Здравствуйте, дорогие читатели Take in Mind!
Внимание, вопрос! Насколько велика экосистема, в которой мы живём? Можем ли мы определить границу, и с уверенностью утверждать, что всё, что происходит внутри, влияет на нашу жизнь, а то, что вне предела – уже нет? Или же вся вселенная — это единая система, в которой все составляющие связаны и влияют друг на друга?
Давайте разбираться по порядку. Обычно под экосистемой подразумевается сообщество живых организмов, а также многочисленные и разнообразные взаимоотношения между ними и с так-называемой неживой частью окружающей их среды [i]. Самые простые примеры — лес или пруд со всеми его обитателями. Основной характеристикой экосистемы является наличие относительно замкнутых, стабильных в пространстве и времени потоков вещества и энергии между биотической (живой) и абиотической (неживой) частями экосистемы. Вот здесь и начинается самое интересное. Ведь такие абиотические факторы, как температура, влажность, давление, газовый состав воздуха и т.д. зависят от процессов, зачастую происходящих очень далеко от данной экологической системы.
Возьмём, к примеру, какой-нибудь пруд в Британии. Это вполне конкретная и чётко ограниченная в пространстве система. Однако температура в Британии вообще, и в данном пруду в частности, зависит от множества факторов, и в не последнюю очередь, от Гольфстрима (тёплого морского течения в Атлантическом океане). Гольфстрим, в свою очередь, является результатом градиентов солёности и температуры в Атлантическом океане (термохалинная циркуляция). И если где-то на Земле по какой-то причине происходят изменения этих параметров (например из-за снижения активности Солнца или извержения вулканов), то Гольфстрим может замедлиться или остановиться, как это уже случалось между XIV и XIX веками (Малый Ледниковый Период). То есть условия жизни, да и сама жизнь в маленьком пруду в Британии зависит от активности вулканов где-то на другом конце Земного шара.
Значит наша экосистема – это, по крайней мере, вся Земля, потому что на любое живое существо в любой точке Земли влияет, в большей или меньшей степени, всё, что происходит во всех остальных уголках нашей планеты.
Тому есть немало исторических примеров. Например, похолодание 535-536 годов, которое привело к резкому снижению урожаев и повсеместному голоду в Европе, что стало причиной значительных миграций населения и войн, было вызвано мощнейшим извержением вулкана Кракатау в Индонезии [ii]. Или «Год без лета» 1816 – экстремально холодный год в Европе и Северной Америке, стал причиной катастрофического неурожая и самого страшного голода XIX-го века в Европе. Глобальные температуры опустились на 0.5°C, что привело, в конечном итоге, к гибели более 90,000 человек по всей Земле. А причина — мощное извержение вулкана Тамбора в Индонезии [iii].
Но это только начало… Основным источником энергии для живых организмов на Земле является Солнце, удалённое на 150,000,000 километров от Земли. Любые изменения в активности Солнца (например, Маундеровские минимумы), сразу приводят к глобальным климатическим изменениям на Земле. То есть наша экосистема – это вся Солнечная Система.
Но и это ещё не всё. Есть ещё влияние дальнего космоса через космические лучи. Космические лучи — это поток заряженных частиц (в основном протонов и альфа-частиц (ядер гелия)), которые движутся со скоростью очень близкой к скорости света. Эти лучи обладают огромной энергией, в миллионы раз превосходящей то, что сегодня удаётся получить на самых мощных ускорителях (таких как Большой Адронный Коллайдер). Источники этих высокоэнергетических частиц находятся в глубоком космосе, вне пределов Солнечной системы, и иногда, даже за пределами нашей галактики.
Космические лучи приходят к нам из глубокого космоса и их роль в нашей жизни огромна:
Во-первых, космические лучи ответственны за появление стабильных изотопов таких химических элементов, как литий, бериллий и бор. Дело в том, что в процессе «обычного» звёздного нуклеосинтеза (образование элементов в процессе эволюции звёзд) эти элементы в хоть сколько-нибудь существенных количествах образовываться не могут. Процесс термоядерного синтеза в звёздах происходит по следующей цепочке: водород -> гелий, гелий -> углерод, углерод -> кислород, и так дальше до железа и никеля. Более тяжёлые элементы образуются в процессе вспышек сверхновых. В этой цепочке отсутствуют такие лёгкие элементы, как литий, бериллий и бор. Они образуются в межзвёздном газе и земной атмосфере в результате процесса «реакции скалывания», когда под воздействием космических лучей расщепляется кислород, азот и углерод. Без этих элементов мир вокруг нас выглядел бы иначе – не было бы таких минералов как изумруд, берилл и многих других.
Во-вторых, стоит обратить внимание на Углерод 14 (C14) — радиоактивный изотоп углерода с периодом полураспада 5730 лет, который активно используется для определения возраста артефактов в археологии (радиоуглеродный анализ). Другими словами, если бы C14 образовался вместе с Землёй 4.5 миллиарда лет тому назад, то он бы давно распался. Оказывается, за постоянную концентрацию C14 на Земле ответственны космические лучи! Именно они поддерживают (по крайней мере последние 100,000 лет) количество C14 в размере 70 тонн в год в земной атмосфере. Это и позволяет археологам сравнивать относительные концентрации C14 и C12 (стабильный изотоп углерода) и определять возраст находки в диапазоне до 50,000 лет [iv].
В третьих, космические лучи также ответственны за возникновение молний — так называемый «пробой на бегущих электронах», о чём мы уже подробно писали в нашей статье «Загадки молнии». Этот факт особенно интересен тем, что современные теории возникновения жизни на Земле [v] предполагают ключевую роль молний для получения первых органических молекул. Эта теория получила экспериментальное подтверждение в знаменитом эксперименте Стенли Миллера и Гарольда Юри в 1952 году, в котором из метана, аммиака, водорода и монооксида углерода, растворённых в воде, под воздействием электрических разрядов образовались органические молекулы, такие как аминокислоты, сахара, липиды и предшественники нуклеиновых кислот [vi].
Кроме того, космические лучи вносят существенный вклад в естественный радиационный фон – от 13% на уровне моря до 35% в высокогорье. При этом следует отметить, что чем выше над уровнем моря – тем сильнее растет уровень радиации из-за космических лучей: экипажи авиалайнеров, например, получают двойную дозу радиации, ввиду того что проводят много времени на высоте около 10,000 метров над уровнем моря.
Иными словами, космические лучи необходимы для жизни, и в то же время – губительны для неё. Такая ситуация типична для природы, поэтому природе необходимо равновесие – не слишком мало, но и не слишком много.
Давайте же посмотрим вместе, какие механизмы позволяют сохранить интенсивность космических лучей у поверхности Земли на уровне, необходимом для биологической жизни. Интенсивность космических лучей в межзвёздном пространстве настолько велика, что могла бы уничтожить жизнь на Земле за считанные часы.
Первый уровень защиты (или последний – смотря с какой стороны считать) – это атмосфера Земли. Космические лучи, состоящие в основном из высокоэнергетических протонов, проходя через атмосферу Земли, сталкиваются с молекулами воздуха и тормозятся, образуя каскад вторичных частиц. В конечном итоге, до поверхности Земли доходит лишь ослабленная атмосферой радиация.
Второй уровень – это магнитное поле Земли. Геомагнитное поле в силу своей конфигурации создаёт магнитные ловушки, которые захватывают частицы солнечного ветра и, частично, частицы космических лучей, которые собираются в так называемых радиационных поясах. То есть магнитосфера не подпускает к Земле потоки космических частиц. Третий уровень – это Солнечный ветер. Солнечный ветер — это поток ионизованных частиц, выбрасываемых из солнечной короны в космическое пространство с огромной скоростью. Он очень опасен для биологической жизни на Земле, но благодаря магнитному полю Земли, которое отклоняет или захватывает большую часть частиц солнечного ветра, его воздействие на Землю проявляется лишь в виде не опасных для жизни геомагнитных бурь и полярных сияний, вызванных движением ионизованных частит вдоль силовых линий магнитного поля Земли. При этом солнечный ветер играет ключевую роль в защите Земли от космических лучей. Поток частиц солнечного ветра сталкивается с потоком частиц, идущих от других звёзд нашей галактики, и потоком космических лучей в области называемой гелиопаузой, и таким образом блокирует значительную часть от их проникновения в Солнечную систему. Этот феномен был открыт в 2007 году, когда Вояджер-2, пройдя границу ударной волны солнечного ветра далеко за орбитой Плутона, зафиксировал резкое увеличение интенсивности космических лучей. То есть Солнечную систему окружает некое подобие защитной сферы из солнечного ветра, «созданной» самим Солнцем.
Собирая все вышеописанные факты вместе, получается, что наша галактика и другие источники космический лучей далеко за пределами нашей галактики, вместе с Солнцем, геомагнитным полем и земной атмосферой являются регуляторами абиотических и, через это, биотических факторов всех экосистем на Земле.
Выходит, что жизнь на Земле зависит от процессов, происходящих на других звёздах и даже в других галактиках. То есть, наша экосистема – это вся Вселенная!
Учитывая тот факт, что Земля не является центром Вселенной, из всего вышесказанного напрашивается очень интересный вывод: Вселенная является сложной системой, в которой все её составляющие связанны и влияют друг на друга.
[i] Denis Frank Owen. “What is ecology?”, Oxford University Press, 1980
[ii] Wohletz, Ken, Were the Dark Ages Triggered by Volcano-Related Climate Changes in the 6th Century? Los Alamos National Laboratory LA-UR 00-4608
[iii] Stommel, Henry (1983). Volcano weather: the story of 1816, the year without a summer. Seven Seas Press. ISBN 0915160714.
[iv] Kovaltsov, Gennady A.; Mishev, Alexander; Usoskin, Ilya G. (2012). «A new model of cosmogenic production of radiocarbon 14C in the atmosphere». Earth and Planetary Science Letters. 337–338: 114–20
[v] Witzany, Guenther (2016). «Crucial steps to life: From chemical reactions to code using agents» . Biosystems. 140: 49–57.
[vi] Hill HG, Nuth JA (2003). «The catalytic potential of cosmic dust: implications for prebiotic chemistry in the solar nebula and other protoplanetary systems». Astrobiology. 3 (2): 291–304
Статьи по теме:
Все говорят только о материи и энергии электромагнитной природы. Никто, за редким исключением, не хочет задуматься о биогенной компоненте космического излучения (Солнце только переизлучатель) из-за того, что носитель неизвестен и современные приборы бессильны. Это — другая физика!