женские трусы больших размеров
Medical site

На головну

АвторПечуркін Н.С.
НазваЕнергія і життя
Рік видання 1988

Глава 1
Про прогресивному розвитку в біології

Ми, розумні істоти, не повинні забувати, що наша цивілізація - лише одне з чудових явищ природи, що залежать від постійного припливу концентрованої енергії сонячного випромінювання.
Ю. Одум

Питання про рушійні сили розвитку життя, про направлення еволюції, її прогресі, за образним висловом Н. В. Тимофєєва-Ресовський, «це найболючіше місце всіх біологів ». В одній з останніх робіт Микола Володимирович писав, що не існує мало-мальськи прийнятного, логічного поняття прогресивної еволюції і що «сьогодні ніхто не може дати серйозну відповідь на питання, чи веде відбір автоматично до прогресивної еволюції» [Тимофєєв-Ресовський, 1980. с. 63].

Проілюструємо неоднозначність і невизначеність трактування прогресивного розвитку життя на кількох прикладах. Відомі теоретики П. Ерліх і Р. Холм у книзі «Процес еволюції» [М., 1976] відзначають, що основне питання залишається без відповіді: чому в ході еволюції ДНК створила для свого власного відтворення трубкозубов і людей, тоді як бактерії і інші прості організми, здавалося б, можуть не гірше служити для цієї мети? Найбільш образно висловився сучасний біолог-еволюціоніст Р. Левонтін [1978]. Він порівняв існуючу теорію еволюції з машиною, активно переробної величезна кількість сировини (особливо за допомогою нових методів молекулярної біології та генетики), яке, на жаль, чомусь не перетворюється на готовий продукт.

Можна навести ще багато таких висловлювань. Їх основу складає незадоволеність сучасним станом еволюційної теорії, особливо при поясненні прогресивного розвитку. Питання дійсно «хворий», і однозначної думки немає. Деякі представники ортодоксальної точки зору, вважаючи. що будівля еволюційної теорії повністю побудовано, схильні атестувати будь-які види критики як рецидив ламаркізма, інші погоджуються, що є недоробки, оскільки в останні роки число спроб модифікувати уявлення про розвиток життя помітно зросла.

В цілому еволюційна теорія з успіхом виконує поки тільки функцію пояснення існуючої і «практично нездатна виконувати завдання передбачення» [Борзенков, 1982, с. 16]. Описовість біології кидається в очі; проте уміння теорії відповідати на питання «як?», Не зачіпаючи відповіді на питання «чому?», Зменшує її шанси називатися теорією.

З історичної точки зору зрозуміло, чому уявлення про прогресивної еволюції не були необхідною ланкою розвитку дарвінізму на початкових етапах. Сам Ч. Дарвін, розробляючи вчення про походження видів шляхом природного відбору, одним з головних досягнень вважав вигнання телеології з теорії про еволюційний розвиток життя. У той час це було дійсно важливо для матеріалістичного розуміння і пояснення еволюції, І тому Ч. Дарвін, завжди коректно і уважно ставився до поглядів опонентів, різко виступав проти укорінених натурфілософських уявлень про внутрішній прагненні живих організмів до ускладнення організації, до досконалості (за його словами , «цього ідіотського ламарковского прагнення до досконалості»). Звідси і з'являється надлишкове акцентування уваги на стохастичности на противагу прагненню до визначеним ідеальним формам структури або руху, уявлення про яких розвивав великий Аристотель.

За Ч. Дарвіну, процес пристосування здатний випадково призводити до змін, які можна розглядати як прогрес, але немає внутрішнього механізму, що забезпечує неухильне досконалість. Сам Ч. Дарвін у своїх листах нагадував; «Ніколи не застосовуйте слова" вище "або" нижче "(цит. за. [Майр, 1981, с. 20]).

Однак, оцінюючи факти, що ілюструють «урівноважування і економію зростання», Ч. Дарвін [1912, с. 117] зазначав, що вони «можуть бути підведені під громад принцип, а саме, що природний відбір безперервно намагається економізуватиме всяку частина організації ...».

Таким чином, починаючи з засновника, дарвінізм не дає визначення прогресу, особливо на рівні організму, але він дає в руки еволюціоніста ясне розуміння того, що існує дуже сильна зброя, чинне на популяційному рівні, - природний відбір (як зазначає Е. Майр, саме популяційні мислення було найбільш революційною ідеєю теорії Ч. Дарвіна).

Найбільший синтез біології XX в., Історично важко складався - синтез дарвінізму і генетики - сучасна синтетична теорія еволюції (в основному мікроеволюції), також не дає строгого визначення «прогресу» у напрямку еволюції. «Сучасна наука поки не в змозі дати загального визначення поняттю« прогрес »в біології. Можливо, такого роду визначення не буде знайдено і в майбутньому ... »[Яблоков, Юсуфов, 1976, с. 268]. Однак, відзначаючи «постійно зростаючу в процесі еволюції складність біосфери, пов'язане з нею посилення тиску життя і різноманітність груп організмів», автори цитованого підручника говорять про неминучість «не тільки появи все більш складних істот і органів, але і їх енергетичного вдосконалення» [Там само , с. 266].

Природознавство XIX в. по праву пишалося двома найбільшими досягненнями: розробкою матеріалістичної концепції еволюції в науках про живу природу і розробкою концепції енергії у розвитку фізики. Безсумнівно, що пошук внутрішнього зв'язку між цими концепціями був предметом багатьох досліджень. Так, К. А. Тімірязєв ??ще в 1912 р. підкреслював, що питання про космічної ролі рослин є якийсь прикордонною областю між двома великими узагальненнями минулого століття, між вченням про розсіянні енергії і вченням про боротьбу за існування. Проте спроби знайти прості формальні зв'язки і вивести на їх основі енергетичні принципи розвитку життя виявилися практично безрезультатними. Більш того, безпосереднє додаток термодинамічних законів до аналізу явищ життя привело до прямого протиріччя: еволюція (розвиток) живих систем відбувається в напрямку, протилежному що вказується другим початком термодинаміки (замість деградації системи і зростання енергії - підвищення організації системи). Отже, згідно з уявленнями класичної термодинаміки, життя як стійкого явища не повинно існувати. Сам факт наявності і розвитку життя переконливо демонструє некоректність висновків подібного роду. «Життя не вкладається і посилки, в яких ентропія встановлена», - зазначав В. І. Вернадський [l960, с. 85].

Знадобилося розвинути нову область, термодинаміки - нерівноважну термодинаміку, на основі якої виявилося можливим ввести термодинамічні критерії еволюції відкритих систем. У застосуванні до живих систем, відкритість яких є одним з найважливіших властивостей, ці критерії визначають стійкість стаціонарного стану (а не рівноваги - аналога смерті!), В якому швидкість виробництва ентропії і, отже, розсіювання енергії мінімальна.

І знову фізичний критерій еволюції не відповідає розвитку реальних живих систем, які в еволюції явно збільшили і розсіювання, і використання потоків енергії, що пропускаються через себе.

Фізики і механіки назвали енергію «царицею світу», а ентропію - її «тінню». Поняття ентропії має двоїсту природу. (Третю сторону - інформаційну - ми поки не торкаємося.) З одного боку, ентропія характеризує розсіюване системою «марне» тепло, а з іншого-є мірою впорядкованості (із зростанням ентропії збільшується безлад - в цьому виявляється «тіньової» сенс ентропії). Так от в біології, де впорядкованість структур чомусь зростає, більше уваги приділялося ентропії, ніж енергії. «Цариця миру» - енергія виявилася в тіні своєї власної «тіні» - ентропії. Багато говорилося про негативну упорядочивающей ентропії, властивою живим організмам. Навіть сонячне світло воліли розглядати як «потужний джерело негативної ентропії», а не як потік енергії [Шредінгер. 1972, с. 70]. А тим часом для існування будь-якого стаціонарного стану відкритої системи необхідний потік вільної енергії ззовні, а не потік негативної ентропії в систему, або негентропії, як це випливало з виведення Е. Шредінгера, найбільш часто згадуваного в літературі. Найпростішим підтвердженням цьому є можливість гетеротрофного росту клітин (тобто синтезу складних біополімерів і структур) на простих неорганічних солях і вуглеводах (і навіть вуглеводнях). Ще більш переконливий хемо-і фотоавтотрофні зростання, де використовуються лише прості неорганічні сполуки і тому про харчування негативною ентропією (або мовою термодинаміки - високоупорядоченной структурами) не може бути й мови. Однак абсолютно необхідною умовою розвитку в усіх згаданих випадках є потік вільної енергії в різних формах (при окисленні органічних поєднанні; виділяється в екзергонічеськие реакціях окислення неорганічних речовин типу реакції утворення «гримучого газу»; енергії квантів світла).

В цілому термодинамічний аналіз можливості стійкого існування стаціонарних стані дисипативних структур (тобто володіють певним рівнем організації), згідно І. Пригожина, не вказує шляху еволюції цих станів.

Отже, і до теперішнього моменту фізика і біологія не дають єдиної картини розвитку, переходу від складних фізичних до простих (але ще більш складним насправді) біологічним структурам. Ситуація настільки драматична, що замість очікуваного синтезу має місце пряме розмежування. Фізики в даному випадку «відгородилися» принципом додатковості, який ввів знаменитий Н. Бор. Згідно з цим принципом, деякі поняття несумісні і повинні сприйматися як доповнюють один одного. «Ідея додатковості, - пише відомий фізик-теоретик А. Б. Мигдал [1983, с. 39], - дозволяє зрозуміти і примирити такі протилежності, як фізична закономірність і цілеспрямований розвиток живих об'єктів ». Доповнюваність, а з нею і незвідність фізико-хімічної причинності і біологічної цілеспрямованості декларував і сам Н. Бор.

У свою чергу, і біологи «не залишаються в боргу», заявляючи про унікальність і неповторність біологічної еволюції. За словами великого еволюціоніста Е. Майра [1981, с. 26], «біологічна еволюція - це результат особливих процесів, вторгаються в особливі системи», а органічна еволюція «відрізняється від еволюції Всесвіту і від інших процесів, з якими мають справу фізики». Про еволюційний прогрес Е. Майр пише: «Ніякої програми, яка регулювала або направляла цей прогрес, не було; він був результатом рішень, прийнятих відбором," на кожен даний момент "» [Там само, с. 23].

Такі розмежування наук про природу призводить до формулювання гіпотез, іноді майже збігаються з вигадками художньої фантастики. Наприклад, висувається так званий антропоцентристська, або антропний, принцип. Суть його зводиться до того, що Всесвіт влаштована таким чином, щоб у ній міг існувати людина. На прикладах аналізу фундаментальних фізичних констант показується, що тільки у вузькому діапазоні їх значень можливе існування складних структур аж до живих систем. І тому дані константи (або їх комбінації) саме такі, щоб наші живі структури могли існувати. Останнім часом робиться висновок про особливе становище Сонця в так званому «галактичному поясі життя», у відносно спокійній зоні синхронного обертання спіральних рукавів Галактики і міжзоряного газу. Такий висновок близький до теологічних тлумачень, ставившим в основу світобудови нашу планету та її Творця, який створив людину за своїм образом і подобою.

Але всі успіхи природознавства були пов'язані саме з відходом від антропоцентризму. Досить згадати Коперника, Галілея, Ньютона, Лапласа, Ейнштейна.

У біології розвитку очевидним наслідком антропоцентризму і натурфілософії є ??моноцентризм. Першим його проявом (мається на увазі природничо трактування еволюції) був організмоцентрізм. Концепція організмоцентрізма призвела до ламаркістскому чисто телеологічному поясненню. Потім склалося уявлення про вигляді, і він став претендентом на центральне положення в біології розвитку. Фундаментальне вчення Ч. Дарвіна про природний добір - результат відоцентрізма. Ограніченност' відоцентрізма в тому, що природний відбір виступає чимось самодостатнім, «річчю в собі», з його непередбачуваним стохастическим механізмом дії (див. вище цитату з Е. Майра). Недарма яскравий та оригінальний критик дарвінізму А. А. Любищев {М., Проблеми форми, систематики і еволюції організмів, 1982, с. 161, 196] звинувачував опонентів у тому, що у них «відбір виконує обов'язки всемогутнього господа бога», особливо в поясненні прогресивної еволюції. Однак сам, перебуваючи в полоні організмами-і морфоцентрізма. вдавався до схоластичним уявленням про єдину гармонії природи і про наявність творчого початку, подібного свідомості, коли намагався пояснити подібності та відмінності форм серед неживої і живої природи.

Недостатність одного з відносно нових «центризм» (можна назвати його «ДНК-або геноцентрізмом») останнім часом стає також наочної, особливо при поясненні рушійних сил розвитку життя (згадаймо цитату з П. Ерліха і Р. Холма). Відповідь молекулярних біологів і генетиків - «гени хочуть жити і розмножуватися в замкнутій системі ДНК» - також не можна визнати науковим, хоча він використовується в завуальованій формі. При цьому підході центральним цеглинкою світобудови служать клітка і зі компоненти, включаючи полімерні молекули, але в цілому це - все той же організмоцентрізм.

Бурхливий розвиток екології останнім часом призводить до розвінчання моно-і до розуміння ідей полицентризма. Цінність екологічних досліджень для експериментального вивчення дії природного відбору стала зрозумілою після С. С. Четверикова, яка початок генетико-популяційному підходу до вивчення природного відбору. Проте складнощі експериментів з популяціями і екосистемами сильно загальмували розвиток екологічного напрямку в еволюційних дослідженнях. Необхідність «обліку в еволюційних побудовах глобального біосферного біоценотичного фактора» [Татаринов, 1985, с. 16] все більше усвідомлюється в даний час.

Кількісні екологічні дослідження, особливо сінекологіческого напрямки, дозволяють поставити екосистему, а точніше, круговорот речовин у ній в центр картини розвитку живої природи. І тут, може бути навіть дещо несподівано, по цілком очевидно, проявляється джерело руху і розвитку життя. Чи не таємниче прагнення до самовдосконалення, що не самоорганізація біологічних структур, «які не можуть жити без метаболізму», а постійна накачування потоком вільної енергії і вимушеність обертання речовини під впливом цього обурення.

Рис 1. Схема триланкової системи з припливом енергії

Покажемо схематичну систему, накачувану потоком енергії (рис. 1). Обов'язковим елементом є і третя ланка - приймач енергії, або стік, в який енергія в розсіяному вигляді переходить від. проміжної системи. Для нашої біосфери основним джерелом енергії служить Сонце, а приймачем - Космос. У будь-яких проміжних системах кого типу (з протокою енергії) за законом фізики виникають цикли у вигляді динамічних структур. У більшості випадків нам здається, що вони виникають самі по собі, і ми навіть називаємо це явище «самоорганізацією структур», що надає певний наліт загадковості.

Але в кожному випадку обов'язково є «творець», і він має матеріальну природу. На Землі - це потік енергії від Сонця, який викликає і організує кругообіг в обмеженою системі (від простих фізичних: води і повітря, до складного, біотичного). Однак функціонально біотичний кругообіг. зовсім нескладний: це цикл реакцій відновлення та окислення, де етап відновлення і підкачується енергією квантів світла. Розвивався він поступово з фізико-хімічного. Обростання складними структурами - це вторинне явище. Виживатимуть ті, які краще вписуються в круговорот, сприяють його прискоренню і умощнение (наприклад, швидкості хімічних реакцій в живій природі зросли в мільйони і мільярди разів). При цьому круговорот використовує все більше енергії і навіть захоплюються її додаткові потоки. Принципи розвитку дуже прості і, головне, можуть бути виражені кількісно.

Роль «цариці світу», енергії, при такому підході починає проявлятися по-справжньому, а її «тінь», ентропія, своїм зростом лише демонструє зростання потоків вільної енергії, використаної екосистемою. Тому згадані подання Е. Шредінгера про негентропії скоріше можна назвати «поетичними» (за висловом професора Моровиця, автора книги «Потоки енергії в біології»), ніж фізичними: для нерівноважних систем ентропію дуже часто важко визначити, тоді як енергія та її потоки набагато легше піддаються кількісним вимірам.

Природний відбір в цьому випадку перестає виступати в ролі «господа бога», а до очевидністю виконує і творчу (поступальний розвиток кругообігів, прогрес), і стримуючу, стабілізуючу роль (усунення надлишків витрати речовини, аж до явного регресу форми організмів). Телеологична стає не тільки більш явною, а й явно матеріалістичної. А дію природного відбору перевіряється і контролюється не тільки на рівні видоутворення (горизонтальному), а й на рівні вдосконалення цілих екосистем (вертикальному).

За методологією всі сучасні концепції розвитку життя можна віднести до трьох основних типів: субстратні, енергетичні та інформаційні.

Розробка загальної теорії біологічного розвитку, насамперед прогресивного, повинна природним чином спиратися на всі три концепції, органічно пов'язуючи їх один з одним у взаємодоповненні та збагаченні.

Історично склалося так, що першою стала розвиватися Субстратна концепція, почавшись із морфології організмів. Подальший розвиток біохімії і фізіології поглибило розуміння біохімічного єдності живої природи, а бурхливий вибух досліджень з молекулярної біології та генетики в останні десятиліття довів єдину генетико-молекулярну основу всіх процесів життєдіяльності. Тріумфальні хода цієї концепції автоматично призвело до абсолютизації деяких її положень, що зводиться до одностороннього тлумачення причин виникнення і розвитку життя (згадаймо: «Гени хочуть жити і розмножуватися»).

Інформаційна концепція, з'явившись самої останньої, почала бурхливо розвиватися з удосконаленням кібернетики та теорії інформації. Відзначимо, що навіть у першому основному праці з кібернетики Н. Вінера йшлося про управління та зв'язку як в машині, так і в живому організмі. Кібернетичний підхід дозволив багато чого зрозуміти в розвитку механізмів управління в живій природі, давши уявлення і про темпи еволюції. Однак і він, по назаднім причин, однобічний. Не ясно, як конкретно застосовувати заснований на використанні цього підходу висновок про «зростанні цінності інформації в еволюції».

Енергетичного підходу, як ми вже говорили, пощастило менше двох перших через відмінності в методології фізики та біології. Однак саме він вказує напрямок розвитку складних відкритих систем, що піддаються постійної накачуванні енергією ззовні: це вдосконалення циклів речовини; їх умощнение і прискорення; зростання переробки енергії кожною одиницею структури. Але й тут абсолютизація неприпустима, бо один енергетичний підхід не здатний дати уявлення про структурні особливості еволюціонують структур.

Наприклад, розмірковуючи про виникнення життя, точніше говорити не про «біохімічному приречення» (а саме так називається книга Д. Кеньона і Г. Стейнмана про проблеми походження життя, [М., 1972]), а про «енергетичному приречення» зародження живих структур . При цьому найважливіша роль залишається за субстратним підходом, тобто за біохімічним «виконанням» життя.

  1.  Субстратний плюс Інформаційний (без Енергетичного): С + І-Е. Явна телеологія при всіх пайових варіантах їх відносин і в результаті - немає напрямки розвитку: «хто» еволюціонує - ясно, «як» і якими темпами - ясно, неясно - «куди».
  2.  Субстратний плюс Енергетичний (без Інформаційного): С + Е-І. Відомо, «хто» і «куди» еволюціонує, неясно-«як» (з якою швидкістю).
  3.  Енергетичний плюс Інформаційний (без Субстратні): Е + І-С. Відомо, «куди» і «як», тільки неясно - «хто» еволюціонує (біологічні системи або, приміром, промислові технології).

Для плідної, рівноправного синтезу час тільки настає, і поки найменше готовий до нього, слабкіше всіх розроблений енергетичний підхід - це слід підкреслити ще раз! Різні, але далеко не всі аспекти цього підходу, по можливості в поєднанні з субстратним та інформаційним, висвітлюються в даній книзі.

 Глава 2
 Потоки енергії і «самоорганізація» структур

 Всі обмінюється на вогонь і вогонь на все, як на золото - товари, на товари - золото.
 Геракліт

Незважаючи на зовнішню різноманітність, для більшість процесів переносу (тепла, речовини, електрики) є загальні закономірності, які пов'язують швидкість того чи іншого процесу і сили, що викликають цей процес.

Наприклад, перенесення речовини (дифузійний потік речовини) в напрямку Х за законом Фіка має вигляд

де dC / dX - градієнт концентрації дифундують речовини С  . У рівнянні зліва - потік, або перенесення; праворуч - рушійна сила процесу переносу. Коефіцієнт пропорційності - це коефіцієнт дифузії D  , Що характеризує природу явища переносу і певні умови його протікання. Такі ж рівняння описують перенос тепла, електрики. механічний рух.

Знак «мінус» означає, що даний перенос і всі типи переносів відбуваються в напрямку негативних градієнтів, тобто повинні призводити до зменшення всіх потенціалів, всіх сил в тих простих системах, про які ми тут згадуємо. Така реакція будь-який простий системи на обурення: вона прагне його зменшити. А зовнішні обурення, підвід енергії змушують систему знову організовувати «нейтралізуючі» потоки. Без підведення енергії не буде руху (широко відома «теплова смерть» ізольованих закритих систем, які приходять в рівновагу). Таким чином, у відкритій системі постійному дії сил відповідають (і протистоять) постійно працюють потоки. У цьому і полягає суть відомого в термодинаміки принципу Ле-Шательє. Одна з найбільш поширених формулювань цього принципу така: всяка замкнута система, виведена з рівноваги небудь возмущающим впливом, прагне послабити результат цього впливу. Це - типова формулювання, в якій затушовується роль зовнішнього впливу як джерела рушійних сил, а вся увага переноситься на що впливає систему. Виходить, що система сама організовує потоки, створює структури, вдосконалюється і т. д. У наш час стало модним говорити про «самоорганізації» складних структур. Про це трохи пізніше, а поки подумаємо про те, як повинна реагувати обмежена за обсягом система, до якої постійно підводиться збурювальна систему енергія. Як правило, підвід енергії не може здійснюватися рівномірно (тому-то і є градієнти). Єдина можливість безперервного відповіді, нескінченного в часі реагування на зовнішнє обурення, на постійну накачування - це організація циклів речовини в замкнутій системі. Ще в 1949 р. академік В. Р. Вільямс писав, що єдиний спосіб надати обмеженій кількості властивості нескінченного - це змусити його обертатися по замкнутій кривій.

Найпростішою ілюстрацією сказаного є колесо - колесо старовинної вітряка, вертушка пральної машини або турбіна новітньої ГЕС. Постійний підвід (і витрата) енергії у вигляді вітру, електрики або падаючої води змушує ці колеса обертатися незліченну кількість разів. Менш очевидна, по має ту ж природу конвекція (обертання) повітря в кімнаті під дією тепла від гарячий грубки або від батареї центрального опалення. Та й самі циклічні потоки гарячої води по опалювальній системі - це теж результат накачки тепла від енергії парового котла.

Але не будемо захоплюватися прикладами обертань, винайдених витонченим розумом людини. Про природні движителях, головними з яких є потік сонячної енергії і внутрішнє тепло Землі, ми поговоримо особливо - вони цього заслуговують. Про викликаються ними глобальних циклах речовини - теж окрема розмова. А тепер, щоб завершити обговорювану тут тему про змушують потоках і спричинених ними циклах, поговоримо про одне дивне явище. Це - виникнення складних структур під впливом потоків енергії в різного роду відкритих системах, де циклічне переміщення речовини раптом знаходить стійкі форми, коли складна структура виникає, здавалося б, на порожньому місці. Це явище носить назву «самоорганізація складних систем».

Вперше організацію складної структури в простій системі спостерігав французький фізик Бенар в 1900 р. Це були шестикутні осередки, названі тепер на його честь Бенар. Отримати їх нескладно. Треба налити на сковороду трохи в'язкої рідини (наприклад, рослинного або мінерального масла) і нагрівати її на повільному вогні. Поки теплові потоки малі, тобто нагрів слабкий, рідина нерухома, потік тепла посилює молекулярну дифузію. Внизу утворюється більш гарячий шар з меншою щільністю, який прагне вгору, а на його місце опускаються більш холодні шари. У міру зростання потоку тепла повинна виникнути та сама конвекція, завдяки якій здійснюється вирівнювання температури в кімнаті. Однак при повільному зростанні перепаду температур між верхнім і нижнім шаром, як виявив Бенар, несподівано вся поверхня масла перетворюється - вона розбивається на окремі осередки, більшість з яких має форму шестигранників, тобто призматичних шестикутних циліндриків від поверхні до дна посудини. Утворюється цикл по речовині: рідина піднімається вгору в центрі комірки і опускається вниз біля граней. Така структура характеризується більш ефективним теплопереносом або більше інтенсивної диссипацией енергії. При цьому відбувається конкуренція і «виживають» саме шестигранники - найбільш ефективні розсіювачі енергії, здатні повністю заповнювати простір [Кадомцев, Риднік, 1981].

При подальшому збільшенні теплопотока осередку дрібнішають, їх стає більше, а потім вони зникають. рідина переходить в стохастичне турбулентний рух, так як тепер уже турбулентність більш ефективно забезпечує перенесення тепла.

Таким чином, має місце але «самоорганізація» структури, а вимушена організація циклічних потоків речовини під впливом зовнішнього сили, що обурює (потоку тепла в даному випадку).

Аналогічну фізичну природу мають вихори, відкриті Дж. Тейлором в 1923 р. Вони виникають в рідині, налитої між двома концентричними циліндрами, при обертанні внутрішнього циліндра з певною частотою.

У великих масштабах цікаве явище «самоорганізації» складних, симетричних структур можна спостерігати в морях і океанах. Воно пов'язане з утворенням так званих вихорів Лангмюр. Суть цього процесу полягає і наступному. При слабкому вітрі утворюються досить стійкі вихори, в яких вода циркулює вгору і вниз, утворюючи ряд зон підйому та опускання, які чергуються в просторі (рис. 2). Це може призводити до плямистості планктону, що накопичується в зонах підйому або опускання в залежності від його плавучості, негативною або позитивною. Іноді, в нічний час, ця складна картина добре простежується по чергуванню смуг або більш складних структур світіння морської коди, так як багато видів планктеров здатні до біолюмінесценції. Із збільшенням вітру організовані в вихори структури зникають, починається турбулізація, а з нею - утворення нових структур, набагато більш рухливих. Ми до них звикли, це - звичайнісінькі хвилі. Однак не заважає подумати, що всі вони - теж варіант «самоорганізації», варіант дисипативних структур, так як виникають при постійно дме вітрі, що не має суворої хвильової природи, хоча і несучому вихори. З їх утворенням диссипация енергії вітру безсумнівно збільшується.

 Рис. 2. Вихори Лангмюр, що виникають у досить спокійній воді при слабкому вітрі.

Зони можливого скупчення організмів з позитивною (а) і негативною (б) плавучістю.

Конвективні комірки можна спостерігати і при циркуляції повітряних мас, викликаної нерівномірним нагріванням суші та атмосфери. Описано і замальовані майже правильні шестигранники з хмар зі сторонами в кілька кілометрів. Рушійна сила - більш висока температура поверхні Землі. Організація циклів руху повітря така ж, як в осередках Бенара. Енергетична вигідність шестигранників також не викликає сумніву.

Нарешті, трохи несподівана картина «структуризації» Сонця була виявлена ??при фотографуванні ділянок сонячної поверхні через телескопи, підняті в стратосферу. Поверхня виявилася складається з гранул (зерен). Неначе розсипаний шар зерна. Ці гранули є результатом конвекції в зовнішньому шарі Сонця. У центрі гранул сонячна плазма піднімається; по краях, віддавши енергію на випромінювання і охолодити, вона опускається. Різниця температур призводить до контрасту яскравості, що ми і сприймаємо як осередки. Розміри гранул 200-1300 км, «живуть» вони в середньому 10 хв, потім кордону старої гранули розмиваються і замість відмерлої виникає нова структура. Легко можна бачити глибоку аналогію таких гранул з осередками Бенара. Нагадаємо, що у всіх прикладах динамічні структури утворювалися в проміжній системі, через яку йшов потік енергії від джерела до стоку (див. гл. 1).

Тепер можна зробити кілька висновків загального плану. Насамперед відповімо на запитання, чи буває «самоорганізація» складних структур в таких системах? Коректніше відповідати - не буває! Не буває  «Само»  організації. Буває вимушена організація циклічних потоків речовини у вигляді динамічних структур під впливом зовнішньої сили, що обурює. І така структура (від маленької комірки на сковороді, хмарних шестигранників до величезних сонячних гранул) існує до тих пір, поки вона більш ефективно виконує функцію перенесення, ніж якби цей перенос здійснювався без неї. Отже, висновки в стислій формі.

  1.  Зовнішній рушій - джерело енергії викликає циклічні переноси речовини, організовуючи динамічні структури в проміжній системі. Сам момент появи такої структури випадковий, він пов'язаний з флуктуаціями в системі.
  2.  Ці структури більш інтенсивно виконують функцію переносу, виживають у конкурентній боротьбі найбільш ефективні (їх можна назвати «пристосовані»).
  3.  Якщо при зміні потоку енергії структура починає гірше виконувати функцію перенесення, то вона або замінюється на нову, або зникає зовсім.

Самий загальний висновок: у системі з протокою вільної енергії структура вторинна, функція є первинною.

Цей висновок можна було б навіть забарвити в теологічні тону (кому потрібна функція: чи не від бога все це?), Але питання це сам собою знімається, так як є матеріальний носій, «порушник спокою» і організатор руху: на нашій планеті це насамперед потік сонячної енергії. Деяку роль відіграє і потік теплової енергії від центру Землі, особливо за геологічний час. Розглянемо докладніше потік вільної енергії від Сонця.

 Глава 3
 Сонце - головне джерело енергії для поверхні Землі

 Про сонце, ти живіт і краса природи,
 Джерело вічності і образ божества!
 Тобою живе земля, живий повітря, живі води,
 Душа часів і речовини!
 А. П. Сумароков

З великого числа можливих джерел енергії, наявних у нашої планети, перше місце, безсумнівно, слід віддати сонячному потоку, який підтримує необхідні температурні умови Землі (щоб ми не випарувалися, перегрівшись, або не замерзли, переохолодитися).

Культ Сонця був розвинений у більшості народів, що населяють Землю, і недарма потік сонячної енергії становить основу всіх потоків енергії на нашій планеті (рис. 3).

До зовнішньої межі тропосфери підводиться потік сонячної радіації приблизно 1000 ккал / (см 2 · рік) (або близько 2 ккал / (см 2 · хв)). Через кулястість Землі на одиницю поверхні зовнішнього кордону тропосфери в середньому надходить четверта частина - приблизно 250 ккал / (см 2 · рік). Третина цього потоку відбивається, і, отже, Земля поглинає 167 ккал / (см 2 · рік). З них 59 ккал / (см 2 · рік) поглинає атмосфера, і на частку поглинання земною поверхнею припадає 108 ккал / (см 2 · рік). Ця енергія «переробляється» різними способами. У вигляді довгохвильового інфрачервоного випромінювання з поверхні Землі йде 36 ккал / (см 2 · рік).

 Рис. 3. Укрупнення схема енергетичного балансу Землі (складові енергетичного балансу, ккал / (см 2 · год)) [Будико, 1984].

Завдяки парниковому ефекту поверхню Землі отримує близько 72 ккал / (см 2 · рік) радіаційної енергії, частина якої - 60 ккал / (см 2 · рік) - йде на випаровування води (нижній кружок на рис. 3), а частина - 12 ккал / (см 2 · рік) - повертається в атмосферу через турбулентні потоки повітря.

Основний передавач тепла між космосом і Землею - атмосфера - отримує від Землі «свої» 60 ккал / (см 2 · рік) за рахунок конденсації водяної пари (верхній гурток на рис. 3), згадані 12 ккал / (см 2 · рік) - за рахунок турбулізації і безпосередньо від радіації Сонця - 59 ккал / (см 2 · рік). Підсумок: прихід дорівнює 131 ккал / (см 2 · рік). І відповідно витрата тепла через ефективне випромінювання - тій же величині -131 од. Разом з результуючими 36 ккал / (см 2 · рік) довгохвильового випромінювання від земної підстилки ми і отримаємо витрата в цілому - 167 ккал / (см 2 · рік), в точності рівний приходу енергії з потоком сонячної радіації.

Таким чином, на нашій планеті працює «система життєзабезпечення» з певним інтервалом температур. Середньорічна температура становить 14,25 ° С, при цьому в Північній півкулі середня температура 15,2 ° С, а в Південному - тільки 13,3 ° С через високу відбивної здатності льодового панцира Антарктиди.

З 72 ккал, що поглинаються кожним квадратним сантиметром земної поверхні на рік, океан «забирає» майже вдвічі більше, ніж суша, - 90 і 50 ккал відповідно. Це пояснюється великою теплоємністю води та її рухливістю. Океаносфера є потужним акумулятором сонячного тепла, вона накопичує в 21 разів більше тієї кількості тепла, яке за рік надходить від Сонця до всієї поверхні Землі (7,6 · 23 жовтня ккал в порівнянні з потоком в 3,65 · 20 жовтня ккал / рік) . Тому її взаємодією з атмосферою визначається погода на земній кулі. Тепло, що поглинається в тропіках, переноситься течіями у високі широти, пом'якшуючи клімат помірних і полярних областей. Один Гольфстрім несе у 22 рази більше тепла, ніж всі річки суші.

В цілому гідросфера працює під впливом накачування сонячної енергії як гігантська теплова машина. Можна навіть оцінити її коефіцієнт корисної дії. «Чиста» енергія руху, переміщення повітряних і водних мас, тобто та частина, яка може здійснювати потрібну нам роботу, виявляється зовсім невеликий: для атмосфери (з середньою швидкістю вітру, що трохи перевищує 10 м / с біля поверхні Землі) - всього 1,6% від поглощаемого сонячного тепла, а для океаносфери (з середньою швидкістю течії у всій товщі вод, рівний 3,2 см / с) - ще на пару порядків нижче. Звичайно, одна з найбільш серйозних енергетичних витрат - це витрата енергії на фізичний круговорот води, насамперед на випаровування. Її теж можна оцінити по вже наведеними даними. Близько 55% - такий витрата енергії, яка дійшла до земної поверхні, на випаровування.

У атмо-і гідросфері складне переплетення циклів, що розрізняються по простору і часу існування, визначає і миттєве стан - погоду в будь-якій точці Землі і клімат у кожній зоні. Клімат є результат усереднення минулих погод кожного дня в кожній точці. Не торкаючись дуже спірного, але злободенного питання про прогнозування погоди, підкреслимо тільки, що саме поняття про клімат було введено ще вченими Давньої Греції. Слово це грецького походження  (Klima)  і означає «нахил». Тобто ще тоді греки добре розуміли, що клімат місцевості залежить від середнього нахилу сонячних променів до поверхні Землі. Молодці, стародавні греки! Уявлення про першоджерелі руху у них було найправильніше.

 Глава 4
 Круговороти речовини в неживій природі

 ... Знову в морський простір
 Поспішає повернутися те, що небо сушить.
 А річки знову спрямовують з гір ...

 А. Данте

 4.1. Цикли води і повітря

Перейдемо до опису найбільш істотних кругообігів речовини на нашій планеті, які, як ми знаємо, «розкручуються» не самі по собі, а тому, що їх безперервно «змушують» це робити потоки енергії, головним чином сонячної. Проаналізуємо роботу одного з найбільш інтенсивних циклів - круговороту води і повітря на земній поверхні.

З усіх круговоротів циклічне переміщення величезних кількостей води було найбільш цікавим і важливим для людства. Загальновідомо, що стародавня людина селився головним чином по берегах річок і озер; сильно страждав від надлишку та нестачі опадів, принесених вітрами. Дощу, вітру, воді поклонялися, про них складали легенди, їх обожнювали (досить згадати легенди про страшний зливі і Всесвітній потоп, які в різних варіантах збереглися у багатьох народів).

Цілком природно, що людина хотіла знати, звідки беруться річки і струмки, чому вони не вичерпуються (або раптом вичерпуються), чому випадає дощ або сніг, чому вода в морі солона, а в річці прісна і т. д.

Давайте коротко розглянемо на прикладі розвитку уявлень про кругообіг води, як йшло накопичення знань, якими були найбільш типові помилки і помилки, як пробивала собі дорогу Істина. Особливу увагу приділимо питанню, найбільш важливого для енергетичного підходу і для методології в цілому, - питання про рушійні сили круговороту.

Спочатку згадаємо Фалеса Мілетського (VI ст. До н. Е..), Який вважав воду основою всього різноманіття природи. Він вважав, що вітер вганяє воду в надра Землі, гірські породи видавлюють її вгору, звідки і течуть річки та струмки.

В основу вчення Арістотеля (IV ст. До н. Е..) Лягли уявлення про круговорот дещо раніше жив Демокріта, родоначальника атомістичного навчання. Демокріт, пояснюючи розливи Нілу, стверджував, що проливні дощі в басейні великої річки пов'язані з випаровуванням снігу та води на півночі і їх перенесенням пасатами. Аристотель справедливо вважав, що джерелом всіх вод є волога атмосфери, але дощових опадів недостатньо для освіти і підтримки річкових потоків. Тому він придумав конденсаційну теорію утворення води з повітря в численних холодних земних порожнинах. (Таким чином, спирався на трансформацію основних елементів: води і повітря).

Пліній Старший (1 ст. Н. Е..), Автор «Природної історії» - твори, популярного аж до XVI в., Писав, що вся вода прагне до центру Землі і збирається в низьких місцях, а піднімається вгору до витоків струмків і річок і виливається у вигляді джерел за допомогою духу, який спонукає воду «роздуватися».

Варварство і феодалізм аж до епохи Відродження відрізнялися занепадом і застоєм у розвитку пізнання природи, в тому числі і нашої проблеми.

Наприклад, в період середньовіччя єдине подання, дозволене християнською церквою, грунтувалося на висловлюванні з «Книги Екклесіаста»:

Сходить сонце, і заходить сонце, і на місце своє спішить,

Щоб там знову зійти;

Біжить на південь і кружляє на північ, кружляє, кружляє, на бігу своєму вітер,

І на круги свої повертається вітер;

Біжать всі річки в море, - а морі не переповниться,

До місця, куди річки біжать, -

Туди вони продовжують бігти *.

  •  * Цит. по: Поезія та проза Стародавнього Сходу: Бібліотека всесвітньої літератури. - М.: Худож. літ., 1973. - С. 638.

Висловлення досить точне і містке, всі учасники подій перераховані, але питання про рушійні сили круговороту, наприклад, як і чому вода піднімається вгору, до витоків річок, на жаль, практично не ставиться, та й не міг ставитися при теологічному тлумаченні світу. (Так створено богом, так треба - ось стандартний догматичний відповідь на всі питання).

Епоха Відродження воістину відродила інтерес до пізнання природи, дала світу гігантів думки і почуття. Наприклад, Леонардо да Вінчі (1452-1519), замислюючись про джерело живлення річок, близько підійшов до розуміння впливу теплоти Сонця, але атмосферні опади не вважав основними у кругообігу. Як і давні греки, він вважав, що морська вода здатна підніматися вгору. Він уподібнював всю Землю живому організму (ось вони, природні витоки організмоцентрізма, який так дорого коштував біології, але про це-пізніше!), Де рух води відповідає руху крові. Вода Землі, як кров організму, згідно великому Леонардо, оживотворяє Землю і її створення.

Але загадка джерела рушійних сил (підйому води до витоків річок) так і залишилася недоступною навіть для найкращих умів натурфілософії всіх часів. Хоча для нас з вами розгадка здається очевидною. І не в тому справа, що мислителі минулого були слабкі; згадані тут імена, збережені історією, самі говорять за себе. Слабкість полягала в натурфилософском підході до вивчення природи. Виділимо дві головні причини. Перша - не стали на шлях суворого кількісного експерименту, не можна було вибрати єдино правильну з великого числа гіпотез, покликаних пояснювати те чи інше природне явище. Тому так важлива була й друга причина: схоластичність і авторитет вчителя.

І тільки XVII в. з розвитком капіталізму, з його високими вимогами до технічних засобів привів до швидкого прогресу дослідної науки - природознавства в сучасному розумінні.

І одразу все стало на свої місця! Майже триста років тому знаменитий і в наші дні Е. Галлей (описана ним комета нещодавно знову наближалася до нас) виміряв в невеликій посудині щоденне випаровування води сонячними променями. Спад води склала приблизно 0,1 дюйма (1 дюйм = 2,54 см). Він перелічив це на поверхню Середземного моря, взяв приплив води в нього приблизно в 90 стоків Темзи і отримав дивовижні дані, які показали, що випаровування не тільки компенсує стік, а й перевищує його в 3 рази! А адже саме брак випаровування і вважалася каменем спотикання для натурфілософів, починаючи з Аристотеля.

Все подальше стало вже справою техніки, хоча і не простим. Але для оцінки методології, для нашого розгляду це вже не має принципового значення. У XVIII і XIX ст. потрібно багато зусиль, щоб баланс круговороту був уточнений у деталях. До теперішнього часу поверхню Землі покрита мережею гідрометеорологічних станцій і баланси круговороту прораховуються на великих обчислювальних машинах для довгих і коротких тимчасових інтервалів. Для нас важливо, що організація цього потоку викликається потоком енергії сонячного випромінювання. Факт сам по собі банальний, але повчальний, якщо не забувати історію його встановлення - більш ніж двотисячолітні омани світлих умів натурфілософії.

 Рис. 4. Гідрологічний цикл на нашій планеті.

 1 -  океан;  II-  стічні області суші; III - замкнуті області суші. Стрілками позначений перенесення вологи. Цифри біля стрілок відповідають обсягам води в десятках тисяч кубічних кілометрів.

Наведемо дані по глобальному круговороту води на Землі (рис. 4). У цілому для земної поверхні величина опадів, рівна випаровуванню за рік, становить 113 см [Будико, 1977]. Загальний обсяг випаровується води в рік трохи перевищує обсяг Чорного моря.

Цікаво оцінити інтенсивність участі різних вод у кругообігу: глибинні води мають цикл оновлення, вони поновлюються за 5000 років, води Світового океану - за 3000, води непроточних озер в середньому - за 200 років, води проточних озер - за десятки років, грунтова волога - за рік, річкові води - за 12-15 днів, атмосферна волога-за 8-10 днів.

Таким чином, особливо напружені процеси влагообмена, пов'язані з атмосферою і річковими стоками.

Вражає уяву сам факт тривалою, протягом мільйонів років, «життя» будь-якої великої ріки. Якщо перегородити русло і вилучити джерела, то вся вода річки може витекти за кілька днів і оголиться русло до самого океану! Стійкість цієї рухомої системи забезпечується тим, що вона є невід'ємною частиною «вічного» круговороту, який розкручується найпотужнішим рушієм на нашій планеті - Сонцем.

Оцінюючи глобальний кругообіг води, звичайно ж, не слід забувати про найпотужніших океанічних і морських течіях, які можуть практично постійно переносити величезні об'єми води. Всім відомий Гольфстрім, який в десятки разів могутніше всіх річок суші, разом узятих, і який своїм теплом гріє Європу і навіть впливає на клімат Сибіру. Менш відомо антарктична циркуляційний кільце, яке є головним переносником вод з океану в океан (крім «маленького» Північного Льодовитого).

Навіть річки ніколи не являють собою спрямовані ламінарні потоки, поточні строго в одному напрямку. Ось, наприклад, як образно описує відомий письменник В. П. Астаф'єв у романі «Цар-риба» вид на Єнісей з борту літака: «Поле річки, точно від вибухів мін, опятнанное воронками - паморочилося вода на підводних карго, було широко і в Загалом-то спокійно, лише ці воронки да подряпини від кігтів кам'яних ШИВЕРОВ і в крутих поворотах зморщена, як би бороною зачеплена гладь тільки й показували, що внизу під нами все ж не поле, а річка, наповнена водою і неспинним рухом ... »

Всім нам добре знайомі завихрення води в будь-якому біжить струмочку, а такі великі заплави, вири, в яких вода закручується і рухається назустріч основному потоку, пам'ятні з дитинства.

Кругообіг повітря тісно пов'язаний з кругообігом води, так як атмосфера є основним джерелом водяної пари. На відміну від води, яка відчуває фазові перетворення (лід - вода - водяна пара) і набагато більш енергоємна, повітря тільки механічно переміщається згідно градієнту температур і тисків. Зате швидкість його переміщення може бути дуже високою в порівнянні з водними потоками. Досить згадати про тропічні урагани або арктичної хуртовині. І хоча іноді здається, що немає ніякої системи в переміщенні повітряних мас, насправді глобальний кругообіг повітря досить добре організований і підтримується нагріванням поверхні Землі, рівномірно розподіленим в просторі потоком сонячних променів. Найбільша різниця температур відзначається між тропічними і полярними районами.

Повітря тропіків, нагріваючись, розширюється і піднімається до верхніх шарів атмосфери. Повітря полярних районів охолоджується і, стискаючись, опускається вниз і розтікається по поверхні Землі, прямуючи в тропічні райони. Обертання Землі призводить до відхилення циркуляції повітря від меридіонального напрямку. Особливості земної поверхні викликають додаткові завихрення і потоки, утворення яких важко передбачити (бурі, урагани, циклони, антициклони, смерчі і т. д.). Однак є й більш постійні переміщення повітряних мас. У приекваторіальній зоні велику роль відіграють постійно дмуть вітри - пасати (північно-східні - на північ і південно-східні-на південь від екватора). На кордонах материк - океан перенесення повітря і вологи здійснюється періодичними вітрами - мусонами, які компенсують різницю температур через неоднакового нагрівання повітря над сушею і водою. Літні мусони дмуть з моря, більш холодного, зимові мусони несуть більш холодне повітря суші. І нарешті, існують менш потужні вітри - бризи, які змінюють напрямок протягом доби. Цей вітер здатний проникати на 40 км вглиб суші та захоплювати стовп повітря висотою до 0,5 км, вище - вітер дме у зворотному напрямку. На цьому прикладі можна добре бачити роботу одного з приватних кругообігів, викликаного до життя потоком сонячної енергії.

Розглядаючи кругообіг води і повітря, ми повинні враховувати їх разномасштабность: від величезних глобальних до найдрібніших локальних. І всі вони викликаються потоками енергії, основу яких складає потік енергії від Сонця. Число локальних круговоротів незліченно.

 4.2. Геологічний цикл

На земній поверхні під впливом потоку сонячної енергії відбувається вивітрювання гірських порід, їх руйнування. У результаті такої ерозії протягом року вітрами, річками, льодовиками несеться до 10-яка 10 т твердого та розчинної речовини.

Крім фізичного перенесення речовин відбувається з неоднаковою швидкістю вилуговування хімічних елементів з основних порід. Наприклад, кальцій, калій, натрій, хлор, сірка порівняно легко йдуть з кристалічних граток первинних мінералів; кремній, алюміній, титан, марганець, навпаки, вкрай погано розчиняються. У утворюються пухких породах кори вивітрювання широко розвинені процеси окислення (залізо, сірка, марганець у вивержених породах, як правило, Двовалентне, а в корі вивітрювання дають з'єднання Fe 2 O 3; Na 2 SO 4; MnO 2 (Fe +3; S + 6; Mn +4)) [Перельман, 1977]. Частина виноситься осаду залишається на шельфі, а частина доходить і до океанічних западин. З часом осад захороняется, занурюючись на все більшу глибину, в тому числі і під власним тиском. При цьому осадові породи відчувають метаморфізм і піддаються переплавки за рахунок тепла Землі. Після чого в зонах підйому, частково перемішуючись з глибинним речовиною, вони піднімаються вгору в гірських ланцюгах у вигляді магматичних порід. І знову піддаються вивітрюванню, потрапляючи в наступні хімічні цикли.

Геохімічні процеси, груба канва яких наведена вище, відбуваються протягом багатьох тисяч і мільйонів років. Зрозуміло, що вони відчувають дуже сильний вплив біотичного кругообігу, інтенсивність процесів в якому незрівнянно вище. Рослинність, грунт і особливо мікроорганізми вносять помітний внесок у геохімічні явища, по еуті перетворюючи їх на біогеохімічні. В. І. Вернадський, [1965] в одній з останніх робіт писав, що процеси вивітрювання, зокрема різко виражені в біосфері, завжди біогенних і биокосное; мікроскопічна життя в них відіграє провідну роль.

 Глава 5
 Жива природа. Брак речовини і його цикли

 ... Вся поверхня кулі складалася з крапель, щільно стиснутих між собою. І краплі ці всі рухалися, переміщалися і те зливалися з декількох в одну, то з однієї поділялися на багато. Кожна крапля прагнула розлитися, захопити найбільший простір, але інші, прагнучи до того ж, стискали її, іноді знищували, іноді зливалися з нею.
 - От життя, - сказав дідок-вчитель.
 Л. Толстой

 5.1. Головна осередок життя - клітина

Визначення життя з позицій функціонального підходу (метаболізм, розмноження, розселення в просторі) можна дати в наступній формі [Печуркін, 1982]:  це відкрита система, що розвивається на основі матричного автокаталізу під впливом зовнішнього потоку енергії, обмежена по речовині і що використовує цикли реакцій.

Що таке матричний автокаталіз, відомо з шкільного курсу біології, і ми не будемо його описувати.

Енергетичні витрати живої клітини здійснюються через запасання енергії в молекулі аденозин-трифосфату (АТФ) і передачу її відповідним «працюючим» молекулам (детальніше пізніше).

Отриману енергію клітина витрачає на підтримку активності і численні синтези. Незважаючи на складність і велика різноманітність органічних молекул і клітинних структур, всі вони будуються з малого набору простих сполук-попередників, що надходять із зовнішнього середовища. Початок синтезів йде від двооксиду вуглецю, води і мінеральних солей. На першому етапі вони перетворюються на проміжні продукти, з яких на другому етапі створюються основні будівельні блоки і серед них амінокислоти і мононуклеотиди. На третьому етапі відбувається збірка чотирьох типів макромолекул з будівельних блоків. На наступних етапах утворюються функціональні надмолекулярні комплекси, які на вищому рівні організації об'єднуються в цілісний організм - клітку як основну (і єдину) осередок життя.

Даючи короткий опис роботи клітини, підкреслимо найважливішу особливість життя. «Вражаючим відкриттям молекулярної біології за останні три десятиліття» назвала виявлену загальність фундаментальних хімічних процесів у живій клітині відома дослідниця еволюції життя, професор Бостонського університету Л. Маргеліс, [1983]. Дійсно, функціональну єдність найістотніших біологічних феноменів не може не вражати. Так, генетичний код, що визначає співвідношення між послідовностями нуклеотидів і амінокислот у білку, універсальний. По суті, він однаковий у всіх вивчених організмів - від найдавніших бактерій до людини.

Зв'язування інформаційних РНК, комплементарних генної ДНК, з рибосомами при синтезі білків, мабуть, теж універсально. Нарешті, енергетична валюта - АТФ - також єдина для представників усіх царств живого світу.

Зупинимося ще на одній важливій особливості клітинної організації. Це - енергетична економічність генетичного коду. Одним з її проявів може служити кореляція між поширеністю амінокислоти в білках і енергетичної вартістю її синтезу. Зі статистичного аналізу більше 600 білків вірусів, мікроорганізмів, рослин і тварин вдалося достовірно встановити, що чим вище витрати АТФ на біосинтез даної амінокислоти, тим рідше входить вона до складу білків. З цієї точки зору стає зрозумілим явище незамінності амінокислот, тобто нездатності деяких з них синтезуватися в організмах вищих тварин і людини. (Тому нам і потрібно тваринний білок, що містить ці амінокислоти, в свою чергу отримані від рослин.) Виявляється, що енергетична ефективність біосинтезу білка у організмів, які не синтезують, а споживають ззовні ці амінокислоти, на цілих 20% вище, ніж у організмів, які синтезують всі необхідні амінокислоти. Крім того, для синтезу незамінних амінокислот потрібно набагато більше число ферментів, ніж для синтезу замінних, що також пов'язане з додатковими витратами речовини і енергії.

 а: 1 -  джгутик, 2 -  клітинна мембрана,  3 -  нуілеоід (генофором),  4 -  малі рибосоми, 5 -  нецеллюлозного стінка, б:  1 -  пластиду,  2 -  ядерна мембрана,  3 -  великі рибосоми,  4 -  кінетохор,  5 -  хромосома,  6 -  ендоплазматичнийретикулум,  7 -  ундуліподія 9 + 2 (мікротрубочки),  8 -  кінетосомах 9 + 0,  9 -  клітинна мембрана,  10 -  клітинна стінка,  11 -  мітохондрії.

Виділяють дві головні таксономические одиниці - надцарства: прокаріоти і еукаріоти.

Назва «прокаріоти» походить від латинського слова  pro  (Вперед, замість) і грецького  karyon  (Ядро) (рис. 5). Клітини прокаріотів не містять ядра з мембраною, їх кільцева ДНК розташовується в клітці вільно. Слабо виражене розподіл простору клітини на окремі частини. Обмежено кількість клітинних компонентів - органел. Відсутні пластиди і мітохондрії, які відповідають за енергетичні перетворення в більш високоорганізованих клітинах. Клітинна стінка складається з гетерополімерние речовини - муреина, яке не зустрічається в інших груп організмів. Апарати руху (джгутики) або відсутні, або відносно просто влаштовані. Нарешті, розміри прокариотних клітин дуже малі, в середньому одиниці мікрометрів (мкм), що знаходиться на межі роздільної здатності світлового мікроскопа.

Простота структури у прокаріот компенсується високою лабільністю і різноманіттям метаболічних процесів. Спосіб харчування може бути як автотрофним, так і гетеротрофним. Прокаріоти харчуються шляхом всмоктування, або абсорбції, поживних речовин через клітинну стінку. Звичайний тип розмноження безстатевий, просте ділення навпіл, однак обмін генетичним матеріалом іноді відбувається при злитті клітин за рахунок парасексуальних процесів.

Якщо прокаріоти справедливо вважаються первинними формами, що виникли на початку еволюційного шляху, то розвинулися з них еукаріоти представляють собою наступний щабель еволюції (див. рис. 5).

Клітини еукаріот мають виражену ядро, оточене мембраною. Генетичний матеріал (ДНК) пов'язаний з білком в окремих утвореннях - хромосомах. Є цілий набір органел клітини: вакуолі, гранули, ниткоподібні і паличкоподібні структури. Енергетичні процеси локалізовані в мітохондріях. Добре розвинена ендоплазматична мембранна система, несуча безліч бульбашок і цистерн. Дрібні нуклеопротеїдні частки - рибосоми, в яких виробляється синтез білків, або пов'язані з мембранами ендоплазматичної мережі, або зважені в цитоплазмі. Звичайний тип розмноження - через статевий процес з чергуванням злиття ядра в зиготі і редукційного поділу з утворенням статевих клітин - гамет. Можливі й нестатеві способи розмноження: простим поділом, як у прокаріотів, брунькуванням, освітою суперечка і т. д., що найбільш часто зустрічається у мікроорганізмів. Джгутики, або війки, якщо вони є, мають більш складну, ніж у прокаріот, будову. Харчування еукаріот може бути автотрофним і гетеротрофним: абсорбційним, як у прокаріотів, або голозойним, при якому їжа заковтується і переробляється усередині організму.

Розміри еукаріотних клітин набагато перевищують розміри прокариотних, наприклад, мітохондрії порівнянні за величиною з окремими прокаріотних клітинами.

Підводячи підсумок короткому опису структури і функції основної одиниці живого - клітини, виділимо «три кити» біологічної організації: біохімічне єдність, економія матеріалу та енергетична ефективність.

 5.2. Біологічний вибух і брак речовини

Однією з важливих рис життя є здатність до народження собі подібних, які також можуть розмножуватися, даючи нові одиниці, здатні до розмноження, і т. д. Це і є відоме явище автокаталізу у фізиці, хімії, при механічних переносах: це - лавини, селі , реакції загоряння та вибуху (від простого пожежі до атомного і термоядерної вибухів). Математично такому процесу відповідає рівняння експоненти. Якщо розмноження йде простим подвоєнням, типу бактеріального розподілу навпіл один батько дає два нащадка і т. д.), то формула для числа нащадків Х  має вигляд

 Х = Х  0 · 2  t / g  = X  0 · 2 n ,

де g  - Тривалість одного покоління, тобто час від народження до наступного народження; n  - Число поколінь;  Х 0  - Початкове число розмножуються одиниць (клітин, організмів).

Перше уявлення про експоненті і її стрімкому зростанні в часі пов'язують із старовинною східною легендою про появу шахів. Правитель вирішив віддячити мудреця-винахідника і запропонував йому самому призначити нагороду, гарантуючи виконання. Мудрець попросив, здавалося б, небагато: дати йому одне зернятко - на перший квадратик шахівниці, два - на другу, чотири - на третій і т. д., подвоюючи кожен раз цифру (аж до 2 63, так як 2 0 = 1 на першій клітині). Правитель був спочатку вражений скромністю прохання, а потім ... виявилося, що вона нездійсненна. Щоб заповнити всі клітини дошки, треба було б по вазі близько 100 млрд т зерна, тобто багаторазовий світовий урожай!

У живій природі така здатність до швидкого зростанню, автокаталптіческому розмноженню була не тільки відзначена близько тисячі років тому, але вже й сформульована в початок XIII в. (1202) у вигляді математичної моделі італійським математиком Леонардо Пізанським (він був родом з тієї самої Пізи, де знаходиться знаменита падаюча, але до цих пір не впала вежа). Цей Леонардо більш відомий під ім'ям Фібопаччі. Розмірковуючи про число нащадків, що з'являються в послідовних поколіннях, від єдиної пари кроликів, Леонардо отримав зростаючу послідовність чисел: 1; 1, 2, 3, 5, 8; 13; 21 і т.д., де кожне наступне число - сума двох попередніх (це і є знаменитий ряд чисел Фібоначчі). Таким чином, чисельність популяції дуже різко зростає з числом поколінь; так, якщо до десятого покоління загальне число нащадків наблизиться до 100 особинам, то вже до шістнадцятого буде понад 1500 особин.

Великий класифікатор і систематик живої природи К. Лінней в середині XVIII в. обчислив, що «якби однорічна рослина виробляло тільки пару насіння (" Немає ні однієї рослини, яке було б так неплідності ", - зазначає Ч. Дарвін, який наводить ці обчислення Ліннея), його нащадки на наступний рік знову по парі насіння і т . д., то в 20 років було б мільйон рослин »(цит. за: [Дарвін, 1912, с. 56]).

Сам Ч. Дарвін перебував під глибоким враженням від високої швидкості розмноження живих організмів у геометричній прогресії. «... Всі органічні речовини природно зростають в такій прогресії, що, якби вони не гинули, земля незабаром була б покрита потомством однієї єдиної пари ... Навіть повільно розмножується людина подвоює чисельність в 25 років, і з цієї пропорції менш ніж в тисячу років буквально не залишилося б для його потомства місця, де можна було б поставити ногу »[Там само, с. 56].

Найбільш вражаючі цифри можна навести з кінетики росту мікроорганізмів. Якщо взяти середню масу бактерії рівний 6 · 10 -13 г і порівняти її з масою Землі, рівний 6 - 10 27 г, то отримаємо величину, в 10 40 разів меншу. Однак приріст біомаси бактерій в таке число раз при розмноженні простим поділом можна отримати приблизно за 130 послідовних поколінь (10 40 = 2130). Якщо тривалість покоління прийняти за 20 хв (це - середні дані для кишкової палички на багатому середовищі), то отримаємо необхідний час - дещо менш 2 діб. Таким чином, при хороших умовах розмноження нащадки однієї бактеріальної клітини здатні протягом всього лише 2  сут створити біомасу за величиною, рівну масі всієї планети, а за обсягом перевищує її в п'ять разів з гаком. Воістину величезний потенціал живої приводи до розмноження!

Ми вже говорили, що біохімічну основу, що забезпечує високі швидкості росту і розвитку клітин, організмів, популяцій, складають добре збалансовані системи реакцій відтворення (автокаталізу) макромолекул, насамперед нуклеїнових кислот і ферментів. Наприклад, ефективність іона заліза як каталізатора реакції розкладання перекису водню зростає на 9-10 порядків (тобто в мільярди разів), якщо він у складі молекули порфірину входить в фермент - каталазу. Приблизно такі ж, тобто в сотні мільйонів і мільярди разів більші порівняно з швидкостями реакцій в неживій природі, швидкості процесів, що протікають на ферментативної основі в живих системах.

У живих організмах «... швидкість хімічної реакції майже завжди досягає граничного значення, яке визначається законами фізики. У всіх випадках виявляють оптимальне співвідношення тенденції "якомога швидше" і "настільки точно, як це потрібно" », - пишуть у книзі« Гра життя »відомий дослідник фізико-хімічних основ еволюції лауреат Нобелівської премії Манфред Ейген і його співавтор Роберт Вінклер [М . 1979, с. 96].

Проте можливості необмеженого розмноження не можуть реалізуватися: і для популяційного рівня, і вище «вибухи» чисельностей мають місце набагато рідше, ніж підтримка стаціонарних рівнів, і бувають короткочасними. Жива природа впирається в обмеження відсталого оточення. «Натиск життя» (за висловом В. І. Вернадського), нестача речовини заганяють її в умови сильного лімітування. (Не даремно існує вислів: «Голод править світом».)

Жива система використовує все, що може взяти у середовища. Головна риса, що характеризує «хитрість» живої природи, її «вміння» справлятися з лімітуванням по речовині при постійній накачуванні потоком сонячної енергії, - це повсюдний розвиток циклів речовини. Розглянемо деякі приклади циклів речовини в живій природі - від молекулярних структур клітини до біосфери в цілому - на різних рівнях її організації.

 5.3. Живі цикли: від електронного до біосферного

«" Wheels within wheels within wheels "- цикли, що включають цикли, які, в свою чергу, включають цикли, - так визначається біологічний процес в цілому», - пишуть у книзі «Наука про живе» відомі біологи П. і Дж. Медаваром [ М., 1983]. Ми почнемо опис цих циклів з самого основного - енергодающіх.

Уявімо просту схему протонного (електронного) циклу (рис. 6). За допомогою білків клітина здатна використовувати енергію світла, переносячи водневі іони і, відповідно, електрони через мембрану. Таким способом створюється різниця потенціалів, електрохімічний градієнт. А він і буде рушійною силою процесу, в даному випадку хімічного. Його величина, порядку 0,25 В, цілком достатня, щоб компенсувати втрати енергії при синтезі АТФ з АДФ. На кожну синтезовану молекулу АТФ, цієї енергетичної валюти, «витрачається» два Н +, тобто два протони назад повертаються через мембрану. Так працює цикл. Енергетичні ресурси клітини можуть бути різноманітними для авто-і гетеротрофів, останнім часом багато працюють з бактеріородопсин як джерелом електрохімічного потенціалу. Цей світлочутливий білок поряд з широко відомим хлорофілом також можна назвати генератором електричного струму. У еукаріотних гетеротрофних клітин енергодающіх джерелом є глюкоза, а утворення АТФ пов'язано з мембранами мітохондрій. Останні образно називають «електростанціями клітини». Тепер, у зв'язку з розумінням протонного циклу, виявилося, що це зовсім не метафора. А в цілому, з енергетики, Автотрофне клітину можна назвати «фотоелектричним елементом», а гетеротрофну-«електрохімічним елементом» на основі циклів.

 Рис. 6. Схема енергодающіх протонного циклу.  

Однією з головних особливостей живого є наявність специфічних білкових каталізаторів - ферментів. Робота цих каталізаторів також циклічна. Існував спеціальний термін-«число обороту» ферменту, тобто скільки молекул субстрату «переробляє» одна молекула ферменту в одиницю часу. (Тепер цю характеристику називають молекулярною активністю). І цей показник може бути дуже великим, досягаючи, наприклад, тисячі або навіть мільйони на хвилину. Мільйон операцій на хвилину! - Така «скорострільність» ферменту, так працює ця складна машина, циклічно змінює свою просторову конформацію з величезною швидкістю.

Основа діяльності зелених рослин - фотосинтез, і здійснюється він нагорі, в листі, що містять хлорофіл. Газообмін з навколишнім середовищем при фотосинтезі і диханні рослини здійснюється через міжклітинні простору - продихи, величина яких може регулюватися. А необхідна для фотосинтезу вода подається за спеціальною транспортній системі, яка називається ксилемою. Іноді цю систему тонких трубочок називають водопровідної. У воді розчинені мінеральні солі, необхідні для численних биосинтезов всій органіки рослини. Все це надходить з коріння під впливом кореневого тиску і транспірації води в листі. Але коріння теж «хочуть жити», а вони гетеротрофних, і ось за іншою системою трубочок - флоемі до них спрямовується джерело енергії - утворився в листках цукор. Рушійна фізико-хімічна природа цього потоку, іноді дуже швидкого (до 10 м / ч), не зовсім ясна. Ксилема і флоема і утворюють циркуляційних систем рослини, по якій проходить величезна кількість речовини. Наприклад, на фотосинтез використовується 1-2% надходить від коренів води, а решта кількості, в 50-100 разів більше, йде при транспірації. Прямо чи опосередковано, через атмосферні процеси (опади, конденсація, потоки) ця вода знову повертається до коріння. Так замикається її цикл.

Більш досконала і більш замкнута циркуляційна система є в тварин, особливо у вищих, включаючи людину. Тут працюють справжні насоси, що перекачують енергетичне паливо, кисень, поживні елементи і виводять відходи метаболізму. Головним носієм є кров. У легенях вона збагачується киснем, який запасає в еритроцитах (дископодібних формених елементах) і виділяє CO 2 як результат окислення глюкози в енергодающіх процесах. У кишечнику вона одержує поживні речовини, що утворюються в результаті метаболічного засвоєння, «перетравлення» їжі. Найголовніший мотор організму тварини - це його серце. Виштовхуючи через артерії збагачену киснем і харчуванням кров, воно через систему розгалужень і капілярів доводить її до кожної працюючої клітини, де шляхом дифузії відбувається обмін принесених речовин на метаболічні відходи. Венозна кров, яка замикає цикл, прокачується через видільні системи, де звільняється від метаболітів і знову приходить по малому колу до легких. Дивна робота серця як насоса. За хвилину у людини, що знаходиться в стані спокою, воно перекачує близько 5 л крові, а за годину це складе вже за вагою приблизно 4-5 ваг дорослої людини. За 70 років життя серце людини в середньому перекачує понад 150 млн л крові, що більш ніж в 2 млн разів перевищує вагу людини. Така робота цієї циркуляційної системи, що забезпечує життя організму.

Розглянемо роботу планетарного біотичного кругообігу. Дуже конкретно і точно висловив свою точку зору на «енергетичний цикл життя» один з видатних біохіміків нашого часу А. Сент-Дьордь [1964, с. 30]: «Електрони спочатку піднімаються на більш високий енергетичний рівень фотонами (квантами світла), а потім в живих системах падають на свій основний рівень, віддаючи при цьому свою надлишкову енергію, яка приводить в дію машину життя».

 Рис. 7. Схема основного енергодающіх циклу в біотичному кругообігу. Паралельні стрілки показують потік енергії Сонця.  

Потік збуджених, багатих енергією електронів, або електронний каскад, можна уподібнити ряду водоспадів: кожен водоспад приводить в рух цикли речовини, обертає «турбіни» ферментативних реакцій, в ході яких енергія електронів зв'язується в біологічно корисної формі - у вигляді енергії макроергічних сполук, наприклад усім відомого аденозинтрифосфату, або АТФ, яку часто називають «енергетичної валютою життя».

І в даному випадку, як і при описі інших типів кругообігів, очевидна необхідність циклів речовини для тривалого використання «вічного» потоку енергії від Сонця.

Основою для розрахунку циклів головних елементів, насамперед вуглецю, кисню і водню, складових 9/10 маси всіх живих тіл, може служити рівняння реакції фотосинтезу (або дихання), представлене на рис.7. Для прямого протікання цієї головної для життя реакції необхідна енергія сонячного світла (Q = 120 ккал / моль), а зворотна реакція - дихання, пов'язана зі споживанням глюкози, здійснюється за рахунок використання енергії, запасеної у вуглеводах.

Для замикання кругообігу досить мати всього дві ланки: фотосинтезуюча, автотрофне, яке виробляє органічні сполуки (рослини суші і водорості), і ланка споживачів цієї енергії, гетеротрофное (бактерії). Робота бактерій супроводжується звільненням елементів неорганічного харчування для подальшого використання автотрофним ланкою і т. д. (рис. 8).

 Рис. 8. Схема біотичного кругообігу і потоків енергії через основні ланки спрощеної екосистеми.

Суцільні лінії - потоки речовини; штрихові - передача енергії; стрілки, що відходять від кола, вказують втрати енергії в кожній ланці, тобто відтік енергії в космос.

Отже, рослини-продуценти, що фіксують і акумулюють сонячну енергію у своїй біомасі, можуть як споживатися травоїдними тваринами, так і, відмираючи, перероблятися бактеріями і грибами в запас неорганічних біогенних елементів у грунті і воді. При цьому, здавалося б, що травоїдні (хижаки 1-го роду) створюють нову біомасу. Але треба пам'ятати, що для створення її вони витрачають приблизно в 10 разів більше живої речовини з попереднього рівня продуцентів. Відповідно і втрачається енергія. Наступний трофічний рівень - м'ясоїдні (хижаки 2-го роду), споживаючи травоїдних, також розсіюють енергію, але вони вже можуть використовувати до 30% від спожитої енергії. Трофічних рівнів споживачів може бути декілька, зазвичай не більше 4-6, через втрати енергії на кожному з них. До речі, про людину, з цієї точки зору, можна говорити як про хижака 1-го, 2-го і наступних пологів.

У кінцевому рахунку всі органічні молекули розщеплюються до неорганічних сполук, поповнюючи запас біогенних елементів, але вони знову витрачаються на синтез фітомаси, самої великої маси органіки на нашій планеті.

Оскільки молекули води і вуглекислого газу знаходяться на низьких енергетичних рівнях, можна сказати, що цикл перетворень йде від H 2 O до H 2 O через стрибок за допомогою квантів світла до «гарячих» протонів і електронів, або від CO 2 до CO 2 через освіту енергетично багатих зв'язків вуглецю, насамперед глюкози.

Загальні показники, що визначають масштаби і енергоємність біотичного кругообігу на нашій планеті, характеризуються такими величинами [Ковда, 1975]: біомаса всіх живих істот - 2,42 · 12 Жовтня т (по сухому вазі), з них менше 1% припадає на частку світового океану ; первинна продукція (по сухій речовині) - 2,32 · 10 листопада т / рік, з них 1,72 · 10 листопада т / рік - продукція континентів; 0,6 · 11 жовтня т / рік - продукція Світового океану. З усієї приходить на поверхню Землі сонячної енергії на фотосинтез витрачається менше 0,1% (на суші трохи вище 0,1%, на поверхні Світового океану приблизно 0,04% через низькопродуктивних центральних частин, відповідних пустелях суші).

Згідно А. А. Нічипоровіч [1967], річна продукція фотосинтезу на Землі оцінюється в 46.10 9 т органічного вуглецю. За рівняння реакції фотосинтезу для виробництва цієї кількості вуглецю потрібно, щоб 170.10 9 т вуглекислоти зв'язувалися з 68.10 9 т води, в результаті чого засвоюються 44.10 16 ккал ФАР і утворюються 123.10 9 т кисню і 115.10 9 т сухої органічної речовини.

Не будемо зупинятися на видовому розмаїтті організмів (налічують близько 2 млн видів рослин і тварин, не кажучи вже про бактеріях, серед яких відома чи не десята частина видів). Відзначимо, що весь цей калейдоскоп, що становить живу оболонку планети - біосферу, займає всю тропосферу і нижню частину стратосфери (до озонового екрану, приблизно 30-40 км), а знизу обмежений відкладеннями на дні океанів і глибиною проникнення підземних вод разом з мікроорганізмами (до глибини близько 10 км).

Швидкість обороту всього живого речовини досягає приблизно 10% на рік, цей же показник характерний і для продуцентів, точніше, зелених рослин суші, що становлять більше 99% загальної біомаси. Для деструкторів, навряд чи досягають 1% від загальної біомаси планети і вимушених переробляти всю масу органічної речовини (в 10 разів перевищує їх власну вагу), швидкості обороту відповідно у багато разів вище.

 Рис. 9. Залежність максимальної продуктивності від радіаційного балансу для території СРСР.  

Максимальна продуктивність рослинного покриву визначається радіаційним балансом (рис. 9). Природно, що для більш точного опису характеристик круговороту, особливо його продуктивності та інтенсивності, необхідно враховувати і конкретні умови розвитку екосистем даної зони, і умови забезпеченості водою, і результуючі температури, але для нас з вами в даному випадку важливо підкреслити, що умова забезпечення потоком енергії є первинним і найважливішим.

Даючи короткий огляд характеристик глобального біотичного кругообігу, ще раз виділимо загальнопланетарне значення живої речовини, якому надавав величезного значення В. І. Вернадський. Проілюструвати це можна за допомогою нескладних розрахунків. По сухій речовині готівкова біомаса Землі, маючи вагу 2,42 - 10 12 т, становить лише 0,00001% від ваги земної кори (2.10 19). Однак приймаючи 10 років за період її оновлення і вважаючи, що продукція за обсягом мало змінилася за останній мільярд років, можна отримати сумарну величину маси речовини, використаного життям: 2,0 · 10 грудня? 10 -1? 1.10 9 т = 2.10 20 т. А це вже в 10 разів перевищує вагу кори Землі. Ми можемо стверджувати, що атоми, складові наші тіла, побували і в древніх бактеріях, і в динозаврах, і в мамонтах. Положення про провідну роль живого речовини в біосфері запропоновано назвати  законом Вернадського. У  однією з найбільш повних формулювань він говорить: «Міграція хімічних елементів на земній поверхні і в біосфері в цілому здійснюється або за безпосередньої участі живої речовини (біогенна міграція), або ж вона протікає в середовищі, геохімічні особливості якої (кисень, вуглекислий газ, сірководень і т. д.) переважно обумовлені живою речовиною, як тим, яке в даний час населяє дану биокосное систему, так і тим, яке діяло на Землі протягом усієї геологічної історії »[Перельман, 1977, с. 128].

Наведемо деякі показники, що характеризують «економію біосфери», або ступінь замикання круговороту по одному з найважливіших елементів - вуглецю за останній мільярд років. Річна продуктивність біосфери по вуглецю досягає 9.10 10 т. За мільярд років - 9.10 19 т. Запаси мертвого органічної речовини біогенного походження, який випав з кругообігу в товщах осадових порід, тобто пішли з циклу древніх биосфер, складають за різними оцінками від 4.10 15 до 15.10 15 т (в перерахунку по вуглецю), за середнє можна прийняти цифру 9.10 15 т. Звідси можна оцінити ступінь недосконалості круговороту як відношення втраченого вуглецю до всього задіяному:

або у відсотках: К  = 0,01% (відповідно ступінь замкнутості визначається числом з чотирма дев'ятками - 99,99%). А це означає, що в середньому кожен атом вуглецю брав участь у циклі приблизно десять тисяч (!) Разів, перш ніж був втрачений для життя в похованнях літосфери. Так дивно економна наша біосфера як єдина функціонуюча одиниця, так досконалий наш глобальний біотичний кругообіг. А адже вуглець не є основним лімітуючим біогенним елементом, тому цифри по азоту і фосфору повинні бути ще більш вражаючими.

Більше того, і ті органічні залишки, які поховані в седимент літосфери, якщо говорити про геологічну часу, тобто враховувати геохімічні цикли, знаходяться там не вічне.

За образним висловом А. В. Лапо, автора цікавої книги «Сліди колишніх біосфер» [М., 1979, с. 111], консервація біогенних речовин в екосистемах - «явище суто тимчасове, щось на кшталт зберігання багажу в автоматичній камері на вокзалі. Нормально життя забирає назад свій багаж (то бити небіогенное речовина). Потрібні якісь виняткові обставини, щоб осередок камери залишилася нерозкритій, а багаж - замурованим у ній ». Один з найбільш яскравих прикладів використання поховань такого роду - це видобуток корисних копалин людиною набагато більш високими темпами, ніж середні швидкості їх утворення. Недарма так висока загроза швидкого виснаження викопних ресурсів, а з нею і можливостей нашого «паразитування» на несовершенствах і катастрофах колишніх біосфер.

Закінчуючи розгляд особливостей життя, ми можемо ще раз підкреслити, що збурює потік енергії розкручує цикли на всіх рівнях організації живої речовини.

Тим самим життя не зупиняється, що не заганяється в глухий кут через брак речовини, а вдосконалюється, прискорюючи і умощняя свої цикли. «Хочеш жити - вмій крутитися» - свідчить лукава прислів'я. Для оцінки розвитку кругообігів (а не в додатку до однієї популяції) вона втрачає велику частину метафоричності і досить точно відображає одну з головних рис біотичних циклів. Дійсно, у фізичному круговороті стався відбір самого енергоємного та рухомого носія - молекули води. У біотичному кругообігу і в структурах живого речовини вона теж грає одну з найважливіших ролей.

Це дивна речовина пронизує всю біосферу. В атмосфері - це випаровування і величезні переноси хмар по всій планеті; в гідросфері - це акумуляція тепла океанічними водами та глобальні течії; в літосфері - це теплоносій опалювальної системи, що дозволяє виводити внутрішні потоки тепла. І нарешті, вода - основа всього живого. Все живе речовина складається більш ніж на 2/3 з води. Наприклад, людина за своє життя в середньому прокачує води близько 75 т (а це в тисячу разів більше його ваги). А головне - вода бере участь у енергодающіх метаболічних процесах, без яких життя неможливе.

Тісний взаємозв'язок води і життя багато разів наголошував В. І. Вернадський, говорячи, що вода і життя генетично пов'язані, а відомий німецький фізіолог минулого століття Еміль Дюбуа-Реймон називав життя «одухотвореними водою». Можна зробити деякі висновки.

  1.  Потік енергії є джерелом руху в будь-якій системі.
  2.  Під впливом постійної накачування енергією в будь обмеженою системі виникають циклічні переміщення речовини аж до складних динамічних структур. Неравновесность є характерною рисою для систем з накачуванням (а не з особливою властивістю життя).
  3.  У системах з циклами має місце відбір найбільш рухомого і енергоємного носія, прикладом якого на нашій планеті може служити вода.
  4.  Провідну роль у трансформації речовин на Землі грає біотичний кругообіг, що складає основу життя.
 Зміст  Далі

наверх

psm.in.ua

     © psm.in.ua - підручники, статті та монографії
енциклопедія  флотський  пломбір  зелені  запіканка