально быстрое расширение современными космологами названо инфляцией а соответствующий интервал времени — инфляционной стадией развития Вселенной. Объем Вселенной увеличивался, а плотность фактически не менялась, она уменьшалась чрезвычайно медленно. В результате масса материи во Вселенной возрастала, причем с новой массой рождалось новое тяготение этой массы. Рождающаяся отрицательная энергия гравитации компенсировала положительную энергию материи, ив сумме закон сохранения энергии соблюдался. Вакуумная материя (инфлантон) неустойчива, через ничтожно малый промежуток времени (10 3 с) она распалась квантовым образом и превратилась вгорячую плазму — обычную материю. Таков был квантовый процесс рождения нашей Сегодня Образование галактик Рекомбинация Синтез легких химических элементов Начало горячей Вселенной Конец инфляции Начало инфляции Рис. 7.26. Основные этапы истории горячей Вселенной с учетом периода инфляции (по И. Д. Новикову) 284 Глава 7. БИОСФЕРА горячей Вселенной. Через минуту сначала расширения температура горячей материи упала до 1 млрд К, начался синтез легких химических элементов. Первичный нуклеосинтез продолжался около 3 мин. За это время элементарные частицы уже достаточно долго удерживались друг около друга, что привело к синтезу ядра водорода, дейтерия, гелия, лития и бериллия. После взаимных превращений остались ядра водорода (около 80% масс, гелия до 20% масс) и остальные элементы в ничтожно малом количестве — около 0,01% всего вещества. Тяжелые химические элементы во Вселенной появились существенно позже в звездах. На ранней стадии расширения Вселенной ее характер полностью определялся излучением, так как плотность энергии излучения тогда была больше плотности энергии обычных частиц вещества. Начальный этап принято называть радиационной стадией эволюции Вселенной. Температура вещества и излучения на этой стадии были одинаковы. Однако в определенный момент (примерно через 300 тыс. лет после начала образования Вселенной и при температуре 3—4 тыс. К) все радикально изменилось. Радиационная стадия сменилась стадией вещества Этот переход принято называть рекомбинацией. После эпохи нуклеосинтеза образование Вселенной замедлилось, и до момента рекомбинации происходило спокойное расширение, при котором вещество Вселенной остыло доне скольких тысяч градусов Цельсия. По законам атомной физики при снижении температуры до таких значений начинается объединение (рекомбинация) электронов, бывших ранее свободными частицами, с протонами и ядрами гелия. На стадии развития Вселенной из элементарных частиц и ядер началось образование атомов стабильных газов, преимущественно водорода и гелия. С момента рекомбинации вещество начало эволюционировать самостоятельно, независимо от излучения. Сразу после рекомбинации оно было рассеяно во Вселенной практически равномерно. Не было ни звезд, ни галактик, ни иных космических объектов. Причиной дальнейших процессов объединения вещества явилась сила гравитации. Даже самые, казалось бы, незначительные различия в плотности вызывали различное притяжение. Вследствие этого более плотные образования постепенно становились еще более плотными, а области относительно пониженной плотности — все более разреженными. Та 7.4. Эволюция — история жизни 285 ким образом, изначально почти однородная среда стечением времени разделилась на отдельные облака, из которых через сотни миллионов лет после начала расширения сформировались первые звезды и галактики 1 Квантовый процесс рождения нашей Вселенной привел к разогреву вещества до очень больших температур. При расширении эта температура падала, ас ней изменялось и излучение, равномерно заполнившее всю Вселенную. Первичный свет (слабое электромагнитное излучение, называемое реликтовым излучением, существует и сегодня. Невидимое глазу, оно приходит со всех сторон и регистрируется современными телескопами. Это явление было открыто в 1965 г, тогда же установлено, что температура космического пространства в наше время равна 3 КВ рамках существующих математических моделей допустимо говорить о возрасте или времени жизни нашей Вселенной как о времени, прошедшем с момента существования бесконечно большой плотности. Естественный вопрос о том, что же было в эпоху самого начала, те. до инфляции Вселенной, пока не имеет ни теоретически, ни экспериментально подтвержденного ответа, однако существуют предварительные заключения. В самый начальный период эволюции промежуток времени менее 10 4 3 си размеры Вселенной менее 10 32 мм соответственно не могли быть непрерывным временем и непрерывным пространством. Пространство и время распадались на отдельные кванты, и все это, по выражению И. Д. Новикова, находилось в состоянии кипения вакуума при чрезвычайно большой его плотности — 1 0 9 3 г/см 3 . В этом состоянии пространство (его размерность и топология) менялись самым причудливым образом — квантовым. Вследствие квантовых флуктуации (от лат fluctuatio — колебание, случайное отклонение величины от ее среднего значения) в различные моменты времени кипящий вакуум случайным образом превращается в отдельные пузыри раздувающихся вселенных, каждая из которых подобна нашей Вселенной, однако, возможно, с иными физическими свойствами и иным развитием. Затем возможен коллапс отдельных пузы- 1 Достоверно установлено, что самые старые звезды различных галактик имеют практически одинаковый возраст — около 15 млрд лет. 2 В 1978 г. за это открытие была присуждена Нобелевская премия. 2 8 6 Глава 7. БИОСФЕРА рей, и они снова переходят в квантовое кипение. И даже без коллапса за громадные промежутки времени отдельные вселенные рано или поздно перейдут в квантовое состояние. Эта картина не имеет ни границ, ни пределов. Имеет место вечное кипение, вечное рождение новых вселенных и вечное их умирание. Следовательно, I I наша Вселенная вечна, она — один из пузырьков [ в Сверхвселенной, конца эволюции Вселенной нет. Такую картину мироздания дает нам современная космология, радикально меняющая существовавшую философскую концепцию. Из нее, в частности, следует, что наша Вселенная не одна, вселенных много. При этому человечества появляется возможность исследовать их не только умозрительно, но и экспериментально. С этой целью вначале в. планируется серия уникальных научных экспериментов, в том числе эксперимент Космологический ген, с использованием отечественного радиотелескопа РАТАН-600 с зеркалом диаметром 600 м, остающегося самым крупным в мире рефлекторным телескопом эксперимент Планк, предполагающий использование отечественного спутника, запуск которого планируется наг. После него должна быть точно установлена топология нашей Вселенной эксперимент в северокавказской обсерватории, призванный экспериментально подтвердить рекомбинацию Вселенной эксперименты НАСА, основанные на применении высотных баллонов, летающих в Антарктике и Арктике, где дуют широтные ветры. К сожалению, выйти заграницы нашего пузыря, нашей Вселенной для исследования других вселенных не косвенно расчетным путем, а непосредственно (экспериментально) даже в будущем невозможно. Дело в том, что границы каждого пузыря расширяются со скоростью, большей скорости света, те. границы нашей Вселенной удаляются быстрее любого сигнала, который человек может послать к ним. Современное знание о строении и эволюции Вселенной находится на этапе бурного роста, новых идей и важнейших открытий. Окончательных выводов наука еще не сделала, многое впереди. 7.4. Эволюция — история жизни 287 7.4.1.2. Звезды, Солнце Выбрасывание газа в пространство с поверхности звезд, особенно горячих и вспыхивающих как новые, происходило постоянно и происходит в наше время. Этот газ при благоприятных условиях может сгущаться в пылинки или подвергаться дальнейшим превращениям. Существуют облака пыли ига за, возникшие давным-давно и только что. В 1945—1947 гг. на основе исследований советскими учеными сделан вывод о том, что звезды имеют разный возраст, следовательно, они могут возникать ив наше время. Ближайшие к Земле области звез дообразования — это темные облака в созвездиях Тельца и Змееносца. Несколько дальше расположен огромный комплекс облаков в Орионе. Диапазон масс новорожденных звезд составляет от нескольких сотых долей до 100 масс Солнца, причем маленькие звезды рождаются чаще крупных. В нашей Галактике в среднем ежегодно рождается примерно десяток звезд различного размера с общей массой около пяти масс Солнцам Установлено, что нормальная плотность газа в межзвездном пространстве Галактики составляет примерно один атом водорода в 10 см, тогда как в подобных газопылевых облаках плотность достигает 10 000 атомов на тот же объем 1 Межзвездные облака обычно медленно вращаются и находятся в состоянии, близком к равновесию. Если же облако становится достаточно большими плотным, то оно неустойчиво преобладающей силой в нем становится тяготение, и облако начинает сжиматься. Теоретически показано, что сжатие под действием собственной массы начинается при массе облака, в 10—20 тыс. раз превышающей массу Солнца и плотности вещества облака более 20 атомов/см 3 Самопроизвольное гравитационное сжатие облака — гравитационный коллапс — приводит к образованию сгущения, включающего до 99% всей массы первичного облака и имеющего плотность вещества звезд. Одновременно растет температура, тепловое движение атомов ускоряется, при столкновении атомов появляется тенденция к их слиянию. Начинаются термоядерные реакции, в результате которых водород превращается в гелий и выделяется огромное количество теплоты. 1 При нормальных условиях в атмосфере Земли в 10 см содержится 2 , 7 - 1 0 2 0 атомов. 2 Не путать с медицинским значением термина коллапс, приведенным в разд. 1.3.1. 288 Глава 7. БИОСФЕРА По современным понятиям эволюция звезд протекает в два этапа. Сначала из дозвездного вещества, состоящего по массе на 3/4 из водорода и на 1/4 из гелия, образуются звезды первого поколения. Это массивные звезды с быстрым течением протонных реакций. После того как в центре звезды резко снижается содержание водорода, она сжимается, давление и температура в ней резко возрастают и начинает гореть гелий — возникает критический момент в истории звезды. Если масса звезды была достаточно большой, то реакции синтеза тяжелых ядер из ядер легких элементов происходят взрывообразно, те. вещество разогревается до температур в сотни миллионов градусов, при которых протекают энергетически невыгодные реакции синтеза тяжелых элементов, а сама звезда взрывается и вещество рассеивается во Вселенной. После взрыва звезды первого поколения вещество, обогащенное малыми примесями практически всех химических элементов, может снова под действием гравитационного притяжения собраться в звезды. Это и есть звезды второго поколения. К ним относится и наше Солнце. Взрыв звезды первого поколения, выбросившей вещество, из которого образовалась наша Солнечная система, произошел около 5 млрд лет назад. Большинство звезд нашей Галактики, как и Солнце, — звезды второго поколения. Однако во Вселенной имеются и водородно-гелиевые звезды, не успевшие еще в своем развитии дойти до взрыва взрыв звезды — событие редкое. Значительно чаще наблюдаются вспышки звезд. Так, иногда какая-нибудь малозаметная звезда внезапно, за недели, увеличивает свою светимость в миллионы рази становится очень яркой, после чего она медленно, за месяцы, возвращается к более или менее первоначальному состоянию. Такую звезду принято называть новой а само явление — вспышкой новой. Реже наблюдаются еще более грандиозные явления, называемые вспышками сверхновых звезд В нашей Галактике последние замеченные вспышки сверхновых звезд были зарегистрированы астрономами в 1054, 1572 и 1604 гг. (в указанные годы до Земли дошел свет от тех грандиозных событий. После взрыва сверхновой звезды светимость также быстро падает, но иона уже теряет прежний облик. На месте вспыхнувшей звезды остается быстро вращающаяся нейтронная звезда, пульсара остальное вещество с большой скоростью разлетается от него. 7.4. Эволюция — история жизни 289 Нейтронные звезды с диаметром всего около 10 км по своей массе близки к Солнцу, которое имеет диаметр 1400 тыс. км. Их гравитационное поле столь велико, что вдавливает электроны всех атомов в их ядра и протоны ядер превращаются в нейтроны. Однако считается, что нашему светилу такая перспектива не грозит. Солнце в общей структуре Вселенной принадлежит к галактике Млечный Путь — громадному скоплению звезд, видимому на небе как светлая туманная полоса. Наша Галактика имеет конечные размеры. Диаметр галактического диска составляет около 100 000 световых лет, толщина — 1000 световых лет. Внешне она напоминает чечевичное зерно с утолщением посередине. Из-за того что Солнечная система находится практически в плоскости Млечного Пути, заполненного материей, поглощающей излучения, очень многие детали строения Галактики скрыты от земного наблюдателя. Внешняя часть Галактики вращается очень медленно, а внутренний галактический диск — быстро, причем скорость его вращения неодинакова на разных расстояниях от центра. Она изменяется от нуля до 200—240 км/с. Масса диска — 150 млрд масс Солнца. В среднем химический состав звезд и газа в диске почти такой же, как у Солнца. Основной химический элемент в Галактике — водород. Другой, наиболее распространенный элемент, — это гелий, составляющий около одной четверти нашей Галактики. Одна из самых интересных областей Млечного Пути — ядро, для которого характерна очень высокая концентрация звезд. Расстояние между ними в десятки и сотни раз меньше, чем в окрестностях Солнца. В самом центре Галактики предполагается существование массивного компактного объекта — черной дыры массой около миллиона масс Солнца. Также там находится яркий радиоисточник Стрелец А. Наиболее заметными образованиями в диске нашей Галактики являются спиральные ветви (или рукава, из-за наличия которых она относится к спиральным галактикам (рис. 7.27). Вдоль рукавов в основном сосредоточены самые молодые звезды, многие звездные скопления и ассоциации, а также цепочки плотных облаков межзвездного газа, в которых продолжается образование новых звезд. В спиральных ветвях находится больше всего переменных и вспыхивающих звезд, где чаще всего наблюдаются взрывы сверхновых. В ветвях продолжается бурная жизнь, связанная с переходом вещества из меж Экология 2 9 0 Глава 7. БИОСФЕРА Рис. 7.27. Спиральная структура Галактики Млечный Путь 1 — главный рукав 2 — внутренний рукав 3 — промежуточный рукав 4 — внешний рукав • — оптические наблюдения • — радионаблюдения; кпк — килопарсек (1 пк = 3,26 световых лет 3,086 • 1 0 1 6 м) звездного пространства в звезды и обратно. Галактическое магнитное поле также сосредоточено преимущественно в рукавах. С одной стороны, в окрестностях Солнца удается проследить участки двух спиральных ветвей, каждая из которых удалена от нашей планеты примерно одинаково — на 3 тыс. световых лет. По созвездиям, где обнаружены эти участки, их называют рукавами Стрельца и Персея. С другой стороны, Солнце расположено на расстоянии 23—28 тыс. световых лет от ядра Галактики, те. посередине между центром и краем диска. Вместе со всеми близкими звездами Солнце вращается вокруг ее центра со скоростью 200—220 км/с, совершая один оборот примерно за 200 млн лет, теза время своего существования она обернулась вокруг центра Млечного Путине более 30 раз. 7.4. Эволюция — история жизни 291 По существующим закономерностям вращения спиральных ветвей с постоянной угловой скоростью (аналогично спицам колеса, а также движения звезд в Галактике почти все звезды то попадают внутрь рукавов, то выходят из них. Редкое исключение из этого правила представляют лишь звезды, находящиеся на коротационной окружности представляющей относительно наиболее спокойное место Галактики. Именно там и расположено Солнце. Для Земли последнее обстоятельство исключительно важно, ибо в рукавах происходят бурные процессы, порождающие мощное губительное для всего живого излучение, защитить от которого не смогла бы никакая атмосфера. Длительное время положение Солнца среди звезд считалось самым заурядными только теперь стало ясно, насколько оно привилегированное. Миллиарды лет Земляне испытывала катастрофического воздействия наиболее мощных космических катаклизмов, случавшихся за это время, что непременно следует учитывать при рассмотрении возможности существования жизни в иных частях нашей Галактики и Вселенной в целом. 7.4.1.3. Земля Исследования земных и лунных порода также вещества метеоритов показали, что в окружающей нас части Солнечной системы нет вещества старше 4,6 млрд лет, поэтому признано, что она (система) возникла около 5 млрд лет назад. Современные астрономы, геологии биологи пришли к выводу, что Земля образовалась из холодного газопылевого облака, и ее возраст составляет 4,5—5 млрд лет. В начальный период развития наша планета была мало похожа на свое современное состояние. Столкновения частиц газопылевого облака вызвали их нагрев, после чего начали проявляться процессы гравитационной дифференциации вещества. Тяжелее элементы опустились вниз и образовали ядро Земли, а легкие — поднимались. В определенный момент размеры Земли стали таковы, что газы, выделявшиеся на поверхности из ее недр, стали удерживаться и образовали атмосферу, состоявшую в те времена из воды, аммиака, диоксида углерода и метана. Первоначально огненно-жидкая Земля остывала, покрывалась коркой, которая коробилась по мере остывания недр и уменьшения их объема. В результате 4 млрд лет назад возникла твердая базальтовая оболочка (кора) и начался необратимый процесс ее развития. Горные породы, слагающие земную кору, образовывались в определенной последовательности, 292 Глава 7. БИОСФЕРА в результате чего планета приобрела сложную геологическую структуру. До тех пор пока температура Земли не снизилась до 100 Свода, вероятно, находилась в парообразном состоянии. Атмосфера, видимо, была восстановительной, что подтверждается на- ли [ием в самых древних горных породах Земли металлов в восстановленной форме, таких, как двухвалентное железо (Fe 2 + ). Подсчитано, что возникновение Земли из допланетного облака длилось примерно 100 млн лет. 7.4.1.4. Шкалы времени С момента образования Земля прошла необратимый путь развития и приобрела сложную геологическую структуру. Используя специальные геологические методы, ученые восстановили основные этапы эволюции Земли. Подлинную революцию в изучении истории Земли совершила наука палеонтология (от греч palaios — древний ontos — сущее logos — учение, изучающая вымерших животных и растения. Отмирая, они оставались в древних осадках, консервировались в них и превращались в окаменелости. Опираясь на результаты палеонтологических исследований, геологи подразделили всю толщу осадочных слоев земной коры наряд естественных серий, каждой из которых характерен свой определенный комплекс ископаемых окаменелостей. Для определения относительного возраста пород используют ископаемые останки не только животных, но и растений споры, пыльцу, отпечатки листьев. Наиболее характерные ископаемые организмы для определенного отрезка геологического времени называют руководящей фауной. Палеонтологический метод применим только к осадочным отложениям, так как в магматических и метаморфических породах ископаемые организмы не встречаются. Кроме того, этот метод не позволяет определить продолжительность эр и периодов в годах. Для того чтобы сравнить события в биосфере с событиями за ее пределами, нужна иная шкала — астрономическая или адекватная ей, которая может использоваться в качестве абсолютной шкалы. Поэтому, спустя 100 лет после разработки палеонтологического метода, было предложено определять время в годах с момента образования породы, пользуясь радиоизотопным методом. Радиоизотопные методы измерения промежутков времени в миллиарды лет основаны на том, что всегда и независимо от 7.4. Эволюция — история жизни 293 внешних условий число радиоактивных атомов (N t ) и масса изотопа убывают со временем по закону где N 0 — начальное количество изотопа t — время процесса Т 5 — период полураспада. Изотопы звездного происхождения с периодами полураспада влет в земной коре до наших дней не сохранились. Они стали вновь возникать только после 1945 г. как результат ядерных взрывов и управляемых ядерных реакций. Тем не менее в природе существуют изотопы с периодами полураспада, сравнимыми с возрастом Вселенной. К ним относятся изотопы урана, тория и калия, которые были свидетелями времен образования Солнечной системы. Среди многочисленных методов определения абсолютного возраста объекта наиболее распространены свинцово-ура- ноториевый, калий-аргоновый и рубидий-стронциевый. Так, свинцово-ураноториевый (или свинцовый) метод основан на использовании трех процессов радиоактивного распада 2 3 8 U -> 2 0 6 P b , 2 3 5 U -> 2 0 7 P b , 2 3 2 T h -> 2 0 Р Ь . Измерив в ура- ноториевом минерале содержание всех шести изотопов урана, тория и свинца, можно найти пять изотопных отношений 2 3 8 U / 2 3 5 U ; 2 0 6 P b / 2 3 8 U , 2 0 7 P b / 2 3 5 U ; 2 0 8 P b / 2 3 2 T h и 2 0 7 P b / 2 0 6 P b . Из 100 г урана за 74 млн лет образуется 1 г (1%) изотопа свинца ( 2 0 6 РЬ), накапливающегося в минералах. Первое отношение 2 3 8 U / 2 3 5 U во всех случаях составляет 137,7, и поэтому остальные четыре отношения позволяют получить четыре оценки возраста минерала. Когда все четыре отношения дают одинаковый возраст, результат признается достоверным. Точность этого метода самая высокая и оценивается в ± 5%. Свинцовый метод применяется ограниченно, поскольку урано- ториевые минералы встречаются в природе редко. Возраст более молодых пород (до 60 тыс. лет) определяют по содержанию радиоактивного изотопа углерода 1 С, который образуется в высоких слоях атмосферы под действием космических нейтронов. Период полураспада 1 С составляет 5730 лет. Измеряя содержание этого изотопа, можно определить, когда росло дерево, когда оно синтезировало органические соединения из атмосферного диоксида углерода. Учет изотопов кислорода, входящих в состав СаС0 3 , составляющего раковину моллюсков, позволяет определить даже температуру воды, в которой жил вымерший вид, и многое другое. 294 Глава 7. БИОСФЕРА 7.4.2. Эволюция биосферы Одной из центральных проблем биологии является природа жизни, ее происхождение, разнообразие живых существ и объединяющая их структурная и функциональная близость. Главными современными теориями возникновения жизни на Земле являются следующие сотворение Богом в определенное время самопроизвольное и неоднократное возникновение из неживого вещества изначальное существование, те. была всегда появление на планете извне возникновение в результате процессов, подчиняющихся химическими физическим законам (биохимическая эволюция. В основе биологической эволюции лежат уникальные процессы самовоспроизведения макромолекул и живых организмов, таящие в себе почти неограниченные возможности преобразования систем в ряду поколений. Применительно к живым организмам эволюцию определяют как развитие сложных организмов из предшествующих более простых организмов стечением времени. Биологическая эволюция — необратимое ив известной степени направленное историческое развитие живой природы, сопровождающееся изменением генетического состава популяций, формированием адаптации, образованием и вымиранием видов, преобразованиями биогеоценозов, крупных экосистем и биосферы в целом. Результатом биологической эволюции всегда является соответствие развивающейся живой системы условиям ее существования. Достижение этого соответствия сопряжено с преимущественным распространением одних и гибелью других дискретных биологических систем. Эволюция биосферы на протяжении большей части своей истории шла под влиянием двух главных факторов естественных геологических и климатических изменений на планете изменений видового состава и количества живых существ в процессе биологической эволюции. На современном этапе следует учитывать и третий фактор — развивающееся человеческое общество. |