10

ствием ультрафиолетового излучения, электрической искры или нагревания в смеси воды, аммиака и метана появлялись обнаруживаемые количества таких органических соединений, как аминокислоты которые, соединяясь друг с другом, превращались в белой. Поверхность первобытной Земли получала достаточное количество ультрафиолетового излучения, источником которого была солнечная радиация. Следовательно, есть твердое основание полагать, что в подобных условиях ив простых компонентов первичной земной атмосфер! постепенно образовались различные органические соединения. Таким образом, по излюбленному выражению основателя в той теории, профессора А. И. Опарина, на Земле возник своего рода «органический бульон» *.
В этом «органическом бульоне» два или три миллиарда лет на¬зад и появились первые живые организмы. Как это произошло- узнать очень заманчиво, но трудно; к счастью, нам достаточно известно о свойствах первых форм жизни для того, чтобы установить, как они зависели от окружающей среды и как влияли на неё.
Теперь нам представляется совершенно очевидцам, ЧТО первые формы жизни были вскормлены «органическим бульоном». Все живое требует для своего питания органических веществ, которые служат источником жизненной энергии и строительным материалом для живой материи. В ранней атмосфере Земли кислород практически отсутствовал, поэтому первые живые организмы должны были получать энергию непосредственно из пищи, без окислительных процессов. Такой тип метаболизма, ферментация, — наиболее примитивный способ производства энергии живыми организмами; его продуктом всегда является углекислый газ.
Будучи сами продуктом медленного геохимического процесса длившегося несколько миллиардов лет, первые живые формы, в свою очередь, стали мощным фактором геохимических изменений. Сначала они быстро исчерпали земные запасы органических веществ — продуктов геохимической эволюции, которые служили им пищей. Позднее первые фотосинтезирующие организмы опять преобразовались в органическую субстанцию. Затем последовало стремительное развитие зеленых растений в тропическом климате древней Земли, что привело к возникновению мощных отложений органического углерода, который со временем превратился в уголь, нефть и природный горючий газ. И благодаря фотосинтетическому разложению молекул воды, содержащих кислород, земная атмосфера приобрела свободный кислород. Некоторая его часть превратилась в озон — сильнейший поглотитель ультрафиолетовой радиации. Теперь впервые земная поверхность получила защиту от ультрафиоле-

*Понятие «органический бульон» А. Испарин неоднократно использует
в своей книге «происхождение жизни на земле» — классической работе по
этому вопросу, — Прим. авт.

11

товой радиации, серьезно препятствовавшей развитию жизни. Это событие позволило живой материи покинуть свою колыбель — первобытную водную среду. С появлением свободного кислорода стали возможными более совершенные формы метаболизма и огромное количество эволюционных ветвей растений и животных начали заселять планету. Тем временем благодаря растениям и микроорганизмам твердые грунты превратились в почву п тем самым воз¬никла чрезвычайно сложная система взаимозависимых видов жизни. Подобная же система развилась в поверхностных водах. Эти системы определили состав почвы, поверхностных вод и воздуха и соответственно климат.
Тут содержится очень важный урок. В той форме, в которой она впервые появилась, живая система Земли имела врожденный и фатальный порок: необходимая для жизни энергия извлекалась из невосполнимого источника — геохимического запаса органической материи. Совершая эту непоправимую ошибку, быстро развивающаяся жизнь должна была поглотить первобытный «органический бульон» Земли. Жизнь должна была разрушить условия своего собственного выживания. Выживание — свойство, ныне так глубоко ассоциирующееся с жизнью, — стало возможным благодаря своевременному вмешательству эволюции: возникновению первых фотосинтезирующих организмов. Эти новые организмы использовали солнечный свет для преобразования углекислого газа и неорганических веществ в свежую органическую субстанцию. Это решающее событие превратило отбросы первых форм жизни, углекислый газ, в пищу, органические соединения. Произошло замыкание, фатальный линейный процесс был трансформирован в циркуляцию, само-возобновляющийся цикл. С тех пор продолжение жизни на Земле зависит от практически неиссякаемого источника энергии — Солнца.
Так в упрощенном виде перед нами предстает великая схема, которая обеспечивает замечательное постоянство жизни: взаимодействие одного жизненного процесса с другими; и одновременное, взаимосвязанное развитие живой природы Земли и неорганических веществ; повторяющаяся трансформация живой материи в гигантских циклах, приводимых в действие солнечной энергией. Рассмотрение этой эволюции позволяет сделать несколько заключений о природе жизни и ее взаимодействии со средой.
Живая материя в целом произошла из неживой оболочки Земли. Жизнь — это могущественный химический фактор, который, возникнув однажды на Земле, быстро изменил ее поверхность. Каждый живой организм тесно связан со своим физическим и химическим окружением, и если оно изменяется, могут возникнуть новые формы жизни, приспособленные к новым условиям. Жизнь порождает жизнь, и, однажды появившись в благоприятных условиях, новые её формы распространяются до тех пор, пока не оккупируют все при-

12

годные экологические ниши в физическом среде. Каждый организм связан со множеством других: или косвенно — через физические в химические условия, или непосредственно — через пищу или убежище. В каждом живом организме, вплоть до отдельной его клетки, происходит и другой процесс — в своих границах настолько же сложный, насколько и в природной системе, — процесс взаимодействия огромного числа сложнейших молекул, иначе говоря, химические реакции, которые определяют жизненные свойства организма в целом.
Очень немногие из нас, представителей научного мира, в состоянии разобраться в системах подобной сложности. В современной науке мы привыкли иметь дело с гораздо более простыми ситуация¬ми — как одна частичка сталкивается с другой или как молекула А реагирует с молекулой В. Столкнувшись с такой сложной ситуацией, как природная среда с неисчерпаемым многообразием живых форм, мы склонны, одни в большей степени, другие в меньшей, сводить ее в своих рассуждениях к набору отдельных простых задач, в надежде, что их сумма дает что-то близкое к картине целого. Наличие кризиса окружающей среды свидетельствует об иллюзорности этих надежд. До недавнего времени биологи изучали изолированные растения а животных, биохимики изучали молекулы, изолированные в пробирках, накапливая обширную, детальную систему данных современной биологической науки. Однако эти отдельные данные не были обобщены в такой степени, чтобы объяснить, например, экологию озера и причины ее уязвимости.
Я сделал это признание, прежде чем перейти к осуществлению своего намерения — описать окружающую среду таким образом, чтобы облегчить понимание сущности нынешнего кризиса. Это признание должно напомнить о том, что любое подобное описание держится на весьма неуклюжих костылях. Мы слишком долго игнорировали необходимость понимания сложных природных процессов, я потому наши методы еще очень грубы.
Рассмотрим различные аспекты проблемы внешней среды. Прежде всего — пространственная неоднородность: как можно рассматривать в рамках одного комплекса представлений, как некую постоянную данность, существование густо населенных, калейдоскопически пестрых тропических джунглей и кажущихся мертвыми и неизменными пустынь? Затем — бесконечное разнообразие видов жизни в природе: какими общими свойствами характеризуется биологическое поведение мышей, ястреба, форели, земляного черва, кишечных бактерий человека или водоросли, которая окрашивает

зеро Эри в зеленый цвет? Далее — разнообразие биохимических процессов, которые не только протекают внутри каждого организма, но и связывают его с другими организмами и окружающей средой: как мы можем объединить в единую схему такие явления, как фото¬синтез, разложение органических веществ ферментами, кислородное

13

сгорание или сложную химическую зависимость одного организма от другого, которая лежит в основе паразитизма?
Каждый из этих взглядов на природную систему есть только тонкий разрез через сложное целое. Каждый освещает некоторые свойства целого, но общая картина получается по необходимости искаженной. Потому что, рассматривая один комплекс взаимоотношений, мы неминуемо игнорируем многие другие, а ведь в реальном мире каждая вещь связана со всеми остальными.
Один из интересных разрезов природной среды можно получить, прослеживая траекторию движения химических элементов, которые ее составляют. Хороший пример — азот, один из основных элементов как живой, так и неживой природы. Четыре химических эле¬мента, которые служат строительным материалом живой материи — углерод, водород, кислород и азот, — движутся через в экосферу в громадных пересекающихся циклах: то это компонент воздуха, то элемент живого организма, то отбросы в водной среде, которые с течением времени могут превратиться в минеральные отложения или окаменелые останки.
Среди этих четырех элементов живого азот играет особо важную роль, потому что он служит чувствительным индикатором качества жизни. Первый признак нищеты — это недостаток азотсодержащей пищи. Следствием этого является слабое здоровье, потому что многие детали живой машины — белки, нуклеиновые кислоты, ферменты и гормоны — построены из молекул, содержащих азот. Таким образом, азот непосредственно связан с нуждами человека, и, как видим, глобальный процесс миграции азота — это особенно важный для нас баланс.
В экосфере азот присутствует в сравнительно небольшом количестве химических форм. Наиболее типичное свойство химии азота заключается в том, что молекулы, содержащие азот, очень редко связываются с кислородом. Около 80 процентов земных запасов азота находится в атмосфере, где он существует в виде инертного газа. Большая часть оставшихся 20 процентов азота заключена в почвен¬ном гумусе, очень сложной органической субстанции. Другая значительная доля содержится в живых организмах — почти исключительно в составе органических соединений.
Имея в виду эти сведения, попробуем взглянуть на некоторые свойства азотного цикла в природной среде. Лучше всего начать с почвы, изначального источника почти всей пищи и множества видов промышленного сырья. Почва — это чрезвычайно сложная экосистема, представляющая собой результат сбалансированного взаимодействия широкого многообразия микроорганизмов, животных

растений, функционирующих в установившейся физической среде. Азот поступает в почву благодаря азотной фиксации, процессу, осуществляемому различными бактериями и водорослями, одни из которых живут в почве самостоятельно, а другие связаны с корнями

14

бобовых, таких, как клевер, или с листьями некоторых тропических растений. Другой источник азота почвы — разложение отходов растительных и животных организмов. Значительная часть его оказывается связанной с гумусом. Гумус медленно высвобождает азот под действием почвенных микроорганизмов, которые переводят его в нитраты. В свою очередь нитраты, поглощаемые корнями растений, переходят в белок и другие жизненно важные составляющие растений. Растения поедают животные, экскременты и трупы животных возвращаются в почву, и цикл завершается.
Пожалуй, наиболее медленный процесс в этом цикле — высвобождение нитратов из гумуса. В результате естественное содержание нитратов в почвенной влаге невелико и корни должны усиленно работать, чтобы доставить растениям пищу. Для этой работы растениям требуется энергия, которая высвобождается в ходе биологических окислительных процессов, происходящих в корнях. Требующийся для этого кислород должен поступать к корням из воздуха, а процесс этот эффективен лишь в том случае, когда почва достаточно пористая. Пористость почвы очень сильно зависит от содержания в ней гумуса, потому что гумус имеет пористую структуру. Таким образом, пористость почвы, а следовательно, содержание в ней кислорода и эффективность усвоения питательных веществ корнями растений находится в тесной связи с содержанием гумуса в почве. В своем развитии растение преобразует неорганические питательные вещества в органическую материю (растительная субстанция), которая, распадаясь в почве, увеличивает содержание в ней гумуса, что, в свою очередь, повышает пористость почвы и в конечном итоге способствует эффективному росту растений.
Здесь целесообразно остановиться и рассмотреть два ряда взаимоотношений, которые только что были описаны: первый — миграция атомов азота в общем почвенном круговороте, второй — взаимная зависимость между эффективностью роста растений и структурой почвы. Отметим, что эти циклы различны по своей природе. Один описывает в буквальном смысле слова движение физического объекта — атома азота, другой, более абстрактный, включает в себя ряд зависимостей между процессами. Эти циклы тесно соприкасаются между собой в критической точке — гумусе. В рамках одного цикла гумус — это главный запас почвенного азота, необходимого для роста растений, в рамках второго им определяется физическая структура почвы, от которой зависит эффективность использования пита¬тельных соединений, в том числе азота, высвобождаемого гумусом.
Эта двойная роль гумуса в почве усиливает эффекты изменений свойств почвы. Так, если уменьшается содержание гумуса в почве, то падает и содержание нитратов, необходимых для роста растений. В то же самое время уменьшается и эффективность поглощения корнями питательных веществ, поэтому процесс воздействия гумуса на рост растений является самоускоряющимся. И наоборот, достаточное

rss