Полная версия

Главная arrow Экология arrow Общая экология

  • Увеличить шрифт
  • Уменьшить шрифт


<<   СОДЕРЖАНИЕ   >>

вторая. БИОСФЕРА

...Явления жизни и явления мертвой природы, взятые с геологической, то есть планетной, точки зрения, являются проявлением единого процесса.

В. И. Вернадский.

«Живое вещество»

Предыстория

Биосферой называют часть земного шара, в пределах которой существует жизнь. Для этой особой оболочки Земли наиболее важными являются три условия. Во-первых, в ней имеется много воды в жидком состоянии, что автоматически подразумевает наличие достаточно плотной атмосферы и определённый диапазон температур. Во-вторых, на неё падает мощный поток лучистой энергии от Солнца. В-третьих, в ней имеются выраженные поверхности раздела между веществом в различных фазовых состояниях — газообразном, жидком и твёрдом. На высотах более 6—7 км, а также в центральных областях Антарктиды метаболизм (то есть обмен веществ) оказывается невозможен, и там жизнь существует только в виде спор бактерий и грибов. Это так называемые парабиосферные области.

В современной биосфере солнечная энергия включается в биологический круговорот только через фотосинтез, осуществляемый организмами — носителями хлорофилла, а именно зелёными и пурпурными бактериями, синезелёными водорослями, фитопланктоном и высшими растениями. Все эти организмы обитают в зоне, куда попадают лучи Солнца. Это атмосфера, поверхность суши, верхний слой почвы и верхние слои воды. В водных экосистемах органическое вещество оседает в глубокие слои, перенося туда энергию и, тем самым, создавая возможность для жизни на больших глубинах. В почве также происходит вертикальный перенос вещества, а вместе с ним и энергии, что обеспечивает существование многочисленных редуцентов и детритофагов.

К настоящему времени накоплено множество доказательств того, что биосфера, да и наша планета в целом обрели современный вид в результате длительной эволюции. Согласно более или менее общепринятой гипотезе Канта — Лапласа, развитой Отто Юльевичем Шмидтом (1891 — 1956), Земля, другие планеты и Солнце образовались в результате гравитационного сжатия газопылевого облака около 4,6 миллиардов лет назад. Солнечная система — относительно молодое образование во Вселенной, возраст которой по современным представлениям составляет 15—25 миллиардов лет. Наша планета относится к группе внутренних, близких к Солнцу и сравнительно небольших планет. Главным процессом в её эволюции, незавершённым до сих пор, является гравитационное разделение веществ в её недрах, при котором тяжёлые вещества опускаются к центру Земли, а лёгкие — поднимаются к поверхности. Так сформировались ядро и оболочки Земли (рис. 2.1).

Согласно современным взглядам в центре Земли образовалось внутреннее твёрдое ядро. Его материал состоит в основном из железа, которое, несмотря на высокую температуру, удержи-

Схема строения Земли по современным взглядам. Относительные размеры не соблюдены

Рис. 2.1. Схема строения Земли по современным взглядам. Относительные размеры не соблюдены

вается в твёрдом состоянии благодаря гигантскому давлению. Радиус твёрдого ядра — около 1300 км. Вокруг него, на глубине от 3 до 5 тысяч км располагается жидкое ядро. Мантия простирается от твёрдой поверхности Земли до глубины 3000 км и состоит главным образом из силикатов, то есть кислородных соединений кремния и алюминия. Наружная её часть вместе с земной корой на глубинах до 80 км называется литосферой. Под литосферой имеется слой толщиной около 300 км с пониженными жёсткостью и вязкостью, называемый астеносферой. В 1912 г. немецкий геофизик Альфред Вегенер (A. Wegener, 1880—1930) показал, что земная кора состоит из отдельных литосферных плит, медленно двигающихся друг относительно друга («дрейф материков») и как бы «плавающих» поверх астеносферы. Материковая кора существенно отличается от океанической. Первая сложена из сравнительно лёгких минералов и достигает 75 км в глубину. Океаническая кора гораздо тоньше — порядка 10 км и состоит из тяжёлых базальтов.

Первоначально при образовании Земля была, по современным данным, холодной, но при дальнейшем сжатии потенциальная энергия тяготения и энергия распада долгоживущих радиоактивных изотопов урана, калия и тория, переходя в тепло, вызвали разогрев её недр. Главный вклад (не менее 70 %) в нагревание был внесён гравитацией. За счёт теплового излучения в космос Земля потеряла за всю свою историю примерно '/з накопленного тепла. Благодаря нагреву вещество мантии ведёт себя как жидкость с гигантской вязкостью, в которой развиваются медленные конвективные потоки, образующие замкнутые ячейки (рис. 2.1). Скорости движения этих потоков составляют 1 — 10 см/год. Внешне эти, чрезвычайно медленные по сравнению с человеческой историей, процессы проявляются в движении на поверхности Земли литосферных плит и материков относительно друг друга и его следствиях — вулканизме и землетрясениях. Литосферные плиты надвигаются друг на друга, и в этих местах растут особо высокие горные цепи, такие как Гималаи или Кордильеры. Посредине океанических плит находятся срединно-океанические хребты — это как раз области восходящих потоков в мантии. Именно здесь происходит наращивание океанической коры, которая раздвигается потом в горизонтальном направлении, образуя на дне океанов абиссальные равнины. Атлантический океан, например, зародился примерно 200 млн лет назад и растёт со скоростью 1—2 см/год. Глубоководное

Красное море — зародыш нового океана, который образуется по мере того, как Аравийский полуостров дрейфует на север от Африки, вызывая землетрясения в Иране и Средней Азии. Океаническая кора, сталкиваясь с материковыми плитами, заглубляется под них, наращивая их толщу. На линиях этого столкновения возникают гигантские глубоководные океанические желоба шириной в десятки и длиной в сотни и тысячи километров с глубинами более 6 км. Наибольшая глубина (11 020 м) найдена в Марианском жёлобе на востоке Филиппинского моря.

Энергия трения плит друг об друга выделяется в виде тепла, и жидкая лава, извергаемая континентальными вулканами, не есть материал астеносферы или верхней мантии, а есть результат плавления горных пород за счёт этой энергии.

Новорождённая Земля не имела ни атмосферы, ни гидросферы[1]. В первый период её существования, о котором у нас нет каких-либо прямых данных, вероятно, имел место активный вулканизм с обильным излиянием базальтовой лавы. При этих извержениях образовались первичные атмосфера, океан и земная кора, сходная с современной океанической корой. При дегазации изверженных лав выделялись водяной пар, оксиды углерода С02 и СО, метан СН4, азот N2 (в небольшом объёме), аммиак МН3, сероводород Н28, сернистый газ 802, хлор С12 и хлористый водород НС1 (пары соляной кислоты), а также другие газы в относительно малых количествах. Первичная атмосфера была тонкой и почти не препятствовала потере тепла, поэтому средняя температура на Земле не превышала 5 °С. Благодаря этому водяной пар конденсировался, превращаясь в воду и образуя гидросферу. При этом аммиак, хлористый водород, соединения серы и углекислый газ обильно растворялись в формировавшемся океане. В результате реакций этих веществ с материалом дна образовывались соли, и таким образом Мировой океан изначально становился солёным. Рост объёма Мирового океана за счёт вулканизма продолжается и до сих пор.

Лабораторные исследования показали, что в этом тёплом океане могло происходить множество химических реакций, ведущих к образованию аминокислот — «кирпичиков», из которых

строятся белки, и других органических соединений. Эта эпоха (эон) «химической эволюции» продолжалась примерно миллиард лет и получила название катархея. С конца катархея начинается история биосферы, основные события которой показаны на рис. 2.2. Вероятно, важнейшим этапом химической эволюции

Эон Эра Период

Основные события в биосфере

  • 1
  • 7
  • 40
  • 250
  • 600
  • 2000
  • 2700
  • 3500
  • 4600

Четвертичный

Неоген

Человек разумный Великое оледенение

  • •з
  • 2

$ с?

Гоминиды Приматы

Копытные и злаки

Хищные млекопитающие

Слоны

Мамонты

Мастодонты

Носороги

  • 3
  • 8

§-

8

І

8

І

с=

•а

§

І

Юрский

Триас

Пермь

Карбон

Девон

Силур

Ордовик

Кембрий

Сумчатые Гибель динозавров Расцвет динозавров

Первые млекопитающие

Первые птицы

Динозавры и цветковые растения

Пауки и крабы

Рептилии

Голосеменные растения

о

4>

§

Венд

4>

О.

Архей

і

Катархей

Амфибии

Насекомые на суш^

Сухопутные щ растения: папоротники и

хвощи Рыбы

Озоновый экран в стратосфере

1 Образование кислородной атмосферы Членистоногие и моллюски Беспозвоночные животные

Первые многоклеточные организмы Разделение на продуцентов и консументов Свободный кислород в гидросфере Фотосинтез

Синезелёные водоросли и бактерии Сложные углеводороды Аминокислоты

Первичные атмосфера и гидросфера

Хронология биосферы

Рис. 2.2. Хронология биосферы

явилось появление в начале зона архея веществ, способных к ав-токаталитическому синтезу, то есть молекул, способствующих появлению собственных копий. Скорее всего, это происходило путём деления материнской молекулы на дочерние и последующей достройки этих дочерних молекул. Среди этих органических молекул уже происходил естественный отбор на выживаемость, который привёл к образованию конгломератов, состоявших из молекул с разными функциями. Так или примерно так возникли первые живые организмы около 4 млрд лет назад.

В первичных атмосфере и гидросфере кислород полностью отсутствовал. И это — очень важное обстоятельство. С одной стороны, в присутствии кислорода — мощнейшего окислителя органические молекулы не могли существовать, так как они почти мгновенно превратились бы в воду и углекислый газ. С другой стороны, тонкая бескислородная атмосфера не защищала поверхность Земли от жёсткого ультрафиолетового излучения Солнца, губительного для органического вещества. Поэтому жизнь возникла в океане, под защитой толщи воды. Примерно 3,5 млрд лет тому назад появляются первые одноклеточные организмы, владеющие фотосинтезом, — синезелёные водоросли и бактерии. С этого момента живое вещество становится геохимическим фактором, сильнейшим образом влияющим на облик Земли. Освоившие фотосинтез организмы — продуценты непосредственно используют солнечную энергию, они захватывают Мировой океан и в громадных количествах начинают выделять кислород. Наличие в гидросфере растворённого свободного кислорода создаёт возможность для появления организмов, живущих за счёт окисления органических и неорганических веществ. Часть этих организмов становится редуцентами, разлагающими аммиак с выделением молекулярного азота 1Ч2, который, будучи практически нерастворим в воде, поступает в атмосферу. Через некоторое время выделяется группа организмов-консументов, потребляющих готовую органику продуцентов. Здесь разделяются биологические царства. Продуценты не нуждаются в свободном движении, и от них происходит царство растений, а консументы должны иметь возможность двигаться в поисках пищи, и от них берёт начало царство животных.

Благодаря метаболизму живых организмов океана на протяжении протерозоя происходит постепенная смена первичной атмосферы на вторичную, состав которой близок к современному. Уменьшаются концентрации аммиака и углекислого газа, их сменяют свободные азот и кислород. Свободный кислород окисляет СО, СН4, Н23 и 302, и их концентрации в атмосфере становятся ничтожными. В верхних слоях атмосферы молекулы кислорода 02 расщепляются и образуют озон 03 согласно реакциям:

02 + {квант ультрафиолета} -> 20; 02 + О -» 03. (2.1)

Озоновый слой начинает перехватывать жёсткое ультрафиолетовое излучение Солнца, и у живой материи появляется возможность выхода на сушу. Это и происходит примерно 500 миллионов лет назад1.

К этому времени жизнь в океане буквально кипит. Уже появились многочисленные моллюски и ракообразные, прибрежная зона заросла гигантскими водорослями, и, наконец, уже существуют первые хордовые, от которых произойдут все позвоночные. Переход от внешнего скелета (панциря) к внутреннему носил принципиальный характер. Ослабление пассивной защиты компенсировалось усилением подвижности и ловкости; кроме того, исчезла необходимость в периодической полной линьке при росте организма, что дало большую экономию дефицитных строительных веществ. Рост подвижности привёл к необходимости иметь хорошее устройство управления, то есть к появлению и развитию головного мозга[2] [3]. Первыми сушу стали осваивать растения и насекомые, появились двоякодышащие рыбы, способные жить и на воздухе, и в воде, от которых, по-видимому, произошли земноводные (амфибии). В девоне суша полностью заселяется, и видообразование происходит всё ускоряющимися темпами. Через 200 млн лет на Земле уже господствуют динозавры — потомки первых пресмыкающихся. Как и почему они практически полностью погибли 70 млн лет назад, до сих пор идут споры. Остаётся непонятным, почему катастрофа, постигшая динозавров, не отразилась столь же существенно на остальной биоте? Так или иначе, господство в животном царстве на суше захватили теплокровные млекопитающие, а в растительном — цветковые растения, и биосфера стала приобретать современный вид.

Важнейший вывод, который можно сделать, прослеживая историю биосферы и анализируя её современный элементный состав, состоит в том, что живые организмы влияют на абиотические условия на Земле в такой же степени, как эти условия влияют на биоту. И, следовательно, биосфера представляет собой единую динамическую систему из живых организмов и абиотической среды их обитания, пронизанную глубокими обратными связями, изменения в которой происходят в ходе общей эволюции — биологической, химической и физической.

  • [1] Возможно кратковременное существование газовой оболочки, состоявшей в основном из лёгких газов — водорода и гелия, но эта оболочка быстро улетучивалась в окружающий космос и навсегда терялась Землёй.
  • [2] Судя по всему, в протерозое одновременно росли и плотность атмосферы, и содержание кислорода. И то, и другое резко увеличило её способность защищать поверхность Земли от метеоритного дождя, что также немаловажно.
  • [3] Головоногие моллюски, осьминоги и кальмары, вовсе отказались от скелета, что привело к интенсивному развитию совершенной нервной системы и мозга и соответственно высоких «умственных способностей», за которые они получили прозвище «приматы моря».
 
<<   СОДЕРЖАНИЕ   >>