Жизнь представляет собой особую, уникальную форму организации материи. Уникальность жизни состоит в том, что она функционирует качественно по-иному, нежели вся остальная Вселенная: живые системы в процессе своего развития создают упорядоченность как в своей структуре, так и в процессах превращения и использования энергии, тогда как все остальные процессы во Вселенной сопровождаются ростом беспорядка.
Жизнь на Земле проявляется в форме отдельных организмов различного вида. Каждый организм представляет собой совокупность упорядоченно взаимодействующих структур, образующих единое целое, т.е. является системой. Система означает единое целое, функционирующее благодаря взаимодействию определенным образом организованных элементов. Гак, высшие животные, в том числе и человек, - система взаимодействующих органов: системы кровеносных сосудов, нервов, органов пищеварения и т.д. Каждая из основных частей тела представляет собой ее подсистему -неотъемлемую часть системы, являясь одновременно системой, состоящей из более мелких подсистем - живых клеток, и т.д.
Размножение клеток происходит путем их деления. Одно из положений клеточной теории гласит, что клетки не возникают вновь, а образуются только путем деления предшествующих клеток.Способность к делению - важнейшее свойство клеток. Значение деления клеток для развития жизни на Земле заключается в том, что оно обеспечивает организмам непрерывную последовательность клеток, обладающих идентичными потенциалами (возможностями). В результате деления все клетки тела, кроме половых (соматические клетки), получают одну и ту же генетическую информацию.
Развитие одноклеточной зиготы в многоклеточный организм происходит в результате процессов роста и дифференцировки клеток. Рост представляет собой увеличение массы организма, происходящее в результате ассимиляции вещества. Он может быть связан с увеличением как размеров клетки, так и их числа; при этом исходные клетки извлекают из окружающей среды необходимые им вещества и используют их на увеличение своей массы или на построение новых подобных себе клеток. Так, зигота человека составляет примерно 110 бг, а новорожденный ребенок весит в среднем 3200г, т.е. за время внутриутробного развития происходит увеличение массы в миллиарды раз. С момента рождения и до достижения средних для взрослого человека размеров масса увеличивается еще в 20 раз.
Подавляющее большинство одноклеточных организмов -существа бесполые и размножаются путем деления клетки, что ведет к непрерывному образованию новых особей. Деление прокариотической клетки , из которой, в основном, состоят эти организмы, начинается с деления митозом наследственного вещества -ДНК, вокруг половинок которой впоследствии образуются две ядерные области дочерних клеток - новых организмов. Поскольку деление происходит митозом, то дочерние организмы по наследственным признакам полностью воспроизводят материнскую особь. Многие бесполые растения (водоросли, мхи, папоротники), грибы и некоторые одноклеточные животные образуют споры - клетки с плотным и оболочками, защищающими их к неблагоприятных условиях средь!. При олагоприятных условиях ооолочка споры раскрывается и клетка начинает дслиться митозом, давая начало новому организму. Бесполым размножением является также почкование, когда от родительской особи отделяется небольшой участок тела, из которого затем развивается новый организм. Бесполым является также вегетативное размножение у высших растений. Во всех случаях при бесполом размножении воспроизводятся в больших количествах генетически идентичные организмы, практически полностью копирующие родительский организм. Для одноклеточных организмов клеточное деление - это акт выживания, так как организмы, которые не размножаются, обречены на вымирание. Размножение и связанный с ним рост вносят в клетку свежие материалы и эффективно препятствуют старению, сообщая тем самым ей потенциальное бессмерше.
Жизнь на планете возникла как результат последовательного превращения простых органических соединений в сложнейшие органические структуры, способные выполнять все жизненные функции. Этот процесс был крайне длительным и продолжался на протяжении многих миллионов лет. Такие превращения могли происходить только в такой восстановительной среде, как земная атмосфера того периода, в которой сложные органические соединения могли существовать сколь угодно долго. В настоящее время, когда благодаря продолжительной жизнедеятельности живых организмов атмосфера Земли насытилась кислородом и превратилась в сильнейший окислитель, вероятность сколько-нибудь продолжительного существования таких сложных органических соединений без окислительного разрушения практически ничтожна. Поэтому возможность повторного возникновения жизни на Земле исключена.
Отдельный организм любого вида представляет собой сложную саморегулирующуюся систему. На протяжении времени , существенно малом по сравнению со средней продолжительностью жизни, особи данного вида, живой организм представляет собой систему, находящуюся в состоянии устойчивого равновесия. Устойчивость внутренне скоррелированных живых систем, таких, как живые организмы, обеспечивается тем, что в ответ на внешние возмущения в системе возникают физиологические реакции, компенсирующие возмущение и регенерирующие поврежденные участки и органы и. как результат, система возврашается в исходное состояние. Все эти реакции, определяющие физическую устойчивость организма, запрограммированы в виде системы саморегуляции в генотипе организма.
Важнейшим наблюдаемым свойством жизни является то, что живые организмы в природе никогда не встречаются в единичном экземпляре. Они существуют всегда в виде набора однородных , взаимодействующих друг с другом особей. Это свойство жизни сохраняется независимо от способа размножения (полового или бесполого). Такое положение объясняется тем обстоятельством, что отдельные изолированные особи не в состоянии сохранять генофонд вида.
Любую территорию поверхности земли всегда населяет множество популяций разных видов, находящихся в сложных пищевых и территориальных взаимоотношениях. Такие группы образуют сообщества. Сообществом (биоценозом) называется совокупность растений, животных, микроорганизмов, грибов, находящихся в теснейшей связи друг с другом, создавая неразрывную систему взаимодействующих организмов и их популяций.
Хотя популяционный уровень организации жизни обеспечивает принципиальную возможность устойчивого существования жизни во времени, однако только на этом уровне невозможно реализовать такую возможность. Связано это с тем, что при изолированном существовании любого вида на ограниченной территории в результате метаболических процессов в относительно короткий срок жизненные ресурсы вида исчерпаются и превратятся в метаболические отходы и мертвые органические остатки. Известно, что ни один вид не в состоянии достаточно долгое время существовать среди своих отходов, что делает невозможным гарантировать устойчивость жизни только па популяционном уровне.
Жизнь на планете развивается в тонкой наружной оболочке, называемой биосферой. Термин "биосфера" впервые применил французский натуралист, создавший теорию исторического развития живой природы, Жан Батист Ламарк (1744-1829). Учение о биосфере как научное направление создал выдающийся русский естествоиспытатель, основоположник биогеохимии В.И. Вернадский (1863-1945).
Требование замкнутости круговорота веществ обусловливает необходимость существования пространственно ограниченных скорректированных сообществ организмов, способных как к синтезу, так и к разложению органических веществ. Стабильное существование жизни на определенной территории обеспечивается совпадением потоков синтеза и разложения органических веществ, создаваемых различными организмами. Это означает существование сложнейшей скоррелированности строго определенной совокупности видов в сообществе. Скоррелированность организмов сообщества обеспечивается обменом потоками вещества и энергии. Такой обмен затухает с ростом рассюмния между организмами в содружестве, поэтому наибольшая скоррелированность обеспечивается при наименьших размерах экосистем.
Жизнь в биосфере функционирует при ограниченных ресурсах питательных веществ и отсутствии неограниченных внешних потоков этих веществ. Поэтому устойчивая жизнь в биосфере возможна лишь при стабильности окружающей среды. Такая стабильность обеспечивается замкнутостью круговорота веществ в биосфере, т.е. равенством друг с другом с высокой точностью процессов синтеза и разложения органического вещества.
Экосистемы способны саморегулироваться и сохранять свою устойчивость. Основной принцип сохранения , устойчивости экосистемы - сохранение замкнутости круговорота вещества. Основная причина неустойчивости экосистем - несбалансированность круговорота вещества из-за несогласованности деятельности организмов отдельных групп. Устойчивые экосистемы со сбалансированным круговоротом веществ называют зрелыми.
Вода - самое распространенное в биосфере вещество, без нее невозможно существование жизни. Вода является основным компонентом тела всех живых организмов - все живое состои т из воды и органического вещества. Ни один процесс обмена веществ в природе не происходит без участия воды.
Энергия является движущей силой всех процессов, протекающих во Вселенной - от молекул до необозримых звездных систем. Энергия - необходимый компонент осуществления всех процессов во Вселенной. Она основная и наиболее универсальная мера всех процессов, в том числе и протекающих в экосистемах. Энергия определяет нормальную способность осуществления будущих процессов и скорость их наступления. Общий результат завершенных процессов измеряется используемой энергией. Земля представляет собою открытую систему, получающую энергию извне - от Солнца.
Климат представляет собой многолетний режим погоды, наблюдающийся в данной местности. Под термином погода подразумевают состояние атмосферы, обусловленное физическими процессами, происходящими в ней под влиянием потока солнечной энергии и при взаимодействии с поверхностью Земли. Погода более изменчива и определяется климатическими характеристиками местности. Климат на различных участках земной поверхности весьма существенно различается в зависимости от наклона земной поверхности к солнечным лучам. Поэтому в целом о климате Земли можно говорить лишь как о совокупных последствиях энергетического баланса на поверхности Земли, определяющих экологические факторы и возможность существования жизни.
Важнейшей характеристикой климата Земли является среднегодовая температура приземного слоя атмосферы, складывающаяся как следствие энергетического баланса Земли. Температура земной поверхности при заданном, потоке солнечного излучения определяется скоростью испарения воды с поверхности Земли, концентрациями атмосферных газов, в основном парами воды и диоксида углерода, создающих парниковый эффект, и величиной альбедо-коэффициентом отражения солнечного излучения атмосферой и земной поверхностью.
Жизнь в своей основе есть процесс, связанный с превращением и потреблением энергии. Для передвижения, роста и поддержания физико-биологических параметров жизни (температура тела, солевой баланс, дыхание, кровообращение) живым организмам необходима энергия. Поэтому все разнообразие проявлений жизни сопровождается превращениями энергии. Живые организмы сами не создают энергию, они лишь превращают один вид энергии в другой ( первый закон термодинамики).Сложная работа клеток и органов сопровождается потерями энергии из организмов, так как при любом совершении работы часть энерх ии переходит в тепловую форму и рассеивается в окружающую среду. Поэтому любой организм может функционировать лишь до тех пор, пока существует поток энергии извне. Энергия соответствующего вида поступает организмам из окружающей среды, поэтому все живые существа представляют собой открытые системы.
Обмен веществ - единственный источник внешней энергии для гетеротрофов, не содержащих способных к фотосинтезу клеток. Обмен веществ имеет две стороны - пластическую и энергетическую. Пластическая сторона обмена веществ заключается в образовании из пищевых продуктов таких веществ, которые используются животными для непрерывного обновления и построения заново его структурных элементов посредством биосинтеза. Энергетическая суть обмена веществ заключается в том, что при окислении пищевых продуктов освобождается потенциальная энергия химической связи.
Общая энергетическая потребность гетеротрофов складывается из двух составляющих: основного обмена и энергетических затрат, зависящих от рода деятельности. Под основным обменом подразумевают то количество энергии, которое необходимо организму при полном мышечном покое. Средние величины основного обмена на 1 кг живого веса за сутки составляет соответственно, кДж/кг в сутки: лошади - 47,2; свиньи - 79,8; человека - 134,2; собаки 215,3; мыши -313,9. Интенсивность обмена веществ растет с увеличением мышечной деятельности организма. В зависимости от физиологического состояния человека интенсивность обмена веществ может быть охарактеризована величинами, кДж/ч : состояние сна - 272; бодрствование -439; слаоая мышечная работа -710; очень тяжелая мышечная работа - 2508.
Солнечная энергия при накоплении органического вещества в экосистемах проходит следующие три этапа: а) участвует в синтезе органического вещества в процессе фотосинтеза; б) первичные органические вещества растений преобразуются в иные формы (древесина, корни, сено и т.д.); в) растительное органическое вещество преобразуется в организме консументов. При этом понятием "органическое вещество" охватываются углеводы, жиры, белки, древесные волокна, торф, кости и другие компоненты организмов, живых или мертвых. Эти три этапа синтеза и превращения органического вещества формируют пищевые цепи.
Несмотря на большое разнообразие, в поведении всех экосистем имеются общие аспекты, связанные с принципиальным сходством протекающих в них энергетических процессов. Основу функционирования любой экосистемы составляет внешняя энергия и экосистемы приспосабливаются к наиболее эффективному потреблению этой энергии. Природные экосистемы получают внешнюю энергию в виде солнечных лучей и вся структура их приспособлена к потреблению этой энергии.
В экосистемах как самоподдерживающих системах, обходящихся своими внутренними ресурсами, энергетические процессы подчиняются общим принципам превращения энергии. Таких принципов несколько. Основной из них - закон сохранения энергии, который применительно к экосистемам можно формулировать следующим образом: энергия, поступающая в систему, либо накапливается в ней, либо выносится из нее.
Энергетика биосферы складывается как результат энергетического баланса огромного числа энергетически не скоррелированных между собой экосистем. Все биохимические процессы в экосистеме, такие, как и в биосфере, сводятся к синтезу и разложению органических веществ. При синтезе органических веществ из неорганических поглощается внешняя энергия. При разложении - энергия выделяется.
Таким образом, устойчивое состояние биосферы достигается, когда мощность валовой продукции биосферы совпадает с метаболической мощностью всех организмов Земли с высокой точностью. В этих условиях устанавливается энергетический баланс между вводом энергии в биосферу, (синтезом) и метаболическим потреблением энергии биотой (дыханием). При этом энергетические потоки как синтеза, так и разложения поддерживаются огромным числом разнообразных некоррелированных сообществ, конкретно взаимодействующих между собой.
Эволюционное изменение биосферы происходит чрезвычайно медленно. Заметное изменение видового состава биосферы, т.е. переход биоты и окружающей ее среды из одного устойчивого состояния в другое, происходит на протяжении миллионов лет. В течение сотен и тысяч лет перехода биоты в новое устойчивое состояние (развитие биосферы) произойти не может. Направление эволюции всегда определяется ростом конкурентоспособности и вытеснением предшествующих менее конкурентоспособных форм жизни. Закрепиться в биосфере могут лишь виды, которые не приводят к уменьшению конкурентоспособности сообществ, т.е. уменьшению степени замкнутости круговорота вещества.
Сукцессия связана с развитием и изменениями в экосистемах. Экологические сукцсссии наблюдаются повсюду вокруг нас; во вторжении сорняков на заброшенные ‘ поля, в обрастании корпуса затопленных кораблей, в изменениях сообщества растений после прекращения выпаса и др. Сукцессия четко проявляется в захвате новой, ранее не заселенной среды обитания, а в зрелых экосистемах в восстановлении поврежденных участков. В процессе сукцессии происходит самоорганизация сообщества экосистемы.
Стабильное существование жизни на определенном пространстве в течение сколь угодно долгого времени возможно лишь при ограниченном потоке внешней энергии и отсутствии не иссякающего внешнего потока питательных веществ. Устойчивое существование жизни возможно лишь при наличии конкурентного взаимодействия особей в популяции, поэтому жизнь в биосфере может существовать устойчиво лишь в условиях отсутствия изобилия энергетических и питательных ресурсов. При изобилии энергии и питательных веществ экспансия любого вида, как наиболее общее свойство жизни, продолжалась бы неограниченно долго за счет избыточных ресурсов и механизм стабилизации жизни, основанный на конкурентном взаимодействии особей за жизненные ресурсы, не мог бы работать. В результате неконкурентоспособные распадные особи не исключались бы из популяции и доля их в популяции росла, что привело бы к понижению среднего уровня упорядоченности жизни и стабильное существование жизни стало бы невозможно.
Таким образом, механизм регуляции биосферы применительно к биологически локально накапливаемым биогенам сводится к механизму регуляции таких биогенов в локальных экосистемах. В результате стабильность биосферы в целом будет представлять собой совокупный результат стабильности концентрации биогенов в огромном числе автономно действующих локальных экосистем.
Человек как вид, принципиально отличающийся от всех предыдущих видов, возник в процессе эволюции под воздействием законов, общих для всех живых существ в результате фундаментального генетически закрепленного открытия в процессе эволюции организмов биосферы. Такие кардинальные открытия, приводящие к возникновению принципиально новых видов, происходили и до возникновения человека. Так, возникли многоклеточные организмы, позвоночные животные, гомойотермные животные с постоянной температурой тела.
В биосфере эволюция всегда происходит в направлении увеличения организации жизни. В принципе не исключается также вероятность эволюции в направлении разрушения достигнутого уровня организации, т.е. вытеснение менее организованными, но более агрессив-;.11лVI -( особями более организованных но менее агрессивных особей. Такой ход событий в биосфере, в частности, может происходить в результате увеличения размеров как живых организмов, так и их социальных структур и сообществ, что, как правило, сопровождается ростом конкурентоспособности. Однако рост размера приводит к уменьшению числа особей в популяции и, в конечном счете, к полной скор-релированности всех частей популяции и прекращению конкурентного взаимодействия и отбора. Сокращение числа независимо функционирующих особей в сообществе приводит к невозможности поддержания в скоррелированном состоянии синтеза и разложения органических веществ в сообществе. Такой процесс мог бы привести к полной дезорганизации и, в конечном итоге, к исчезновению жизни в биосфере.