Земля и её пассажиры

Природа сотворила это чудо, которое стало кирпичиком всего живого, а мы назвали ее клеткой.

У клетки имеются защита в форме наружной части оболочки – стенки, под которой располагается мембрана, обеспечивающая избирательное проникновение веществ из среды внутрь и вывод отходов. Клетка содержит следующие органеллы:

Митохондрия – энергетический отдел клетки.

Вполне возможно, что эта важная органелла клетки имеет свою историю, на некотором этапе вступившая с клеткой во взаимовыгодный симбиоз.

Аппарат Гольджи с функцией транспорта веществ и химической обработки поступающих клеточных продуктов.

Ядро – важнейшее образования в клетке, регулирующее ее жизнедеятельность. Именно ядро несет в себе генетическую (наследственную) информацию, хранимую в ДНК.В ядре непосредственно перед его делением происходит воспроизведение (репликация) ДНК.

РНК и особенно ДНК – нуклеиновые кислоты – хранители генетического кода, но собственно сохранение обеспечивается жизнедеятельностью клетки – микрозавода размерами в несколько микрон и массой такой незначительной, что в одном грамме содержится несколько миллиардов клеток.

Следует отметить высокую энергонапряженность процессов в клетке. Так, по параметру теплоотдачи на единицу массы клетка превосходит Солнце на несколько порядков (примерно в миллион раз). Перевес по отношению к крупным животным составляет около двух порядков.

Протекание процессов зарождения и жизнедеятельности клетки возможно в достаточно узком диапазоне температур и при наличии водного бульона, содержащего набор необходимых веществ. Здесь мы не рассматриваем специфические микроорганизмы, с которыми не связано возникновение жизни.

Предельная температура по фактору денатурацин белков (свертывание и потеря активности) составляет около 40 оС; оптимальная – примерно 27 оС; при низкой температуре активность снижается, но клетки не гибнут и восстанавливают жизнедеятельность при повышении температуры и наличии питательной среды.

Без воды жизнь не может существовать, поскольку она является не только неотъемлемым компонентом живого, но и в течение длительного времени была единственной средой обитания.

Вода является колыбелью жизни, что обеспечивается ее уникальным свойствами.

– Способность растворять соли, сахар, спирты и другие соединения, а так же связанная с этим возможность переносить вещества диффузией или в потоках,

– Большая теплоемкость не допускает опасного изменения температуры, обеспечивая относительное термостатирование;

– Высокая теплота испарение способствует эффективному охлаждению живых организмов, фотосинтезирующих растений при приемлемом уровне потери влаги,

– Значительная теплота затвердевания воды затрудняет образование кристаллов льда в живых организмах, что губительно для них;

– Высокий теплоизолирующие характеристики снега предохраняют корневую систему растений от гибели в зимний период;

– Максимальное среди всех жидкостей поверхностное натяжение обеспечивает возможность роста растений до больших высот, что определяет большую производительность по биомассе в том числе ценного делового строительного материала, относительную проходимость зарослей, возможность укрытия животных от хищников, работоспособность корневой системы растений в сухих почвах и т. д.;

– Вода – источник водорода в процессе фотосинтеза, реагент гидролиза;

– Защита первых микроорганизмов от губительного ультрафиолетового солнечного из лучения,

– Среда оплодотворения, распространения семян, микроорганизмов потоками моских и океанических течений

– Главный фактор продуктивности растительного мира и непременное условие существование всего живого.

Первые безъядерные клетки появились 3,2 – 3,8 млдр. лет назад. Их следы обнаружены в Гренландии, Северной Америке, Южной Африке. Очертание суши в то время существенно отличалась от современного, однако отмечаем удаленность этих регионов от тропиков и большую вероятность независимого зарождения первых микроорганизмов. К ним относятся бактерии и сине – зелёные водоросли, уже способные к фотосинтезу и производству кислорода, несколько позже появились клетки с ядром, содержащим ДНК и РНК, а вслед за ними – специализированные клетки высших многоклеточных, растений и животных.

Уже 2 млрд. лет назад концентрация кислорода достигает около 1% от современного уровня. Это знаменует переход от ферментации к дыханию в энергетическом обеспечении жизнедеятельности клеток с более, чем десятикратным преимуществом дыхания в интенсификации процессов. Своеобразные кислородные оазисы жизни были привязаны к зонам распространения фотосинтезирующих водорослей (мелководье, оптимальный температурный режим, насыщенность питанием). Период существования ферментации и дыхания был достаточно длительным, пока концентрация кислорода не выросла до нескольких процентов от современного содержания; около 500 млн. лет назад она достигла уже 10%. В это время суша была безжизненная, а вся жизнь была сосредоточена в воде. Следует указать на важное препятствие для ее развития на суше, связанное с высокой концентрацией в атмосфере аммиака. При взаимодействии с кислородом он превращается в нейтральный азот и воду. Потребное количество кислорода для этой реакции составляет около 6,6 х 10 15 т.

До этого аммиак был важнейшим питанием для образования белков, на долю которых приходится более половины сухой массы клеток.

Реально атмосфера Земли в интересующее нас время могла состоять из азота, метана, аммиака, сероводорода, кислорода, углекислого газа и аргона, причем сероводород и аммиак в присутствии кислорода должны были постоянно выгорать.

Выход жизни на сушу подготавливается в течении длительного времени. Этот процесс включал в себя геологическую, химическую эволюции, изменение атмосферы, обеспечение защиты живого от ультрафиолетового излучения, отработку механизмов фотосинтеза.

Две основные ветви живого мира: растения и животные развиваются в глубоком симбиозе. Растения обеспечиваю животным пищу и свободный кислород, а животные снабжают растения углекислотой и культивируют почву для наземной растительности. Для своего развития растения дополнительно нуждаются в свете, влаге, тепле, наборе элементов с обязательным присутствием хлора.

Только растения, стоящие в основании пищевой пирамиды, могут обеспечивать выход и постоянную прописку животным на суше.

Как ни парадоксально, но именно неподвижные растения опережают животных в десантировании на сушу. В этом процессе реализовался принцип относительности движения. Раньше всего растения появлялись в болотистых местах, заливаемых водой во время приливов, но примерно 440 млн. лет назад происходят регрессии моря с суши, вызванные активными тектоническими подвижками земной коры с образованием горных систем. В дальнейшем, включая каменноугольный период (~285 млн. лет назад), происходят многократные наступления (трансгрессии) и отступления моря на сушу. Были созданы чередующиеся по обводнению – осушению условия тренинга как для животных, так и для растений, что предопределило последующий «взрыв» жизни на Земле. Существенная роль в разогреве недр и перестройке внутренней структуры планеты принадлежит радиоактивным элементам (урану, торию, калию).

Около 420 млн. лет назад появились ракообразные (ракоскорпионы длиной до 3м), первые настоящие рыбы, среди растений преобладают синезеленые водоросли и грибы, на суше развиваются псилофиты с зачатками корневой системы. Примерно 350 млн. лет назад их сменили плауны, папоротники, появляются первые семенные растения, уже приспосабливаются к земной жизни земноводные животные – четвероногие амфибии – потомки кистеперых рыб.

Каменноугольная эпоха (340 – 285 млн. лет назад) характеризуется благоприятными условиями для бурного развития растительности, что явилось причиной масштабного угленакопления, резкого снижения в атмосфере диоксида углерода и соответствующего роста концентрации кислорода, существенная часть которого была связана в процессах окисления минералов.

Эти явления заслуживают самого пристального внимания. Жизнь на Земле обязана своим существованием постоянному воспроизводству первичного органического вещества в результате фотосинтеза из углекислого газа и воды. При этом кислород выделяется как метаболит. В ходе прямой реакции вода под действием солнечного облучения расщепляется в присутствие хлорофилла с последующим образованием углеводородов. В свою очередь, в процессах усвоения животными с помощью микроорганизмов, а так же сгорания органического вещества образуются исходные продукты: вода и диоксид углерода.

Таким образом, фотосинтез являются принципиально обратимым процессом. Временная задержка обратной реакции (отсроченность) сберегает кислород в атмосфере и обеспечивает дыхание живых организмов, которое сводится к окислению органических веществ с производством необходимой для жизнедеятельности энергии.

Наличие свободного кислорода объясняется появлением некоторого барьера для реакций окисления. Это может быть: изоляция органики большими слоями воды или грунта, устойчивые для переработки микроорганизмами структуры, низкотемпературные условия и т.д.

Земная кора содержит около 2х1016 т. органического углерода в рассеянном состоянии; концентрированные скопления оцениваются в 200 млрд. тонн нефти; в 250 млрд. тонн газа, в 1013 тонн угля.

Для окисления приведённой массы углерода потребовалось бы около 5,3 х 1016 тонн кислорода, что почти в 45 раз больше его содержания в атмосфере Земли (~ 1,18 х 1015 тонн). Основная часть (почти 98 %) кислорода должна была нейтрализована в процессах окисления минералов, раствориться в воде, чтобы осталась его концентрация на оптимальном для жизни уровне (~21% объемных). Рост содержания кислорода до 25% уже неприемлем из-за угрозы возгорания растительности, замедления производства органики при фотосинтезе (О2 является его ингибитором); снижение концентрации кислорода привело бы к изменению дыхательного процесса.

В связи с этим стабилизацию концентрации кислорода на уровне оптимальном для жизни под воздействием многих факторов следует рассматривать как уникальное событие. Постоянство содержание кислорода в течение длительного времени должно быть в центре внимания цивилизации так же, как и концентрация углекислоты. Это обстоятельство следует так же учитывать при анализе возможности возникновения органической жизни на других планетах. Помимо обеспечения приемлемых температурных условий в достаточно узком диапазоне и в течение длительного времени, важнейшими атрибутивными факторами являются:

– наличие необходимых элементов в поверхностном слое – коре планеты,

– не следы, а обильное содержание воды;

– присутствие радиоактивных элементов, обеспечивающих образование суши, тренинг десанта органической жизни на материке, движущую силу геологических процессов влияющих на концентрацию кислорода в атмосфере и т. д.

Общая тенденция глобальных изменений важнейших для сохранения жизни на Земле условий выражается в снижении радиогенного тела и связанным с этим затухании геологических процессов и вулканической деятельности; в уменьшении массы природно-возобновляемого диоксида углерода в атмосфере из за неравновесности фотосинтеза, связывания в карбонатах и т.д., в увеличении концентрации кислорода в атмосфере. Климатические изменения, связанные с Солнцем, будут обсуждены далее.

Следует отметить, что изменение концентрации кислорода в атмосфере происходило неравномерно, что было связанно с условиями развития растительности (тепло, влажность, содержание диоксида углерода).

Считается доказанным, что ещё 250 млн. лет назад практически все известные нам континенты были объединены в единый гигантский материк Пангею. Реально существование на определённом этапе Северного материка Лавразии и южного – Гондваны. Примерно 200 млн. лет назад начался их раскол и постепенное расхождение. Удаленные от береговой линий участка суши характеризовались континентальным климатом со склонностью к образованию ледников в периоды похолодания, связанным с долговременными (~300 млн. лет) циклами солнечной активности.

Оледенение, начавшейся с конца каменноугольного периода (достигло своего апогея около 280 млн. лет назад), было пожалуй самым крупномасштабным в истории Земли. Толщина ледников достигала 6 км, что привело к резкому сокращению площади водного пространства и дополнительному усилению континентальности. При этом на Земле установилось выраженная климатическая зональность. Теплолюбивые растения и животные уступали место холодоустойчивым.

В этих условиях общая продуктивность фотосинтеза существенно снизилась, что привело к снижению концентрации кислорода в атмосфере 200 млн. лет назад до одной трети от современного уровня.

В связи с климатическими изменениями и уменьшением площади морей, земноводные вытесняются в тропические регионы а пресмыкающиеся (рептилии), менее привязанные к воде при размножении, осваивают пустыни, полупустыни и степи.

В период от примерно 220 млн. до 175 млн. лет назад в недрах Земли накапливаются силы для образования глубинных разломов континентальных плит и ослабления связи между отдельными блоками платформ. Это приводит к расхождению материков, чему способствовало мощное давление ледников. Дрейф материков сопровождается образованием между ними водных бассейнов – будущих океанов.

По трещинам на поверхность Земли изливаются базальтовые лавы, причем их отложения достигают мощности до 8 км. Все это сопровождается интенсивной вулканической деятельностью.

Уменьшение площади суши приводит к глобальному смягчению климата. Около 190 млн. лет назад температура воды в Арктике, составляла около 15°С, а в районе современной Англии ~примерно 25°С.Это способствовало развитию жизни как в воде, так и на суше. Широкое распространение получили голосемянные растения, которые через 50 млн. лет вытесняются покрытосемянными, повсюду распространяются хвойные породы. Происходит накопление торфяных залежей, концентрация кислорода устанавливается на современном уровне.

Пресмыкающимся осваивают три стихии: динозавры– сушу, ихтиозавры – море и океаны, птерозавры – воздух; появляется многочисленные насекомые, птицы.

Достаточно обоснованно можно предполагать, что млекопитающие, первые из которых появились около 220 млн. лет назад в виде грызунов, произошли от некоторой ветви пресмыкающихся. Эти достаточно мелкие млекопитающие в течение ~150 млн. лет находились как бы в тени гигантов. Но это время было затрачено не зря. Непреложным фактом эволюции является закономерность, когда создание прогрессивной организации требует больше времени. Серьезным эволюционным достижением, обеспечившим преимущества млекопитающим в будущем, была выработка защитных механизмов для выживания в резко меняющихся условиях обитания. К этому прежде всего следует отнести живорождение после внутриутробного развития плода в плаценте, вскармливание детёнышей материнским молоком, приобретение волосяного покрова и стабильной температуры тела, дифференциация зубов на резцы, клыки и коренные, преобразование нижней челюсти в однокостную структуру, образование стремечка и наковальни в слуховом органе.

Выживанию способствовал также преимущественно ночной образ жизни первых млекопитающих и отсутствие деликатесных качеств, снижающих плотоядный интерес к ним со стороны хищников. Их судьба весьма показательна.

Юрский и меловой период (195÷67) млн. лет назад был для динозавров временем расцвета.

Науке известны несколько сот их видов массой до 80 тонн, длиной до 30 м, высотой около 15 м. В соответствии с законом построения пищевой пирамиды, продуцент – первое растительное звено цепи питания примерно на 10% усваивается по уровню свободной энергии «вегетарианцами», которые могут обеспечивать «энергией только 10% по массе хищников. Многочисленные вторичные хищники, микробы, бактерии, насекомые и микроорганизмы перерабатывают и разлагают недоеденное, включая и заканчивающих жизнь «гурманов», возвращают их на стадию фотосинтеза. Так осуществляется жизненный цикл в природе, условием сохранения которого является наличие солнечной энергии, диоксида углерода, воды и необходимых элементов в почве.

Экосистема периода владычества динозавров была достаточна благоприятна для растительного и животного мира. Обильная, сочная зелень только примерно 100 млн. лет назад вытесняется жестколиственными породами, на 90% представленная покрытосемянными. Это было реакцией на развивающуюся сезонность климата, что определяет листопадность растений.

В этих условиях динозавры должны были мигрировать в более теплые регионы, которые не всегда были обеспечены влагой. Не исключено, что гибель динозавров в течение 1÷2 млн. лет была связана с похолоданием, которое отмечается по результатам палеонтологических исследований примерно 70÷60 млн. лет назад, т.е. в начале мезозойской эры. Климат был еще достаточно теплым: температура воды в северном ледовитом океане достигла 14оС, на широте современной Великобритании – ~22оС, а в экваториальной области – около 35оС.Умеренный климат был в районах Гренландии, Аляски, Чукотки с преобладанием дубовых и каштановых.

Но такой климат устраивал не всех, поскольку суточные колебания температуры были весьма значительными в том числе и в субтропиках. Потому значительно раньше, уже более 100 млн. лет назад некоторые динозавры возвращаются в воду.

Экосистема, в которой благоденствовали динозавры, была стабильной в течение около 150 млн. лет. Но в конце мезозойской эры раскол Пангеи и формирование материков с резко возрастающей береговой линией приводят к насыщению гидросферы новыми солями и микроэлементами посредством процессов эрозии и растворения. Попадая в организм животных, обитающих в больших водоемах и около них, новые вещества могли нарушить установившийся в течение миллионов лет баланс микроэлементов и даже привести к отравлению. Так, покрытосемянные растения часто содержат таннины (горькие и дубильные вещества), а также алкалоиды (стрихнин и морфин), являющиеся ядами.

Описанные серьезные нарушения в пищевой цепочке сами по себе уже фатальны для судьбы динозавров, включая растительноядных и хищников. Если учитывать их приспособленность к похолоданию, следует отметить, что принципиальных механизмов противостояния более суровым климатическим условиям динозавры не были выработаны. Основная причина: – такие условия отсутствовали в широком масштабе. Поэтому не были приобретены терморегуляция и волосяной покров, размножение в подавляющем большинстве производилось откладыванием яиц в горячий песок. Но некоторые пресмыкающиеся: крокодилы, ящерицы обитают на Земле до сих пор, максимальную угрозу их существования представляет повышенный интерес людей к мясу и коже реликтов.

Эволюционная эстафета от динозавров были подхвачена млекопитающими, которые продемонстрировали жизнеспособность во всех климатических зонах и сферах обитания: от тропиков до Арктики, на суше, в воде, в земле, на деревьях и даже в воздухе. При высокой степени общности генетического кода масса особей млекопитающих различается в 10 миллионов раз (от землеройки до кита). В экосистеме они занимают ниши грызунов, насекомоядных, вегетарианцев, хищников и всеядных. К последним относится человек, занимающий срединное положение среди млекопитающих по массе на логарифмической шкале.

И вот 60 млн. лет назад на одну из многочисленных эволюционных тропинок вступили не самые изящные представители млекопитающих. Они не отличались выдающимся физическим данными, их ориентация на место в жизни была крайне неопределенная. Им приходилось искать укромные места для спасения от свирепых хищников, и в конце концов они смирились с древесным образом жизни. В это время была выработана ловкость, усовершенствовалось рука в способности к захвату ветвей, предметов и т. д, развивалась смекалка, начали проявляться коллективные действия.

Овладение речью и логическим мышлением, открытие мира искусства проложили дорогу к прогрессу. Приручение и одомашнивание животных, культивирование растений ослабили зависимость человека от окружающей среды, которая раньше представляла для него постоянную угрозу. Постоянной и возрастающей проблемой «царя» природы является уникальный среди животного мира неукротимый комплекс агрессивности к себе подобным. На современном уровне развития это чревато самоуничтожением.