Возникновение биосферы

gordon0030@yandex.ru

Архив выпусков | Участники

↓№ 266↑

10.06.2003 Хронометраж

48:08

Стенограмма эфира

Биосфера как система отношений микроорганизмов возникла и существует в неизменном виде задолго до возникновения растений, животных и человека. Зачем тогда мы ей — биосфере — нужны, и нужны ли? Об эволюции биосферы Земли — академик РАН Георгий Заварзин.

Участник:

Заварзин Георгий Александрович — академик РАН, доктор биологических наук, заведующий лабораторией Института микробиологии РАН

Материалы к программе:

Из статьи: Г. А. Заварзин. Становление биосферы//Вестник Российской Академии наук. 2001. Т. 7. № 11.

В истории изучения природы попытки объяснить целое через часть на пути редукционизма неоднократно сменялись попытками объяснить части через целое в системном подходе. В проблеме становления биосферы наиболее значимое смещение фокуса внимания исследователей связано с именами А. Гумбольдта и Ч. Дарвина.

В 1799 г. Гумбольдт противопоставил систематизации множества природных объектов, предложенной К. Линнеем, представление о взаимодействиях в природе на основе единства времени и пространства. Гумбольдт создал биогеографию с климатом как определяющей силой ландшафта, в свою очередь понимаемого как некая физиогномическая целостность в «Ansichten der Natur». В противоположность Гумбольдту Дарвин объяснил возникновение линнеевского множества видов историей их происхождения на основе изменчивости, наследственности и естественного отбора в результате конкуренции и того, что покойный Н. Н. Моисеев назвал Рынком с большой буквы и универсальным законом природы. В современном естествознании эти две тенденции вылились, во-первых, в господствующую на протяжении полутора веков идеологию дарвинизма с молекулярной генетикой как ее острием и биомедициной как прагматической целью, а во-вторых, в геосферно-биосферную систему взглядов в естествознании, задача которой — выяснить условия устойчивого развития путем изучения взаимодействий в природе. Я буду рассматривать именно вторую линию системного подхода, предполагая, что с редукционистским подходом в биологии читатель вполне знаком.

Прежде чем перейти к основному содержанию моего научного сообщения, напомню некоторые общие положения. При этом я вступаю в область, в которой являюсь скорее потребителем, чем производителем знаний.

Этапы становления биосферы сейчас выяснены в общих чертах геологами и палеонтологами для 3,8 млрд лет истории Земли, на протяжении которых прослежена геологическая осадочная летопись. В этих временных рамках можно выделить три этапа:

• прокариотная биосфера до неопротерозойской революции (около 1 млрд лет назад);

• протисты и нетканевые организмы до начала фанерозоя с вендом как переходным периодом и комбинаторным множеством биоразнообразия протист, обусловленным симбиогенезом (1–0,8 млрд лет назад);

• тканевые организмы фанерозоя (0,6 млрд лет назад), появление наземной растительности в конце силура — девоне (около 350 млн лет назад), когда начинает господствовать монофилетический принцип развития биоразнообразия с ветвями растений, грибов, животных.

Около 3,5 млрд лет назад началось образование железистых формаций, состоящих из магнетита и гематита: около 2 млрд лет назад получил распространение серный цикл; около 0,8 млрд лет назад произошло распространение эукариот; 0,3 млрд лет назад сформировалась наземная растительность и возникла почва современного типа.

В геологической летописи обнаружено резкое изменение состояния литосферы и поверхностных оболочек Земли около 2 млрд лет назад. Оно отмечено образованием красноцветных пород, свидетельствующих о появлении кислорода в атмосфере, прекращением железорудной эпохи и, судя по фракционированию изотопов, развитием серного цикла с сульфатредукцией. В этот период биосферно-геосферная система как бы выворачивается наизнанку: вместо кислородных карманов в циано-бактериальных сообществах в условиях аноксической атмосферы формируется кислородная атмосфера с анаэробными карманами в субаквальных условиях — местах потребления кислорода. 2 млрд лет назад произошла грандиозная перестройка всей геосферно-биосферной системы на основе создания кислородной атмосферы. После этого появилась возможность для развития биосферы современного типа.

Тогда на Земле существовало лишь прокариотное сообщество и, следовательно, становление биосферы происходило под действием только бактерий. Все остальные события объясняются модификацией биосферной системы, созданной в период исключительного господства прокариот. Так называемая эволюционная биология, которую нам преподают в школах и вузах, рассматривает последовательность происхождения позвоночных животных и механизмы изменения на основе генетики и полового процесса. Это нечто вторичное и поверхностное по отношению к базовым процессам, обусловленным деятельностью «невидимых».

Согласно традиционным взглядам, выживали наиболее приспособленные и, следовательно, эволюция шла в направлении все большей приспособляемости. При этом эволюция живого рисуется в виде генеалогического дерева, развивающегося от немногих предковых форм, которые должны были бы вымирать как менее приспособленные. На самом деле в природе сейчас сосуществуют представители всех главных групп организмов, последовательно появлявшихся в истории биосферы. Мы можем наблюдать всю «лестницу существ» — от примитивных до самых сложных — и на основе актуалистической палеонтологии реконструировать облик вымерших. Вместо вымирания предшествующей биоты наблюдается ее сохранение, персистентность.

Сказанное можно иллюстрировать на примере строматолитов. Поверхность строматолита (возраст 2,2 млрд лет) из района Петрозаводска такая же, как у корочки высушенного циано-бактериального мата из лагун Сиваша; другой строматолит (возраст 0,8 млрд лет) имеет своим аналогом термофильный циано-бактериальный мат с острова Кунашир. Подобные слоистые структуры мы научились моделировать в лаборатории.

При разнообразии в деталях циано-бактериальные сообщества сохраняют свою архитектуру и состав на протяжении всей геологической летописи. Более того, микропалеонтологи утверждают, что микрофоссилии цианобактерии, возраст которых более 2 млрд лет, можно классифицировать по современным определителям синезеленых водорослей. Не происходило ни изменений, ни эволюции, выходящей за рамки изменчивости, приуроченной к местообитаниям. Следовательно, изучая современные циано-бактериальные сообщества можно составить представление о микробной биосфере протерозоя.

Актуалистический подход в определенных пределах оправдан. Для этой цели особенно подходят микробные сообщества, развивающиеся в местообитаниях, где отсутствуют высшие организмы. Такие сообщества называются реликтовыми и считаются аналогами экосистем прошлого. Их можно наблюдать в экстремальных условиях, например, в гидротермах или лагунах с повышенной соленостью. Под экстремальными обычно понимаются условия, в которых «трава не растет и скот не пьет». Развитие микробных сообществ в таких местах означает, что эволюция и усложнение сопровождались сужением базы жизни — тем, что Андрэ Львов в 1942 г. назвал эволюцией утраченных функций.

Функциональные связи в геосферно-биосферной системе легче всего продемонстрировать на основе взаимосвязи биогеохимических циклов. Ведущим является цикл органического углерода. На первом этапе при фотоавтотрофной ассимиляции углекислоты (СО₂ + Н₂О = [СН₂О] + O₂) происходило сопряжение цикла углекислоты, кислорода, органического углерода в молярном соотношении 1 : 1 : 1. Судя по изотопным отношениям, органический углерод формировался таким же путем в древнейших осадочных отложениях Земли. На втором этапе в результате дыхания органотрофов протекала обратная реакция и кислород удалялся ([СН₂О] + O₂ = СО₂ + Н₂О). Если бы не было деструкции, то система остановилась бы из-за избытка кислорода, что и наблюдается при культивировании цианобактерии в замкнутых сосудах, когда концентрация кислорода превышает 20%. Циклический характер биосферных процессов — это универсальная необходимость для геосферно-биосферной системы. В противном случае накопление продукта за геологическое время вызовет остановку биогенного цикла.

В цикле органического углерода, однако, имеется нарушение, обусловленное неполнотой разложения органического вещества. Часть органического углерода оказывается недоступной бактериям и захоранивается в осадочных отложениях в виде керогена, составляющего основной резервуар восстановленного углерода на Земле. Дисбаланс в цикле приводит к накоплению кислорода в атмосфере и его стоку в окисленные формы железа и сульфаты Мирового океана. В атмосфере осталось около 5% кислорода, образованного за всю историю биосферы. Незамкнутость циклов ведет к так называемой биогеохимической сукцессии. Это — основная движущая сила эволюции геосферно-биосферной системы с ключевым процессом седиментогенезом. Идея о том, что эволюцию биосферы в рассматриваемых временных масштабах можно объяснить, ограничившись оценкой первичной продукции, относится к области недомыслия.

В связи с циклом органического углерода следует обратить внимание на судьбу неорганического углерода. Углекислота дегазации Земли обнаруживается в виде отложений карбонатов — известняков и доломитов. Они возникают как конечный продукт химического выветривания (CaSiO₃ + СО₂ = СаСО₃ + SiO₂) с глинами в качестве эквивалентных остаточных накоплений. Именно в глинах происходит преимущественное захоронение керогена.

С циклом органического углерода стехиометрически связаны циклы азота и фосфора соотношением Редфильда, то есть отношением этих биогенных элементов в биомассе: С : N = 6; С : Р = 116. Для организмов с органическими опорными структурами, как у деревьев, отношение С : Р может достигать 500. Тем не менее эта жесткая связь циклов обусловлена составом биомассы. С циклом органического углерода связаны катаболические циклы серы и железа. Цикл железа доминировал около 2 млрд лет назад в железорудную эпоху, а сейчас он имеет подчиненное значение. Цикл серы сформировался позднее 2 млрд лет назад и представляет собой важнейший путь анаэробной деструкции в море. Два эти цикла несовместимы, так как при одновременном протекании в одном месте они привели бы к осаждению сульфидов железа.

Цикл органического углерода может полностью осуществляться циано-бактериальным сообществом по определенным правилам. В современных условиях в послесилурийской биосфере роль первичных продуцентов играют в море фототрофные водоросли и протисты, а на суше — сосудистые растения. Роль же деструкторов в море досталась беспозвоночным, а на суше — грибам. Циклы азота, серы, железа находятся целиком под контролем бактерий, и только бактерий. Следовательно, биогеохимическая система планеты сформировалась в прокариотной биосфере и в настоящее время контролируется кооперативной бактериальной системой. Функциональное разнообразие бактерий достаточно для того, чтобы катализировать биогеохимическую машину планеты.

Итак, при рассмотрении функциональной системы мы получили не традиционную, а совершенно иную картину. Возникающие по мере филогенетического усложнения организмы должны приспосабливаться к уже существующей системе, и это составляет суть естественного отбора. «Творческая» его роль заключается не в вытеснении путем конкуренции, а в соответствии элемента большой системе. Нельзя быть приспособленным к тому, что будет, или к тому, что было. Единство времени и пространства, провозглашенное Гумбольдтом, — необходимая основа взаимодействий в настоящем. Таким образом, сохранение старого есть условие существования нового. Поэтому сохранение всей системы живых существ (старых даже больше, чем новых) — необходимое условие, а не упущение незавершенной эволюции. В функциональном отношении происходит наложение, а не второочередная замена, то есть эволюция осуществляется аддитивно.

Поскольку первая биосфера была создана бактериями, рассмотрим систему кооперативных взаимоотношений в бактериальном сообществе. Она определяется в первую очередь трофическими отношениями. Граф трофических отношений представляет собой транспортную сеть. Для микробного сообщества каждого местообитания приходится устанавливать и идентифицировать типичных представителей функциональных групп. Граф служит планом исследования: если в нем появляется висячее ребро, то необходимо найти организм с соответствующей функцией.

На начальном этапе первичные продуценты — цианобактерии или водоросли — поглощают двуокись углерода и выделяют кислород, образуя биомассу. Далее биомасса переходит в мортмассу с потерей примерно 20% органического углерода при автолизе. Аэробные деструкторы, согласно правилу Виноградского, способны использовать каждое природное вещество, и соответственно для белков, жиров и углеводов имеются сахаро-литический, протеолитический, липолитический пути и микробы-специалисты. Мортмасса представляет собой взвешенное органическое вещество, и чтобы ее могли использовать бактерии, должна быть гидролизована на низкомолекулярные вещества, доступные осмотрофам. В результате на мортмассе образуются физически структурированные группировки бактерий-деструкторов с частичками, наподобие «морского снега» в океане, или на органических остатках в почве.

Часть взвешенного органического вещества переходит в анаэробную зону, где действует группировка анаэробных гидролитиков. При этом олигомерные продукты гидролиза частично рассеиваются, их потребляют диссипотрофы, способные к утилизации растворимого органического вещества в низкой концентрации. Анаэробы-бродильщики образуют водород, ацетат и «летучие жирные кислоты», которые перерабатываются специализированными группами организмов. В среде, где отсутствуют внешние окислители, водород и ацетат используются метанообразующими археями. Летучие жирные кислоты разлагаются на ацетат и водород синтрофами. Метан поднимается на поверхность, и его окисление метанотрофами препятствует доступу кислорода в анаэробную зону. В присутствии соединений серы на завершающих этапах метаболизма главенствуют сульфатвосстанавливающие бактерии и бактерии, окисляющие сероводород. В целом метаболизм сообщества аналогичен метаболизму клетки, однако вместо ферментов действуют бактерии со специфическими функциями.

Этой кооперативной системе свойственны термодинамические ограничения. Вся система подчиняется закону Гесса, и пути превращения вещества могут быть различными, но каждая реакция должна давать достаточно энергии для поддержания существования определенного вида микроорганизмов. Энергетический предел соответствует 1/3 энергии, необходимой для образования АТФ. Рассматривая такие кооперативные сообщества из разных мест обитания и сопоставляя функциональную и филогенетическую системы, я пришел к выводу, что тесные трофические отношения осуществляются между парами организмов, филогенетически удаленными друг от друга. Например, археи-метаногены взаимодействуют с бактериями-бродильщиками, клостридии-гидролитики — со спирохетами-диссипотрофами, представляющими самостоятельную филогенетическую ветвь, спирохеты — с протеобактериями-сульфатредукторами. Наиболее разительный пример этого эмпирического правила получили сотрудники Института морской микробиологии в Бремене в 2000 г.: анаэробное окисление метана осуществляется консорциумом археи-метаногена с протеобактерией-сульфатредуктором.

Благодаря применению флуоресцентных олигонуклеотидных проб удается обнаружить в сообществах представителей разных филогенетических ветвей бактерий. Их функциональное разнообразие в сообществе необходимо предполагает латеральный перенос генов, в результате которого образовалась комбинаторная морфофизиологическая фенотипическая система бактерий.

Итак, микробное сообщество — главный актор (действующее лицо) природоведческой микробиологии — собирается из филогенетически удаленных видов организмов, а не возникает путем дивергенции и приобретения способностей. Эволюция микробных сообществ — основная движущая сила биогеохимической эволюции биосферы — находится в области недарвиновских представлений. Конкуренция и, возможно, селектогенез действуют внутри функциональных блоков, в то время как свойства, необходимые для вхождения в сообщество, задаются системой более высокого уровня, которая определяет направление естественного отбора. Точно так же для сообщества условия задаются ландшафтом. В результате при исследовании геосферно-биосферной системы приходится двигаться сверху вниз, от общего к частному, а не от элемента к системе, как предлагается в индивидуалистическом подходе, связанном с теорией Рынка. Вот так и формируется недарвиновская область эволюции.

Чтобы не ограничиваться теоретизированием, расскажу о выполненных в моей лаборатории исследованиях, которые послужили экспериментальным основанием для изложенного. Мы изучали микробные сообщества экстремальных местообитаний в поисках аналогов экосистем прошлого.

В качестве модели рассмотрим условный континент, окруженный океаном. На активном краю континента действует вулканизм, на пассивном краю в окраинных морях и лагунах происходит осадконакопление, во внутриконтинентальной области имеет место субаэральное выветривание. В океане интерес представляют зоны активной гидротермальной деятельности, в которых можно исследовать глубинную подземную биосферу гипертермофилов. В каждом из этих районов развиваются характерные микробные сообщества. Мы изучили:

* термофильные сообщества гидротерм, ответственные за формирование газового состава атмосферы путем превращения восстановленных вулканических эксгаляций в кислородную атмосферу;

* галофильные сообщества соленых лагун, где развиваются циано-бактериальные маты — предшественники строматолитов;

* алкалофильные сообщества содовых озер как вероятные аналоги континентальной биоты прошлого.

В результате мы открыли большое число новых бактерий и их групп. Однако целью нашей работы было не умножение знаний о видовом биоразнообразии, а выяснение биосферных функций организмов. Например, для термофильного сообщества основной интерес представляла трансформация газов. Из организмов с уникальной функцией мы обнаружили экстремально термофильные водородные бактерии и анаэробные карбоксидобактерии, окисляющие окись углерода водой. Сейчас карбоксидобактерия (Carboxydothermus hydrogenoformans) интенсивно исследуется в Германии для создания водородной энергетики, в которой продукты парогазовой конверсии сочетаются с водородным топливным элементом. Как правило, нам удавалось построить картину трофических связей в микробных сообществах, аналогичную той, которую я уже приводил, с характерными вариациями для каждого из сообществ. В частности, в галофильном сообществе изучены группы организмов, связанные с метаболическим путем последовательной деградации осмопротекторов.

В последние годы мы исследовали сообщества алкалофильных организмов, которые развиваются при рН 10. Все, что мы открыли здесь, не было изучено микробиологами, и это позволило прийти к гипотезе «содового континента» как необходимого следствия углекислотного выщелачивания. На ранних этапах эволюции Земли должен был существовать глобальный сток углекислоты, которым может быть только выветривание. Этот важнейший геохимический механизм, спасающий Землю от убегающего парникового эффекта, заключается в углекислотном выщелачивании и связывании углекислоты в карбонаты, прежде всего кальция. В субаэральных условиях, где отсутствует промывной режим, с большой вероятностью образуются содовые озера. Для микробов условия содовых озер оказались не экстремальными, а наиболее благоприятными. В них отмечена высокая степень эвтрофикации из-за того, что в щелочном растворе нет кальция и железа, а потому удерживаются фосфаты. В результате создаются благоприятные условия для азотфиксирующих цианобактерий как первичных продуцентов и для развития чрезвычайно богатых и разнообразных микробных сообществ, деградирующих мортмассу. Моделью служило экваториальное содовое озеро Магади южнее Найроби и центральноазиатские озера.

Разнообразие бактериальной жизни и полнота функций микробного сообщества в содовых озерах позволяют думать, что микробная жизнь не «вышла из моря», а «вошла в море». Отсюда один шаг до дарвиновского «маленького теплового пруда» как колыбели живого на Земле, этот шаг выводит меня из стана антидарвинистов.

Геосферно-биосферную систему необходимо рассматривать как целостность, задающую функционально значимые свойства своим компонентам. Традиционный путь от индивидуальных изменений к изменению целого оказывается недостаточным и ведет к ложным заключениям.

Ответы Г. А. Заварзина на вопросы после выступления на заседании Президиума РАН:

Академик Ю. А. Израэль: Большое спасибо, Георгий Александрович, за интересный доклад. У меня к вам есть два вопроса. Первый. Вы говорили, что в истории биосферы какие-то системы разваливались, какие-то развивались. На какой период времени приходилось, скажем так, наивысшее качество биосферы? Я понимаю, что это все условно, но такой момент уже прошел?

Г. А. Заварзин: На мой взгляд, высшее состояние биосферы было в период существования бактерий, когда никто никого не ел.

Ю. А. Израэль: Вы нас несколько успокаивали: миллионы лет существуют геосфера, биосфера и лишь тысячу лет парниковый эффект. Тем не менее появился человек, появились антропогенные воздействия. Все процессы сейчас могут идти (я не хочу сказать, что идут) за чрезвычайно короткие периоды. Поэтому возникает второй вопрос: есть какие-то критические элементы в той схеме становления биосферы, которую вы построили? Что за критические элементы, правомерно ли понятие «дестановление» биосферы?

Г. А. Заварзин: Грандиозная по масштабу катастрофа — дестабилизация атмосферы — произошла, когда железный цикл сменился на серный. Эти два цикла несовместимы, потому что при сульфатредукции железа быть не может, все оно «отправится» в сульфиды. Со сменой циклов атмосфера как бы «вывернулась наизнанку»: вместо оксигенных карманов внутри циано-бактериальных матов со 100%-ным содержанием кислорода на свету образовались анаэробные карманы в местах, где много органики.

Ю. А. Израэль: А сейчас происходит дестабилизация биосферы?

Г. А. Заварзин: Конечно, сейчас наблюдаются очень резкие изменения: не только концентрация углекислоты поднимается, но и концентрация кислорода падает по отношению к азоту. Куда это приведет и нужно ли нам вводить Киотский протокол?.. Наверное, нужно.

Ю. А. Израэль: В таком случае возможен ли в связи с этими процессами какой-то кризис в состоянии биосферы?

Г. А. Заварзин: В глобальном плане, безусловно, работающий парниковый эффект «лезет вверх». С этим ничего не поделаешь, и к катастрофе мы можем подойти. В региональном плане для большинства стран, в том числе и России, критическим, на мой взгляд, является гидрологический цикл — чистая вода, в которой нуждается до 70% населения Земли.

Ю. А. Израэль: Я не говорю о человечестве, я говорю о биосфере.

Г. А. Заварзин: Разнесем биосферу, если все распашем. Конечно, кризис может наступить.

Академик Н. А. Шило: У меня тоже возникло несколько вопросов. Из вашей концепции совершенно выпал солнечный свет, тогда как мы знаем, что он играет исключительную роль. Возьмем простой известняк, облучим его рентгеновскими лучами, обольем водой и сразу же получим целую группу аминокислот. Обнаружено влияние излучения разного спектра и на растительные организмы. Об этом свидетельствует Памирский эффект. Сахалинский эффект.

Г. А. Заварзин: Действие света двояко. Мы хорошо знаем о токсическом действии ультрафиолета. Считается, что все биотические процессы ультрафиолет остановит. Однако эта идея очень сомнительна. Некоторые циано-бактериальные маты развиваются под слоем камня (эндолитически). С другой стороны, нарисованная мною картина становления биосферы не будет работать без поступления энергии извне. Я целиком опустил системы, функционирующие на эндогенном материале, из глубин Земли.

Н. А. Шило: Почему природа изобрела пару? В данном случае речь идет о половой паре, хотя прослеживается парность поведения и химических элементов в природе.

Г. А. Заварзин: Если у нас нет трофической пары, действующей в противоположных направлениях, то система необходимо утыкается в стационарное состояние. Цикл является наиболее универсальным законом биосферно-геосферного взаимодействия. Известно выражение Бернера: вся биота — биосферно-геосферная система — действует на основе правила цикла в циклах.

Н. А. Шило: Позвольте мне еще один вопрос. Какие силы ограничивают развитие организмов? Приведу простой пример. Гинкговые растения существуют с юры — 140 млн лет они не меняются, другие резко изменились на протяжении этого времени, третьи вовсе погибли. Почему в своем развитии отдельные организмы заходят в тупик и гибнут?

Г. А. Заварзин: Из-за биогеохимической сукцессии, в результате которой система (сообщество) упирается в тупик. Примером такого тупика является железный цикл. Есть все бактерии, нужные для того, чтобы осуществить реакции этого цикла, но он не работает, так как возможности для него исчерпались. Такие сукцессионные изменения как раз и служат основой не филогении, а эволюции биосферно-геосферной системы.

Академик В. Н. Большаков: Есть теория, что устойчивость биосферы зависит от степени ее структурированности: чем больше структур, тем она устойчивее, и наоборот. Между тем из вашего рассказа следует, что верхние этажи структуры биосферы — человек и высокоорганизованные сообщества — просто-напросто не нужны, потому что устойчивость биосферы, как я вас понял, базируется на низших этажах структурного уровня — микробных организмах.

Г. А. Заварзин: Если оценивать устойчивость во времени, то, безусловно, прокариотная система была самой устойчивой. Она просуществовала миллиарды лет, время же существования высокоорганизованных сообществ измеряется всего несколькими миллионами.

Академик А. С. Спирин: Как редукционист, хочу задать уточняющий вопрос. Мы знаем две группы микроорганизмов: эубактерии, которые сейчас называют просто бактериями, и архебактерии, именуемые археями. В сообществах, которые вы описывали, они сосуществовали всегда или это необязательно?

Г. А. Заварзин: У меня получается, что они всегда сосуществовали в одном сообществе. Есть только одна исключительная система, состоящая преимущественно из архей, — это так называемая «глубинная биосфера» гипертермофилов, использующая глубинный водород. Но более интригующее сообщество — это археи «голубого» океана, потому что в «голубом» океане, сугубо олиготрофном, находящемся в области центральных циклонических вихрей, примерно треть обитателей археи. В «голубом» океане недостаток питательных веществ.

Б. С. Соколов: Существует хорошо нам понятная концепция биосферы Ламарка — Вернадского, но известна и концепция, если выражаться языком Тейяра де Шардена, «божественной среды», уводящая нас во Вселенную. Как вам представляются связи между сферой живых систем во Вселенной и сферой живых систем на Земле?

Г. А. Заварзин: То, что происходит во Вселенной, находится в ведении Палеонтологического института. Я к этому имею косвенное отношение и могу только сказать, что обе системы очень похожи друг на друга.

Ю. А. Израэль: Я вновь хочу вернуться к вопросу об устойчивости биосферы. Что, с вашей точки зрения, является критическим для нынешнего состояния биосферы?

Г. А. Заварзин: Для биосферы критическим является состояние углеродного цикла, цикла органического углерода. От него зависит все остальное.

Ю. А. Израэль: Что значит критическое состояние углерода?

Г. А. Заварзин: Как я уже говорил, основная масса углерода уходит в осадочные породы. К сожалению, геологи совершенно не рассматривают седиментационный процесс в миллионолетних системах. Вот этот процесс — один из критических на больших временах.

Ю. А. Израэль: А тот углерод, что выбрасывается в атмосферу при сжигании топлива, — это значит хорошо?

Г. А. Заварзин: По отношению к естественным наукам я вообще стараюсь не употреблять критерии хорошо и плохо, только критерий критичности. Безусловно, выброс в биосферу больших количеств углерода в результате антропогенной деятельности критичен для углеродного цикла. На коротких интервалах времени мы можем вывести углеродный цикл из устойчивого состояния.

Ю. А. Израэль: Правильно я вас понял: для биосферы критично состояние углеродного цикла?

Г. А. Заварзин: На достаточно больших временах. Ни одно заключение нельзя сделать для биосферы, не определив масштаб времени и пространства.

Член-корреспондент РАН. Г. И. Каравайко: Вопрос: эволюционный путь как будто бы противоречит второму закону термодинамики, который утверждает, что все исчезает, но не созидается.

Г. А. Заварзин: Схема трофических отношений в бактериальном сообществе, которую я приводил, подчиняется термодинамическим законам. На ней представлены самостоятельно существующие виды организмов, каждый из них должен получить свою долю энергии. Эта доля равняется одной трети АТФ. Если энергии будет меньше, существовать вид не сможет.

Г. В. Добровольский: В какой мере гипотеза Ловелока о Земле как едином организме оригинальна по сравнению с более ранними мыслями, сформулированными и Виноградским и Вернадским?

Г. А. Заварзин: Я очень скептически отношусь к гипотезе Ловелока, не вижу в ней ничего оригинального кроме одного — связи климата с составом атмосферы. Эту связь Ловелок действительно разработал.

Представление о Земле как о большом организме Сергей Николаевич Виноградский сформулировал в 1896 г. на лекции перед членами императорской фамилии. Он сделал лекцию очень популярной, в результате она оказалась «генерализованной» в максимальной степени. Виноградский сказал, что Земля работает как большой организм, причем слово «организм» он употреблял вместо слова «система». Биолог в то время не мог сказать слово «система», потому что под этим сразу же понималась систематика. И Виноградский сделал шаг вперед по сравнению с Вернадским (только, пожалуйста, не проклинайте меня за это высказывание!). Он обратил внимание на то, что вся система работает на микробах-катализаторах, в то время как Вернадский рассматривал биоту прежде всего в качестве концентраторов вещества.

ВЫЖИВЕТ ЛИ ЧЕЛОВЕЧЕСТВО?: Обсуждение в президиуме РАН.

Академик А. С. Спирин: Выступление Георгия Александровича Заварзина привело меня к некоторым раздумьям, может быть, и не очень оптимистическим. Через какое-то время после остывания Земля представляла собой Солярис — гигантский организм. Сообщество микроорганизмов, среди которых были и археи, и бактерии, работало как единый живой организм. Что такое мы с вами и вся возникшая жизнь? Как редукционист позволю сказать, что мы — симбионты этих двух групп микроорганизмов.

Спустя еще какое-то время Солярис начал дробиться на плавающие и растущие организмы. Произошел переход от интегральной системы, от целостной к раздробленной, в которой образовавшиеся организмы стали поедать друг друга: животные — растения, других животных и т. д. Здесь звучали опасения за нашу биосферу, но той биосфере, которая представляет собой сообщество эубактерий и архей, ничего не грозит. Мы беспокоимся лишь за ее верхнюю надстроечку, за малую биологическую массу, ибо мы маленький отросточек Соляриса. Ну, помрем, все равно жизнь будет развиваться.

Меня еще очень заинтриговала схема развития редукционизма, которое заканчивается биомедициной. Непопулярная идея высказана. Дело в том, что биомедицина ведет к гибели человечества. Когда мы начнем лечить болезни генно-инженерными способами, когда мы избавим человечество от рака, СПИДа и других страшных болезней, мы превратимся в загнивающее геронтологическое общество из двухсотлетних одряхлевших людей с безысходно отягощенной наследственностью. Это не шутки! Генная инженерия отягощает наследственность летальными генами. Починка отдельных органов, замена их протезами — это на самом деле путь к умерщвлению человечества (не быстрому, постепенному) за счет индивидуума.

Исторически мы восприняли индивидуалистическую философию, в корне противоречащую основному принципу биологии. В ней главное — вид. Особью поступаются, когда нужно выжить виду. А мы поставили во главу угла индивидуум.

Академик К. С. Демирчян: Я очень далек от биологии, тем более от такого глубокого рассмотрения проблем возникновения и эволюции жизни. Но здесь на одном из графиков фигурировало понятие «устойчивое развитие», которое появилось в начале 90-х годов после конференции по окружающей среде в Рио-де-Жанейро. Там оно трактовалось достаточно широко — с позиций не только биологии, но и социума, то есть устойчивое существование людей, отдельных государств, отдельных этнических групп. Вот об этой социальной трактовке понятия устойчивого развития в последующие годы забыли все.

Принятые в дальнейшем решения были закручены вокруг проблемы сохранения окружающей среды. Авторитетная группа высокопоставленных лиц во главе с А. Гором, фактически захватила право определять, что угрожает человечеству, что не угрожает человечеству. В частности, было принято Киотское соглашение, ограничивающее принудительным порядком выбросы в атмосферу двуокиси углерода, связанные с работой тепловых электростанций, двигателей внутреннего сгорания и т. д.

Такая мера резко осложняет социальное развитие в бедных странах, в том числе и в России. Между тем Киотское соглашение мы поспешили подписать. Его не подписали Китай, Индия и другие государства. Дж. Буш сейчас хочет выйти из этого соглашения, абсолютно правильно мотивируя свой шаг тем, что нет обоснованного научного подтверждения необходимости подобного соглашения. Он предлагает сделать подсчеты, сколько двуокиси углерода выбрасывается на той или иной территории и сколько ее поглощается. А ведь на территории России двуокись углерода поглощается.

Мое предложение — вернуться к серьезному обсуждению всех аспектов тематики устойчивого развития, определить, насколько необходимо выполнение Киотского соглашения для нашей страны в тех условиях, в которых она находится.

Академик Н. А. Шило: Георгий Александрович Заварзин приводил примеры систем, которые относятся к нелинейным, характеризующимся прежде всего неустойчивостью. Это открытые системы, подпитывающиеся внешней энергией, что и определяет их эволюцию. К примеру, к нелинейным системам относятся экономические, социальные и др. Видимо, в ходе становления биосферы именно такого рода системам принадлежит решающая роль. Впрочем, сам организм, любой биологический объект — это открытая система, осуществляющая массообменные процессы с окружающей средой, энергетически подпитывающаяся последней.

Однако если обратиться к процессу зарождения органического мира на Земле (без понимания чего трудно себе представить становление биосферы), то это сложный природный процесс, сущность которого до конца не разгадана. Он, несомненно, связан с взаимодействием трех оболочек планеты: каменной, водной и воздушной при непременном облучении продуктов этого взаимодействия коротковолновой частью спектра солнечных лучей. На эту мысль наводит известный эксперимент. Возьмите известняк, облейте его водой и облучите рентгеновскими лучами и вы получите группу аминокислот, как известно, включающих карбоксилы и амины. Присутствующий в составе последних азот, по-видимому, заимствуется или из воздуха, или из битумов, природа которых может быть чисто хемогенной либо биологической. Аминокислоты являются структурной основой белков. Последние образуют более сложные органические вещества — органеллы, но именно белки осуществляют обменные функции и, в сущности, являются главным структурообразующим элементом органических объектов, которые и участвуют в становлении биосферы. Таким образом, на первый план выступает проблема воспроизводства белка или белков. Если бы удалось приблизиться к ее разгадке, то проблема зарождения и развития жизни на Земле стала бы более ясной и становление биосферы оказалось бы познаваемым.

Думаю, что на определенных этапах эволюции материального мира на отдельных объектах Вселенной неизбежно должна возникать биологическая жизнь. Это — имманентно присущее свойство материи, реализующей свои биологические возможности при каких-то совершенно определенных физико-химических условиях, развивающихся под действием светового луча, может быть, определенным образом ориентированного в пространстве.

Непременной особенностью становления биосферы является бифуркация биологических систем. На определенных этапах развития сообщества органического мира претерпевают бифуркацию. Развитие организмов диверсифицируются, возникают две ветви какого-то вида, одна из которых может неопределенно долго развиваться, тогда как другая оказывается в тупиковой позиции и исчезает. К примеру, в юре значительным развитием пользовалась нильсония семейства цикадовых и гингковые. Первая в мелу исчезла, а гингковые живут до сих пор, то есть почти 140 млн лет. Исчез также широко распространенный в палеогене Pinus strobus, его небольшие ареалы сохранились лишь на американском континенте. Будучи перенесенным в Азию и в Европу, этот вид сосны стал бурно развиваться в районах своего доледникового обитания и достигает полной зрелости почти на треть быстрее, чем, например, сибирский кедр. Этот факт наводит на мысль о возможной реконструкции наших лесов с целью повышения их продуктивности. Так, например, сделали японцы: они почти все древесные растения своих горных лесов заменили криптомерией, отличающейся высокой выносливостью и продуктивностью.

Состояние биосферы, конечно, всех волнует, но невозможно понять вектор ее изменения, если не будут раскрыты причины вымирания отдельных видов организмов на фоне бурного развития других, если не получат удовлетворительного объяснения причины внутривидовой борьбы. Обратимся, например, к человеку как к виду. В 1000 г. по христианскому календарю численность населения на Земле составляла 275 млн человек, к 1500 г. она выросла до 450 млн, то есть за 500 лет увеличилась в 1,6 раза, а за последующие 500 лет численность населения Земли возросла в 15 раз, достигнув к 2000 г. 6 млрд человек. Если этот темп прироста населения сохранится, то к 2500 г. численность населения на Земле достигнет 90 млрд человек, к 3000 г. — 180 млрд человек. Такой нагрузки, разумеется, биосфера не может принять. Поэтому возникнет масса проблем. Их решение может быть чисто физиологическим, то есть на напряженность в биосфере откликнется ДНК, возникнет естественная регуляция численности населения. Однако более вероятный путь решения проблемы сведется к усилению внутривидовой борьбы. Усилятся межрелигиозные, расовые, этнические, межгосударственные войны, борьба за истощающиеся ресурсы, что, несомненно, будет сдерживающим началом для роста населения.

Академик М. В. Иванов: Сегодня мы заслушали очень интересное сообщение, но его обсуждение в должно мере не состоялось. Мне хотелось бы вернуть внимание присутствующих непосредственно к той задаче, которую, как мне кажется, ставил Георгий Александрович Заварзин, выходя на трибуну. Он познакомил нас со своими воззрениями о первых этапах существования развитой биосферы. Конечно, проблема становления биосферы не может решаться без рассмотрения проблемы происхождения биосферы. От последней темы Георгий Александрович уходил, даже когда ему задавали прямые вопросы. А вот характеристика первых этапов существования развитой биосферы, основанной исключительно на жизнедеятельности прокариотных организмов, представляется очень интересной частью доклада.

Этот доклад мог состояться только после того, как о жизни микроорганизмов мы стали судить не по их численности, не по их видовому разнообразию, а по их колоссальной геохимической активности. Если Пастер и Кох открыли разнообразие микроорганизмов, то Виноградский и Вернадский поставили вопрос о том, в каком же масштабе действуют микроорганизмы в природе. Ясно, что они вызывают эпидемии, производят миллионы литров вина и пива, но в каком масштабе они действуют в природе? Благодаря тому, что в последние 50 лет в микробиологию и в геохимию были внедрены количественные методы определения жизнедеятельности микроорганизмов, появилась возможность оценивать их геохимическую активность, в том числе и в прошлые геологические эпохи.

Мне, как микробиологу, очень импонирует то, что биосфера начала функционировать без высших организмов и основные ее процессы базируются на деятельности микроорганизмов. Но я согласен с членом-корреспондентом РАН. А. Ю. Розановым, что материалов для разносторонней характеристики ранних этапов развития биосферы еще маловато. Георгий Александрович в основном ссылался на строматолиты, но ими, конечно, не исчерпываются доказательства глобальной геохимической деятельности микроорганизмов уже на первых этапах эволюции биосферы.

Библиография

Андруз Дж., Бримблекумб П., Джикелз Т., Лисс П. Введение в химию окружающей среды. М.: Мир, 1999

Бактериальная палеонтология/Под ред. А. Ю. Розанова. М.: ПИН РАН, 2002

Заварзин Г. А. Бактерии и состав атмосферы. М.: Наука, 1984

Заварзин Г. А., Колотилова Н. Н. Введение в природоведческую микробиологию. М., 2001

Определитель бактерий Берджи: В 2-х т. М.: Мир, 1997

The Proterozoic Biosphere. A multidisciplinary study/Ed. by F. William Schopf and Cornelius Klein. Cambridge Univ. Press, 1992

The Earth’s Earliest Biosphere/Ed. by F. William Schopf. Cambridge Univ. Press, 1985

The Prokaryotes. A handbook on the Biology of Bacteria: ecophysiology, isolation, identification, applications: In 4 v./Ed. bу A. Balows, H. G. Trüper, M. Dworkin, W. Harder, K. H. Schleifer. 2-nd. ed., 1992; new edition: http://www.prokaryotes.com/.

Тема № 266

Эфир 10.06.2003

Хронометраж 48:08

www.ntv.ru

Сайт управляется системой uCoz