Возникновение и развитие жизни на Земле - [2]
Большинство организмов современной биосферы относятся к аэробным, живущим в присутствии свободного кислорода атмосферы Земли; значительно меньшая часть, куда входят микроорганизмы,— к анаэробным, обитающим вне кислородной среды.
Живые организмы расселяются по условиям своего обитания в самых верхних слоях планеты: атмосфере, гидросфере, почве, осадочной оболочке — стратисфере. Организмы в биосфере образуют резко различные концентрации — от единичных бактерий и спор на кубометр атмосферного воздуха до мощных тропических лесов экваториального пояса планеты и следов жизни в пучинах Мирового океана.
Совокупность живых организмов образует единое целое — живое вещество планеты, ее биомассу. Общее количество биомассы и ее распределение между сушей и морем, по данным советских ученых Н. И. Базилевич, Л. Е. Родина и Н. Н. Розова, представлено в табл. 1. Нетрудно видеть, что биомасса организмов суши (континентов) едва ли не в 800 раз превышает биомассу Мирового океана. Естественно заключить, что выход организмов на сушу в середине палеозойской эры привел к значительному увеличению всей биомассы Земли со всеми вытекающими биогеохимическими последствиями. В свое время В. И. Вернадский пришел к выводу о постоянстве биомассы в течение всей истории Земли. Однако этот вывод в настоящее время следует принимать весьма условно.
Поскольку условия для жизни в Мировом океане были наиболее благоприятными, можно считать, что гидросфера Земли отличалась постоянством биомассы на всем протяжении ее существования. В данном случае общее количество массы живого вещества определялось площадью поверхности Мирового океана — величиной, очевидно, изменчивой и зависящей от геологического развития земной коры.
Все организмы нашей планеты теснейшим образом связаны с водой. Как писал известный немецкий физиолог Р. Дюбуа (1818—1896), организм является одушевленной водой — eau animale. Для живого организма связанная вода, не теряющая своих основных свойств, является непременным составным компонентом. Количество ее в живых организмах, за исключением спор и инертных семян, колеблется от 60 до 99,7 % по весу. Вода играет огромную роль в жизнедеятельности организмов. У высших животных больше всего насыщены водой интенсивно функционирующие органы. Если в скелете 22% воды, в мышцах 76,6, то в сердце содержание воды повышается до 79,3, а в коре полушарий головного мозга достигает 83,3%. У молодых организмов в период интенсивного роста количество воды превышает 90%, а у взрослых падает до 50%. Из низкоорганизованных наиболее ярким примером являются медузы, количество воды в них 99,9% по весу. Но медузы — тела сложные, подвижные в морской среде. В то же время фауна моря более разнообразна по числу классов животных, чем фауна суши.
Таким образом, эволюция основных классов я типов животного мира была тесно связана с водной средой обитания, что наложило свои отпечаток и на облик живущих ныне организмов.
В химическом отношении основу живого вещества составляет углерод, обладающий уникальной способностью создавать бесконечное множество разнообразных химических соединений. Любая форма живого организма состоит из сочетаний немногих химических элементов. Например, 96% массы человеческого тела составляют такие весьма распространенные в биосфере элементы, как Н, С, N, О. Остальные элементы входят в состав живых организмов в относительно небольших количествах, несмотря на исключительно важную роль некоторых из них в физиологических функциях. Можно считать, что все элементы таблицы Менделеева входят в состав живого вещества планеты, но в различных количествах. Общий характер распространенности химических элементов в живом веществе по степени их содержания показан в табл. 2.
Живые организмы обладают избирательной способностью использовать химические элементы из внешней среды в соответствии со своими физиологическими потребностями. Многие элементы входят в состав как органических, так и минеральных соединений живых существ, Их можно подразделить на главные структурные элементы (С, Н, N, О, Р, S, Na, К, F, Mg, Si, Ca) и элементы-биокатализаторы (Fe, Си, В, Mn, J). Наиболее важные химические элементы живых организмов называют биофильными. Комбинация их атомов дает многообразие молекул органических веществ.
Однако различные формы жизни состоят из довольно небольшого числа простых молекул, относящихся к мономерам. Наиболее важные мономеры — аминокислоты, образующие белки. Живое вещество биосферы состоит преимущественно из длинных молекул, имеющих вид цепочек. Цепочки связываются друг с другом и образуют полимеры, в которых определенные структуры повторяются с небольшими вариациями. В полимерах бывают кольцевые структуры и боковые ответвления, а сами цепочки иногда сворачиваются в специфические сложные структуры. Эти структуры позволяют некоторым белковым полимерам проявлять себя в качестве катализаторов, ускоряющих протекание химических реакций. Такого рода органические катализаторы называются ферментами. Многообразие органических химических соединений обусловлено образованием различных полимеров из мономеров и сочетанием полимеров друг с другом различными способами. Основу живого вещества составляют углеводы, жиры, вода и нуклеиновые кислоты (рис. 1).
