Вопросы к Госэкзаменам
Дисциплина «Экология»
Вопрос Эволюция биосферы. Законы эволюции В.И. Вернадского. Учение о ноосфере
Понятие, основные этапы
Эволюция биосферы – это история жизни на Земле. Наша Земля, по утверждениям ученых, возникла около 5 млрд. лет назад. За этот период времени она немало изменилась и прошла в своей истории путь от раскаленной массы до планеты, защищенной атмосферой, имеющей воду и населенной различными формами жизни, то есть обладающей биосферой.
Эволюция биосферы имеет основные этапы или эры: архей, протерозой, палеозой, мезозой и кайнозой. Катархей, что означает ниже или ранее древнего, этап существования планеты, имеет отношение только к истории планеты, так как в этот период жизни на Земле еще не было, она появилась позже – в архее или древнем.
Эра архея начинается тем, что появляются первые живые клетки. На этом этапе повествования об «эволюции биосферы», любознательный человек спросит: «Откуда появились? И чего это вдруг?». Такие вопросы будут возникать на все протяжение освещения этой темы. Но продолжим.
Временные периоды и эры
Первые живые клетки получили название – прокариоты, то есть клетки, которые не имеют ограниченных мембраной ядер. Это были простейшие организмы, способные к быстрому размножению. Они жили без кислорода и не могли синтезировать органическое вещество из неорганического. Легко приспосабливались к окружающей среде и ею же и питались. Сформулированный принцип Реди говорит о том, что в это время появляется непреодолимая граница между живым и неживым, хотя они взаимодействуют. Живое происходит только от живого. Опять вопрос: «Если живое происходило от живого и не могло переваривать неживое, то чем оно питалось? Неужели себе подобными?»
Далее происходит, по утверждению ученых, истощение питательной для этих клеток среды и они изменяются и начинают существовать за счет солнечной энергии и сами вырабатывать вещества, необходимые им же для жизни. Этот процесс получил название «Фотосинтез». Он является в эволюции биосферы главным фактором. С этого момента начинается формирование атмосферы Земли, а кислород становится главным условием для существования живых организмов. Постепенно формируется озоновый слой, и содержание кислорода в воздухе достигает привычных на сегодня 21%. То есть пока защитный слой не сформировался, устойчивость живых организмов была такой, что позволяло им существовать и в той среде. Тогда зачем ее менять? Или кислород был побочным эффектом жизнедеятельности, то есть ее отходами?
Так идет эволюция примерно 2 млрд. лет. А в протерозое, то есть 1,8 млрд. лет назад, появляются живые организмы с клетками, в которых явно выражено ядро. Еще через 800 млн. лет, эти организмы, названные эукариоты, разделились на растительные и животные клетки. Растительные продолжили функцию фотосинтеза, а животные начали «учиться» передвигаться.
900 млн. лет назад было положено начало эпохи полового размножения. Это приводит к видовому разнообразию и лучшей приспосабливаемости к условиям окружающей среды. Эволюционный процесс ускоряется.
Проходит около 100 млн. лет и, по мнению ученых, появляются первые многоклеточные организмы. Интересно, как до этого отличались одноклеточные? У многоклеточных организмов появляются органы и ткани.
Наступает эра палеозоя и ее первый этап – кембрий. В кембрийский период возникают практически все животные, в том числе существующие и сейчас. Это: моллюски, рачки, иглокожие, губки, археоциаты, плеченогие и трилобиты.
500 млн. лет назад появляются крупные плотоядные и небольшие позвоночные. Еще через 90 млн. лет они начинают заселять сушу. Живые организмы способные существовать на суше и в воде назвали двоякодышащими. Из них произошли земноводные и сухопутные. Это древние рептилии, схожие на современных ящериц. Появляются и первые насекомые. Еще 110 млн. лет проходит, и насекомые научились летать.
Мезозой. 230 млн. лет назад. Эволюция продолжается. У растений появляется корень, стебель, листья. Формируется система, обеспечивающая растение водой и питательными веществами. Меняются и способы размножения. Споры и семена становятся самыми пригодными для этих целей на суше. Начинаются отложения не переработанных органических отходов. Вместе с отложениями каменных углей, начинает высвобождаться дополнительный кислород.
В эру палеозоя, особенно в период девона и карбона, уровень растительного мира значительно превышал существующий. Леса представляли собой заросли из древовидный плауновых, гигантский хвощовых и различных папоротников. Фауна идет по пути совершенствования семян. Хозяева суши этого периода – рептилии, которые все дальше уходят от воды. Появляются плавающие, летающие и двигающиеся по суше. Они плотоядные и травоядные.
195 млн. лет назад – первые птицы и млекопитающие. Это: птеранодон, плезиозавр, мезозавр, бронтозавр, трицератопс и другие.
Кайнозой. 67 млн. лет назад. Мир млекопитающих, птиц, насекомых и растений огромен. В предыдущий период произошли значительные похолодания, которые внесли некоторые изменения в процесс размножения растений. Преимущества получили покрытосемянные.
8 млн. лет назад – период формирования современных существ и приматов.
Хотя процесс эволюции шел почти 4 млрд. лет, доклеточные живые организмы существуют и сегодня. Это вирусы и фаги. То есть одни доклеточные эволюционировали в человека, а другие остались, как были.
На сегодня фауна насчитывает порядка 1,2 млн. видов, а флора около 0,5 млн.
Как мы видим, каждая эра характеризуется своеобразием видов флоры и фауны. Причем виды, как правило, не переходят из одной эры в другую. Есть лишь некоторые сходства. Можно ли их считать наследованием или это совершенно иные формы жизни? Как один вид преобразовывался в другой и почему? Доказательств, то есть останков переходных форм, а они должны обязательно быть при эволюционных изменениях, нет и у палеонтологии. Во всяком случае, они широко неизвестны.
Палеонтология
Ученые утверждают, что в процессе эволюции были существенные остановки развития. Чем является ее новая эра – эра социальной революции?
В развитии биосферы, биологическая эволюция определяется как процесс развития живой природы, проходящий естественным образом. При этом изменяются и преобразовываются как отдельные экосистемы, так и биосфера в целом. Доказательствами чего считают останки животных и растений, существовавших в прошлом, и следы их жизнедеятельности, найденные в процессе раскопок. Обнаружением и изучением таких ископаемых останков и следов занимается наука палеонтология. Она также пытается воссоздать или реконструировать внешний вид, особенности питания, поведения и размножения живых организмов прошлого.
Человек с древних времен волей-неволей сталкивался с останками древних животных и растений. Об этом свидетельствуют записи античных авторов: Ксенофона, Геродота, Аристотеля. Ученых эпохи Возрождения: Леонардо да Винчи, Георгия Агрикола, Джироламо Фракасторо. В XIX веке – это, конечно, Чарльз Дарвин, Жорж Кювье, основатель палеонтологии, а в XX – Владимир Ковалевский, Тейар де Шардена и В.И. Вернадский.
Новый этап эволюции
Именно В.И. Вернадский поддерживает термин «Ноосфера», то есть разумная сфера, данный да Шарденом и развивает и научно обосновывает это понятие. Он выделяет этапы эволюции биосферы. Их три: возникновение жизни и первичной биосферы, в котором главенствующее положение отведено химическим реакциям и климатическим изменениям. Следующий - второй этап – это появление новых и разнообразных одно- и многоклеточных организмов. Здесь главной является биологическая эволюция. И третий этап – появление человека и общества, которое начинает по-своему и в своих интересах воздействовать на биосферу, превращая ее в ноосферу или новое эволюционное состояние биосферы.
Жизнь на нашей планете зародилась примерно 3,5 млрд. лет назад и кратко эволюция биосферы представляла собой: появление жизни и постоянный процесс изменения ее форм и видов, вплоть до настоящего времени. После того как в эволюцию стал вмешиваться человек, какие новые виды и формы жизни появились? Наоборот, количество видов и число представителей этих видов стало сокращаться прогрессирующими темпами. И они такие, что новое эволюционное состояние биосферы будет ее последним этапом. Человек лишь пользуется тем, чтобыло создано до него. Просто степень этого использования становиться с развитием науки и технологий, все более глубокой. Единственным достижением человека можно считать его попытки расширить свое присутствие за пределами Земли и ее биосферы.
Вопросы без ответов
Изменения происходят под воздействием каких-то факторов, которые возникли и не дают системе существовать в привычной и удобной для нее манере. Что же это были за факторы? Почему процесс возникновения новых форм и видов ускоряется по мере приближения к нашему времени, а с началом нашей эры – разнообразие видов и их численность начинает сокращаться?
Как люди, которые до сих пор не могут определить возраст Туринской плащаницы, где речь идет о тысяче лет, с легкостью и убежденностью называют эры и их временные промежутки в миллионы лет? Как человек, который отстаивает такое происхождение жизни, после работы идет в церковь, обращается к религии и молится? Ведь церковь утверждает иное происхождение сущего. От кого же мы произошли? От вируса и обезьяны или это был промысел Божий? Достоверных доказательств нет ни у кого. Биосфера в своей истории прошла эволюцию, то есть была причинно-следственная связь, обуславливающая переход от одной стадии к другой или одна биосистема заканчивала свое существование и на ее место приходила другая, с предыдущей совершенно несвязанная?
Эволюция биосферы
В эру научно-технического прогресса особое значение приобретают знания о жизненных процессах на Земле в целом. Важную роль в этих процессах играют живые организмы. За миллиарды лет, прошедшие с момента образования нашей планеты, они наполнили атмосферу кислородом и азотом, очистили её от углекислого газа, сформировали отложения известняка, нефти, природного газа. В процессе эволюции на Земле образовалась особая оболочка – биосфера (греч. bios «жизнь»). Термин "биосфера" впервые был использован в 1875 г. австрийским геологом Э. Зюссом. Под биосферой понимается совокупность всех живых организмов вместе со средой их обитания, в которую входят: вода, нижняя часть атмосферы и верхняя часть земной коры, населенная микроорганизмами.
Рис.1. Общий вид биосферы
Два главных компонента биосферы - живые организмы и среда их обитания - непрерывно взаимодействуют между собой и находятся в тесном, органическом единстве, образуя целостную динамическую систему. Биосфера как глобальная суперсистема в свою очередь состоит из ряда подсистем. Отдельные живые организмы не существуют изолированно. В процессе своей жизнедеятельности они соединяются в различные системы (сообщества), например, в популяции.
В ходе эволюции образуется другой, качественно новый уровень живых систем, так называемые биоценозы - совокупность растений, животных и микроорганизмов в локальной среде обитания. Эволюция жизни постепенно приводит к росту и углублению дифференциации внутри биосферы. В совокупности с окружающей средой обитания, обмениваясь с ней веществом и энергией, биоценозы образуют новые системы - биогеоценозы или, как их еще называют, экосистемы. Они могут быть разного масштаба: море, озеро, лес, роща и т. д. Биогеоценоз представляет собой естественную модель биосферы в миниатюре, включающую все звенья биотического круговорота: от зеленых растений, создающих органическое вещество, до их потребителей, в итоге превращающих его вновь в минеральные элементы. Иначе говоря, биогеоценоз является элементарной ячейкой биосферы. Таким образом, в совокупности все живые организмы и экосистемы образуют суперсистему - биосферу.
Эволюция биосферы. Учение Вернадского о биосфере
Существуют различные точки зрения относительно времени возникновения биосферы. Согласно одной из них (концепция В.И. Вернадского), биосфера возникла на самой ранней стадии развития планеты Земля и имеет возраст, близкий к возрасту Земли (приблизительно 4,6 млрд. лет). По Вернадскому, переход от неживого вещества к простейшим формам живого занял незначительный (в геологическом масштабе) отрезок времени - не более 200 лет. Характерными чертами биосферы, в рамках концепции Вернадского, являются следующие:
1. Биосфера возникла сразу как совокупность биогеоценозов. Живое вещество сформировалось как совокупность сложных живых организмов.
2. Первичные организмы способны обеспечить все основные процессы (биохимические, биологические), происходящие в оболочках Земли.
3. Живые организмы обеспечивают миграцию химических элементов в земной коре.
Согласно другой точке зрения, биосфера сформировалась на определенном этапе развития Земли. Сначала был этап предоболочек, затем сформировались основные земные оболочки и лишь потом появилась биосфера.
По мнению Beрнадского, появление и существование человека в биосфере определяет высшую ступень ее развития. Само появление человека представляет переход от простого биологического приспособления живых организмов к разумному поведению и целенаправленному изменению окружающей среды разумными существом Живое вещество планеты при этом активно приспосабливается к новым условиям существования в природе. Происходит внезапное совместное влияние природы на человека и человека природу, и человек теперь несет ответственность за эволюцию жизни.
Существуют два основных определения понятия "биосфера", одно из которых известно со времени появления в науке данного термина. Это понимание биосферы как совокупности всех живых организмов на Земле. Ученик Докучаева, создателя учения о почвах, В.И. Вернадский, изучавший взаимодействие живых и неживых систем, выдвинул принцип неразрывной связи живого и неживого, переосмыслив понятие биосферы. Он понимал биосферу как сферу единства живого и неживого.
Такое толкование определило взгляд Вернадского на проблему происхождения жизни на Земле.
Рассматривались следующие варианты:
1) жизнь возникла до образования Земли и была занесена на нее;
2) жизнь зародилась после образования Земли;
3) жизнь зародилась вместе с формированием Земли.
Вернадский придерживался последней из этих точек зрения и считал, что нет убедительных научных данных о том, что живое когда-либо не существовало на нашей планете. Иными словами, биосфера была на Земле всегда.
Биосфера (греч. bios - жизнь, sphaira - шар) - оболочка Земли, населенная живыми организмами и преобразованная ими. Биосфера тесно связана со всеми другими земными оболочками, является следствием, прежде всего биогеохимического круговорота, который обеспечивается солнечной энергией. В биосфере организмы и среда их обитания вследствие длительного взаимодействия друг с другом образуют целостную систему, находящуюся в динамическом равновесии.
Биосфера, согласно Вернадскому, включает в себя следующие составные части.
1. Живое вещество, образованное совокупностью организмов.
2. Биогенное вещество, которое создается в процессе жизнедеятельности организмов (газы атмосферы, каменный уголь, нефть, известняки и т.д.).
3. Косное вещество, которое формируется без участия живых организмов (в результате движения земной коры, деятельности вулканов, метеоритов).
4. Биокосное вещество, представляющее собой совместный результат жизнедеятельности организмов и небиологических процессов (почвы).
Вернадский сформулировал основные принципы организации биосферы в целом. Это два биогеохимических принципа.
1. Геохимическая энергия живого вещества в биосфере (включая человека как высшее наделенное разумом существо) стремится и максимальному проявлению.
2. В ходе эволюции видов живых организмов выживают организмы, которые своей жизнедеятельностью максимально увеличивают биогенную геохимическую энергию.
Рис.5. Фрагмент эволюции живого вещества биосферы
Вернадский осуществил оценки количества живого вещества в биосфере, на основании которых сформулировал следующий принцип: на протяжении всей истории Земли количество живого вещества в биосфере было практически постоянным. В настоящее время человек нарушил свое равновесие с биосферой. Пока человек (и крупные животные) в своем потреблении продуктов биосферы не превышали 1 % их общего количества, биосфера находилась в динамическом равновесии с другими земными оболочками. Современный человек потребляет на свои нужды уже более 7%. продуктов биосферы и существенно нарушает ее естественный баланс. Например, уже изменилось соотношение запасов углерода в атмосфере и на суше, разность между синтезом и разложением органических веществ стала в сотни раз больше, чем было первоначально.
Биосфера уже не справляется со своей функцией стабилизации, и скоро эту функцию человечеству придется взять на себя. В конце концов, когда вся система жизни и среды станет управляться человеком, тогда биосфера превратится в ноосферу. Но тогда основная часть энергетических и трудовых затрат уйдет на стабилизацию окружающей среды (по некоторым оценкам - более 99%). На поддержание и развитие цивилизации останется всего лишь несколько процентов (или даже менее 1%). Занимаясь им же созданной биогеохимией, изучающей распределение химических элементов по поверхности планеты, Вернадский пришел к выводу, что нет практически ни одного элемента таблицы Менделеева, который не включался бы в живое вещество. Вернадский подчеркивал также важное значение энергии и называл живые организмы механизмами превращения энергии.
Детальное обоснование теоретические представления В.И. Вернадского и А.Л. Чижевского получают в наши дни. Так, исследования нашей космонавтики:
1. Позволили открыть новые многочисленные данные о связи земных и космических процессов.
2. Радикально повлияли на способы осуществления астрофизических и астрономических наблюдений и открытий.
3. Привели к своеобразной научной революции в астрофизике.
Так, например, в 60-х гг. были открыты квазары - космические объекты с грандиозным по энергетической мощи уровнем излучения (излучают в десятки раз больше энергии, чем самые мощные галактики), а также такие космические явления, как вспышки сверхновых. По современным астрофизическим представлениям, именно излучение сверхновых является главным источником космических лучей в Галактике. Они могут оказывать влияние, так как рентгеновский поток, исходящий от сверхновых, может создавать в стратосфере Земли высокие концентрации окиси азота - разрушителя озонового слоя, являющегося экраном, предохраняющим все живое Земли от воздействия жесткого излучения Солнца.
Представления о различных формах взаимодействия живого вещества с космическими материально-энергетическими потоками приобретают все большее значение также благодаря активно разрабатываемым гипотезам о существовании, по меньшей мере, в пределах нашей Галактики всепроникающей общегалактической живой системы. Они указывают на присутствие огромного количества микроорганизмов в космическом пространстве нашей Галактики. Исследования в этом направлении могут рассматриваться как свидетельство в пользу концепции, выдвигавшейся В.И. Вернадским о широком, космическим по масштабам, распространении во Вселенной живого вещества, его космическом значении.
Естественнонаучные гипотезы и факты показывают, что исследования взаимодействий, начатые трудами В.И. Вернадского и его последователей, представляют опережающие, перспективные направления в естествознании, постижении тайн природы.
По В.И. Вернадскому, наша планета и Космос представляются ныне как единая система, в которой жизнь, живое вещество связывают в единое целое процессы, протекающие на Земле с процессами космического характера. Согласно оценкам В.И. Вернадского, на протяжении всей истории Земли количество живого вещества в биосфере было практически постоянным. Грандиозная картина общепланетарного развития включала в себя и появление человека - носителя Разума, который ускорил все процессы, развивающиеся на планете. Он говорил, что воздействие человека на природу растет столь быстро, что он превратиться в основную в основную геологическую силу и должен будет принять на себя ответственность за будущее развитие природы. Биосфера постепенно превращается в ноосферу.
Лекция 5
Вопрос 1. Зарождение биосферы
Биосфера зарождалась как непосредственное развитие большого абиотического круговорота и на его основе. В недрах абиотического круговорота стали формироваться циклы органического вещества в виде синтеза и распада химических соединений углерода (рис. 1). Если верна точка зрения Дж. Бернала, что жизнь начала развиваться как единство процессов синтеза и деструкции органического вещества, то жизнь как явление должна была возникнуть раньше живых организмов.
Впоследствии общий круговорот органического вещества индивидуализировался и оказался связанным с определенными типами коацерватов. Согласно В.И. Вернадскому, "среди миллионов видов нет ни одного, который мог бы исполнять один все геохимические функции жизни, существующие в биосфере изначала. Следовательно, изначала морфологический состав живой природы в биосфере должен быть сложным". Поэтому "первые появление жизни при создании биосферы должно было произойти не в виде появления одного какого-то организма, а в виде их совокупности, отвечающей геохимическим функциям жизни ".
Имеются ли какие-либо факты подтверждающие такую точку зрения? По-видимому, да. Во всяком случае, симбиотическая теория происхождения эукариотической клетки предполагает наличие большого количества предковых прокариотических организмов, различающихся по своим геохимическим функциям. Единство же их физиологической организации является следствием того факта, что все эти не схожие между собой организмы являются продуктами единого абиотического круговорота веществ.
Возникнув как совокупность организмов жизнь сразу же проявила свои основные свойства. Уже с момента возникновения живое вещество не только взаимодействовало как целое со своими прародителями и абиотическим миром, но и отдельные организмы взаимодействовали друг с другом. По-видимому, изначально возникали консортивные связи, которые на ранних этапах эволюции еще слабо дифференцированных организмов приводили к появлению симбиотических ассоциаций, давших начало эукариотическим организмам. Первичные биогеоценозы строились на базе видов r-стратегов, до сих пор морские водные экосистемы сохранили основные черты присущие таким сообществам - например, высокая продукция половых продуктов.
Дальнейшее развитие биосферы шло по пути усложнения и расширения биотического круговорота, что сопровождалось дифференциацией живого вещества, специализацией составляющих его видов и захватом все новых пространств. Характерной чертой этого процесса оказалось то, что жизнь, извлекая из окружающей среды необходимые вещества и обогащая ее продуктами жизнедеятельности и свободной энергией, неизбежно изменяла условия своего существования. Поэтому она должна была постоянно приспосабливаться к меняющимся условиям своего существования, которые сама же и изменяла с все увеличивающейся скоростью. Развитие биосферы было связано на этом этапе с усложнением биотического круговорота. Новые органические формы нередко могли существовать лишь на базе предшествующих. Эволюция биотического круговорота предстает прежде всего как прогрессирующая дифференциация форм жизни. При этом постоянно ускоряется темп эволюции в силу усложнения биотических взаимодействий, выступающих в роли факторов адаптивных преобразований.
Вопрос 2. Основные этапы эволюции биосферы
В связи с тем, что не все органическое вещество первичного бульона вошло в состав коацерватов традиционно предполагается, что протобионты были гетеротрофами. Однако принимая во внимание полифилетичность жизни и основную особенность биосферы как процесса синтеза и деструкции кажется более логичным предположить и наличие синтезирующих организмов.
В своем примитивном варианте фотосинтез не мог быть источником кислорода. В безкислородной среде современные цианобактерии используют сероводород при фиксации CO 2 (так же как и пурпурные бактерии). Можно предполагать, что это первичное свойство примитивных фототрофов. От сероводорода электрон отнять легче, чем от вода, однако регенерация сероводорода из сульфатов (SO 4 2-) требует наличия органических веществ. Следовательно, объем сульфат-зависимого фотосинтеза лимитировался массой накопленной в биосфере органики. Поэтому можно предполагать, что на этапе предшествовавшем возникновению воднозависимого фотосинтеза биосфера не смотря на наличие фотосинтетиков была анаэробной и биогеоценозы состояли из миксотрофных фотосинтезирующих продуцентов и сапрофагов, замыкавших цепь питания по сере и азоту (но не по углероду). Присутствие настоящих хищников в таких сообществах маловероятно, так как
1) в анаэробных условиях хищничество энергетически невыгодно,
2) особенно на фоне и так присутствующего в окружающей среде довольно большого количества органического вещества,
3) хищничество предполагает сложное строение, отсутствующее у прокариот (например, нет фагоцитоза).
Следующим этапом в развитии биосферы было возникновение организмов способных к фотолизу воды. Использование в фотосинтезе всегда недефицитной воды дало таким организмам и биосфере в целом больше выгод. Прокариотические биоценоза этого времени несомненно были водными и традиционно рассматривались как морские. Однако это, по всей видимости, не совсем так. Такое представление основано на предположении, что строение земной поверхности было принципиально тем же, что и сейчас. Однако более правдоподобна картина резко контрастного ландшафта, который состоял из почти вертикальных скал (которые слабо разрушались в частности по причине отсутствия наземной биоты) и почти горизонтальных равнин, простиравшихся на огромном протяжении и находящихся вблизи уровня моря. Приливные и штормовые волны могли проходить по этим равнинам на большие расстояния и береговая черта практически отсутствовала. Водорослево-бактериальные маты (строматолиты) могли занимать всю эту равнину, при этом они существовали и не в море и не на суше в их современном понимании, а в неких особых условиях, аналогов которым нет на современной Земле.
Водоросли активно фотосинтезируя создавали окислительные условия в ближайшем окружении. Из-за нерегулярной эрозии количество уходящего в осадки органического вещества должно было быть весьма велико, но многократная переработка осадков должна была приводить к их значительному окислению. При этом накопление кислорода в атмосфере шло весьма медленно.
Отсутствие рек, преобладание плащевого стока приводило к тому, что вода стекающая с материков была мутной. Мутность воды в прибрежной зоне затрудняла утилизацию минеральных веществ океаническим фитопланктоном из-за узости фотической зоны (рис. 2). В таких условиях весьма проблематичной выглядит возможность развития донной фауны. Питание организмов на этом этапе оставалось осмотическим. Казалось бы, что наиболее прогрессивным шагом при таком типе питания является дальнейшая миниатюризация жизни, однако мелкие организмы, лишенные способности активно передвигаться в окружающей среде быстро истощают биогены вокруг себя и оказываются в условиях пищевого дефицита. Для преодоления этого противоречия возможны два пути. Один реализовали строматолиты, зафиксировав себя в пространстве и представив среде двигаться относительно их. Второй путь - увеличение размеров тела. Первоначально его попытались реализовать прокариоты - объединившись в агрегаты, но наибольшего развития он достиг у эукариотических организмов.
Способность увеличивать размеры была реализована эукариотами в Вендском периоде, когда организмы отличались необыкновенно крупными размерами. Но они были низко разнообразны, по-видимому, низко специализированными по типу использования ресурсов и однотипны по всей Земле. Образование этих сообществ, состоявших из видов-генералистов, несомненно, явилось одним из важнейших биотических событий. Однако такое "лобовое" использование эукариотами своих преимуществ вскоре сменилось более совершенным формированием высокоразнообразных сообществ специалистов на каждый отдельный случай жизни. Процесс роста разнообразия значительно, а, возможно, и принципиально ускоряется в Кембрии. Это изменение совпадает с еще двумя биотическими событиями:
Распространением организмов с минеральным скелетом,
Появлением членистоногих, а среди них весьма совершенных фильтраторов, образующих фекальные пеллеты. Последствия появления совершенных фильтраторов вполне очевидны. Роль пеллетов известна гораздо хуже, хотя и не менее значима. В современных морях попадающий в них тонкий пеллитовый материал очень быстро отфильтровывается, упаковывается в фекальные пеллиты и отправляется на дно. Без пеллитового механизма мутность воды была бы несравненно большей. Органическое вещество довольно быстро оседает на дно, что способствует обогащению воды не израсходованным на его окисление кислородом, а донных осадков органическим детритом, последнее создает условия для развития илоедов. И действительно, в Кембрии наблюдается расцвет таких групп как трилобиты. Запасание органического вещества в осадке позволило сделать его переработку гораздо более равномерной и улучшить снабжение толщи воды кислородом.
Просветление и насыщение воды кислородом привело в Ордовике к освоению толщи морей жизнью.
В Мезозое формируется современный облик морских сообществ. Население этих биоценозов характеризуется увеличением роли нектона и илоедов, при сокращении роли потребителей придонной взвеси.
История развития жизни на суше, по-видимому, начинается с образования под водорослево-бактериальными матами примитивных почв, известных уже в докембрии. В верхнем Ордовике удалось найти почвы с ходами каких-то червеобразных животных. Однако трудно однозначно назвать такие сообщества собственно наземными. Невозможно отнести их и к континентальным водоемам, существование которых кажется весьма проблематичным до Девона, когда растения несколько снизили эрозию и стабилизировали береговую линию.
Возникновение наземных растений с жесткими вертикальными осями, появление камбиальной ткани и вторичной древесины, без которых рост таких растений не мог происходить, несомненно, оказались величайшими новообразованиями. Они изменили ситуацию сразу в нескольких направлениях.
(1) Появилась возможность резко увеличить интенсивность образования органического вещества, так как фотосинтезирующие структуры располагаются теперь в трехмерном пространстве, а не на плоскости.
(2) Вертикальное положение осей сделало растения устойчивыми к занесению смываемым мелкоземом, тем самым резко уменьшив потери органики из биогеоценозов.
(3) Обеспечение жесткости стволов требовало значительного количества древесины, дававшей после гибели растений большое количество детрита, который из-за медленного разложения приводил к стабилизации условий в биоценозе.
(4) Поддержание вертикального положения требовало развития достаточно мощной корневой системы, что повышало противоэрозионные свойства растительности. Можно видеть, что все эти изменения в общем приводили к стабилизации биогеоценозов. Одновременно эти процессы создавали преимущества для более сложных, долго живущих популяций организмов, несомненно способствуя прогрессивному развитию живой природы.
В Карбоне возникаю мощные лепидофильные леса. Характер роста лепидофитов с их очень поздним ветвлением предполагает высокий уровень отпада подроста, что должно было приводить к образованию мощной и высокоскважной подстилки и существенным потерям органики. Разнообразие и противоэрозионные свойства этих лесов еще были не велики. Произрастали они на тех же выровненных поверхностях, которые часто заливались водой. Большой отпад при высокой эрозии, обеспечивающей его быстрое захоронение, приводил к тому, что значительная часть органического углерода не окисляясь уходила из биогеоценоза м превращалась в запасы каменного угля.
Мезозойскую эру от Кайнозоя отделяет знаменитый Мел-Палеогеновый кризис, ранее привлекавший к себе внимание в связи с вымиранием динозавров, а в последнее время особенно с представлениями об "астероидной зиме" - резком похолодании из-за запыления атмосферы. Однако навряд ли это было причиной кризиса биот. Ко времени катастрофы органический мир уже давно был в кризисе. Главной причиной которого скорее всего было появление и распространение в Меловом периоде покрытосеменных растений. На изменение экологической роли покрытосеменных более всего повлияло широкое распространение у них энтомофилии, позволяющей образовывать леса с колоссальным видовым разнообразием. Можно отметить, что распространение энтомофилии явно коррелирует с разнообразием и устойчивостью лесных экосистем.
Еще большее значение экологической экспансии покрытосеменных имела их склонность давать за счет неотении травянистые формы, использовать вегетативное размножение и образовывать дерновины. Тем самым свойства покрытосеменных как пионерных растений, особенно при колонизации наклонных рыхлых субстратов и их противоэрозионные способности возросли многократно по сравнению с голосеменными. Эффективность сукцессионных систем по кондиционированию среды - предупреждение эрозии, совершенствование почвы как буфера против вымывания биогенов, перевод стока в преимущественно подпочвенный - привела к появлению новых типов ландшафтов с гораздо большей пестротой гидро- и педологических характеристик. Более всего регулирование стока воды и биогенов должно было сказаться на континентальных водоемах. Однако этот процесс затянулся на длительное время вплоть до распространения в Неогене злаковников и водоемов с пышным развитием погруженных некрофитов.
Вопрос 3. Прогноз возможного естественного развития биосферы
В течении последних трех миллиардов лет Солнечная система сделала не один оборот вокруг центра Галактики, проходя через различные ее области. Жизнь между тем продолжала развиваться. Значит ни один из сезонов галактического года не препятствует ее развитию. Нет оснований и в будущем ожидать каких-либо серьезных осложнений в функционировании биосферы при смене галактических сезонов.
Интенсивность солнечного излучения по данным современной астрономии, по-видимому, сохранится на уровне близком к современному не один миллиард лет. Многолетние флуктуации солнечной активности также, очевидно, не достигают критических величин.
Приливное трение будет замедлять вращение Земли вокруг оси, что приведет к увеличению продолжительности суток. Однако этот процесс очень медленный и живое вещество постепенно к нему адаптируется.
Снижение концентрации углекислого газа в атмосфере в результате вулканической деятельности и усилении фотосинтеза сопровождается понижением температуры поверхности Земли. Согласно гипотезе М.И. Будыко (1977) подобные процессы были главной причиной наступления ледниковых периодов в прошлом. Дальнейшее снижение концентрации CO 2 по его расчетам неизбежно должно привести к устойчивому режиму полного оледенения Земли.
Следствием интенсивного фотосинтеза является также исчерпание запасов CO 2 в атмосфере, сопровождающееся переводом углерода в труднодоступную форму углеродных месторождений (нефти, угли, карбонатные породы).
Развитие биосферы на нашей планете обязано маловероятному сочетанию благоприятных факторов как в начале формировании жизни, так и в течении последующих 3,5 млрд. лет. Временами интенсивность отдельных факторов окружающей среды достигала критических значений. Большая сложность биосферы, способность к саморегуляции обеспечивали возможность выходов из кризисов путем внутренних перестроек. Однако ее функционирование определяется деятельностью стихийных факторов, нет оснований рассчитывать, что биосфера и впредь будет развиваться только в направлении прогресса. Расчеты по исчерпанию CO 2 показали реальность этого процесса.
Вопрос 4. Концепция ноосферы
Качественно новый этап в развитии биосферы начался в конце Третичного периода в связи с появлением новой геологической и биотической силы - человеком.
К этому времени биотический круговорот достиг своего современного развития, став мощным фактором мегабиосферы. Сначала деятельность людей мало отличалась от деятельности иных животных. Беря у биосферы средства к существованию, люди отдавали ей то, что могли использовать другие организмы. Универсальная способность микроорганизмов производить разрушение почти любого органического вещества достаточно долго обеспечивало включение остатков человеческой деятельности в биотический круговорот.
Однако уже добывание огня выделило наших предков из ряда других животных. Значение этого приобретения заключалось не только в том, что с помощью огня человек защитил свое жилье от хищников, расселился в районы с более холодным климатом и пережил периоды оледенения. Научившись использовать огонь люди приобрели способность к полной деструкции органических остатков, то есть научились делать то, что до них делали лишь микроорганизмы. Умение с помощью огня минерализовать органические остатки позволило в дальнейшем вовлечь в круговорот даже те органические вещества которые слабо используются микроорганизмами. В результате внутри биотического круговорота обособляется антропогенный круговорот (рис. 1). Впервые в истории Земли появился вид способный не только создавать или разрушать органическое вещество, но делать это одновременно. Появились предпосылки к сознательному включению человеческой деятельности в биотический круговорот. В.И. Вернадский писал по этому поводу: "В геологической истории биосферы перед человечеством открывается огромное будущее, если оно поймет это и не будет употреблять свой разум и свой труд на самоистребление ".
Ускоряющееся развитие человеческого общества приводит к усилению роли человека в биосфере. Все более и более расширяется антропогенный круговорот веществ. Человечество в принципе уже перешагнуло за рамки даже абиотического земного круговорота. Оно включилось в космические процессы.
Появление человека означало принципиально новую форму воздействия жизни на геохимические циклы. Настало время разумного регулирования процессов в биосфере, так как целью человечества является неограниченное временем развитие общества.
Дальнейшую судьбу человечества величайшие умы общества связывают с ноосферой - новым этапом развития биосферы, в котором биохимические и биоценотические процессы находятся под антропогенным влиянием и в котором научная мысль и техническая оснащенность дают возможность контролировать, модифицировать и изменять эти процессы, то есть управлять ими (рис. 1).
Само понятие "ноосфера" было первоначально введено в науку французским философом Э. Леруа (1927) и получило развитие в работах В.И. Вернадского.
Черты современные ноосферы:
Трудовые процессы распространились на все компоненты биосферы и стали важнейшими факторами ее дальнейшего развития,
Наблюдается рост и социализация населения,
Современное развитие общества характеризуется разрушительной деятельностью,
Объем биогенного и антропогенного круговоротов становятся соизмеримыми,
Мощность антропогенного воздействия на биосферу возрастает быстрыми темпами,
В отдельных сообществах хозяйственная деятельность человека приводит к полной перестройке их структуры.
Список литературы
Голубец М.А. Актуальные вопросы экологии. Киев: Наук. Думка. 1982.
Камшилов М.М. Эволюция биосферы. М.: Наука. 1979. 256 с.
Колчинский Э.И. Эволюция биосферы. Л.: Наука. 1990.
Пономаренко А.Г. Основные события в эволюции биосферы // Проблемы доантропогенной эволюции биосферы. М.: Наука. 1993.
1.Введение.
Большинство
биологов-эволюционистов до недавнего
времени считали организм первичной и
основной формой существования жизни,
а эволюцию живого сводили преимущественно
к формированию адаптации организмов
к окружающей среде. Синтетическая теория
эволюции доказала, что последняя может
совершаться только в статистически насыщенных
ансамблях родственных организмов - популяциях.
Так, в центре эволюционно-биологических
исследований оказались преобразования
генетических и экологических структур
популяций и способы видообразования.
Однако эволюцию надвидовых уровней организации
жизни почти не изучали, даже главные этапы
развития биогеноценоза и биосферы характеризовали
не специфическими признаками, присущими
каждой из этих форм организации живого
как целостной системы, а лишь описанием
элементарных компонентов, входящих в
их состав – организмов и видов.
Но
глобальные изменения, произошедшие
за последние десятилетия на
Земле под влиянием промышленности,
изменили представления о процессах развития
природы. Стало общепризнанным, что эволюционный
процесс захватывает не только отдельные
организмы, виды, биогеоценозы, но и высший
уровень организации живого – биосферу.
В различных отраслях естествознания,
связанных с изучением биосферы, накапливается
все больше данных о том, что эволюция
органического мира изменяет геохимическое
строение и энергетику биосферы, ее биогеохимические
функции и биогеохимический круговорот
веществ. В свою очередь эти преобразования
биосферы в целом становятся мощными факторами
дальнейшей эволюции ее важнейшего компонента
- органического мира.
2. Понятие биосферы. Структура и функции биосферы.
В трактовке
понятия биосферы существуют значительные
расхождения. Так, под биосферой
в некотроых источниках предлагается
понимать совокупность живых организмов.
В БСЭ в статье «Биосфера» приводится
такое определение: биосфера – это «оболочка
Земли, состав, структура и энергетика
которой в существенных чертах обусловлены
прошлой или современной деятельностью
живых организмов», в статьях же «Геосферы»
и
«Геохимия»
биосферой называется „область на границе
твердой, жидкой и газовой оболочек Земли,
занятая живым веществом – совокупностью
организмов”.
Еще
в XVII и XVIII вв стали появляться
идеи о взаимосвязанности всех
процессов неорганической и органической
природы, так как уже тогда были накоплены
достаточные данные для того, чтобы судить
о взаимосвязи зависимости распространения
животных от климатических условий, о
газовом обмене у организмов, об участии
животных и растений в формировании почв,
известняков и горючих ископаемых, а также
первые гипотезы о существовании биогенного
круговорота элементов (А. Лавуазье, А.
Сьнядецкий) По мнению Вернадского, понятие
биосферы сформулировал Ж.-Б. Ламарк. Именно
он первым отметил, что у „живых тел обнаруживаются
все сложные неорганические вещества,
наблюдаемые в природе” (1955, с. 10), и что
в местах, незаселенных организмами, минералы
весьма однородны. Это объясняется тем,
что животные и растения активно участвуют
в формировании поверхности Земли. Так
в науке появилось представление о специальном
пространстве, охваченном и организованном
жизнедеятельностью организмов. Сам термин
«биосфера» был предложен Э. Зюссом в 1875
г. при рассмотрении основных геологических
оболочек Земли: лито-, атмо- и гидросферы.
Он полагал, что „в области взаимодействия
верхних сфер и литосферы и на поверхности
материков можно выделять самостоятельную
биосферу. Она простирается теперь как
над сухой, так и над влажной поверхностью,
но ясно, что раньше она была ограничена
только гидросферой” (Suess, 1875, S. 159-160). Расхождения
в толковании смысла термина имеют свое
начало в том, что Зюсс не дал ему конкретного
определения.
На
рубеже XIX и XX веков стала осознаваться
необходимость создания целостного учения
о взаимозависимых изменениях органического
мира, рельефа, вод, почв, осадочных пород
и климата. Это учение было разработано
В.И.Вернадским, который сумел связать
воедино процессы развития органического
мира с геологической историей других
оболочек Земли. Вернадский предлагал
следующую классификацию входящих в биосферу
веществ: 1) живое вещество или совокупность
организмов; 2) биогенное вещество, созданное
и переработанное жизнью; 3) косное вещество,
в образовании которого живое вещество
не участвует; 4) биокосное вещество, представляющее
собой динамические равновесные системы
образующих его живого и косного веществ;
5) радиоактивные элементы; 6) рассеянные
атомы, возникшие в результате воздействия
космических излучений; 7) вещество космического
происхождения. Такая классификация была
не точной. Выделенные типы из-за обилия
критериев либо частично перекрывали
друг друга, либо один из типов полностью
входил в состав другого. В 1975 г. М. Кашмилов
предложил другую классификацию: четыре
типа вещества: живое, биогенное, косное
и биокосное. Но здесь сомнения вызывает
самостоятельность биокосного вещества
как типа, так как в том смысле, который
использует Вернадский, биокосное вещество
означает некую динамическую систему,
образуемую организмами, продуктами их
жизнедеятельности и материальными условиями
обитания. В 1977 г. А. И. Перельман предложил
биосферу рассматривать как некую гигантскую
биокосную систему, подсистемами которой
являются биокосные тела более низкого
уровня организации: почвы, илы, кора выветривания,
поверхностные воды, водоносные горизонты,
ландшафты и т. д.
Место
живого вещества в биосфере
определяется его энергетическими
и геохимическими функциями. Энергетическая
функция связана с ассимиляцией солнечной
энергии и обогащением ею биогенного и
косного вещества. Геохимические функции
выражаются в участии организмов в перемещениях
и концентрациях химических элементов,
а также в преобразованиях окружающей
среды и в создании новых минералов.
В
1987 г. А.В. Лаппо, благодаря накопленным
к тому времени знаниям, предложил
следующую классификацию функции живого
вещества
:
1) энергетическая
- поглощение солнечной энергии
при фото-синтезе и химической
энергии при разложении веществ;
2) концентрационная
- избирательное накопление определенных
элементов;
3) деструктивная
- минерализация органического вещества
и разложение неорганического вещества;
4) средообразующая
– преобразование физико- химических
параметров среды;
5) транспортная
– перенос организмами элементов
при миграциях.
Следовательно,
под биосферой можно понимать
поверхностную оболочку Земли, организованную
живым веществом. Важнейшим структурным
компонентом биосферы является биогеоценотический
покров, состоящий из биогеоценозов разного
уровня сложности и эволюционной продвинутости.
В биогеоценозы входит косное, живое и
биогенное вещество. Как гигантская биокосная
система биосфера выполняет энергетические,
геохимические и средообразующие функции
на поверхности Земли.
3. Общие представления об эволюции биосферы.
4.
Особые виды воздействия
на биосферу.
Деятельность
человека лишь в последние десятилетия
стала оказывать заметное влияние
на биосферу. Последствия хозяйственной
деятельности человека нарастали на протяжении
долгого времени нарастали и сейчас обрушились
на цивилизацию.
Вернадский
сказал: «Человек становится геологической
силой, способной изменить лик Земли».
Эти слова явились пророчеством. Человечество
использует огромное количество энергетических
ресурсов биосферы, а также «небиосферные»
источники энергии (атомная), тем самым
ускоряя геохимические процессы. В ХХ
веке воздействие бурного развития промышленности
на биосферу стало сравнимо по масштабам
с естественными энергетическими и материальными
процессами, происходящими в биосфере.
Антропогенное
воздействие нарушило практически
все виды природных биогеохимических
циклов.
Загрязнение
среды опасными отходами.
и т.д.................
Эволюция - это результат совокупного действия многих факторов и прежде всего - химических. Именно химические реакции составляют основу всех процессов в любом организме. Вся история эволюционного развития биосферы рассматривается в течение двух очень длительных промежутков времени - эонов, состоящие из двух интервалов - криптозой (гр. Криптос - тайна) и фанерозой (гр. Фанерос - открытый, гр. Зоос - жизнь), в течение которых происходили эволюционные, есть медленные изменения в биосфере. Они состоят из эр (лат. Эра - начало летоисчисления), эпох и периодов. Биосфера эволюционирует по принципу одновременности прерывности и непрерывности развития. Процесс постепенных эволюционных изменений организмов закономерно прерывается фазами их бурного развития и вымирания практически без переходных палеонтологических форм.
Двигатель эволюции - химические реакции между простыми соединениями - вода, аммиак, оксид углерода, формальдегид с участием катализаторов - неорганических веществ и электрических разрядов. В результате образовались сложные молекулярные структуры - аминокислоты, белки, нуклеиновые кислоты.
Через же благоустройства, уменьшение энтропии возникли надмолекулярные структуры - органоиды, из которых построены клетки. После химической эволюции 3500000000 лет назад началась биологическая эволюция, основу которой составляют сверхсложные химические процессы в живых объектах, и которая продолжается и сейчас.
Итак, основа эволюционных процессов - химические реакции, которые происходят как в клетках, так и вне их, в окружающей среде.
В этом опасность для современных биологических процессов, потому что через антропогенную деятельность среда насыщается очень активными химическими веществами. Они включаются в биохимические процессы на молекулярно-клеточном уровне и вызывают мутации в клетках, тканях, организмах. На ранних этапах возникновения жизни это способствовало образованию жизненного разнообразия в дальнейших биологических процессах - эрах. Но на современном этапе эволюции, за деятельности человека, возникло большое количество разнообразных веществ - ксенобиотиков, тератогены, мутагены, которые негативно влияют на эволюционные процессы.
Основные первичные эволюционные процессы, которые происходили в течение почти 4 миллиардов лет, изображенные на схеме (рис. 4):
Рис. 4. Схема первичных эволюционных процессов
Первая эра - археозойська, или архейская (гр. Архео - перво-начальный, начальный) - эра древнейшего жизни - началась около 3500000000 лет назад и продолжалась около 2 млрд лет. За это время, наряду с формированием твердой коры - литосферы, в результате химических реакций - химической эволюции, возникли сначала белковые молекулы, а затем примитивные живые объекты - вирусы, бактерии, сине-зеленые водоросли. В конце эры клетки дифференцировались на растительные и животные, то есть начались процессы дивергенции - расхождения в свойствах и признаках.
Этот процесс усилился в протерозойского (гр. - Простой) эре - эра простого, примитивного жизни, когда начали формироваться условия для "выхода" растений на сушу. В атмосфере появляется кислород - 0,021% (точка Кюри), а позже - 0,21% (точка Пастера). Эти процессы продолжались еще почти 900 000 000 лет, а две эры составили криптозойський эон.
Следующий эон - фанерозой составляют три эры, продолжались 600 млн лет. Начинает его палеозойская (гр. Палео - старый, древний) эра, продолжавшейся 350 млн лет. Эта эра началась "биологическим взрывом", в результате которого появились панцирные рыбы, наземные растения - псилофиты. В конце эры, около 400 млн лет назад концентрация кислорода в атмосфере составляла уже более 2% и поэтому начал формироваться озоновый экран. Благодаря ему стабилизируются жизненные формы, уменьшаются летальные мутации и возникают условия для активного развития животных форм жизни - появляются насекомые, рептилии. Начинают формироваться современные контуры нынешних материков.
Этот большой промежуток времени разделяют на шесть периодов: кембрий (от древнего названия английской провинции Уэльс), который продолжался 70 млн лет; ордовика (от названия древнего кельтского племени) - длился 70 млн лет; силур (от названия кельтского племени) - продолжался 30 млн лет; девон (от названия графства Девоншир в Англии) - 60 млн лет; карбон (от лат. - уголь) - длился 50 млн и пермский период - 70 млн лет.
Следующая - четвертая эра - мезозойская (гр. Мезо - промежуточный), или эра промежуточного жизни, для которого характерны переходные формы, то есть такие, которые существуют на планете и в настоящее время. Началась она 250 млн лет назад и длилась 160 млн., Которые составили три периода: триасовый (гр. Триас - троичность), юрский (от названия гор в Западной Европе -Юрськи) и меловой.
Для этой эры характерно распространение гигантских форм жизни -папоротей, голосеменных растений. В конце эры меняются климатические условия на планете - происходит глобальное похолодание, из-за чего голосеменные растения уступают место покрытосеменных, появляются первые птицы.
Дальнейшая эволюция всех организмов продолжалась в кайнозойской (гр. - Крайний, настоящее) эре, или эре современной жизни. Началась она 90 млн лет назад, как и предыдущая эра, состоит из трех периодов - палеоген, неоген, четвертичный (современный). Эта эра продолжается и сейчас. Станет ли она "крайней", "последней" для человека - будет зависеть от нее. Для этой эры характерно широкое распространение покрытосеменных растений, плацентарных животных, в частности человека, зьявивлося в последнем ее периоде.
Рис. 5. Схема перехода от химической к биологической эволюции
Может возникнуть вопрос: как определяют время, когда существовали те или иные организмы? Прежде всего с помощью определения количества радиоактивных веществ в различных остатках. Чем меньше концентрация радиоактивного элемента, изотопа, тем древнее находка - растительного или животного происхождения. Чаще всего используют так называемый свинцово-урано-ториевый или калий-аргоновый, или рубидиевого-стронциевый методы. Для каждого элемента, его изотопа характерен четко определенный период полураспада - это время за которое распадается половина имеющегося количества радиоактивного вещества. По содержанию изотопов распадаются быстро, определяют короткие интервалы времени, а с помощью существующих длительное время, как уран, торий - очень длительные, геологические промежутки времени. Схематично эволюционные процессы отражает рис. 5.
Таблица 3. История развития эволюционной идеи
|
Аристотель 384-322 гг. До н. е. |
Сформулировал гипотезу о развитии живого из неживой материи и представление о "ступени природы" в отношении мира животных. |
|
Средневековья 400-1400 р. |
Теории, в основе признавали креационизм - божественное творение жизни, человека. |
|
Джон Рэй 1627-1705 |
Предложил концепцию вида. |
|
Бюффон (1707-1788) |
Считал, что различные типы животных имеют различное происхождение и возникли в разное время. Признавал влияние среды и наследование приобретенных признаков. |
|
Эразм Дарвин (1731-1802) |
Предложил гипотезу о том, что жизнь возникла из одной «нити» сотворения человека. |
|
Жан-Батист Ламарк (1744-1829) |
Выдвинул гипотезу наследования приобретенных признаков. |
|
Жорж Кювье (1769-1838) |
Использовал достижения палеонтологии. Создал теорию "катастроф" в качестве основы эволюции. |
|
Чарльз Лайель (1797-1875) |
Продемонстрировал прогрессивные изменения ископаемых остатков. |
|
Чарльз Дарвин (1809-1882) |
Сформулировал теорию эволюции в результате естественного отбора. |
|
Де Фриз (1848-1935) |
Открыл мутации, считал, что виды возникают в результате естественного отбора. |
|
Грегор Мендель (1822-1884) |
Открыл законы наследственности. |
|
Томас Морган (1903) |
Создал хромосомную теорию наследственности. |
Как возникла жизнь, как формировался человек? Эти вопросы возникли давно и они всегда интересовали ученых, всех людей с давних времен. Для современной науки это важно потому, что логика постепенного развития свидетельствует о правильности тех фундаментальных идей, законов, которые составляют основу знания.
С помощью знаний можно влиять на развитие природных событий, но в определенных пределах, не нарушая законов природы, а следовательно процессов эволюции.
Именно на этом основываются современные философско-экологические методологии сохранения жизни на Земле, они являются основой для формирования нового экологического мышления. Основные эволюционные идеи представлены в табл. 3.
Итак, с одной стороны, существует строгая теория эволюции, основанная на фактах, с другой - гипотеза о творении всего сущего Богом. В настоящее время, которые бы взгляды не имела человек, он должен помнить о своем значение в природе, свое участие в ее развитии, ответственность за состояние природы. Теперь, как писал В.И. Вернадский, сам человек, все общество стало движущей силой эволюции.
Вопрос
1. Что такое эволюция, каковы ее основные этапы?
2. Охарактеризуйте основные эры, периоды биологической эволюции.
3. Какие основные эволюционные идеи Вам известны?
4. Как определяют время продолжительности эр, периодов, существование организмов?
5. Как доказать достоверность имеющихся эволюционных фактов?
Эволюция биосферы
История Земли насчитывает около 4,6 млрд лет. Жизнь возникла 3,46 млрд лет назад, в палеоархей, самая ранняя форма жизни найдена в эту эру (хорошо сохранившиеся остатки бактерий, Западная Австралия ). За это время на ней возникали и вымирали многие миллионы видов растений и животных; вырастали и обращались в прах высочайшие горные хребты; громадные материки то раскалывались на части и разбегались в разные стороны, то сталкивались друг с другом, образуя новые гигантские массивы суши. Откуда же мы все это знаем? Дело в том, что, несмотря на все катастрофы и катаклизмы, которыми столь богата история нашей планеты, на удивление многое из ее бурного прошлого запечатлевается в горных породах, существующих и поныне, в окаменелостях, которые в них находят, а также в организмах живых существ, обитающих на Земле в наши дни. Разумеется, эта летопись неполная. Нам попадаются лишь ее фрагменты, между ними зияют пустоты, из повествования выпадают целые главы, крайне важные для понимания того, что происходило на самом деле. И все-таки даже в столь урезанном виде история нашей Земли не уступит в увлекательности любому детективному роману.
До двух миллиардов лет назад палеонтологическая летопись является репрезентативной. И на этом уровне практически все основные рода и виды цианобактерий уже существовали. По-видимому, океаны оставались бескислородными до двух миллиардов лет назад, пока не произошла дифференциация Земли на ядро и мантию, и железо перестало поступать в океаны. В атмосфере, по-видимому, кислород стал накапливаться раньше, поскольку полученные геохимические данные говорят о том, что кислород появляется в атмосфере 2,7-2,8 миллиарда лет назад. В принципе можно говорить о появлении цианобактерий три миллиарда лет назад, может быть 3,5, но здесь уже вопрос не совсем однозначный.
Два миллиарда лет назад Земля была совершенно непохожей на то, что мы видим сегодня. По плоским континентам текли безжизненные реки, темно-бурые океаны были заселены огромным количеством циантобактерий, которые строили строматолиты на мелководье, выделяли кислород и насыщали им атмосферу. И были первые одноклеточные животные организмы, которые копошились в этой синезеленой слизи, где было повышенное содержание кислорода.
Земля была однообразная и, скорее всего, серая. До двух миллиардов лет назад и небо было другое – темно-коричневое. А два миллиарда лет назад небо стало голубеть, океаны очистились от железа, и тоже стали напоминать современные.
Земное ядро стремительно сжималось. Из-за ядерных реакций и распада радиоактивных элементов в недрах Земли выделялось так много тепла, что образующие ее горные породы расплавились. Более легкие вещества, богатые кремнием - похожим на стекло минералом, - отделились в земном ядре от более плотных железа и никеля и образовали первую земную кору. Спустя примерно миллиард лет, когда Земля существенно охладилась, земная кора затвердела и превратилась в прочную внешнюю оболочку нашей планеты, состоящую из твердых горных пород. Остывая, Земля выбрасывала из своего ядра множество различных газов. Обычно это происходило при извержении вулканов. Легкие газы, такие, как водород или гелий, большей частью улетучивались в космическое пространство. Однако сила притяжения Земли была достаточно велика, чтобы удерживать у ее поверхности более тяжелые газы. Они-то и составили основу земной атмосферы. Часть водяных паров из атмосферы сконденсировалась, и на Земле возникли океаны. Теперь наша планета была полностью готова к тому, чтобы стать колыбелью жизни.
Живое вещество всегда, в течение всего геологического времени, было и остается составной частью биосферы, источником энергии, ею захватываемой из солнечных излучений,- веществом, находящимся в активном состоянии, имеющим основное влияние на ход и направление геохимических процессов химических элементов во всей земной коре.
В. И. Вернадский
Развитие органических соединений, как и живого вещества, теснейшим образом связано с водой.
По мнению целого ряда исследователей, на ранних этапах своего развития жизнь не была связана с отдельными живыми организмами, а выражалась в едином живом веществе. Согласно В. И. Вернадскому, происхождение жизни сводится к происхождению биосферы, которая с самого начала была сложной саморегулирующейся системой. Большое разнообразие геохимических функций живого вещества вытекало хотя бы из того, что любая, самая примитивная клетка, находясь в водной, морской среде, имела теснейший контакт со всеми химическими элементами таблицы Менделеева. Эти примитивные организмы, естественно, выбирали в процессе жизнедеятельности не все элементы, а в первую очередь те, которые благоприятствовали их росту и совершенствованию целого ряда физиологических процессов.
В этом отношении В. И. Вернадский отмечал: ""Вывод о необходимости одновременной чрезвычайно разнообразной геохимической функции в биосфере представителей жизни является основным условием ее появления. Каково бы это появление ни было, оно должно быть представлено не совокупностью неделимых одного вида, а совокупностью многих видов, морфологически принадлежащих к разным резко разделенным классам организмов, или же гипотетически особой, отличной от видов, неизвестной нам формой живого вещества. Возможность полного осуществления всех геохимических функций организмов в биосфере одноклеточными организмами делает вероятным, что таково было первое появление жизни...
Таким образом, первое появление жизни при создании биосферы должно было произойти не в виде появления какого-нибудь вида организма, а в виде совокупности, отвечающей геохимическим функциям жизни. Должны были сразу появиться биоценозы"" (с. 87).
Можно предположить, что химическая эволюция в космической туманности с возрастанием роли каталитических реакций могла привести к образованию молекул ДНК. Однако реализация ее функций оказалась возможной лишь в пределах Земли, где на основании развития живого вещества сформировалась ранняя биосфера как сочетание благоприятных условий для жизни со стороны биокосных систем и самого живого вещества. В остальных телах Солнечной системы химическая эволюция оказалась замороженной.
В настоящее время принято четкое подразделение организмов на автотрофшле и гетеротрофные по способу питания. Однако в ранней биосфере Земли соотношение гетеротрофных и автотрофньгх организмов было иным. Какое точно, мы еще не знаем. Единственное, что можно допустить, это то, что фотосинтезирующая автотрофная биосфера, отмеченная данными изотопной геохимии 4 млрд лет назад, была образованием вторичным и возникла на основе биосферы иного биогеохимического типа.
Действительно, детальное изучение фотосинтеза показало, что он имеет сложный характер. Этот процесс не мог быть первым в истории живого вещества. Поэтому все гипотезы о первичности автотрофных организмов оказались несостоятельными. В свете современных данных складывается представление о первичности гетеротрофной формы обмена веществ в первичных организмах. В качестве обоснования первичности гетеротрофного питания можно привести следующую аргументацию.
1. Все современные организмы обладают системами, приспособленными к использованию готовых органических веществ как исходного строительного материала для процессов биосинтеза.
2. Преобладающее большинство видов организмов в современной биосфере Земли может существовать только при постоянном снабжении готовыми органическими веществами.
3. У гетеротрофных организмов не встречается никаких признаков или рудиментарных остатков тех специфических ферментных комплексов и биохимических реакций, которые необходимы для автотрофного способа питания. Последний довод наиболее существен. Таким образом, приведенная выше аргументация свидетельствует о вторичности автотрофной фотосинтетической жизни в биосфере на нашей планете.
Исходя из вышеизложенного, можно заключить, что первичная биосфера нашей планеты, во-первых, ограничивалась водной средой, во-вторых, была насыщена гетеротрофными организмами, которые питались растворенными в воде органическими веществами, ранее возникшими преимущественно в космохимических условиях. Длительность существования подобной биосферы, скорее всего, занимала небольшой отрезок геологического времени.
Первичные гетеротрофные организмы, обладая свойствами живого вещества, быстро размножались и, естественно, быстро исчерпали свою питательную базу. Поэтому, достигнув максимальной биомассы, они должны были вымирать или перейти к автотрофному фотосинтетическому способу питания. Этот новый способ питания способствовал быстрому расселению организмов у поверхности первичных водоемов. Однако первичная поверхность новорожденной Земли, лишенная свободного кислорода, облучалась ультрафиолетовой радиацией Солнца. Поэтому Г. Гаффрон допустил, что первичные фотохимические механизмы, принимавшие участие в последовательном синтезе органических веществ, а позже и живых организмов, первоначально использовали радиацию в ультрафиолетовой области спектра. Только после возникновения озонового экрана в связи с появлением свободного кислорода как побочного продукта того же фотосинтеза автотрофный фотосинтетический процесс начал использовать излучение в видимой части солнечного спектра. По мнению видного советского биолога М. М. Кам-шилова, жизнь, по всей вероятности, развивалась как круговорот веществ при тесном взаимодействии гетеротрофных и автотрофных организмов. Солнечное излучение было главным энергетическим фактором жизни, и ее возникновение заключалось в установлении круговых обменных процессов с использованием фотонов света.
Первичные гетеротрофные микроорганизмы обитали в древних водоемах лишь некоторое время. Затем их оттеснили фотоавтотрофные организмы, создавшие свободный кислород, который стал настоящим разрушителем для гетеротрофов. Можно полагать, что в раннем океане происходила борьба между первичными и вторичными организмами. В воде, обогащенной сероводородом, было мало свободного кислорода. Он уходил на хемосинтез некоторых организмов и поглощался минеральными недоокис-яенными веществами океана и первичной литосферы. Борьба за существование шла между фотосинтезирую-щими организмами планктона в освещенной части моря и организмами, поглощающими кислород при хемосинтезе и разложении органических остатков. Это стало одной из главных причин, определивших количество свободного кислорода в биосфере. Эта борьба завершилась победои фотосинтезирующих автотрофных организмов, которые, по существу, оттеснили анаэробную микрофлору в зону формирования глубоководных илов. В общем эволюция окислительных функций проходила при возрастании окислительно-восстановительного потенциала.
В настоящее время, исходя из некоторых геохимических данных, мы можем качественно реставрировать состав первичной атмосферы и гидросферы как среды для зарождения и развития ранней жизни. Вода и первичные газы атмосферы относятся к летучим веществам нашей планеты, и естественно, что их история связана с единым процессом дегазации первичной мантии. Ряд компонентов, слагающих в настоящее время осадочные горные породы, гидросферу и атмосферу, .представляют собой действительно летучие вещества. Если сравнить их количество в составе всего комплекса осадочных пород, гидросферы и атмосферы с тем количеством, которое могло освободиться при выветривании п переработке кристаллических изверженных пород земной коры, то обнаружится большая разница, которую В. Руби предложил именовать избытком летучих.
Избыток летучих - довольно внушительная величина и по отдельным компонентам превышает в десятки и даже сотни раз летучий материал от выветривания коренных изверженных пород литосферы. В избытке летучих паров Н2О в 128 раз, СО2 в 83, a Cl в 60 раз больше, чем это могла бы продуцировать первичная земная кора при ее полном интенсивном разрушении. Состав избытка летучих чрезвычайно близок к составу вулканических газов.
Если даже СО2 в действующих вулканах возник за счет термического разложения карбонатов, то и в этом случае он был заимствован из более ранней атмосферы в процессе образования самых древних карбонатных осадочных пород.
В порядке распространения вулканические газы сложены из Н2О, СО2, N2. При таком составе атмосферы наличие органических соединений и тем более их возникновение термодинамически невыгодно: любые органические соединения, состоящие из H, C, N, О, менее устойчивы, чем перечисленные выше основные компоненты первичной атмосферы.
При формировании первичных атмосферы и океана находящиеся в ранней мантии довольно сложные органические вещества были в тесном контакте с твердыми частицами силикатов, которые в дальнейшем могли играть роль сильных катализаторов в процессе образования все более сложных соединений.
Данные по вулканическим газам указывают вполне определенно, что в ходе извержения выделялся молекулярный азот (N2), но не аммиак; следовательно, аммиак никогда не был главной составной частью земной атмосферы.
Уже отмечалось, что период существования гетеротрофной биосферы был исключительно коротким, поэтому запасы органических веществ в первичных водоемах не могли возобновляться так же, как запасы автотрофных организмов. Правда, можно допустить, что трупы гетеротрофных организмов все же непрерывно пополняли запас питательных органических веществ. Таким образом, существовал баланс между живыми гетеротрофными и их разложившимися остатками.
Из сказанного можно предположить, что источник живого вещества и воды был единым, точнее, единым был источник летучих на Земле и органического вещества. Это были верхние горизонты мантии, возникшей главным образом за счет аккреции первичного вещества типа уг-листых хондритов. При этом нельзя просто отождествлять материал первичной верхней мантии Земли с материалом углистых хондритов. Речь может идти лишь о близких аналогах, поскольку состав отдельных зон первичной солнечной туманности зависел от гелиоцентрического расстояния.
Первичную атмосферу Земли, с которой так или иначе была связана ранняя жизнь, можно восстановить, сравнив ее с таковой других планет земной группы, таких, как Венера или Марс. С появлением фотосинтеза и свободного кислорода первоначальная атмосфера Земли коренным образом изменилась.
Современный уровень наших знаний позволяет принять в качестве гипотезы положение о том, что химическая эволюция в протопланетной туманности с возрастанием роли каталитических и радиохимических реакции на заключительных стадиях охлаждения могла привести не только к образованию сложных органических соединений, что является реально установленным фактом, но и к возникновению молекул ДНК.
Следует подчеркнуть одно важное обстоятельство: биологическая эволюция возникшей биосферы проходила необратимым путем, от простого к сложному. На это обстоятельство обратил внимание в 1893 г. видный бельгийский палеонтолог Л. Долло (1857-1931), сформулировавший закон необратимости эволюции. Согласно этому закону, организм не может вернуться, хотя бы частично, к тому состоянию, которое было свойственно его предкам. Далее, ссылаясь на Ч. Дарвина, он отмечал, что эволюционное превращение организмов происходит вследствие закрепления под влиянием естественного отбора, вызванного борьбой за существование полезных индивидуальных вариации. Все виды растений и животных со времени своего появления на Земле обязаны происхождением этому основному закону.
Необратимость биологической эволюции, естественно, предполагает, что сам процесс возникновения живого вещества и биосферы протекал в необратимых условиях. Наиболее типичным необратимым процессом можно признать радиоактивность. Ее возможная роль в синтезе органических веществ уже ранее была отмечена. Радиоактивность есть общее и наиболее глубокое свойство вещества, отражение процессов построения нуклидов в канун образования Солнечной системы. Радиоактивность создавала тот естественный радиационный фон, в котором протекала химическая эволюция как в космосе, так и не ранней Земле. Еще в 1926 г. было установлено, что при облучении метана происходит полимеризация углеводородов с образованием все более сложных многоатомных молекул.
Роль радиоактивности в развитии жизни на Земле представляет собой проблему, к решению которой мы только недавно стали приближаться. Воздействие радиоактивности на живые организмы уменьшалось в ходе геологического времени. При этом мы должны исходить из того факта, что просто организованные водоросли и бактерии переносят значительно более высокие дозы радиации, чем высокоорганизованные формы животных и растений. Отсюда можно высказать предположение, что меньшая чувствительность к радиоактивности простых форм жизни связана с возникновением их в ранние эпохи развития биосферы, когда радиоактивность окружающей среды была выше современной.
Основным событием при зарождении первых организмов было образование спиральных молекул ДНК, что в УСЛОВИЯХ обилия органических веществ могло быть относительно быстрым процессом. Однако, по-видимому, возник не один организм, а живое вещество. И лишь значительно позже оно разделилось на индивидуальные сферические формы, ставшие родоначальниками организмов.
В дальнейшем в живом веществе происходили процессы усложнения. Произошло качественное изменение в эволюции живой материи, связанное с точностью воспроизведения нуклеиновых кислот как кодирующего процесса синтеза белков, которые значительно превосходили остальные органические соединения по своим биокатали-тяческим свойствам.
В процессе размножения новые организмы занимали все пространство, пригодное для жизни, что явилось важным условием завершения формирования биосферы в целом. В. И. Вернадский выдвинул принцип постоянства биомассы живого вещества, распространив его на всю историю планеты. Этот принцип был и остается глубоким научным обобщением. Однако следует подчеркнуть, что он имеет относительное значение. Величайшая напряженность жизни, выражающаяся в высоких темпах размножения мельчайших организмов, приводит к планетарному равновесию между естественной продукцией живого вещества и его разложением. Поэтому сейчас правильнее говорить о вековой тенденции к установлению постоянства биомассы для определенных, может быть даже значительных, интервалов геологического времени.
По данным молекулярной биологии, древнеишие микробы были представлены гетеротрофными организмами, которые размножались в среде с обильными органическими и минеральными питательными веществами. Эти питательные вещества включали по крайней мере рибозу, дезоксирибозу, фосфат, пурины и их предшественников, пиримидины, разнообразные ""белковые"" и ""небелковые"" аминокислоты. На ранних стадиях развития Земли фосфаты Na, К, Са имелись, вероятно, в достаточном количестве, как продукты выветривания первых горных пород. Кроме того, в качестве пищи могли быть использованы многие неизвестные или неидентифицированные соединения, в том числе некоторые смолообразные длинные полимеры.
Для первых организмов характерным был процесс ферментативного превращения органических веществ - брожение, где акцепторами электронов были другие органические вещества. Осуществление таких превращений в промежуточном обмене едва ли не во всех организмах служит аргументом в пользу древности этих процессов.
В ранней гетеротрофной биосфере Земли вскоре зародились организмы, способные поглощать углекислый газ, используя энергию солнечных лучей. По Л. Маргелис, биосинтетическая фиксация углекислого газа, столь обильного в первичной атмосфере Земли, происходила тремя способами.
Первая, наиболее примитивная фиксация была свойственна большой группе микроорганизмов, не чувствительных к видимому свету. Вторая возникла при участии фосфоснолпируват - карбоксилазы, которая наблюдается у анаэробных фотосинтезирующих бактерий. Третья фиксация СО2 совершалась при участии рибилозобиофосфат - карбоксилазы. Она присуща многим аэробным организмам и типична для большинства фотосинтетиков и хемоавтотрофов. Почти одновременно выработалась фиксация атмосферного азота. Это идущий с затратой энергии анаэробный процесс, обнаруженный только у прокариот.
Фотосинтетические пигментные системы образовались у прокариот еще до того, как последние в результате симбиоза стали пластидами эукариот. Можно полагать, что фотосинтез с выделением свободного кислорода возник первоначально вовсе не у зеленых растений, а у выделяющих его фотосинтезирующих бактерий и синезеленых водорослей.
Развитие биосферы Земли можно рассматривать как последовательную смену трех этапов. Первый этап - восстановительный - начался еще в космических условиях и завершился на Земле появлением гетеротрофной биосферы. Для первого этапа характерно появление малых сферических анаэробов. Присутствуют только следы свободного кислорода. Ранний способ фотосинтеза был, по существу, анаэробным. Развилась фиксация азота, поскольку часть ультрафиолетовой радиации проникала через атмосферу и быстро разлагала присутствующий аммиак.
Второй этап - слабоокислительный - отмечен появлением фотосинтеза. Он продолжался до завершения осад-конакопления полосчатых железистых формаций докем-брия. Аэробный фотосинтез начался предками цианобак-терий. Кислород производился организмами, строящими строматолиты . Но кислород мало накапливался в атмосфере, так как реагировал с железом, растворенным в воде. При этом окислы железа осаждались, образуя полосчатые железистые формации докембрия. Только когда океан освободился от железа и других поливалентных металлов, концентрация кислорода начала возрастать по направлению к современному уровню.
Третий этап характеризуется развитием окислительной фотоавтотрофной биосферы. Он начался с завершения отложений полосчатых железистых кварцитов около 1800 млн лет назад, в эпоху Карельско-Свекофенского орогенеза. Для этого этапа развития биосферы характерно наличие такого количества свободного кислорода, которого достаточно для появления и развития животных, потребляющих его при дыхании.
Последние два этапа в развитии биосферы фиксированы в каменной летописи геологической истории. Первый этап - наиболее далекий и загадочный, и расшифровка его истории связана с решением основных проблем органической космохимии.
Некоторые организмы раннего докембрия, относящиеся к синезеленым водорослям и пианобактериям, мало изменились в ходе геологической истории. Можно полагать, что простейшие организмы обладали наиболее устойчивой персистентностью (от латинского persiste - упорствую). По существу, в течение всей истории Земли не было причин для того, чтобы некоторые морские микроорганизмы, в частности синезеленые водоросли и бактерии, сильно изменились.