ЭКОЛОГИЯ БИОСФЕРЫ (ГЛОБАЛЬНАЯ ЭКОЛОГИЯ)

Эволюция биосферы

Биосфера (от греч. bios — жизнь и sphera — шар, сфера) — это геологическая оболочка Земли вместе с населяющими ее организмами на всех уровнях их организации; это живой покров Земли. Организмы не просто живут на поверхности планеты, они связаны со средой обитания непрекращающимися процессами обмена веществ и энергии.

Термин “биосфера” предложил австрийский ученый Э. Зюсс в 1875 г., а учение о биосфере создал русский академик В. И. Вернадский (1863-1945).

Образование биосферы на Земле обусловлено совокупностью следующих факторов:

  • 1) силы земного притяжения;
  • 2) космического излучения;
  • 3) количества кислорода и углекислого газа в атмосфере;
  • 4) интенсивности коротких ультрафиолетовых лучей;
  • 5) температуры.

По определению В. И. Вернадского, биосфера представляет собой совокупность частей земных оболочек (лито-, гидро- и атмосферы), которая заселена живыми организмами, находится под их воздействием и занята продуктами их жизнедеятельности.

Жизнь на Земле существует, потому что на Земле существует жизнь. Если бы на Земле не было живых существ, планета была бы такая же, как ядовитая парилка Венера или как остывший пустынный Марс.

Биосфера является глобальной экосистемой. Она не образует сплошного слоя с четкими границами, а как бы “пропитывает” другие сферы планеты, охватывая всю гидросферу, верхнюю часть литосферы (до 3 км) и нижнюю часть атмосферы (до 30 км) (рис. 2.1). Функциональными единицами биосферы являются экосистемы.

Распределение живых организмов в биосфере (В. И. Коробкин, Л. В. Передельский)

Рис. 2.1. Распределение живых организмов в биосфере (В. И. Коробкин, Л. В. Передельский):

  • 1 — озоновый слой; 2 — граница снегов; 3 — почва;
  • 4 — животные, обитающие в пещерах;
  • 5 — бактерии в нефтяных водах (высота и глубина даны в метрах)

По вопросу происхождения жизни среди ученых нет единого мнения. Существует несколько подходов к решению данного вопроса, которые тесно переплетаются между собой.

Креационизм. Жизнь была создана Творцом. Творец — это Бог, Идея, Высший разум и др.

Гипотеза стационарного состояния. Жизнь, как и сама Вселенная, существовала всегда, поскольку не имеет начала и конца. Вместе с тем существование или образование отдельных тел (звезд, планет, организмов) ограничено во времени, они возникают, рождаются и погибают.

В настоящее время общепризнанной является теория Большого взрыва, согласно которой Вселенная существует ограниченное время, она образовалась из одной точки около 15 млрд лет назад.

Гипотеза панспермии. Жизнь на Земле была занесена из космоса и прижилась здесь после того, как на Земле сложились для этого благоприятные условия. Решение вопроса о том, как возникла жизнь в космосе, отодвигается на неопределенное время из-за объективных трудностей. Она могла быть создана Творцом, могла существовать всегда или возникнуть из неживой материи. В последнее время среди ученых появляется все больше сторонников этой гипотезы.

Другая точка зрения на процесс возникновения жизни на Земле и происхождение видов также имеет давнюю историю. В истории науки Ж. Б. Ламарк обессмертил свое имя введением в 1802 г. термина “биология” (от греч. bios — жизнь) и созданием эволюционной концепции развития природы и гипотезы о происхождении человека от обезьяноподобных предков. Однако истинным создателем учения о биологической эволюции стал Ч. Дарвин, который объяснил процесс развития и становления видов как результат естественного отбора.

На основе идеи Дарвина было развито глобальное эволюционное учение — комплекс знаний об историческом развитии живой природы.

Гипотеза абиогенеза (самозарождения живого из неживого и последующей биохимической эволюции).

А. И. Опарин полагал, что органические вещества могли создаваться в первичном океане из простых неорганических веществ. В результате накопления в океане органических веществ образовался так называемый “первичный бульон”. Затем, объединяясь, белки и другие органические молекулы образовали капли коацерватов, которые служили прообразом клеток. Капли коацерватов подвергались естественному отбору и эволюционировали. Первые организмы были гетеротрофа- ми. По мере исчерпания запасов “первичного бульона” возникли автотрофы.

К настоящему времени ни одна из существующих гипотез о происхождении жизни прямыми доказательствами не располагает.

Ученые считают, что возраст нашей Галактики 10-12 млрд лет, Солнца — 5 млрд, Земли — около 4,5 млрд лет (рис. 2.2).

Эволюция допланетного облака (О. Ю. Шмидт и др.)

Рис. 2.2. Эволюция допланетного облака (О. Ю. Шмидт и др.): а — этап превращения пылевого слоя в рой планетезималей, продолжавшийся около 104 лет; б — этап объединения роя планетезималей в планеты, длившийся около 108 лет

Аккреция вещества Земли привела к временному его разогреву и легких молекул первичной атмосферы, прежде всего водорода и гелия, рассеянных в космическом пространстве. Последующее понижение температуры в результате сильного излучения тепла привело к образованию твердой коры. Активный вулканизм мешал этому процессу, но в то же время поставлял большие количества газов, из которых образовалась вторичная атмосфера. В ней кроме водорода было много других газов (рис. 2.3).

Схема образования простейших органических соединений из газов первичной атмосферы под воздействием ультрафиолетового излучения Солнца (М. М. Камшилов)

Рис. 2.3. Схема образования простейших органических соединений из газов первичной атмосферы под воздействием ультрафиолетового излучения Солнца (М. М. Камшилов)

В течение 1 млрд лет из неорганических веществ, входящих в состав атмосферы (водорода, воды, аммиака, углекислого газа, метана), под действием солнечной энергии и высокой температуры образовались простейшие органические соединения (мономеры), в том числе и аминокислоты. В дальнейшем произошло образование короткоцепочечных полимеров, из которых для формирования живого вещества особое значение имели белковоподобные вещества — протеиноиды. Протеиноиды были исходным сырьем для образования белков, нуклеиновых кислот и липидно-коллоидных мембран.

Образование простейших органических соединений из газов первичной восстановительной атмосферы под действием УФ-излучения Солнца показано на рис. 2.3. По мере возрастающей потери водорода Н2 в космическое пространство образовывалась атмосфера, содержащая большие количества азота N2 и аммиака NH3, углекислого газа С02 (из вулканических газов и из метана СН4) и паров воды. Возможности химической эволюции на Земле показаны на рис. 2.4.

Для превращения белков, нуклеиновых кислот и липидно-коллоидных мембран в живые организмы потребовалось более миллиарда лет химической эволюции, когда осуществлялся отбор наиболее стабильных биополимеров, наличие которых предопределило появление первых примитивных прокариотических клеток. Остатки таких клеток были обнаружены в горных породах, сформировавшихся примерно 3,5 млрд лет тому назад.

Прошел еще 1 млрд лет, прежде чем образовались эукариоты, остатки которых были обнаружены в породах возрастом около 2,1 млрд лет. Эукариоты — организмы, которые уже обладают ядром (хранилищем генов), более сложными органел- лами и более совершенным способом полового размножения, когда наследственный материал сосредоточен в расходящихся парных хромосомах.

Первоначально в течение длительного времени все организмы были гетеротрофами и пищей им служили органические вещества, входящие в состав “первичного бульона”.

Возникновение и развитие автотрофов, т. е. организмов, способных синтезировать органические вещества из неорганических, явилось следующим важным этапом эволюции биосферы. Развитие автотрофных организмов проходило также в нескольких направлениях. Вероятно, первые автотрофы получали энергию для синтеза органических веществ в результате осу-

Возможности химической эволюции на Земле

Рис. 2.4. Возможности химической эволюции на Земле (Р. В. Каплан) ществления химических процессов — это были хемавтотро- фы, разновидности которых функционируют и в настоящее время (серобактерии, нитрофицирующие бактерии и др.).

Наиболее совершенные формы автотрофных организмов — это организмы, которые под действием солнечного излучения синтезируют необходимые им органические вещества из неорганических и выделяют кислород в атмосферу в качестве побочного продукта. Это фотосинтезирующие бактерии.

Самые обычные автотрофы нашего времени — это фитопланктон и зеленые растения суши. Появление на Земле авто- трофов способствовало образованию окислительной атмосферы, одним из основных компонентов которой был кислород (состав современной атмосферы — 21% кислорода, 78,1% азота и 0,9% аргона и других газов). Динамика изменения состава атмосферы Земли отражена на рис. 2.5.

Появление в атмосфере кислорода привело к возникновению озонового слоя. Озон 03 образуется из кислорода под воздействием ультрафиолетового излучения Солнца и действует как фильтр, который поглощает губительное для белков и нуклеиновых кислот короткое ультрафиолетовое излучение и защищает Землю от него (“озоновый щит”). До появления озонового слоя эволюция живых организмов происходила в водах Мирового океана. Поверхностный слой воды защищал живые организмы от вредного воздействия ультрафиолетового излучения.

Образование озонового слоя способствовало освоению суши живыми организмами. Примерно 1 млрд лет назад большинство первичных растений свободно плавало в морской воде. Для дальнейшей эволюции растений необходимо было образование почвенного покрова на поверхности литосферы в результате воздействия поверхностных бактерий на минеральные вещества и под влиянием климатических факторов.

Этот процесс длился примерно 500 млн лет, а 450 млн лет назад почвообразовательные процессы подготовили освоение суши растениями. Первые наземные растения (папоротники,

Эволюция биосферы

Рис. 2.5. Эволюция биосферы: нижняя кривая — содержание в атмосфере кислорода; верхняя кривая — содержание в атмосфере углекислого газа (PAL — современный уровень);

^ — рубежи массовых вымираний

Окончание хвощи и др.) размножались спорами и предпочитали водную среду. Переход к размножению семенами имел большое преимущество, поскольку освободил процесс размножения от связи с водной средой

Рис. 2.5. Окончание хвощи и др.) размножались спорами и предпочитали водную среду. Переход к размножению семенами имел большое преимущество, поскольку освободил процесс размножения от связи с водной средой.

Эволюция растений, размножающихся семенами, проходила поэтапно — от голосемянных к покрытосемянным (цветковым). Значительного разнообразия наземная флора достигла в каменноугольный период (350 млн лет назад). В настоящее время насчитывается около 500 тыс. видов растений, почти половину существующих видов растений составляют покрытосемянные растения.

Самые ранние следы животных появились примерно 700 млн лет назад. Наиболее близки к предкам простейших животных одноклеточные зеленые водоросли.

В начале палеозойского периода (570 млн лет назад) фиксируется образование многих видов животных, около 30% существует и в настоящее время. Первые рыбы появляются примерно 500 млн лет назад, первые амфибии—400, а первые рептилии (пресмыкающиеся) — 250 млн лет назад.

Первые рептилии уступили место динозаврам 150 млн лет назад. В этот же период появляются и небольшие по размеру млекопитающие с шерстяным покровом.

Большого разнообразия млекопитающие достигли в кайнозойскую эру, которая началась 60-70 млн лет назад и охватывает современность; в этот же период появились приматы. Примерно 3 млн лет назад появились древнейшие люди, длинный путь развития которых привел к возникновению единственного на Земле биосоциального вида — человека.

Таким образом, современная биосфера образовалась в результате длительной эволюции под влиянием совокупности космических, геофизических и геохимических факторов. Первоначальным источником всех процессов, протекающих на Земле, было Солнце, но главную роль в становлении и последующем развитии биосферы сыграл фотосинтез — процесс превращения простейших неорганических веществ (воды, углекислого газа и минеральных элементов) в сложные органические вещества под действием солнечного света и с участием зеленых пигментов (хлорофилла).

В результате эволюционной сукцессии органического мира человек появился относительно недавно. Если весь период развития органического мира (около 4 млрд лет) сократить до одного года, в котором каждый день соответствует 11 млн лет (рис. 2.6), то в этом масштабе большую часть года (приблизительно до середины августа) занимает эволюция примитивных организмов вроде бактерий. Затем, примерно 1 сентября, т. е. 1,4 млрд лет назад, возникли первые сложные клетки, типичные для современных растений и животных. После этого эволюция пошла быстрее: все основные типы беспозвоночных появились в сентябре-октябре, а в ноябре, т. е. около 450 млн лет назад, сформировались первые позвоночные — предшественники современных рыб. “Век рыб” и “век амфибий” длились примерно по 100 млн лет и заняли почти весь ноябрь. В декабре амфибии уступили место динозаврам, которые господствовали до середины декабря, а к концу третьей недели (60 млн лет назад) стали вымирать. Их сменили птицы и млекопитающие. Наконец, 31 декабря около 16 часов (3 млн лет назад) появился человек. Нынешнее сельское хозяйство развилось за последние 2 минуты, а научно-техническая революция, начавшаяся в XVIII в., продолжается всего две секунды.

В эволюции биосферы были поворотные моменты, резко изменявшие весь ход дальнейших событий. К их числу следует отнести появление фотосинтезирующих бактерий, позвоночных, возникновение человека. С возникновением человека биологические факторы эволюции постепенно ослабляли свое действие, и ведущее значение приобрели социальные.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >