Земля и её пассажиры
Отработка структуры и накопление функционального потенциала клетки в целом завершилось около 2 млрд. лет назад, когда появились предпосылки зарождения уже многоклеточных организмов. На качественно новом витке развития при огромном увеличении масштаба клеточные органеллы превращаются в органы. Большим разнообразием отличаются способы добычи питания, органы пищеварения и выведения из организмов конечных продуктов обмена веществ, системы дыхания, способы движения и размножения. Существенная новизна в эволюции живого связана с зарождением способности адекватно реагировать на изменение внешней и даже внутренней среды, непосредственно связанной с функцией гомеостаза – главного условия выживания. Ценнейшим подарком эволюции является приобретение зрения, дающего способность оценивать окружающую ситуацию на расстоянии.
Отметим, что живые организмы, в отличие от неживых объектов, растут изнутри. Рост, развитие и размножение – особенности живого, обеспечивающие непрерывность и долговременность существования вида при ограниченной продолжительности жизни отдельной особи. Передача генетического материала потомству сохраняет индивидуальные признаки родителей в популяции данного вида.
Совокупность стадий развития данного вида от оплодотворенной клетки одного поколения до аналогичного состояния в следующем поколении представляет собой жизненный цикл. Во время роста зародыша, например, позвоночного он последовательно приобретает признаки рыбы, земноводного, пресмыкающегося, птицы или млекопитающего, причем конкретная видовая принадлежность устанавливается на ранних стадиях дифференцировки. При этом по закодированной команде образуется множество разных типов тканей для построения органов и их систем.
На ранних стадиях развития зародышей невозможно определить группу, к которой они принадлежат, что может быть объяснено наличием общего предка. Глубокая детализация памяти об этапах развития видов заложенная на клеточном уровне, позволяет классифицировать клетку как нетленную летопись эволюции и ее бесценное достояние.
Сохранность этой молекулы жизни обеспечивается уже не ее индивидуальными усилиями, а всей мощью флоры и фауны, находящихся в неразрывном симбиозе. Вполне обоснованные опасения возникли, когда природа вынянчила в своей колыбели весьма строптивое дитя – человека.
Энергетика человека обнаруживает ряд качественных различий с животными. На 1 кг массы человек потребляет в течение жизни в среднем в 5 раз больше, чем лошадь, корова, собака. На возобновление массы у человека используется примерно 5% калорий потребляемой пищи, а у животных ~34%; остальное затрачивается на работу и теплообразование. Пятикратное превышение общего обмена объясняется соотношением продолжительности жизни человека и животных, а так же более экономным расходованием энергии у животных. В частности, удельный расход энергии на перемещение у человека примерно в 2 раза выше, чем животного эквивалентной массы, что является своеобразным налогом на прямохождение.
Повышенное энергопотребление человека связанно так же с обеспечением умственной и психической деятельности, которое может быть эквивалентно общему обмену.
Постоянный расход энергии обеспечивает поддерживание наработанных алгоритмов физической и интеллектуальной активности.
Обладание определенным уровнем физической активности является общественно признанным критерием, характеризующим деятельного и успешного человека. Вместе с тем существует естественная связь интенсивности энергообмена и времени жизни материальных объектов. Так, в ряду живых существ и космических тел (…бактерия, клетка, насекомые, звезды, в том числе Солнце) со снижением удельной на единицу массы интенсивности энергоотдачи время жизни неуклонно повышается.
В этой связи ресурс увеличения времени жизни, помимо здорового питания, непосредственно связан с экономией расхода энергии как чисто физической, достигаемой ограничением подвижности, так и психической, относящийся к процессу мышления и эмоциональных движений. Ограничение круга общения, национализм, религиозный фанатизм, культивирование вражды, возвеличение глупости – основные факторы, дающие эффект «экономии мышления». Это не всегда достигает цели и нередко приводит к противоположным результатам.
2.3. Проблемы сохранения жизни на Земле.
Эволюция материи тесно связано с параметрами состояния и молекулярным составом. В зависимости от температуры и давления материя может находиться в различных агрегатных состояниях: твердом, жидком, газообразном , ионизированном ( плазменном).
Повышение температуры сопровождается распадом молекул, однако при ее уровне порядка 10 млн. градусов и выше происходит уже обратный процесс – их объединение (синтез), сопровождающийся выделением тепла.
Сравнительно узкий температурный диапазон от 0о С до ~ 38oC – область существования специфических макромолекул – белков и нуклеиновых кислот. На долю белков, состоящих из углерода, водорода, кислорода, азот, иногда и серы приходится свыше 50% сухой массы клеток, образующих все живое на Земле. Его разнообразие и воспроизведение обеспечивается нуклеиновым кислотами – носителями закодированной наследственной информации.
Белки при молекулярной массе от нескольких тысяч до миллионов представляют собой цепи, построенные из аминокислот. Всего 20 аминокислот при вариации порядка их расположения обеспечивают практически неограниченное разнообразие белков и их функций. Так, в организме человека насчитывается более десяти тысяч различных белков.
При нагреве белков выше 38о С сравнительно слабые водородные и ионные связи могут разорваться, что приведет к утрате пространственной формы белка и его биологической функции (процесс денатурации). При снятии температурного воздействия структура белка и его функция могут восстановиться (ренатурация).
К денатурации белков могут привести и действие других факторов: инфракрасное, ультрафиолетовые излучение, щелочи, кислоты, соли, органические растворители, тяжелые металлы и т. д.
Современные формы жизни в большинстве своем базируются на фотосинтезе. Он делает углерод доступным для извлечения энергии живыми аэробными организмами в присутствии кислорода, который так же является продуктом фотосинтеза.
В циклическом процессе кислород возвращается в атмосферу соответственно количеству поглощённого диоксида углерода. Это не гарантирует постоянной и оптимальной концентрации газов в атмосфере.
Неполное окисление углерода, входящего в устойчивые соединения гумуса, защита продуктов фотосинтеза водой, грунтов в геологических процессах, поглощение углекислоты водой приводят к снижению его концентрации в атмосфере, что является одной из основных причин климатических изменений на Земле: проявление сезонности климата, его широтности и ледниковых периодов. Кроме того, эти процессы сопровождаются ростом концентрации кислорода.
Вулканическая активность, сжигание ископаемого органического топлива, природные пожары ведут к повышению концентрации диоксида углерода и угрозе нежелательного потепления климата и некоторому снижению концентрации кислорода.
Однако фактической тенденций эволюции состава атмосферы Земли является неуклонный рост концентрации кислорода и снижение содержания двуокиси углерода.
За счет захоронения в земной коре в рассеянном виде углеродосодержащих продуктов фотосинтеза было выведено из атмосферы двуокиси углерода примерно в 30 тысяч раз больше остаточного содержания.
Масса углеводородов (уголь, нефть, газ) составляет около 0,02 % (примерно 1,5х1013 тонн) общего содержания в земной коре. При их полном извлечении и сжигании в атмосферу поступило бы диоксида углерода в двойном количестве от современного содержания.
Концентрация диоксида углерода а атмосфере на уровне 0,03% об. является пороговой по отношению к наступлению ледниковых периодов. Их периодичность, по результатам палеонтологических исследований, составляет около 110 тыс. лет, из которых ~10 тыс. лет являются относительно теплыми. Похоже, что человек воспользовался этим последним потеплением для цивилизационного скачка.
Причиной «сваливания» климата в ледниковый период реально может быть синхронная цикличность солнечной активности.
По всей вероятности, это связано с циркуляцией тяжелых элементов в верхней части промежуточной области и примыкающим к ней слоям конвективной зоны Солнца. Поднимающийся из промежуточной области под воздействий светового давления тяжелые элементы попадают в зону пониженной температуры. При этом степень их диссоциации уменьшается, способность поглощения лучистой энергии (непрозрачность) возрастает. Отметим, что полностью диссоциированные атомы с отделенными электронами являются прозрачными для светового излучения.
По мере накопления частично рекомбинировавших элементов в определенных слоях конвективной зоны происходит снижение солнечной активности. Одновременно создаются условия для возвращение образующихся протяженных катион – электронных комплексов в промежуточную зону с постепенной диссоциацией элементов. Одиночное возвращение элементов невозможно.
Вызванное снижением Солнечной активности похолодание на Земле запускает механизм ее прогрессирующего оледенения, которое развивается от полярных областей. Снижение температуры воды приводит к усилию поглощения диоксида природа из атмосферы и дополнительному похолоданию.
По мере образования ледяного и снежного покрова падает количество тела, поглощенного земной поверхности. В результате происходит прогрессирующее распространение отражающего солнечные лучи покрова в южном направлении.
Но одновременно включается механизмы отрицательной обратной связи. Так, уменьшение свободной поверхности океанов способствует сокращению поглощения диоксида углерода и его сохранению в атмосфере Земли. Находящиеся под мощным снеговым изолятором, растения и другая органика прогреваются, повышая готовность к последующей деградации.
Восстановление активности Солнца способствует протеканию всех процессов в обратном направлении с восстановлением концентрации диоксида углерода в атмосфере и окончанием ледникового периода.
Представляет интерес изменение концентрации диоксида углерода в ходе ледниковых периодов по палеонтологическим данным. За прошедшие 450 тыс. лет произошло 4 таких события с примерно одинаковой продолжительностью. Каждый раз отмечается снижение концентрации парникового газа с уровня ~0,03 % об. До 0,02% об. При этом амплитуда колебания температуры составляет около 12оС. Это согласуется с фактом снижения температуры на 6.5оС при каждом подъёме на высоту 1км, когда концентрация диоксида углерода уменьшается на 20%.
Индустриальная революция сопровождается прогрессирующим сжиганием органического топлива и ростом концентрации парниковых газов с 2,8х10-4% об. до ~ 3,8х10-4 % об. При этом выброс их в атмосферу составил более 750 млрд. тонн, что эквивалентно сжиганию топлива при чисто углеродном содержании не менее 200 млрд. тонн.
Вследствие описанных выше механизмов естественной убыли двуокиси углерода из атмосферы (растворение в воде, смещение баланса фотосинтеза из – за неполноты окисления углерода) количество потребленного топлива может оказаться существенно выше приведенного значения.
Напрашиваются два естественных предположения: 1. промышленная революция позволила предотвратить наступление очередного ледникового периода; 2. если естественная убыль углекислого газа полностью изведет его содержание примерно за (1÷1,5) тысячи лет, то встает проблема обеспечения фотосинтеза – фундамента пищевой цепи.
Сложившиеся на Земле условия не гарантируют сохранения органической жизни. Ситуация усугубляется не только негативными тенденциями природных процессов, но и производственной деятельностью человека, по своему пагубному влиянию на биосферу сопоставимой с действием глобальных факторов.
Выходом из положения может явиться развитие энергетики, не использующей природное органическое топливо, которое становится неприкосновенным стратегическим запасом. Использование энергии ветра, приливов и даже солнечной радиации не решает проблемы.
Практически неисчерпаемым источником энергии является термоядерным синтез, базируемый на использовании дейтерия. Ресурсы термоядерной энергии по содержанию дейтерия в морской воде в 10 млн. раз превышают ресурсы каменного угля, которые в свою очередь в 1000 раз уступают ядерному потенциалу. Нефтегазовые ресурсы составляют около 10% от угольных.
Детализация термоядерного проекта требует, помимо разрешения физико – технических проблем, обеспечения тритием, который может воспроизводится в бланкете термоядерного реактора, заполненного литием или его соединениями.
Таблица 1. Этапы становления жизни на Земле.
№
n/n
Этапы становления жизни
Время
млрд. лет назад
Время года*
Марафонская
Дистанция,**
(км)
№
n/n
Этапы становления жизни
Время,
лет назад
Время
года*
Марафонская
дистанция,**
(км)
1
Образование Земли
4,6
1 янв.
старт
15
Установление сезонности климата
150 млн.
18 декабря
40,8
2
Первые безъядерные клетки
3,8÷3,2
2марта-20 апр.
7,3÷12,8
16
Злаки, зерновые
70 млн.
25 декабря
41,5
3
Концентрация кислорода 1% от современной
2,0
23 июля
23,8
17
Приматы
60 млн.
26 декабря
41,6
4
Появление клеток с ядром
2,0
23 июля
23,8
18
Австралопитеки
5 млн.
За 9,5 час.
42,15
5
Многоклеточные организмы
0,7
4 ноября
35,8
19
Homo erectus
2 млн.
За 4 часа до конца
42,18
6
Концентрация кислорода 10% от современной
0,47
23 ноября
37,9
20
Неандерталец, кроманьонец
150 ÷35 тыс. лет
За 17 ÷ 4
мин.
За 1,36 ÷ 0,32 м.
7
Зарождение рыб
0,44
25 ноября
38,2
21
Пирамиды
5 тыс. лет
За 34 сек.
За 4,5 см.
8
Десант растений на сушу
0,43
26 ноября
36,3
22
Буддизм, христианство, ислам
2,6; 20; 1.4 тыс. лет
За 18,14,
10 сек
За 2,4;1,8; 1.3 см.
9
Земноводные
0,35
3 декабря
39,0
23
Открытие Америки
~520 лет
За 3,5 сек.
За 4,5 мм.
10
Голосеменные растения
0,31
6 декабря
39,4
24
Паровая машина
~240 лет
За 1,6 сек
За 2,2 мм.
11
Пресмыкающиеся
0,3
7 декабря
39,45
25
Электродвигатель
~180
лет
За 1,2 сек.
За 1,6 мм.
12
Динозавры
0,22
14 декабря
40,2
26
Ядерный реактор
64 года
За 0,44 сек.
За 320,6 мм.
13
Млекопитающие
0,215
14 декабря
40,2
27
Атомная, водородная бомба
73,65 года
За 0,5 ÷ 0,44 сек.
320,7 ÷ 0,6 мм.
14
Покрытосемянные растения
0,18
16 декабря
40,5
28
Полет в космос
57 лет
За 0,4 сек.
320,5 мм.
* – время существования Земли принято за 1 год.
** – время существования Земли соотнесено с марафонской дистанцией ~ 42,2 км.
3. Проявление региональных особенностей в развитии цивилизации
3.1. Развитие цивилизаций в климатическом аспекте.
Современное состояние цивилизации характеризуется не устраняемыми в обозримой перспективе вопиющей неравномерностью производства и распределения материальных благ, а также, что чревато нарастающими угрозами, громадной численностью людей без достойной трудовой занятости и практически лишенных средств существования.
Почти половина населения живет на 2$ в день, тогда как 20% потребляют примерно 85% товаров и услуг, религиозный фундаментализм, нарастающая волна миграции в богатые страны, терроризм, инфекционные заболевания –не единственные проявления такого положения.
Гуманитарная помощь не решает нарастающих проблем. Реальным представляется путь, заключающийся во временной миграции активной части населения в развитые страны с последующим возвращением и использованием приобретенного опыта для эффективного преобразования хозяйства на родине.
Показательно, что проблемные ныне районы были колыбелью первых цивилизаций. Области их зарождения характеризовались комфортной для жизнедеятельности среднегодовой температурой ̴20⁰С и были привязаны преимущественно к долинам рек.
Вызрев на протяжении нескольких тысячелетий на территориях Египта, нынешнего Ирака, Палестины, Израиля, Персии, Индии, Пакистана и др., цивилизация распространяется до Греции (Афины) и Италии (Древний Рим). Здесь сформировались культуры, оказавшие в дальнейшем оплодотворяющее влияние на весь ход становления Европейской цивилизации (преимущественно гуманитарное со стороны Греции, организационное и техническое от Рима.
В Европе рельефно выявляется зависимость темпа прогресса и времени достижения промежуточного максимума развития (период расцвета) от климатических условий.
Каждый градус снижения температуры преодолевается в среднем за 300 лет с некоторой тенденций ускорения.
Это иллюстрируется данными табл.2
Таблица 2. Шаги цивилизации в странах Европы.
Пояснения к табл.2:
Δt-разность температур (июль-январь);
Страна
t год (Δt)⁰С
Осадки мм/год
Период расцвета
Плотность населения, чел/км2
Греция
18(18)
350÷1400
5÷4 в.в. до н.э.
85
Рим (Древний)
17(18)
>600
1,5 в до н.э. ÷3в
Италия
17(28)
>600
14÷16 в.в.
190
Испания
17,5(24)
400÷1000
̴16в
82
Франция
13(16)
600÷1000
17÷18 в.в.
110
Нидерланды
11(16)
̴800
̴18
400
Англия
11(12)
>700
19в.
250
Германия
9,5(20)
500÷800
20в.
230
Россия
3,3(29)
300÷600
8,3
Весь мир
̴14,5
700
44
Плотность населения относится к настоящему времени (для России плотность населения в Европейской части составляет около 27 чел/км
2
; для Азиатской части – ̴2,5 чел/км
2
Таблица 3. Урожайность зерновых в странах мира.
Характеристика
Страна мира
Россия
США
Франция
Англия
Германия
Канада
Китай
Австралия
Весь мир
Урожайность средняя ц/га (1990÷2005)г.г.
19,5
28,2
75
78
74
24,5
52
20
27,6
Соотношение уровней урожайности
1,0
1,45
3,85
4,0
3,79
1,25
2,7
1
1,4
Количество внесённых минеральных удобрений, кг/га
20
350
350
400
Производство зерна на одного сельскохозяйственного работника, т
15
85
75
60
70
80
60
Урожайность средняя, ц/га (1911÷1915)г.г.
̴7
10,5
13,4
21
22
Соотношение уровней урожайности
1,0
1,5
1,9
3,0
3,1
Таблица 4. Плотность населения. Эффективность сельского хозяйства.
Страна
Осадки, мм/год, tгод,⁰С
Доля земли под пашни,%
Доля с/х в ВВП, %
Эффективность с/х долл/га
Плотность населения чел/км2
Австралия
200÷1500; 20
6,0
3,6
690
2,5
Англия
>700; 11
23
1,0
3430
250
Германия
500÷800; 9,5
34
1,1
2480
230
Израиль
100÷800; 21
16
2,8
10000
320
Индия
300÷12000; 25
54
20
840
330
Испания
600÷1000; 17,5
28
3,5
2100
82
Италия
̴600; 17
27
2,6
3650
190
Канада
150÷1200
5
2,2
430
3,2
Китай
До 2500; 23
15
2100
140
Нидерланды
̴800; 11,5
27
2,7
14000
400
Польша
̴550; 7,5
41
3,0
570
124
Россия
300÷600; 3,3
7
5,0
490
8,3
США
100÷2000; 15,5
19
1,2
790
32
Украина
300÷1200; ̴9
56
12
250
80
Южная Корея
900÷1500; 11
17
4
16100
485
Япония
1000÷3000; 1,6
12
1,3
13300
340
Евросоюз
26
2,0
2960
123
Мир в целом
700; 14,5
10,8
4,0
2100
44
*Канада заселена преимущественно в южной части: Оттава располагается на широте Анапы, а Торонто практически на широте Туапсе.
Климатический фактор являлся решающим в ресурсном обеспечении жизни (пища, одежда, жилище и т.д.). Углеводно-белковая производительность флоры обеспечивает базовое звено цепи питания и непосредственно определяется интегральным солнечным облучением, равным произведению температуры выше 10⁰С (нижняя граница вегетационного интервала) на длительность периода роста в сутках. Для вызревания пшеницы требуется около 1800⁰С сутки; для риса – уже ̴4000 ⁰С сутки. Помимо этого уровень урожайности и качества выращиваемой культуры зависит от влагообеспечения, содержания минеральных солей, микроэлементов и микроорганизмов в почве, а также от наличия диоксида углерода и азота в атмосфере.
Скорость биологических реакций, в ходе которых производятся первичные продукты фотосинтеза, удваивается при каждом повышении температуры на 10⁰С. По ряду причин её оптимальное значение составляет примерно 25⁰С.
Показательно соотношение уровней урожайности пшеницы в различных регионах мира (табл.2). Может быть выделена группа стран (Россия, США, Канада, Австралия) с примерно одинаковой сравнительно невысокой урожайностью. Это объясняется малым объёмом вносимых минеральных удобрений и недостаточным уровнем атмосферных осадков особенно в вегетационный период. Россия выделяется наличием морозного периода около 240 дней в году (территории Московского государства) и 180 дней даже для Предкавказья. Это неблагоприятно сказывается на жизнедеятельности почвенных бактерий и мезофауны, способствующих культивации почвы и её плодородию.
Наивысшие показатели по урожайности зерновых и продуктивность земледелия в целом достигнуты в регионах с мягким и практически безморозным климатом при гарантированном уровне осадков порядка 800 мм/год. (см.табл.3). Совсем не случайно, что именно эти районы характеризуются максимальной плотностью населения. Здесь проявляется положительная обратная связь: обеспеченный продуктивностью хозяйства рост населения способствует углублению разделения труда с последующим повышением эффективности производства. Вообще говоря, ключом к прогрессу является стабильная специализация, расширение которой гарантируется только при соответствующей плотности населения для каждого этапа развития экономики. Понятны в этом отношения преимущества городов и мегаполисов.
Из предварительного анализа, проведенного выше, следует, что неравномерность экономического развития в существенной степени определяется различием природных условий, которые являются своеобразным возобновляемым наследством. Просматривается соответствие климатической мозаичности Земли и экономической картины, причём проявляется явная тенденция смещения со временем яркой окрашенности в регионы с более неблагоприятными климатическими условиями.
Это потребовало развития более мощных культур с выработкой адекватных реакций на вызовы природы. Однако по ряду причин усилия людей не всегда достигают желанной цели.
3.2. Влияние географической изоляции в развитии цивилизации.
Развитие растительного, животного мира и человека в частности характеризуется сочетанием периодов относительной изоляции с обменными процессами. В качестве изоляции может быть естественная преграда (горная или водная), крайнее положение на суше, граница вообще и т.д.
Действие фактора сосредоточения и концентрации усилий в отсутствие разного рода отвлечений позволяет достичь быстрых результатов в условиях изоляции. По ряду проявлений при наличии обменных контактов не фатального характера уровень достижений будет выше, но потребует более продолжительного времени.
