أسئلة للامتحانات الحكومية
الانضباط "علم البيئة"
سؤال: تطور المحيط الحيوي. قوانين التطور V.I. فيرنادسكي. عقيدة النوسفير
المفهوم والمراحل الرئيسية
تطور المحيط الحيوي هو تاريخ الحياة على الأرض. أرضنا، وفقا للعلماء، نشأت منذ حوالي 5 مليارات سنة. خلال هذه الفترة الزمنية تغير كثيرا وانتقل في تاريخه من كتلة حمراء ملتهبة إلى كوكب محمي بغلاف جوي وفيه ماء وتسكنه أشكال الحياة المختلفة، أي له محيط حيوي.
تطور المحيط الحيوي له مراحل أو عصور رئيسية: Archean، Proterozoic، Paleozoic، Mesozoic و Cenozoic. Katarchean، والتي تعني أقل أو أقدم من مرحلة وجود الكوكب، ذات صلة فقط بتاريخ الكوكب، لأنه خلال هذه الفترة لم تكن هناك حياة على الأرض بعد، فقد ظهرت لاحقًا - في العصر الأركي أو القديم.
يبدأ العصر الأثري بظهور الخلايا الحية الأولى. في هذه المرحلة من قصة "تطور المحيط الحيوي"، سوف يسأل الشخص الفضولي: "من أين أتوا؟" ولماذا هذا فجأة؟ سوف تثار مثل هذه الأسئلة طوال تغطية هذا الموضوع. ولكن دعونا نستمر.
الفترات الزمنية والعصور
كانت الخلايا الحية الأولى تسمى بدائيات النوى، أي الخلايا التي لا تحتوي على نوى محاطة بغشاء. كانت هذه أبسط الكائنات الحية القادرة على التكاثر السريع. لقد عاشوا بدون أكسجين ولم يتمكنوا من تخليق مادة عضوية من مادة غير عضوية. لقد تكيفوا بسهولة مع البيئة وأكلوها. ينص مبدأ ريدي المصاغ على أنه في هذا الوقت تظهر حدود لا يمكن التغلب عليها بين الأحياء وغير الأحياء، على الرغم من تفاعلهم. الكائنات الحية لا تأتي إلا من الكائنات الحية. مرة أخرى السؤال: “إذا جاءت الكائنات الحية من الكائنات الحية ولم تستطع هضم الكائنات غير الحية، فماذا أكلت؟ هل هم حقا مثل أنفسهم؟
بعد ذلك، وفقًا للعلماء، يتم استنفاد الوسط الغذائي لهذه الخلايا وتتغير وتبدأ في الوجود على حساب الطاقة الشمسية وتنتج بنفسها المواد التي تحتاجها للحياة. وتسمى هذه العملية "التمثيل الضوئي". هذا هو العامل الرئيسي في تطور المحيط الحيوي. ومن هذه اللحظة يبدأ تكوين الغلاف الجوي للأرض، ويصبح الأكسجين هو الشرط الأساسي لوجود الكائنات الحية. تتشكل طبقة الأوزون تدريجياً، ويصل محتوى الأكسجين في الهواء اليوم إلى نسبة 21% المعتادة. أي أنه حتى يتم تشكيل الطبقة الواقية، كان استقرار الكائنات الحية يسمح لها بالوجود في تلك البيئة. ثم لماذا تغييره؟ أم أن الأكسجين كان أحد الآثار الجانبية للحياة، أي نفاياتها؟
وهكذا يستمر التطور لحوالي 2 مليار سنة. وفي البروتيروزويك، أي منذ 1.8 مليار سنة، ظهرت الكائنات الحية بخلايا تم التعبير فيها عن النواة بوضوح. وبعد 800 مليون سنة أخرى، انقسمت هذه الكائنات، التي تسمى حقيقيات النوى، إلى خلايا نباتية وحيوانية. واصلت النباتات وظيفة التمثيل الضوئي، وبدأت الحيوانات "تتعلم" الحركة.
منذ 900 مليون سنة بدأ عصر التكاثر الجنسي. وهذا يؤدي إلى تنوع الأنواع وتحسين القدرة على التكيف مع الظروف البيئية. العملية التطورية تتسارع.
يمر حوالي 100 مليون سنة، ووفقا للعلماء، تظهر الكائنات متعددة الخلايا الأولى. وأتساءل كيف اختلفت الكائنات وحيدة الخلية قبل هذا؟ تقوم الكائنات متعددة الخلايا بتطوير الأعضاء والأنسجة.
يبدأ عصر الباليوزويك ومرحلته الأولى هي العصر الكامبري. خلال العصر الكمبري، ظهرت جميع الحيوانات تقريبًا، بما في ذلك تلك الموجودة اليوم. وهي: الرخويات، والقشريات، وشوكيات الجلد، والإسفنج، والعتائق، وذراعيات الأرجل، وثلاثيات الفصوص.
قبل 500 مليون سنة ظهرت الحيوانات آكلة اللحوم الكبيرة والفقاريات الصغيرة. وبعد 90 مليون سنة أخرى، بدأوا في ملء الأرض. تسمى الكائنات الحية التي يمكن أن توجد على الأرض وفي الماء الأسماك الرئوية. ومنهم جاءت البرمائيات والحيوانات البرية. هذه زواحف قديمة تشبه السحالي الحديثة. تظهر الحشرات الأولى. ومرت 110 ملايين سنة أخرى، وتعلمت الحشرات الطيران.
الدهر الوسيط. قبل 230 مليون سنة. يستمر التطور. تقوم النباتات بتطوير الجذور والسيقان والأوراق. يتم تشكيل نظام يزود النبات بالماء والمواد المغذية. طرق التكاثر تتغير أيضا. تصبح الجراثيم والبذور أكثر ملاءمة لهذه الأغراض على الأرض. يبدأ ترسيب النفايات العضوية غير المعالجة. جنبا إلى جنب مع رواسب الفحم، يبدأ إطلاق الأكسجين الإضافي.
في عصر حقب الحياة القديمة، وخاصة خلال الفترتين الديفونية والكربونية، تجاوز مستوى الحياة النباتية بشكل كبير المستوى الحالي. كانت الغابات عبارة عن غابة من النباتات الذئبية الشبيهة بالأشجار وذيل الحصان العملاق والسراخس المختلفة. تتبع الحيوانات طريق تحسين البذور. أصحاب الأرض خلال هذه الفترة هم الزواحف التي تتحرك أبعد وأبعد عن الماء. تظهر السباحة والطيران والتحرك على الأرض. هم الحيوانات آكلة اللحوم والحيوانات العاشبة.
منذ 195 مليون سنة - أول الطيور والثدييات. هذه هي: بتيرانودون، بليزوصور، ميزوصور، برونتوصور، ترايسيراتوبس وغيرها.
حقب الحياة الحديثة. قبل 67 مليون سنة. عالم الثدييات والطيور والحشرات والنباتات واسع. وفي الفترة السابقة حدثت نوبات برد كبيرة، مما أحدث بعض التغييرات في عملية تكاثر النبات. تلقت كاسيات البذور فوائد.
منذ 8 ملايين سنة - فترة تكوين المخلوقات الحديثة والرئيسيات.
على الرغم من أن عملية التطور استغرقت ما يقرب من 4 مليارات سنة، إلا أن الكائنات الحية قبل الخلوية لا تزال موجودة حتى اليوم. هذه هي الفيروسات والعاثيات. أي أن بعض الكائنات قبل الخلوية تطورت إلى إنسان، في حين بقي بعضها الآخر على حاله.
يبلغ عدد الحيوانات اليوم حوالي 1.2 مليون نوع، والنباتات حوالي 0.5 مليون.
وكما نرى فإن كل عصر يتميز بأصالة النباتات والحيوانات. علاوة على ذلك، فإن الأنواع، كقاعدة عامة، لا تنتقل من عصر إلى آخر. لا يوجد سوى عدد قليل من أوجه التشابه. هل يمكن اعتبارهما ميراثًا أم أنهما أشكال مختلفة تمامًا من الحياة؟ كيف تحول نوع إلى نوع آخر ولماذا؟ ليس لدى علم الحفريات أي دليل، أي بقايا الأشكال الانتقالية، ويجب أن تكون موجودة بالضرورة أثناء التغيرات التطورية. وعلى أية حال، فهي غير معروفة على نطاق واسع.
علم الحفريات
يدعي العلماء أنه في عملية التطور كانت هناك توقفات كبيرة في التنمية. ما هو عصرها الجديد – عصر الثورة الاجتماعية؟
في تطور المحيط الحيوي، يتم تعريف التطور البيولوجي على أنه عملية تطور الطبيعة الحية التي تحدث بشكل طبيعي. وفي الوقت نفسه، تتغير وتتحول النظم الإيكولوجية الفردية والمحيط الحيوي ككل. والدليل على ذلك هو بقايا الحيوانات والنباتات التي كانت موجودة في الماضي وآثار نشاطها الحيوي التي تم العثور عليها أثناء الحفريات. ويهتم علم الحفريات باكتشاف ودراسة مثل هذه البقايا والآثار الأحفورية. كما أنه يحاول إعادة إنشاء أو إعادة بناء المظهر والعادات الغذائية والسلوك والتكاثر للكائنات الحية في الماضي.
منذ العصور القديمة، واجه الإنسان، طوعا أو كرها، بقايا الحيوانات والنباتات القديمة. ويتجلى ذلك في سجلات المؤلفين القدامى: زينوفون، هيرودوت، أرسطو. علماء عصر النهضة: ليوناردو دافنشي، جيورجي أجريكولا، جيرولامو فراكاستورو. في القرن التاسع عشر، كان هؤلاء بالطبع تشارلز داروين، وجورج كوفييه، مؤسس علم الحفريات، وفي القرن العشرين، فلاديمير كوفاليفسكي، وتيلار دي شاردان، وفي. فيرنادسكي.
مرحلة جديدة من التطور
كان ف. يدعم فيرنادسكي مصطلح "Noosphere"، أي المجال الذكي، الذي قدمه شاردين ويطور هذا المفهوم ويثبته علميًا. ويحدد مراحل تطور المحيط الحيوي. هناك ثلاثة منها: ظهور الحياة والمحيط الحيوي الأساسي، حيث يتم إعطاء المركز المهيمن للتفاعلات الكيميائية والتغيرات المناخية. المرحلة التالية، المرحلة الثانية، هي ظهور كائنات حية جديدة ومتنوعة أحادية ومتعددة الخلايا. التطور البيولوجي هو المفتاح هنا. . والمرحلة الثالثة هي ظهور الإنسان والمجتمع، الذي يبدأ في التأثير على المحيط الحيوي بطريقته الخاصة وفي مصالحه الخاصة، وتحويله إلى مجال نووسفير أو حالة تطورية جديدة للمحيط الحيوي.
نشأت الحياة على كوكبنا منذ ما يقرب من 3.5 مليار سنة، وكان تطور المحيط الحيوي باختصار هو: ظهور الحياة وعملية تغيير أشكالها وأنواعها المستمرة، حتى وقتنا الحاضر. بعد أن بدأ الإنسان بالتدخل في التطور، ما هي الأنواع وأشكال الحياة الجديدة التي ظهرت؟ على العكس من ذلك، بدأ عدد الأنواع وعدد ممثلي هذه الأنواع في الانخفاض بوتيرة تدريجية. وهم لدرجة أن الحالة التطورية الجديدة للمحيط الحيوي ستكون مرحلتها الأخيرة. ولا يستخدم الإنسان إلا ما خلق من قبله. إن درجة هذا الاستخدام تصبح أعمق فأعمق مع تطور العلم والتكنولوجيا. يمكن اعتبار الإنجاز الوحيد للإنسان هو محاولاته لتوسيع وجوده خارج الأرض ومحيطها الحيوي.
الأسئلة التي لم يرد عليها
تحدث التغييرات تحت تأثير بعض العوامل التي نشأت ولا تسمح للنظام بالوجود بالشكل المألوف والملائم له. ما هي هذه العوامل؟ لماذا تتسارع عملية ظهور أشكال وأنواع جديدة مع اقترابنا من عصرنا هذا، ومع بداية عصرنا يبدأ تنوع الأنواع وأعدادها في الانخفاض؟
كيف يمكن للأشخاص الذين ما زالوا غير قادرين على تحديد عمر كفن تورينو، حيث نتحدث عن ألف عام، أن يسموا بسهولة وثقة العصور والفواصل الزمنية الخاصة بهم بملايين السنين؟ كيف يمكن لمن يدافع عن أصل الحياة هذا أن يذهب إلى الكنيسة بعد العمل ويتوجه إلى الدين ويصلي؟ ففي نهاية المطاف، تؤكد الكنيسة على أصل مختلف للأشياء. ومن أين أتينا؟ من فيروس وقرد أم كانت العناية الإلهية؟ لا أحد لديه أدلة موثوقة. لقد مر المحيط الحيوي في تاريخه بالتطور، أي هل كانت هناك علاقة سبب ونتيجة تحدد الانتقال من مرحلة إلى أخرى، أم أنهى نظام حيوي وجوده وتم استبداله بآخر لا علاقة له على الإطلاق بالنظام السابق ؟
تطور المحيط الحيوي
في عصر التقدم العلمي والتكنولوجي، تكتسب المعرفة حول عمليات الحياة على الأرض ككل أهمية خاصة. تلعب الكائنات الحية دورًا مهمًا في هذه العمليات. وعلى مدار مليارات السنين التي مرت منذ تكوين كوكبنا، ملأت الغلاف الجوي بالأكسجين والنيتروجين، وطهرته من ثاني أكسيد الكربون، وشكلت رواسب من الحجر الجيري والنفط والغاز الطبيعي. في عملية التطور، تم تشكيل قذيفة خاصة على الأرض - المحيط الحيوي (السير اليوناني "الحياة"). تم استخدام مصطلح "المحيط الحيوي" لأول مرة في عام 1875 من قبل الجيولوجي النمساوي إي. سوس. يُفهم المحيط الحيوي على أنه مجموع جميع الكائنات الحية مع موطنها، والذي يشمل: الماء، والجزء السفلي من الغلاف الجوي، والجزء العلوي من القشرة الأرضية، التي تسكنها الكائنات الحية الدقيقة.
رسم بياني 1. منظر عام للمحيط الحيوي
يتفاعل المكونان الرئيسيان للمحيط الحيوي - الكائنات الحية وموائلها - بشكل مستمر مع بعضهما البعض وهما في وحدة عضوية وثيقة، مما يشكل نظامًا ديناميكيًا متكاملاً. ويتكون المحيط الحيوي، باعتباره نظامًا عالميًا فائقًا، بدوره من عدد من الأنظمة الفرعية. الكائنات الحية الفردية لا توجد في عزلة. في عملية نشاط حياتهم، يرتبطون بأنظمة مختلفة (المجتمعات)، على سبيل المثال، في عدد السكان.
في سياق التطور، يتم تشكيل مستوى جديد نوعيا من أنظمة المعيشة، ما يسمى Biocenoses - مجموعة من النباتات والحيوانات والكائنات الحية الدقيقة في الموائل المحلية. يؤدي تطور الحياة تدريجياً إلى النمو وتعميق التمايز داخل المحيط الحيوي. جنبا إلى جنب مع الموائل المحيطة بها، وتبادل المادة والطاقة معها، تشكل التكاثر الحيوي أنظمة جديدة - التكاثر الحيوي أو، كما يطلق عليها أيضا، النظم البيئية. يمكن أن تكون بمقاييس مختلفة: بحر، بحيرة، غابة، بستان، إلخ. التكاثر الحيوي هو نموذج طبيعي مصغر للمحيط الحيوي، بما في ذلك جميع روابط الدورة الحيوية: من النباتات الخضراء التي تنتج المواد العضوية إلى مستهلكيها، والتي تحول في نهاية المطاف مرة أخرى إلى العناصر المعدنية. وبعبارة أخرى، فإن التكاثر الحيوي هو خلية أولية في المحيط الحيوي. وهكذا، تشكل جميع الكائنات الحية والأنظمة البيئية معًا نظامًا فائقًا - المحيط الحيوي.
تطور المحيط الحيوي. عقيدة فيرنادسكي في المحيط الحيوي
هناك وجهات نظر مختلفة فيما يتعلق بوقت نشأة المحيط الحيوي. وفقا لأحدهم (مفهوم V. I. Vernadsky)، نشأ المحيط الحيوي في المرحلة الأولى من تطور كوكب الأرض وله عمر قريب من عمر الأرض (حوالي 4.6 مليار سنة). وفقا لفيرناديسكي، فإن الانتقال من المادة غير الحية إلى أبسط أشكال المادة الحية استغرق فترة زمنية ضئيلة (على نطاق جيولوجي) - لا تزيد عن 200 عام. إن السمات المميزة للمحيط الحيوي، في إطار مفهوم فيرنادسكي، هي كما يلي:
1. نشأ المحيط الحيوي على الفور كمجموعة من التكاثر الحيوي. تشكلت المادة الحية كمجموعة من الكائنات الحية المعقدة.
2. الكائنات الأولية قادرة على توفير جميع العمليات الأساسية (الكيميائية الحيوية والبيولوجية) التي تحدث في أصداف الأرض.
3. الكائنات الحية تؤمن هجرة العناصر الكيميائية في القشرة الأرضية.
ووفقا لوجهة نظر أخرى، تم تشكيل المحيط الحيوي في مرحلة معينة من تطور الأرض. في البداية كانت هناك مرحلة ما قبل الأصداف، ثم تشكلت الأصداف الأرضية الرئيسية وعندها فقط ظهر المحيط الحيوي.
وفقا لفيرناديسكي، فإن ظهور الإنسان ووجوده في المحيط الحيوي يحدد أعلى مرحلة من تطوره. يمثل ظهور الإنسان في حد ذاته انتقالًا من التكيف البيولوجي البسيط للكائنات الحية إلى السلوك الذكي والتغيير الهادف للبيئة من قبل كائنات ذكية. تتكيف المادة الحية للكوكب بنشاط مع ظروف الوجود الجديدة في الطبيعة. هناك تأثير مشترك مفاجئ للطبيعة على الإنسان والإنسان بالطبيعة، والإنسان الآن هو المسؤول عن تطور الحياة.
هناك تعريفان رئيسيان لمفهوم "المحيط الحيوي"، أحدهما معروف منذ ظهور هذا المصطلح في العلوم. هذا هو فهم المحيط الحيوي باعتباره مجمل جميع الكائنات الحية على الأرض. طالب Dokuchaev، خالق عقيدة التربة، V.I. طرح فيرنادسكي، الذي درس التفاعل بين الأنظمة الحية وغير الحية، مبدأ العلاقة التي لا تنفصم بين الكائنات الحية وغير الحية، وأعاد التفكير في مفهوم المحيط الحيوي. لقد فهم المحيط الحيوي باعتباره مجال وحدة الكائنات الحية وغير الحية.
وقد حدد هذا التفسير وجهة نظر فيرنادسكي لمشكلة أصل الحياة على الأرض.
تم النظر في الخيارات التالية:
1) نشأت الحياة قبل تكوين الأرض وأتت إليها؛
2) بدأت الحياة بعد تكوين الأرض؛
3) نشأت الحياة مع تكوين الأرض.
التزم فيرنادسكي بوجهات النظر الأخيرة هذه واعتقد أنه لا يوجد دليل علمي مقنع على وجود الحياة على كوكبنا على الإطلاق. وبعبارة أخرى، كان المحيط الحيوي موجودًا دائمًا على الأرض.
المحيط الحيوي (باليونانية bios - life، sphaira - ball) هو غلاف الأرض الذي تسكنه الكائنات الحية وتتحول بواسطتها. يرتبط المحيط الحيوي ارتباطًا وثيقًا بجميع طبقات الأرض الأخرى وهو نتيجة في المقام الأول للدورة البيوجيوكيميائية التي توفرها الطاقة الشمسية. في المحيط الحيوي، تشكل الكائنات الحية وموائلها، بسبب التفاعل طويل الأمد مع بعضها البعض، نظامًا متكاملاً في حالة توازن ديناميكي.
يشمل المحيط الحيوي، وفقا لفيرنادسكي، المكونات التالية.
1. مادة حية تتكون من مجموعة من الكائنات الحية.
2. مادة حيوية تنشأ أثناء النشاط الحياتي للكائنات الحية (الغازات الجوية، الفحم، النفط، الحجر الجيري، إلخ).
3. المادة الخاملة، والتي تتشكل دون مشاركة الكائنات الحية (نتيجة حركة القشرة الأرضية، نشاط البراكين، النيازك).
4. مادة حيوية، وهي نتيجة مشتركة للنشاط الحيوي للكائنات الحية والعمليات غير البيولوجية (التربة).
صاغ فيرنادسكي المبادئ الأساسية لتنظيم المحيط الحيوي ككل. وهذان مبدأان بيوجيوكيميائيان.
1. تسعى الطاقة الجيوكيميائية للمادة الحية في المحيط الحيوي (بما في ذلك الإنسان باعتباره كائنًا أسمى يتمتع بالذكاء) إلى تحقيق أقصى قدر من الظهور.
2. أثناء تطور أنواع الكائنات الحية، تبقى الكائنات الحية، من خلال نشاطها الحيوي، تعظم الطاقة الجيوكيميائية الحيوية.
الشكل 5. جزء من تطور المادة الحية في المحيط الحيوي
قام فيرنادسكي بتقديرات كمية المادة الحية في المحيط الحيوي، وعلى أساسها صاغ المبدأ التالي: طوال تاريخ الأرض، كانت كمية المادة الحية في المحيط الحيوي ثابتة عمليا. في الوقت الحالي، أخل الإنسان بتوازنه مع المحيط الحيوي. وطالما أن البشر (والحيوانات الكبيرة) في استهلاكهم لمنتجات المحيط الحيوي لم يتجاوز 1% من كميتها الإجمالية، كان المحيط الحيوي في حالة توازن ديناميكي مع الأصداف الأرضية الأخرى. يستهلك الأشخاص المعاصرون أكثر من 7٪ لتلبية احتياجاتهم. منتجات المحيط الحيوي ويعطل بشكل كبير توازنه الطبيعي. على سبيل المثال، تغيرت بالفعل نسبة احتياطيات الكربون في الغلاف الجوي وعلى الأرض، وأصبح الفرق بين تخليق وتحلل المواد العضوية أكبر بمئات المرات مما كان عليه في الأصل.
ولم يعد المحيط الحيوي قادرا على القيام بوظيفته المتمثلة في تحقيق الاستقرار، وقريبا سيتعين على البشرية أن تتولى هذه الوظيفة. في النهاية، عندما يبدأ نظام الحياة والبيئة بأكمله في السيطرة عليه من قبل الإنسان، فإن المحيط الحيوي سوف يتحول إلى الغلاف الجوي. ولكن بعد ذلك سيتم تخصيص الجزء الأكبر من تكاليف الطاقة والعمالة لتحقيق الاستقرار البيئي (وفقًا لبعض التقديرات - أكثر من 99٪). لن يبقى سوى نسبة قليلة (أو حتى أقل من 1٪) لصيانة الحضارة وتطويرها. أثناء دراسة الكيمياء الحيوية التي أنشأها، والتي تدرس توزيع العناصر الكيميائية على سطح الكوكب، توصل فيرنادسكي إلى استنتاج مفاده أنه لا يوجد عملياً عنصر واحد في الجدول الدوري غير مدرج في المادة الحية. كما أكد فيرنادسكي على أهمية الطاقة ودعا الكائنات الحية إلى آليات تحويل الطاقة.
التبرير التفصيلي للأفكار النظرية لـ V.I. فيرنادسكي وأ.ل. تم استقبال تشيزيفسكي اليوم. لذلك، بحث رواد الفضاء لدينا:
1. لقد مكنوا من اكتشاف العديد من البيانات الجديدة حول العلاقة بين العمليات الأرضية والكونية.
2. أثر بشكل جذري في طرق إجراء الملاحظات والاكتشافات الفيزيائية والفلكية.
3. لقد أدت إلى نوع من الثورة العلمية في الفيزياء الفلكية.
لذلك، على سبيل المثال، في الستينيات. تم اكتشاف الكوازارات - الأجسام الكونية ذات مستوى الطاقة الهائل من الإشعاع (وهي تنبعث منها طاقة أكبر بعشرات المرات من أقوى المجرات) ، فضلاً عن الظواهر الكونية مثل انفجارات السوبرنوفا. وفقا للمفاهيم الفيزيائية الفلكية الحديثة، فإن إشعاع المستعرات الأعظم هو المصدر الرئيسي للأشعة الكونية في المجرة. يمكن أن يكون لها تأثير، حيث أن تدفق الأشعة السينية المنبعث من المستعرات الأعظم يمكن أن يخلق تركيزات عالية من أكسيد النيتروجين في طبقة الستراتوسفير للأرض - وهو مدمر لطبقة الأوزون، وهي شاشة تحمي كل أشكال الحياة على الأرض من تأثيرات الإشعاع الصلب من الشمس.
أصبحت الأفكار حول الأشكال المختلفة لتفاعل المادة الحية مع المواد الكونية وتدفقات الطاقة ذات أهمية متزايدة أيضًا بفضل الفرضيات التي تم تطويرها بنشاط حول وجود نظام حي شامل للمجرات، على الأقل داخل مجرتنا. إنها تشير إلى وجود عدد كبير من الكائنات الحية الدقيقة في الفضاء الخارجي لمجرتنا. يمكن اعتبار البحث في هذا الاتجاه دليلاً لصالح المفهوم الذي طرحه V.I. فيرنادسكي حول التوزيع الكوني الواسع للمادة الحية في الكون، وأهميته الكونية.
تظهر الفرضيات والحقائق العلمية الطبيعية أن دراسات التفاعلات التي بدأتها أعمال ف. يمثل فيرنادسكي وأتباعه اتجاهات رائدة وواعدة في العلوم الطبيعية وفهم أسرار الطبيعة.
وفقًا لـ ف. يتم الآن تقديم فيرنادسكي وكوكبنا والكون كنظام واحد ترتبط فيه الحياة والمادة الحية في كل واحد من خلال العمليات التي تحدث على الأرض بعمليات ذات طبيعة كونية. وفقًا لـ ف. فيرنادسكي، طوال تاريخ الأرض، كانت كمية المادة الحية في المحيط الحيوي ثابتة تقريبًا. تضمنت الصورة الفخمة لتطور الكواكب أيضًا ظهور الإنسان، حامل العقل، الذي قام بتسريع جميع العمليات التي تتطور على الكوكب. وقال إن تأثير الإنسان على الطبيعة ينمو بسرعة كبيرة لدرجة أنه سيصبح القوة الجيولوجية الرئيسية وسيتعين عليه تحمل مسؤولية التطور المستقبلي للطبيعة. يتحول المحيط الحيوي تدريجياً إلى الغلاف النووي.
محاضرة 5
السؤال 1. ولادة المحيط الحيوي
نشأ المحيط الحيوي كتطور مباشر لدورة غير حيوية كبيرة وعلى أساسها. وفي أعماق الدورة اللاأحيائية، بدأت دورات المادة العضوية تتشكل على شكل تخليق واضمحلال مركبات الكربون الكيميائية (الشكل 1). إذا كانت وجهة نظر J. Bernal صحيحة أن الحياة بدأت في التطور كوحدة من عمليات التوليف وتدمير المواد العضوية، فيجب أن تنشأ الحياة كظاهرة قبل الكائنات الحية.
في وقت لاحق، تم تخصيص الدورة العامة للمواد العضوية وتبين أنها مرتبطة بأنواع معينة من cocervates. وفقًا لـ ف. فيرنادسكي ". من بين ملايين الأنواع، لا يوجد نوع واحد يمكنه بمفرده أداء جميع الوظائف الجيوكيميائية للحياة التي كانت موجودة في المحيط الحيوي منذ البداية. وبالتالي، منذ البداية، يجب أن يكون التركيب المورفولوجي للطبيعة الحية في المحيط الحيوي معقدًا." لذلك، "كان ينبغي أن يكون الظهور الأول للحياة أثناء إنشاء المحيط الحيوي ليس في شكل ظهور كائن حي معين، ولكن في شكل مجملها، بما يتوافق مع الوظائف الجيوكيميائية للحياة".
هل هناك أي حقائق تدعم وجهة النظر هذه؟ على ما يبدو نعم. على أية حال، تفترض النظرية التكافلية لأصل الخلية حقيقية النواة وجود عدد كبير من الكائنات بدائية النواة السلفية، التي تختلف في وظائفها الجيوكيميائية. إن وحدة تنظيمها الفسيولوجي هي نتيجة لحقيقة أن كل هذه الكائنات المتباينة هي نتاج لدورة واحدة من المواد اللاأحيائية.
بعد أن ظهرت الحياة كمجموعة من الكائنات الحية، أظهرت على الفور خصائصها الأساسية. منذ لحظة ظهورها، لم تتفاعل المادة الحية ككل مع أسلافها والعالم اللاأحيائي فحسب، بل تفاعلت أيضًا الكائنات الحية الفردية مع بعضها البعض. على ما يبدو، نشأت العلاقات التوافقية في البداية، والتي أدت في المراحل الأولى من تطور الكائنات الحية التي لا تزال متمايزة بشكل سيئ إلى ظهور جمعيات تكافلية، والتي أدت إلى ظهور كائنات حقيقية النواة. تم بناء التكاثر الحيوي الأولي على أساس الأنواع الاستراتيجية R. حتى الآن، احتفظت النظم البيئية المائية البحرية بالسمات الرئيسية المتأصلة في هذه المجتمعات - على سبيل المثال، الإنتاج العالي للمنتجات الجنسية.
اتبع المزيد من التطوير للمحيط الحيوي طريق التعقيد والتوسع في الدورة الحيوية، والذي كان مصحوبًا بتمييز المادة الحية، وتخصص الأنواع المكونة لها والاستيلاء على المزيد والمزيد من المساحات الجديدة. ومن السمات المميزة لهذه العملية أن الحياة، التي تستخرج المواد الضرورية من البيئة وتثريها بالنفايات والطاقة المجانية، تغير حتما ظروف وجودها. لذلك، كان عليها أن تتكيف باستمرار مع الظروف المتغيرة لوجودها، والتي غيرتها بنفسها بسرعة متزايدة باستمرار. ارتبط تطور المحيط الحيوي في هذه المرحلة بتعقيد الدورة الحيوية. غالبًا ما يمكن للأشكال العضوية الجديدة أن توجد فقط على أساس الأشكال السابقة. يظهر تطور الدورة الحيوية في المقام الأول على أنه تمايز تدريجي لأشكال الحياة. وفي الوقت نفسه، تتسارع وتيرة التطور باستمرار بسبب التعقيد المتزايد للتفاعلات الحيوية، التي تعمل كعوامل للتحولات التكيفية.
السؤال 2. المراحل الرئيسية لتطور المحيط الحيوي
نظرًا لحقيقة أنه لم يتم تضمين جميع المواد العضوية للمرق الأساسي في الكوسرفات، فمن المفترض تقليديًا أن البروتوبيونتات كانت متغايرة التغذية. ومع ذلك، مع الأخذ بعين الاعتبار طبيعة الحياة المتعددة العرقيات والسمة الرئيسية للمحيط الحيوي كعملية تخليق وتدمير، يبدو من المنطقي أكثر افتراض وجود الكائنات الحية المركبة.
في شكله البدائي، لا يمكن لعملية التمثيل الضوئي أن تكون مصدرًا للأكسجين. في بيئة خالية من الأكسجين، تستخدم البكتيريا الزرقاء الحديثة كبريتيد الهيدروجين لإصلاح ثاني أكسيد الكربون (كما تفعل البكتيريا الأرجوانية). يمكن الافتراض أن هذه هي الخاصية الأساسية للصور الضوئية البدائية. من الأسهل إزالة إلكترون من كبريتيد الهيدروجين مقارنة بالماء، لكن تجديد كبريتيد الهيدروجين من الكبريتات (SO 4 2-) يتطلب وجود مواد عضوية. ونتيجة لذلك، كان حجم عملية التمثيل الضوئي المعتمدة على الكبريتات محدودًا بكتلة المادة العضوية المتراكمة في المحيط الحيوي. لذلك، يمكن الافتراض أنه في المرحلة التي سبقت ظهور عملية التمثيل الضوئي التي تعتمد على الماء، كان المحيط الحيوي، على الرغم من وجود التمثيل الضوئي، لاهوائيًا وكان التكاثر الحيوي يتكون من منتجي التمثيل الضوئي المختلطين والنباتات السامّة، مكملين السلسلة الغذائية بالكبريت والنيتروجين (ولكن وليس في الكربون). من غير المحتمل وجود حيوانات مفترسة حقيقية في مثل هذه المجتمعات
1) في الظروف اللاهوائية، يكون الافتراس غير مربح من الناحية الحيوية،
2) خاصة على خلفية وجود كمية كبيرة إلى حد ما من المواد العضوية الموجودة بالفعل في البيئة،
3) يتضمن الافتراس بنية معقدة غائبة في بدائيات النوى (على سبيل المثال، لا يوجد البلعمة).
كانت المرحلة التالية في تطور المحيط الحيوي هي ظهور كائنات حية قادرة على التحلل الضوئي للمياه. إن استخدام المياه النادرة دائمًا في عملية التمثيل الضوئي أعطى هذه الكائنات الحية والمحيط الحيوي ككل المزيد من الفوائد. كانت الكائنات الحية بدائية النواة في هذا الوقت بلا شك مائية وكانت تعتبر بحرية تقليديًا. ومع ذلك، يبدو أن هذا ليس صحيحا تماما. تعتمد هذه الفكرة على افتراض أن بنية سطح الأرض كانت في الأساس هي نفسها كما هي الآن. ومع ذلك، فإن الصورة الأكثر منطقية هي مشهد طبيعي متناقض بشكل حاد، والذي يتكون من صخور عمودية تقريبًا (التي تم تدميرها بشكل ضعيف، خاصة بسبب عدم وجود كائنات حية أرضية) وسهول أفقية تقريبًا، تمتد على مسافة كبيرة وتقع بالقرب من مستوى سطح البحر. . يمكن لموجات المد والجزر والعواصف أن تنتقل لمسافات طويلة عبر هذه السهول ولم يكن هناك أي خط ساحلي تقريبًا. يمكن للحصائر الطحالب البكتيرية (الستروماتوليت) أن تشغل هذا السهل بأكمله، في حين أنها لم تكن موجودة في البحر ولا على الأرض في فهمهم الحديث، ولكن في ظروف خاصة معينة، والتي ليس لها نظائرها على الأرض الحديثة.
تعمل الطحالب التي تقوم بعملية التمثيل الضوئي على خلق ظروف مؤكسدة في البيئة المباشرة. بسبب التآكل غير المنتظم، كان من المفترض أن تكون كمية المادة العضوية الخارجة من الرواسب كبيرة جدًا، لكن المعالجة المتكررة للرواسب كان من المفترض أن تؤدي إلى أكسدتها بشكل كبير. في الوقت نفسه، استمر تراكم الأكسجين في الغلاف الجوي ببطء شديد.
وأدى غياب الأنهار وغلبة جريان مياه الأمطار إلى كون المياه المتدفقة من القارات غائمة. إن تعكر المياه في المنطقة الساحلية جعل من الصعب على العوالق النباتية المحيطية الاستفادة من المعادن بسبب ضيق المنطقة الضوئية (الشكل 2). في مثل هذه الظروف، تبدو إمكانية تطوير الحيوانات القاعية مشكلة كبيرة. ظلت تغذية الكائنات الحية في هذه المرحلة تناضحية. يبدو أن الخطوة الأكثر تقدمية في هذا النوع من التغذية هي التصغير الإضافي للحياة، لكن الكائنات الصغيرة، المحرومة من القدرة على التحرك بنشاط في البيئة، تستنزف بسرعة العناصر الغذائية المحيطة بها وتجد نفسها في ظروف نقص الغذاء. هناك طريقتان ممكنتان للتغلب على هذا التناقض. تم تحقيق إحداها بواسطة الستروماتوليت، حيث ثبتت نفسها في الفضاء وسمحت للبيئة بالتحرك بالنسبة لها. الطريقة الثانية هي زيادة حجم الجسم. في البداية، حاولت بدائيات النوى تنفيذها - توحيدها في المجاميع، لكنها وصلت إلى أعظم تطور لها في الكائنات حقيقية النواة.
تم تحقيق القدرة على زيادة الحجم بواسطة حقيقيات النوى في فترة فينديان، عندما كانت الكائنات الحية كبيرة الحجم بشكل غير عادي. لكنها كانت منخفضة التنوع، ومن الواضح أنها منخفضة التخصص في نوع استخدام الموارد، وموحدة في جميع أنحاء الأرض. ولا شك أن تكوين هذه المجتمعات، المكونة من أنواع عامة، كان أحد أهم الأحداث الحيوية. ومع ذلك، فإن مثل هذا الاستخدام "الأمامي" لمزاياها من قبل حقيقيات النوى سرعان ما تم استبداله بتشكيل أكثر تقدمًا لمجتمعات شديدة التنوع من المتخصصين لكل حالة على حدة من حالات الحياة. إن عملية نمو التنوع تتسارع بشكل ملحوظ، وربما بشكل أساسي، في العصر الكامبري. يتزامن هذا التغيير مع حدثين حيويين آخرين:
توزيع الكائنات الحية ذات الهيكل العظمي المعدني
ظهور المفصليات، ومن بينها مغذيات مرشحة متقدمة جدًا تشكل كريات برازية. إن عواقب ظهور مغذيات الترشيح المتقدمة واضحة تمامًا. إن دور الكريات أقل شهرة، على الرغم من أنه لا يقل أهمية. في البحار الحديثة، يتم ترشيح المواد الحبيبية الدقيقة التي تدخلها بسرعة كبيرة وتعبئتها في حبيبات برازية وإرسالها إلى القاع. وبدون آلية التكوير، فإن تعكر الماء سيكون أكبر بما لا يقاس. تستقر المادة العضوية بسرعة في القاع، مما يساهم في إثراء الماء بالمخلفات العضوية، التي لا تنفق على أكسدتها، ولكن بالمخلفات العضوية، وهذا الأخير يخلق الظروف الملائمة لتطوير أكلة الطمي. في الواقع، في العصر الكامبري كان هناك ازدهار لمجموعات مثل ثلاثية الفصوص. جعل تخزين المواد العضوية في الرواسب من الممكن جعل معالجتها أكثر تجانسًا وتحسين إمداد عمود الماء بالأكسجين.
وفي العصر الأوردوفيشي، أدى استنارة الماء وتشبعه بالأكسجين إلى تطور سمك البحار بالحياة.
يتشكل المظهر الحديث للمجتمعات البحرية في الدهر الوسيط. ويتميز تعداد هذه الكائنات الحيوية بتزايد دور آكلات النكتون والطمي، في حين يتناقص دور مستهلكات المعلق السفلي.
يبدو أن تاريخ تطور الحياة على الأرض يبدأ بتكوين التربة البدائية تحت الحصائر الطحالب البكتيرية، المعروفة بالفعل في عصر ما قبل الكمبري. كان من الممكن العثور في الأوردوفيشي العلوي على تربة تحتوي على ممرات لبعض الحيوانات الشبيهة بالديدان. ومع ذلك، من الصعب أن نطلق بشكل لا لبس فيه على هذه المجتمعات الأرضية بالفعل. ومن المستحيل أيضًا تصنيفها على أنها مسطحات مائية قارية، حيث يبدو وجودها مشكلة كبيرة قبل العصر الديفوني، عندما أدت النباتات إلى حد ما إلى تقليل التآكل واستقرار الخط الساحلي.
إن ظهور نباتات برية ذات محاور رأسية صلبة، وظهور الأنسجة الكامبية والخشب الثانوي، والتي بدونها لا يمكن أن يحدث نمو مثل هذه النباتات، تبين بلا شك أنها أعظم التكوينات الجديدة. لقد غيروا الوضع في عدة اتجاهات في وقت واحد.
(1) أصبح من الممكن زيادة شدة تكوين المادة العضوية بشكل حاد، حيث أن هياكل التمثيل الضوئي موجودة الآن في الفضاء ثلاثي الأبعاد، وليس على المستوى.
(2) الوضع الرأسي للمحاور جعل النباتات مقاومة للغسل بواسطة التربة الناعمة، مما يقلل بشكل كبير من فقدان المادة العضوية بسبب التكاثر الحيوي.
(3) يتطلب ضمان صلابة الجذوع كمية كبيرة من الخشب، والتي أنتجت بعد موت النباتات كمية كبيرة من المخلفات، والتي أدت، بسبب التحلل البطيء، إلى استقرار الظروف في التكاثر الحيوي.
(4) يتطلب الحفاظ على الوضع الرأسي تطوير نظام جذر قوي بما فيه الكفاية، مما يزيد من خصائص الغطاء النباتي المضادة للتآكل. يمكن ملاحظة أن كل هذه التغييرات أدت بشكل عام إلى استقرار التكاثر الحيوي. وفي الوقت نفسه، خلقت هذه العمليات مزايا لمجموعات الكائنات الحية الأكثر تعقيدًا وطويلة العمر، مما ساهم بلا شك في التطور التدريجي للحياة البرية.
في العصر الكربوني، تظهر غابات قوية محبة للدهون. يشير نمط نمو النباتات الشحمية مع تفرعها المتأخر جدًا إلى مستوى عالٍ من فقدان النمو، وهو ما كان ينبغي أن يؤدي إلى تكوين فضلات سميكة وعالية العمق وخسائر كبيرة في المواد العضوية. لم يكن التنوع والخصائص المضادة للتآكل لهذه الغابات كبيرة بعد. لقد نمت على نفس الأسطح المستوية، والتي غالبًا ما كانت تغمرها المياه. أدى معدل الوفيات الكبير مع التآكل العالي، والذي ضمن دفنه السريع، إلى حقيقة أن جزءًا كبيرًا من الكربون العضوي ترك التكاثر الحيوي دون أكسدة وتم تحويله إلى احتياطيات من الفحم.
تم فصل عصر الدهر الوسيط عن حقب الحياة الحديثة بأزمة العصر الطباشيري-الباليوجيني الشهيرة، والتي جذبت الانتباه سابقًا فيما يتعلق بانقراض الديناصورات، ومؤخرًا بشكل خاص بأفكار حول "شتاء الكويكب" - تبريد حاد بسبب الغبار في الغلاف الجوي. ومع ذلك، فمن غير المرجح أن يكون هذا هو السبب وراء أزمة الكائنات الحية. بحلول وقت الكارثة، كان العالم العضوي يعاني من أزمة طويلة. كان السبب الرئيسي لذلك على الأرجح هو ظهور كاسيات البذور وانتشارها في العصر الطباشيري. كان التغيير في الدور البيئي لكاسيات البذور هو الأكثر تأثرًا بانتشار الحشرات على نطاق واسع، مما يسمح بتكوين غابات ذات تنوع هائل في الأنواع. وتجدر الإشارة إلى أن انتشار الحشرات يرتبط بشكل واضح بتنوع واستقرار النظم البيئية للغابات.
والأهم من ذلك بالنسبة للتوسع البيئي لكاسيات البذور هو ميلها إلى إنتاج أشكال عشبية من خلال استدامة المرحلة اليرقية، واستخدام التكاثر الخضري، وتشكيل العشب. وبالتالي، فإن خصائص كاسيات البذور كنباتات رائدة، خاصة عند استعمار ركائز فضفاضة مائلة، وقدراتها على مقاومة التآكل قد زادت عدة مرات مقارنة بعاريات البذور. إن فعالية الأنظمة المتعاقبة لتكييف البيئة - منع التآكل، وتحسين التربة كمنطقة عازلة ضد رشح العناصر الغذائية، وتحويل الجريان السطحي إلى باطن الأرض في الغالب - أدت إلى ظهور أنواع جديدة من المناظر الطبيعية ذات تنوع أكبر بكثير من المياه والطاقة. الخصائص التربوية. والأهم من ذلك كله، أن تنظيم تدفق المياه والمواد المغذية كان ينبغي أن يؤثر على الخزانات القارية. ومع ذلك، استمرت هذه العملية لفترة طويلة حتى انتشار الأراضي العشبية والخزانات في عصر النيوجين مع التطور الخصب للنباتات الميتة المغمورة.
السؤال 3. توقعات التطور الطبيعي المحتمل للمحيط الحيوي
على مدى الثلاثة مليارات سنة الماضية، قامت المجموعة الشمسية بأكثر من ثورة حول مركز المجرة، مرورا بمناطقها المختلفة. وفي الوقت نفسه، استمرت الحياة في التطور. وهذا يعني أن أيا من فصول السنة المجرية لا يمنع تطورها. لا يوجد سبب لتوقع أي مضاعفات خطيرة في عمل المحيط الحيوي في المستقبل عندما تتغير مواسم المجرة.
ومن الواضح أن شدة الإشعاع الشمسي، وفقا لعلم الفلك الحديث، ستبقى عند مستوى قريب من المستويات الحديثة لعدة مليارات من السنين. ومن الواضح أيضًا أن التقلبات طويلة المدى في النشاط الشمسي لا تصل إلى القيم الحرجة.
سيؤدي احتكاك المد والجزر إلى إبطاء دوران الأرض حول محورها، مما سيؤدي إلى زيادة طول اليوم. ومع ذلك، فإن هذه العملية بطيئة للغاية وتتكيف المادة الحية معها تدريجيًا.
ويصاحب انخفاض تركيز ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي نتيجة النشاط البركاني وزيادة التمثيل الضوئي انخفاض في درجة حرارة سطح الأرض. وفقًا لفرضية M.I. Budyko (1977) كانت مثل هذه العمليات هي السبب الرئيسي لبداية العصور الجليدية في الماضي. ووفقا لحساباته، فإن المزيد من الانخفاض في تركيز ثاني أكسيد الكربون يجب أن يؤدي حتما إلى نظام مستقر من التجلد الكامل للأرض.
ومن نتائج عملية التمثيل الضوئي المكثف أيضًا استنفاد احتياطيات ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي، مصحوبًا بتحويل الكربون إلى شكل يصعب الوصول إليه من رواسب الكربون (النفط والفحم وصخور الكربونات).
يرجع تطور المحيط الحيوي على كوكبنا إلى مجموعة غير متوقعة من العوامل المواتية سواء في بداية تكوين الحياة أو على مدار الـ 3.5 مليار سنة القادمة. وفي بعض الأحيان، وصلت شدة العوامل البيئية الفردية إلى مستويات حرجة. إن التعقيد الكبير للمحيط الحيوي والقدرة على التنظيم الذاتي قد أتاحا إمكانية التغلب على الأزمات من خلال إعادة الهيكلة الداخلية. ومع ذلك، فإن عمله يتحدد من خلال نشاط العوامل الطبيعية، ولا يوجد سبب لتوقع أن يستمر المحيط الحيوي في التطور فقط في اتجاه التقدم. وأظهرت حسابات استنفاد ثاني أكسيد الكربون حقيقة هذه العملية.
السؤال 4. مفهوم مجال نو
بدأت مرحلة جديدة نوعيًا في تطور المحيط الحيوي في نهاية العصر الثالث فيما يتعلق بظهور قوة جيولوجية وحيوية جديدة - الإنسان.
وبحلول هذا الوقت، كانت الدورة الحيوية قد وصلت إلى تطورها الحديث، وأصبحت عاملاً قوياً في الغلاف الحيوي الكبير. في البداية، كانت أنشطة الناس تختلف قليلا عن أنشطة الحيوانات الأخرى. أخذ الناس وسائل العيش من المحيط الحيوي، وأعطوه ما يمكن للكائنات الحية الأخرى استخدامه. إن القدرة العالمية للكائنات الحية الدقيقة على تدمير أي مادة عضوية تقريبًا قد ضمنت منذ فترة طويلة إدراج بقايا النشاط البشري في الدورة الحيوية.
ومع ذلك، فإن إنتاج النار ميز بالفعل أسلافنا عن عدد من الحيوانات الأخرى. لا تكمن أهمية هذا الاستحواذ في حقيقة أنه بمساعدة النار، قام الإنسان بحماية منزله من الحيوانات المفترسة، واستقر في مناطق ذات مناخات أكثر برودة ونجا من فترات التجلد. بعد أن تعلموا استخدام النار، اكتسب الناس القدرة على تدمير المخلفات العضوية بالكامل، أي أنهم تعلموا أن يفعلوا ما فعلته الكائنات الحية الدقيقة فقط قبلهم. إن القدرة على تمعدن المخلفات العضوية بمساعدة النار مكنت من إشراك حتى تلك المواد العضوية التي تستخدمها الكائنات الحية الدقيقة بشكل سيء في الدورة. ونتيجة لذلك، تصبح الدورة البشرية معزولة داخل الدورة الحيوية (الشكل 1). لأول مرة في تاريخ الأرض، ظهر نوع قادر ليس فقط على خلق أو تدمير المواد العضوية، بل يفعل ذلك في نفس الوقت. لقد ظهرت المتطلبات الأساسية للإدراج الواعي للنشاط البشري في الدورة الحيوية. في و. كتب فيرنادسكي عن هذا: " في التاريخ الجيولوجي للمحيط الحيوي، ينفتح مستقبل هائل للبشرية إذا فهمت ذلك ولم تستخدم عقلها وعملها لتدمير نفسها.".
يؤدي التطور المتسارع للمجتمع البشري إلى زيادة دور الإنسان في المحيط الحيوي. تتوسع دورة المواد البشرية المنشأ أكثر فأكثر. لقد تجاوزت الإنسانية، من حيث المبدأ، بالفعل حدود دورة الأرض اللاأحيائية. أصبحت تشارك في العمليات الكونية.
كان ظهور الإنسان يعني شكلاً جديدًا بشكل أساسي من تأثير الحياة على الدورات الجيوكيميائية. لقد حان الوقت لتنظيم معقول للعمليات في المحيط الحيوي، لأن هدف البشرية هو التنمية غير المحدودة للمجتمع.
أعظم عقول المجتمع تربط مصير البشرية في المستقبل noosphere- مرحلة جديدة في تطور المحيط الحيوي، حيث تكون العمليات البيوكيميائية والحيوية تحت تأثير الإنسان والتي يتيح فيها الفكر العلمي والمعدات التقنية التحكم في هذه العمليات وتعديلها وتغييرها، أي إدارتها (الشكل 1). 1).
تم تقديم مفهوم "الغلاف النووي" في الأصل إلى العلم من قبل الفيلسوف الفرنسي إي. ليروي (1927) وتم تطويره في أعمال في. فيرنادسكي.
ملامح مجال نو الحديث:
انتشرت عمليات العمل إلى جميع مكونات المحيط الحيوي وأصبحت أهم العوامل في مواصلة تطويره،
هناك نمو وتنشئة اجتماعية للسكان ،
تتميز التنمية الحديثة للمجتمع بالأنشطة المدمرة،
يصبح حجم الدورات الحيوية والبشرية متماثلاً،
إن قوة التأثير البشري على المحيط الحيوي تتزايد بسرعة،
في بعض المجتمعات، يؤدي النشاط الاقتصادي البشري إلى إعادة هيكلة كاملة لبنيتها.
فهرس
جولوبيتس م. القضايا البيئية الحالية. كييف: ناوك. دومكا. 1982.
كامشيلوف م. تطور المحيط الحيوي. م: العلم. 1979. 256 ص.
كولشينسكي إي. تطور المحيط الحيوي. ل: العلم. 1990.
بونومارينكو أ.ج. الأحداث الرئيسية في تطور المحيط الحيوي // مشاكل تطور المحيط الحيوي قبل الإنسان. م: العلم. 1993.
1 المقدمة.
حتى وقت قريب، كان معظم علماء الأحياء التطورية يعتبرون الكائن الحي هو الشكل الأولي والأساسي لوجود الحياة، وكان تطور الكائنات الحية يقتصر في المقام الأول على تكوين تكيف الكائنات الحية مع البيئة. لقد أثبتت النظرية التركيبية للتطور أن هذا الأخير لا يمكن أن يحدث إلا في مجموعات مشبعة إحصائيًا من الكائنات الحية ذات الصلة - السكان. وهكذا، أصبحت التحولات في الهياكل الجينية والبيئية للمجموعات السكانية وطرق الأنواع محور البحث البيولوجي التطوري. ومع ذلك، لم يتم دراسة تطور المستويات فوق النوعية لتنظيم الحياة تقريبًا؛ حتى المراحل الرئيسية لتطور التكاثر الحيوي والمحيط الحيوي لم تتميز بالسمات المحددة المتأصلة في كل شكل من أشكال تنظيم الكائنات الحية كنظام متكامل، ولكن فقط من خلال وصف المكونات الأولية المدرجة في تكوينها - الكائنات الحية والأنواع.
لكن التغيرات العالمية التي حدثت على الأرض خلال العقود الماضية تحت تأثير الصناعة قد غيرت الأفكار حول عمليات التنمية الطبيعية. لقد أصبح من المقبول عمومًا أن العملية التطورية لا تشمل الكائنات الحية الفردية والأنواع والتكاثر الحيوي فحسب، بل تشمل أيضًا أعلى مستوى من تنظيم الكائنات الحية - المحيط الحيوي. في مختلف فروع العلوم الطبيعية المتعلقة بدراسة المحيط الحيوي، تتراكم المزيد والمزيد من الأدلة على أن تطور العالم العضوي يغير البنية الجيوكيميائية والطاقة في المحيط الحيوي، ووظائفه الجيوكيميائية الحيوية والدورة الجيوكيميائية الحيوية للمواد. وفي المقابل، تصبح هذه التحولات في المحيط الحيوي ككل عوامل قوية في مزيد من التطور لأهم مكوناته - العالم العضوي.
2. مفهوم المحيط الحيوي. هيكل ووظائف المحيط الحيوي.
هناك اختلافات كبيرة في تفسير مفهوم المحيط الحيوي. وهكذا، يقترح أن يُفهم المحيط الحيوي في بعض المصادر على أنه مجموعة من الكائنات الحية. في مقالة مكتب تقييس الاتصالات "المحيط الحيوي" يرد التعريف التالي: المحيط الحيوي هو "قشرة الأرض، التي يتم تحديد تكوينها وبنيتها وطاقتها بشكل أساسي من خلال الأنشطة الماضية أو الحالية للكائنات الحية"، في مقالات "الغلاف الأرضي" " و
يُطلق على المحيط الحيوي "الجيوكيميائي" اسم "المنطقة الواقعة على حدود الأصداف الصلبة والسائلة والغازية للأرض التي تشغلها المادة الحية - مجموعة من الكائنات الحية".
حتى في القرنين السابع عشر والثامن عشر، بدأت تظهر أفكار حول الترابط بين جميع العمليات ذات الطبيعة غير العضوية والعضوية، منذ ذلك الحين تم تجميع بيانات كافية للحكم على العلاقة بين توزيع الحيوانات والظروف المناخية، وحول تبادل الغازات في الكائنات الحية. ، حول مشاركة الحيوانات والنباتات في تكوين التربة والحجر الجيري والوقود الأحفوري، وكذلك الفرضيات الأولى حول وجود الدورة الحيوية للعناصر (أ. لافوازييه، أ. سنيادتسكي) وفقًا لفيرناديسكي، فإن مفهوم تم صياغة المحيط الحيوي بواسطة J.-B. لامارك. وكان هو أول من لاحظ أن "الأجسام الحية تحتوي على جميع المواد غير العضوية المعقدة التي لوحظت في الطبيعة" (1955، ص 10)، وأنه في الأماكن التي لا تسكنها الكائنات الحية، تكون المعادن متجانسة للغاية. ويفسر ذلك حقيقة أن الحيوانات والنباتات تشارك بنشاط في تكوين سطح الأرض. هكذا ظهرت في العلم فكرة وجود مساحة خاصة يغطيها وينظمها النشاط الحيوي للكائنات الحية. تم اقتراح مصطلح "المحيط الحيوي" نفسه من قبل E. Suess في عام 1875 عند النظر في الأصداف الجيولوجية الرئيسية للأرض: الغلاف الصخري والغلاف الجوي والغلاف المائي. ورأى أنه “في منطقة التفاعل بين المجالات العليا والغلاف الصخري وعلى سطح القارات، يمكن تمييز محيط حيوي مستقل. ويمتد الآن على كل من الأسطح الجافة والرطبة، ولكن من الواضح أنه في السابق كان محدودًا فقط بالغلاف المائي” (سويس، 1875، ص 159-160). تعود التناقضات في تفسير معنى المصطلح إلى أن سوس لم تعطيه تعريفًا محددًا.
في مطلع القرنين التاسع عشر والعشرين، بدأت الحاجة إلى إنشاء عقيدة شاملة للتغيرات المترابطة في العالم العضوي والإغاثة والمياه والتربة والصخور الرسوبية والمناخ. تم تطوير هذه العقيدة بواسطة V. I Vernadsky، الذي كان قادرا على ربط عمليات تطوير العالم العضوي مع التاريخ الجيولوجي لقذائف الأرض الأخرى. اقترح فيرنادسكي التصنيف التالي للمواد المدرجة في المحيط الحيوي: 1) مادة حية أو مجموعة من الكائنات الحية؛ 2) مادة حيوية تم إنشاؤها ومعالجتها بواسطة الحياة؛ 3) مادة خاملة، في تكوين المادة الحية لا تشارك؛ 4) المادة الخاملة الحيوية، وهي نظام توازن ديناميكي للمواد الحية والخاملة التي تشكلها؛ 5) العناصر المشعة. 6) الذرات المتناثرة الناتجة عن التعرض للإشعاع الكوني. 7) مادة ذات أصل كوني. ولم يكن هذا التصنيف دقيقا. الأنواع المحددة، بسبب وفرة المعايير، إما تداخلت جزئيًا مع بعضها البعض، أو تم تضمين أحد الأنواع بالكامل في الآخر. في عام 1975، اقترح م. كشميلوف تصنيفًا آخر: أربعة أنواع من المادة: الحية، والحيوية، والخاملة، والخاملة حيويًا. ولكن هنا استقلال المادة الخاملة الحيوية كنوع يثير الشكوك، لأنه بالمعنى الذي يستخدمه فيرنادسكي، تعني المادة الخاملة الحيوية نظامًا ديناميكيًا معينًا يتكون من الكائنات الحية ومنتجات نشاطها الحيوي وظروف المعيشة المادية. في عام 1977، اقترح أ. آي. بيرلمان اعتبار المحيط الحيوي بمثابة نوع من نظام خامل حيوي عملاق، وأنظمته الفرعية عبارة عن أجسام خاملة حيويًا ذات مستوى تنظيم أدنى: التربة، والطمي، والقشرة الجوية، والمياه السطحية، وطبقات المياه الجوفية، والمناظر الطبيعية، إلخ.
يتم تحديد مكان المادة الحية في المحيط الحيوي من خلال وظائفها الحيوية والجيوكيميائية. ترتبط وظيفة الطاقة باستيعاب الطاقة الشمسية وإثرائها بالمواد الحيوية والخاملة. يتم التعبير عن الوظائف الجيوكيميائية في مشاركة الكائنات الحية في حركات وتركيزات العناصر الكيميائية، وكذلك في التحولات البيئية وفي خلق معادن جديدة.
في عام 1987 أ. اقترح لابو، بفضل المعرفة المتراكمة في ذلك الوقت، التصنيف التالي لوظيفة المادة الحية:
1) الطاقة - امتصاص الطاقة الشمسية أثناء عملية التمثيل الضوئي والطاقة الكيميائية أثناء تحلل المواد؛
2) التركيز - التراكم الانتقائي لعناصر معينة؛
3) المدمرة - تمعدن المواد العضوية وتحلل المواد غير العضوية؛
4) تشكيل البيئة – تحويل المعلمات الفيزيائية والكيميائية للبيئة؛
5) النقل - نقل العناصر بواسطة الكائنات الحية أثناء الهجرات.
وبالتالي، يمكن فهم المحيط الحيوي على أنه القشرة السطحية للأرض، التي تنظمها المادة الحية. العنصر الهيكلي الأكثر أهمية في المحيط الحيوي هو الغطاء الحيوي، الذي يتكون من التكاثر الحيوي بمستويات مختلفة من التعقيد والتقدم التطوري. تشمل التكاثرات الحيوية المواد الخاملة والحية والبيولوجية. باعتباره نظامًا حيويًا عملاقًا، يؤدي المحيط الحيوي وظائف الطاقة والجيوكيميائية وتكوين البيئة على سطح الأرض.
3. أفكار عامة حول تطور المحيط الحيوي.
4. أنواع خاصة من التأثير على المحيط الحيوي.
فقط في العقود الأخيرة بدأ النشاط البشري في إحداث تأثير ملحوظ على المحيط الحيوي. لقد تزايدت عواقب النشاط الاقتصادي البشري لفترة طويلة وسقطت الآن على الحضارة.
قال فرنادسكي: “يصبح الإنسان قوة جيولوجية قادرة على تغيير وجه الأرض”. وكانت هذه الكلمات نبوءة. تستخدم البشرية كمية هائلة من موارد الطاقة في المحيط الحيوي، وكذلك مصادر الطاقة "غير المحيط الحيوي" (النووية)، وبالتالي تسريع العمليات الجيوكيميائية. في القرن العشرين، أصبح تأثير التطور الصناعي السريع على المحيط الحيوي مشابهًا من حيث الحجم لعمليات الطاقة الطبيعية والمواد التي تحدث في المحيط الحيوي.
لقد أدى التأثير البشري المنشأ إلى تعطيل جميع أنواع الدورات البيوجيوكيميائية الطبيعية تقريبًا.
تلوث البيئة بالنفايات الخطرة.
إلخ.................
تطور- وهذا نتيجة العمل المشترك للعديد من العوامل، وقبل كل شيء، العوامل الكيميائية. إنها التفاعلات الكيميائية التي تشكل أساس جميع العمليات في أي كائن حي. يتم النظر في التاريخ الكامل للتطور التطوري للمحيط الحيوي على مدى فترتين طويلتين جدًا من الزمن - دهور,تتكون من فترتين - cryptozoic (gr. Kryptos - Secret) و phanerozoic (gr. Phaneros - open، gr. Zoos - life)، والتي حدثت خلالها تغيرات تطورية بطيئة في المحيط الحيوي. وهي تتكون من العصور (العصر اللاتيني - بداية التسلسل الزمني) والعصور والفترات. يتطور المحيط الحيوي وفقًا لمبدأ الانقطاع المتزامن واستمرارية التطور. إن عملية التغيرات التطورية التدريجية في الكائنات الحية تتوقف بشكل طبيعي عن طريق مراحل تطورها السريع وانقراضها مع عدم وجود أشكال حفريات انتقالية تقريبًا.
محرك التطور هو التفاعلات الكيميائية بين المركبات البسيطة - الماء والأمونيا وأول أكسيد الكربون والفورمالدهيد بمشاركة المحفزات - المواد غير العضوية والتفريغ الكهربائي. ونتيجة لذلك، تم تشكيل الهياكل الجزيئية المعقدة - الأحماض الأمينية والبروتينات والأحماض النووية.
من خلال التحسن وانخفاض الإنتروبيا، ظهرت الهياكل فوق الجزيئية - وهي العضيات التي تُبنى منها الخلايا. بعد التطور الكيميائي قبل 350 مليون سنة، بدأ التطور البيولوجي، الذي يعتمد على عمليات كيميائية شديدة التعقيد في الكائنات الحية، والذي يستمر حتى اليوم.
لذا فإن أساس العمليات التطورية هو التفاعلات الكيميائية التي تحدث داخل الخلايا وخارجها في البيئة.
وهذا يشكل خطرا على العمليات البيولوجية الحديثة، لأنه من خلال النشاط البشري، تكون البيئة مشبعة بمواد كيميائية نشطة للغاية. إنهم يشاركون في العمليات الكيميائية الحيوية على المستوى الخلوي الجزيئي ويسببون طفرات في الخلايا والأنسجة والكائنات الحية. في المراحل الأولى من ظهور الحياة، ساهم ذلك في تكوين تنوع الحياة في العمليات البيولوجية اللاحقة - العصور. ولكن في المرحلة الحالية من التطور، بسبب النشاط البشري، ظهر عدد كبير من المواد المختلفة - الكائنات الحية الغريبة، المسخية، المطفرة، التي تؤثر سلبا على العمليات التطورية.
العمليات التطورية الأولية الرئيسية التي حدثت على مدى ما يقرب من 4 مليارات سنة، موضحة في الرسم البياني (الشكل 4):
أرز. 4. مخطط العمليات التطورية الأولية
العصر الأول - أثري,أو Archean (gr. Archeo - الأولي، الأولي) - عصر الحياة القديمة - بدأ منذ حوالي 3500000000 سنة واستمر حوالي 2 مليار سنة. خلال هذا الوقت، إلى جانب تكوين القشرة الصلبة - الغلاف الصخري، نتيجة للتفاعلات الكيميائية - التطور الكيميائي، نشأت جزيئات البروتين الأولى، ثم الكائنات الحية البدائية - الفيروسات والبكتيريا والطحالب الخضراء المزرقة. وفي نهاية العصر، تمايزت الخلايا إلى نباتية وحيوانية، أي بدأت عمليات التباعد - اختلافات في الخصائص والخصائص.
وتكثفت هذه العملية في البروتيروزويك(gr. - بسيط) العصر - عصر الحياة البسيطة والبدائية، عندما بدأت الظروف تتشكل لخروج النباتات إلى الأرض. يظهر الأكسجين في الغلاف الجوي - 0.021٪ (نقطة كوري)، وبعد ذلك - 0.21٪ (نقطة باستور). واستمرت هذه العمليات ما يقرب من 900.000.000 سنة، وبلغت عصرين دهر خفي.
العصر القادم - دهر الحياة الظاهرةتشكل ثلاثة عصور، تدوم 600 مليون سنة. يبدأ بعصر الباليوزويك (gr. Paleo - قديم، قديم)، الذي استمر 350 مليون سنة. بدأ هذا العصر بـ "الانفجار البيولوجي" الذي نتج عنه ظهور الأسماك المدرعة والنباتات البرية - النباتات السيلولوجية. في نهاية العصر، منذ حوالي 400 مليون سنة، كان تركيز الأكسجين في الغلاف الجوي بالفعل أكثر من 2٪، وبالتالي بدأت شاشة الأوزون في التكون. بفضله، تستقر أشكال الحياة، وتقل الطفرات القاتلة وتنشأ الظروف للتطور النشط لأشكال الحياة الحيوانية - تظهر الحشرات والزواحف. بدأت الملامح الحديثة للقارات الحالية في التشكل.
وتنقسم هذه الفترة الطويلة من الزمن إلى ست فترات: العصر الكمبري (من الاسم القديم لمقاطعة ويلز الإنجليزية)، والذي استمر 70 مليون سنة؛ الأوردوفيشي(من اسم قبيلة سلتيك القديمة) - استمرت 70 مليون سنة؛ السيلوري(من اسم قبيلة سلتيك) - استمرت 30 مليون سنة؛ الديفوني(من اسم مقاطعة ديفونشاير في إنجلترا) - 60 مليون سنة؛ الكربوني (من اللاتينية - الفحم) - استمر 50 مليونًا والفترة البرمية - 70 مليون سنة.
التالي - العصر الرابع - الدهر الوسيط(gr. Meso - Medium)، أو عصر الحياة المتوسطة، الذي يتميز بالأشكال الانتقالية، أي تلك الموجودة على الكوكب في الوقت الحاضر. بدأ قبل 250 مليون سنة واستمر 160 مليون سنة، وتألف من ثلاث فترات: العصر الترياسي (مجموعة الترياسي - الثالوث)، والجوراسي (من اسم الجبال في أوروبا الغربية - يورسكا) والطباشيري.
يتميز هذا العصر بانتشار أشكال الحياة العملاقة - السرخس وعاريات البذور. في نهاية العصر، تتغير الظروف المناخية على الكوكب - يحدث التبريد العالمي، بحيث تفسح عاريات البذور المجال أمام كاسيات البذور، وتظهر الطيور الأولى.
استمر التطور الإضافي لجميع الكائنات الحية في عصر سينوزويك (gr. - المدقع، الحاضر)، أو عصر الحياة الحديثة. بدأ قبل 90 مليون سنة مثل العصر السابق، ويتكون من ثلاث فترات - باليوجين، نيوجيني، رباعي(حديث). وتستمر هذه الحقبة حتى يومنا هذا. ما إذا كان سيصبح "متطرفًا" أو "أخيرًا" بالنسبة للشخص سيعتمد عليه. ويتميز هذا العصر بانتشار كاسيات البذور على نطاق واسع، وحيوانات المشيمة، وخاصة الإنسان، والتي ظهرت في فترته الأخيرة.
أرز. 5. مخطط الانتقال من التطور الكيميائي إلى التطور البيولوجي
قد يطرح السؤال: كيف يتم تحديد الوقت الذي كانت توجد فيه بعض الكائنات الحية؟ بادئ ذي بدء، من خلال تحديد كمية المواد المشعة في المخلفات المختلفة. كلما انخفض تركيز العنصر المشع أو النظائر، كلما كان الاكتشاف أقدم - أصل نباتي أو حيواني. والأكثر استخدامًا هي ما يسمى بطرق الرصاص واليورانيوم والثوريوم أو البوتاسيوم والأرجون أو الروبيديوم والسترونتيوم. ويتميز كل عنصر ونظائره بنصف عمر محدد بوضوح - وهو الوقت الذي يتحلل خلاله نصف الكمية المتاحة من المادة المشعة. بناءً على محتوى النظائر، فإنها تتحلل بسرعة، وتحدد فترات زمنية قصيرة، وبمساعدة النظائر الموجودة لفترة طويلة، مثل اليورانيوم والثوريوم - فترات زمنية جيولوجية طويلة جدًا. تنعكس العمليات التطورية بشكل تخطيطي في الشكل. 5.
الجدول 3.تاريخ تطور الفكرة التطورية
|
أرسطو 384-322 قبل الميلاد ه. |
صيغ فرضية حول تطور الكائنات الحية من مادة غير حية وفكرة “مرحلة الطبيعة” فيما يتعلق بعالم الحيوان. |
|
العصور الوسطى 400-1400 فرك. |
لقد اعترفت النظريات بشكل أساسي بنظرية الخلق - الخلق الإلهي للحياة، أي الإنسان. |
|
جون راي 1627-1705 |
اقترح مفهوم الأنواع. |
|
بوفون (1707-1788) |
يعتقد أن الأنواع المختلفة من الحيوانات لها أصول مختلفة ونشأت في أوقات مختلفة. التعرف على تأثير البيئة ووراثة الخصائص المكتسبة. |
|
إيراسموس داروين (1731-1802) |
واقترح فرضية أن الحياة نشأت من "خيط" واحد من خلق الإنسان. |
|
جان بابتيست لامارك (1744-1829) |
وطرح فرضية وراثة الخصائص المكتسبة. |
|
جورج كوفييه (1769-1838) |
استخدمت إنجازات علم الحفريات. خلق نظرية "الكوارث" كأساس للتطور. |
|
تشارلز ليل (1797-1875) |
أظهرت التغيرات التدريجية في البقايا الأحفورية. |
|
تشارلز داروين (1809-1882) |
صاغ نظرية التطور نتيجة الانتقاء الطبيعي. |
|
دي فريس (1848-1935) |
اكتشف الطفرات واعتقد أن الأنواع تنشأ نتيجة الانتقاء الطبيعي. |
|
جريجور مندل (1822-1884) |
اكتشف قوانين الوراثة. |
|
توماس مورغان (1903) |
خلق نظرية الكروموسومات للوراثة. |
كيف نشأت الحياة وكيف تشكل الإنسان؟ لقد نشأت هذه الأسئلة منذ زمن طويل وكانت دائمًا موضع اهتمام العلماء والناس جميعًا منذ العصور القديمة. وهذا مهم للعلم الحديث لأن منطق التطور التدريجي يشهد على صحة تلك الأفكار والقوانين الأساسية التي تشكل أساس المعرفة.
بمساعدة المعرفة، يمكنك التأثير على تطور الأحداث الطبيعية، ولكن ضمن حدود معينة، دون انتهاك قوانين الطبيعة، وبالتالي عمليات التطور.
وهذا هو بالضبط ما تقوم عليه المنهجيات الفلسفية والإيكولوجية الحديثة للحفاظ على الحياة على الأرض؛ فهي الأساس لتكوين تفكير بيئي جديد. يتم عرض الأفكار التطورية الرئيسية في الجدول. 3.
لذلك، من ناحية، هناك نظرية صارمة للتطور، مبنية على الحقائق، ومن ناحية أخرى، هناك فرضية حول خلق الله لجميع الأشياء. في الوقت الحاضر، بغض النظر عن آراء الشخص، يجب عليه أن يتذكر أهميته في الطبيعة، ومشاركته في تطورها، والمسؤولية عن حالة الطبيعة. الآن، كما كتب ف أصبح فيرنادسكي والرجل نفسه والمجتمع بأكمله القوة الدافعة للتطور.
سؤال
1. ما هو التطور وما هي مراحله الرئيسية؟
2. وصف العصور الرئيسية وفترات التطور البيولوجي.
3. ما هي الأفكار التطورية الأساسية التي تعرفها؟
4. كيف يتم تحديد مدة العصور والدورات ووجود الكائنات الحية؟
5. كيف يمكن إثبات موثوقية الحقائق التطورية الموجودة؟
تطور المحيط الحيوي
يعود تاريخ الأرض إلى حوالي 4.6 مليار سنة. نشأت الحياة قبل 3.46 مليار سنة، في العصر الحجري القديم، وهو أقدم أشكال الحياة الموجودة في هذا العصر (بقايا البكتيريا المحفوظة جيدًا، القسم الغربي من استراليا). خلال هذا الوقت، نشأت ملايين عديدة من أنواع النباتات والحيوانات، ثم انقرضت؛ نمت أعلى سلاسل الجبال وتحولت إلى غبار. القارات الضخمة إما تنقسم إلى أجزاء وتنتشر في اتجاهات مختلفة، أو تصطدم ببعضها البعض لتشكل كتلًا أرضية عملاقة جديدة. كيف لنا أن نعرف كل هذا؟ والحقيقة هي أنه على الرغم من كل الكوارث والكوارث التي يزخر بها تاريخ كوكبنا، فمن المثير للدهشة أن الكثير من ماضيه المضطرب مطبوع في الصخور الموجودة اليوم، وفي الحفريات الموجودة فيها، وكذلك في الصخور الموجودة فيها. الكائنات الحية التي تعيش على الأرض اليوم. وبطبيعة الحال، هذه الوقائع غير مكتملة. لا نصادف سوى أجزاء منه، مع وجود فراغات كبيرة بينها، ويتم إسقاط فصول كاملة ذات أهمية بالغة لفهم ما حدث بالفعل من السرد. ومع ذلك، حتى في مثل هذا الشكل المقطوع، فإن تاريخ أرضنا ليس أقل شأنا من أي رواية بوليسية.
حتى قبل ملياري سنة مضت، كان السجل الأحفوري ممثلًا لذلك. وعلى هذا المستوى، تقريبًا جميع الأجناس والأنواع الرئيسية من البكتيريا الزرقاء موجودة بالفعل. على ما يبدو، ظلت المحيطات خالية من الأكسجين حتى ملياري سنة مضت، عندما تمايزت الأرض إلى نواة ووشاح وتوقف الحديد عن التدفق إلى المحيطات. في الغلاف الجوي، يبدو أن الأكسجين بدأ في التراكم في وقت سابق، حيث تشير البيانات الجيوكيميائية التي تم الحصول عليها إلى أن الأكسجين ظهر في الغلاف الجوي قبل 2.7-2.8 مليار سنة. من حيث المبدأ، يمكننا أن نتحدث عن ظهور البكتيريا الزرقاء قبل ثلاثة مليارات سنة، وربما 3.5 سنة، ولكن هنا السؤال ليس واضحا تماما.
قبل ملياري سنة، كانت الأرض مختلفة تمامًا عما نراه اليوم. تدفقت الأنهار الجامدة على طول القارات المسطحة، وكانت المحيطات ذات اللون البني الداكن مأهولة بعدد كبير من البكتيريا الخلوية، التي بنت الستروماتوليت في المياه الضحلة، وأطلقت الأكسجين وأشبعت الغلاف الجوي به. وكانت هناك أول كائنات حيوانية وحيدة الخلية احتشدت في هذا المخاط الأزرق والأخضر، حيث كان هناك نسبة عالية من الأكسجين.
كانت الأرض رتيبة، وعلى الأرجح، رمادية. حتى قبل ملياري سنة، كانت السماء مختلفة – بنية داكنة. ومنذ ملياري عام، بدأت السماء تتحول إلى اللون الأزرق، وتم تطهير المحيطات من الحديد، وبدأت أيضًا تشبه المحيطات الحديثة.
كان قلب الأرض يتقلص بسرعة. بسبب التفاعلات النووية واضمحلال العناصر المشعة، تم إطلاق الكثير من الحرارة في أحشاء الأرض لدرجة أن الصخور التي شكلتها ذابت. مواد أخف غنية بالسيليكون، وهو معدن يشبه الزجاج، وينفصل عن الحديد والنيكل الأكثر كثافة في باطن الأرض لتكوين القشرة الأولى. وبعد حوالي مليار سنة، عندما بردت الأرض بشكل ملحوظ، تصلبت قشرة الأرض وتحولت إلى قشرة خارجية صلبة لكوكبنا، مكونة من صخور صلبة. عندما بردت الأرض، قذفت العديد من الغازات المختلفة من باطنها. يحدث هذا عادة أثناء الانفجارات البركانية. معظم الغازات الخفيفة، مثل الهيدروجين أو الهيليوم، هربت إلى الفضاء الخارجي. ومع ذلك، كانت جاذبية الأرض قوية بما يكفي لإبقاء الغازات الأثقل بالقرب من سطحها. لقد شكلوا أساس الغلاف الجوي للأرض. وتكثف بعض بخار الماء من الغلاف الجوي، وظهرت المحيطات على الأرض. الآن أصبح كوكبنا جاهزًا تمامًا ليصبح مهد الحياة.
لقد كانت المادة الحية دائمًا، طوال العصور الجيولوجية، ولا تزال جزءًا لا يتجزأ من المحيط الحيوي، ومصدرًا للطاقة تلتقطها من الإشعاع الشمسي - وهي مادة في حالة نشطة لها تأثير كبير على مسار واتجاه العمليات الجيوكيميائية العناصر الكيميائية في جميع أنحاء القشرة الأرضية.
في آي فيرنادسكي
يرتبط تطور المركبات العضوية، مثل المادة الحية، ارتباطًا وثيقًا بالمياه.
وفقا لعدد من الباحثين، في المراحل الأولى من تطورها، لم تكن الحياة مرتبطة بالكائنات الحية الفردية، ولكن تم التعبير عنها في مادة حية واحدة. وفقًا لـ V. I. Vernadsky، يعود أصل الحياة إلى أصل المحيط الحيوي، والذي كان منذ البداية نظامًا معقدًا للتنظيم الذاتي. تنبع المجموعة الواسعة من الوظائف الجيوكيميائية للمادة الحية من حقيقة أن أي خلية، حتى الأكثر بدائية، الموجودة في بيئة بحرية مائية، لها اتصال وثيق بجميع العناصر الكيميائية في الجدول الدوري. وبطبيعة الحال، لم تختر هذه الكائنات البدائية جميع العناصر في عملية الحياة، ولكن في المقام الأول تلك التي تساعد على نموها وتحسين عدد من العمليات الفسيولوجية.
في هذا الصدد، أشار V. I. Vernadsky: "إن الاستنتاج حول الحاجة إلى وظائف جيوكيميائية متنوعة للغاية في وقت واحد في المحيط الحيوي لممثلي الحياة هو الشرط الرئيسي لظهورها. ومهما كان هذا المظهر، فإنه يجب ألا يتم تمثيله بمجموعة من الأنواع غير القابلة للتجزئة من نوع واحد، ولكن من خلال مجموعة من العديد من الأنواع، التي تنتمي شكليًا إلى فئات مختلفة من الكائنات الحية المنقسمة بشكل حاد، أو إلى شكل خاص افتراضيًا من المادة الحية، مختلف عن الشكل الخارجي. أنواع غير معروفة لنا. إن إمكانية التنفيذ الكامل لجميع الوظائف الجيوكيميائية للكائنات الحية في المحيط الحيوي بواسطة كائنات وحيدة الخلية تجعل من المحتمل أن يكون هذا هو أول ظهور للحياة...
وبالتالي، فإن الظهور الأول للحياة أثناء إنشاء المحيط الحيوي كان ينبغي أن يحدث ليس في شكل ظهور نوع ما من الكائنات الحية، ولكن في شكل إجمالي يتوافق مع الوظائف الجيوكيميائية للحياة. كان يجب أن تظهر التكاثرات الحيوية على الفور" (ص 87).
يمكن الافتراض أن التطور الكيميائي في السديم الكوني مع الدور المتزايد للتفاعلات التحفيزية يمكن أن يؤدي إلى تكوين الجزيئات الحمض النووي.ومع ذلك، تبين أن تنفيذ وظائفه ممكن فقط داخل الأرض، حيث، بناءً على تطور المادة الحية، تم تشكيل المحيط الحيوي المبكر كمزيج من الظروف المواتية للحياة من أنظمة الطاقة الحيوية والمادة الحية نفسها. وفي الأجسام المتبقية من النظام الشمسي، تبين أن التطور الكيميائي قد تم تجميده.
في الوقت الحالي، تم قبول التقسيم الواضح للكائنات الحية إلى ذاتية التغذية وغيرية التغذية وفقًا لطريقة التغذية. ومع ذلك، في المحيط الحيوي المبكر للأرض، كانت نسبة الكائنات غيرية التغذية والكائنات ذاتية التغذية مختلفة. ما هو بالضبط، لا نعرف بعد. الشيء الوحيد الذي يمكن افتراضه هو أن المحيط الحيوي ذاتية التغذية الضوئي، الذي لاحظته بيانات الكيمياء الجيوكيميائية النظائرية قبل 4 مليارات سنة، كان تكوينًا ثانويًا ونشأ على أساس محيط حيوي من نوع كيميائي حيوي مختلف.
في الواقع، أظهرت دراسة مفصلة لعملية التمثيل الضوئي أنها معقدة. لا يمكن أن تكون هذه العملية هي الأولى في تاريخ المادة الحية. لذلك، تبين أن جميع الفرضيات حول أولوية الكائنات ذاتية التغذية لا يمكن الدفاع عنها. في ضوء البيانات الحديثة، ظهرت فكرة حول أولوية الشكل المغاير لعملية التمثيل الغذائي في الكائنات الحية الأولية. يمكن تقديم الحجة التالية لتبرير أولوية التغذية غيرية التغذية.
1. جميع الكائنات الحية الحديثة لديها أنظمة تتكيف مع استخدام المواد العضوية الجاهزة كمواد البناء الأولية لعمليات التخليق الحيوي.
2. لا يمكن أن توجد الغالبية العظمى من أنواع الكائنات الحية في المحيط الحيوي الحديث للأرض إلا مع وجود إمدادات ثابتة من المواد العضوية الجاهزة.
3. في الكائنات غيرية التغذية لا توجد علامات أو بقايا بدائية لتلك المجمعات الإنزيمية المحددة والتفاعلات الكيميائية الحيوية الضرورية لطريقة التغذية الذاتية. الحجة الأخيرة هي الأكثر أهمية. وبالتالي، فإن الحجة المذكورة أعلاه تشير إلى الطبيعة الثانوية لحياة التمثيل الضوئي ذاتية التغذية في المحيط الحيوي لكوكبنا.
وبناء على ما سبق، يمكن أن نستنتج أن المحيط الحيوي الأولي لكوكبنا، أولا، كان مقتصرا على البيئة المائية، وثانيا، كان مشبعا بالكائنات غيرية التغذية التي تتغذى على المواد العضوية الذائبة في الماء، والتي نشأت سابقا بشكل رئيسي في الظروف الكونية الكيميائية . من المرجح أن مدة وجود مثل هذا المحيط الحيوي احتلت فترة قصيرة من الزمن الجيولوجي.
الكائنات غير المتجانسة الأولية، التي تمتلك خصائص المادة الحية، تضاعفت بسرعة، وبطبيعة الحال، استنفدت قاعدتها الغذائية بسرعة. لذلك، بعد أن وصلوا إلى الحد الأقصى للكتلة الحيوية، كان عليهم أن يموتوا أو يتحولوا إلى طريقة التغذية الضوئية ذاتية التغذية. ساهمت طريقة التغذية الجديدة هذه في الانتشار السريع للكائنات الحية بالقرب من سطح الخزانات الأولية. ومع ذلك، فإن السطح الأولي للأرض الوليدة، المحروم من الأكسجين الحر، تعرض للإشعاع بواسطة الأشعة فوق البنفسجية من الشمس. لذلك، اعترف G. Gaffron بأن الآليات الكيميائية الضوئية الأولية التي شاركت في التوليف المتسلسل للمواد العضوية، وفي وقت لاحق من الكائنات الحية، استخدمت في البداية الإشعاع في منطقة الأشعة فوق البنفسجية من الطيف. فقط بعد ظهور شاشة الأوزون بسبب ظهور الأكسجين الحر كمنتج ثانوي لنفس عملية التمثيل الضوئي، بدأت عملية التمثيل الضوئي ذاتية التغذية باستخدام الإشعاع في الجزء المرئي من الطيف الشمسي. وفقا لعالم الأحياء السوفيتي البارز M. M. Kamshilov، فإن الحياة، في جميع الاحتمالات، تطورت كدورة من المواد ذات التفاعل الوثيق بين الكائنات غير المتجانسة وذاتية التغذية. كان الإشعاع الشمسي هو عامل الطاقة الرئيسي للحياة، وكان ظهوره يتمثل في إنشاء عمليات استقلابية دائرية باستخدام فوتونات الضوء.
الكائنات الحية الدقيقة الأولية غير المتجانسة عاشت في المسطحات المائية القديمة لبعض الوقت فقط. ثم تم دفعهم جانبًا بواسطة الكائنات الضوئية ذاتية التغذية، التي خلقت أكسجينًا مجانيًا، والذي أصبح مدمرًا حقيقيًا للكائنات غيرية التغذية. يمكن الافتراض أنه في المحيط المبكر كان هناك صراع بين الكائنات الأولية والثانوية. الماء المخصب بكبريتيد الهيدروجين يحتوي على القليل من الأكسجين الحر. وقد دخل في عملية التخليق الكيميائي لبعض الكائنات الحية وامتصته المواد المعدنية غير المؤكسدة الموجودة في المحيط والغلاف الصخري الأولي. وكان الصراع من أجل البقاء بين كائنات العوالق التي تقوم بالتمثيل الضوئي في الجزء المضيء من البحر والكائنات الحية التي تمتص الأكسجين أثناء عملية التركيب الكيميائي وتحلل البقايا العضوية. أصبح هذا أحد الأسباب الرئيسية التي تحدد كمية الأكسجين الحر في المحيط الحيوي. انتهى هذا الصراع بانتصار الكائنات ذاتية التغذية الضوئية، والتي دفعت بشكل أساسي البكتيريا اللاهوائية إلى منطقة تكوين الطمي في أعماق البحار. بشكل عام، تطور وظائف الأكسدة حدث مع زيادة في احتمالية الأكسدة والاختزال.
حاليًا، استنادًا إلى بعض البيانات الجيوكيميائية، يمكننا استعادة تكوين الغلاف الجوي الأساسي والغلاف المائي كبيئة لأصل وتطور الحياة المبكرة. يعد الماء والغازات الجوية الأولية من بين المواد المتطايرة لكوكبنا، ومن الطبيعي أن يرتبط تاريخها بعملية واحدة لتفريغ الوشاح الأولي. إن عددًا من المكونات التي تشكل حاليًا الصخور الرسوبية والغلاف المائي والغلاف الجوي هي مواد متطايرة حقًا. إذا قارنا مقدارها في المجموعة الكاملة للصخور الرسوبية والغلاف المائي والغلاف الجوي مع الكمية التي يمكن إطلاقها أثناء التجوية ومعالجة الصخور النارية البلورية لقشرة الأرض، فسنجد فرقًا كبيرًا، والذي اقترح V. Rubi تسميته فائض من المواد المتطايرة.
إن زيادة المواد المتطايرة هي قيمة مثيرة للإعجاب، وفي المكونات الفردية، تتجاوز عشرات بل مئات المرات المواد المتطايرة الناتجة عن تجوية الصخور النارية الأساسية للغلاف الصخري. إن فائض الأبخرة المتطايرة هو H2O بمقدار 128 مرة، وثاني أكسيد الكربون بمقدار 83 مرة، والكلور بمقدار 60 مرة أكثر مما يمكن أن تنتجه القشرة الأرضية الأولية أثناء تدميرها المكثف الكامل. تكوين المواد المتطايرة الزائدة قريب للغاية من تكوين الغازات البركانية.
حتى لو نشأ ثاني أكسيد الكربون في البراكين النشطة بسبب التحلل الحراري للكربونات، ففي هذه الحالة تم استعارته من الغلاف الجوي السابق أثناء تكوين أقدم الصخور الرسوبية الكربونية.
حسب التوزيع، تتكون الغازات البركانية من H2O، CO2، N2. مع هذا التكوين للغلاف الجوي، فإن وجود المركبات العضوية، وخاصة حدوثها، غير مواتٍ من الناحية الديناميكية الحرارية: أي مركبات عضوية تتكون من H، C، N، O تكون أقل استقرارًا من المكونات الرئيسية للغلاف الجوي الأساسي المذكورة أعلاه.
أثناء تكوين الغلاف الجوي الأولي والمحيطات، كانت المواد العضوية المعقدة إلى حد ما الموجودة في الوشاح المبكر على اتصال وثيق بجزيئات السيليكات الصلبة، والتي يمكن أن تلعب لاحقًا دور المحفزات القوية في عملية تكوين مركبات متزايدة التعقيد.
وتشير البيانات المتعلقة بالغازات البركانية بوضوح تام إلى أن الثوران أطلق النيتروجين الجزيئي (N2)، ولكن ليس الأمونيا؛ لذلك، لم تكن الأمونيا أبدًا مكونًا رئيسيًا في الغلاف الجوي للأرض.
وقد لوحظ بالفعل أن فترة وجود المحيط الحيوي غير المتجانس كانت قصيرة للغاية، وبالتالي فإن احتياطيات المواد العضوية في الخزانات الأولية لا يمكن تجديدها بنفس الطريقة مثل احتياطيات الكائنات ذاتية التغذية. صحيح أنه يمكن الافتراض أن جثث الكائنات غير المتجانسة لا تزال تجدد باستمرار إمدادات المواد العضوية المغذية. وهكذا، كان هناك توازن بين الكائنات الحية المتغايرة وبقاياها المتحللة.
ومما سبق يمكننا أن نفترض أن مصدر المادة الحية والماء كان واحدا، أو بتعبير أدق، كان مصدر المواد المتطايرة على الأرض والمادة العضوية واحدا. كانت هذه هي الآفاق العليا للوشاح، والتي نشأت بشكل رئيسي بسبب تراكم المادة الأولية مثل الكوندريتات الكربونية. وفي الوقت نفسه، لا يمكن للمرء ببساطة تحديد مادة الوشاح العلوي الأساسي للأرض مع مادة الكوندريت الكربونية. لا يمكننا التحدث إلا عن نظائرها القريبة، لأن تكوين المناطق الفردية للسديم الشمسي الأولي يعتمد على مسافة مركز الشمس.
يمكن إعادة بناء الغلاف الجوي الأساسي للأرض، الذي ارتبطت به الحياة المبكرة بطريقة أو بأخرى، من خلال مقارنته بالغلاف الجوي للكواكب الأرضية الأخرى، مثل الزهرة أو المريخ. مع ظهور عملية التمثيل الضوئي والأكسجين الحر، تغير الغلاف الجوي الأصلي للأرض بشكل جذري.
يسمح لنا المستوى الحالي لمعرفتنا بقبول الافتراض القائل بأن التطور الكيميائي في السديم الكوكبي الأولي مع الدور المتزايد للتفاعلات التحفيزية والكيميائية الإشعاعية في المراحل النهائية من التبريد يمكن أن يؤدي ليس فقط إلى تكوين مركبات عضوية معقدة، والتي هي حقيقة ثابتة حقا، ولكن أيضا لظهور جزيئات الحمض النووي.
ينبغي التأكيد على أحد الظروف المهمة: لقد اتخذ التطور البيولوجي للمحيط الحيوي الناشئ مسارًا لا رجعة فيه، من البسيط إلى المعقد. وقد لاحظ هذا الظرف في عام 1893 من قبل عالم الحفريات البلجيكي البارز L. دولو (1857-1931)، الذي صاغ قانون لا رجعة فيه التطور. ووفقا لهذا القانون، لا يمكن للجسد أن يعود، جزئيا على الأقل، إلى الحالة التي كانت مميزة لأسلافه. علاوة على ذلك، في إشارة إلى تشارلز داروين، أشار إلى أن التحول التطوري للكائنات الحية يحدث نتيجة للتوحيد تحت تأثير الانتقاء الطبيعي الناجم عن النضال من أجل وجود اختلافات فردية مفيدة. جميع أنواع النباتات والحيوانات منذ ظهورها على الأرض تدين بأصلها لهذا القانون الأساسي.
إن عدم رجعة التطور البيولوجي يفترض بطبيعة الحال أن عملية ظهور المادة الحية والمحيط الحيوي قد حدثت في ظل ظروف لا رجعة فيها. يمكن اعتبار العملية الأكثر شيوعًا التي لا رجعة فيها نشاطًا إشعاعيًا. وقد تمت الإشارة بالفعل إلى دورها المحتمل في تركيب المواد العضوية. النشاط الإشعاعي هو الخاصية العامة والأكثر عمقًا للمادة، وهو انعكاس لعمليات تكوين النويدات عشية تكوين النظام الشمسي. خلق النشاط الإشعاعي الخلفية الإشعاعية الطبيعية التي حدث فيها التطور الكيميائي في الفضاء وعلى الأرض المبكرة. في عام 1926، ثبت أنه عند تشعيع الميثان، تحدث بلمرة الهيدروكربونات مع تكوين جزيئات متعددة الذرات متزايدة التعقيد.
إن دور النشاط الإشعاعي في تطور الحياة على الأرض هو مشكلة لم نبدأ في التعامل معها إلا مؤخرًا. لقد انخفضت تأثيرات النشاط الإشعاعي على الكائنات الحية مع مرور الوقت الجيولوجي. في هذه الحالة، يجب أن ننطلق من حقيقة أن الطحالب والبكتيريا المنظمة ببساطة تتحمل جرعات أعلى بكثير من الإشعاع مقارنة بالأشكال شديدة التنظيم من الحيوانات والنباتات. من هذا يمكننا أن نفترض أن انخفاض الحساسية للنشاط الإشعاعي لأشكال الحياة البسيطة يرتبط بظهورها في العصور الأولى لتطور المحيط الحيوي، عندما كان النشاط الإشعاعي للبيئة أعلى مما هو عليه اليوم.
كان الحدث الرئيسي خلال نشأة الكائنات الحية الأولى هو تكوين جزيئات الحمض النووي الحلزونية، والتي يمكن أن تكون عملية سريعة نسبيًا في ظل ظروف وفرة المواد العضوية. ومع ذلك، على ما يبدو، لم تنشأ كائن حي واحد فقط، ولكن المادة الحية. وبعد ذلك بكثير تم تقسيمها إلى أشكال كروية فردية، والتي أصبحت أسلاف الكائنات الحية.
إضافي الخامسحدثت عمليات التعقيد في المادة الحية. لقد حدث تغير نوعي في تطور المادة الحية، ارتبط بدقة تكاثر الأحماض النووية كعملية ترميز لتخليق البروتينات، التي تتفوق بشكل كبير على المركبات العضوية الأخرى في خصائصها التحفيزية الحيوية.
خلال عملية التكاثر، احتلت الكائنات الحية الجديدة كل المساحة المناسبة للحياة، وهو شرط مهم لاستكمال تكوين المحيط الحيوي ككل. طرح V. I Vernadsky مبدأ ثبات الكتلة الحيوية للمادة الحية، وتوسيعه ليشمل تاريخ الكوكب بأكمله. وكان هذا المبدأ ولا يزال تعميماً علمياً عميقاً. ومع ذلك، ينبغي التأكيد على أنها ذات أهمية نسبية. إن أعظم توتر في الحياة، والذي يتم التعبير عنه في المعدلات العالية لتكاثر أصغر الكائنات الحية، يؤدي إلى توازن كوكبي بين الإنتاج الطبيعي للمادة الحية وتحللها. لذلك، أصبح من الأصح الآن الحديث عن الاتجاه العلماني نحو تحديد ثبات الكتلة الحيوية خلال فترات زمنية جيولوجية معينة، وربما حتى مهمة.
وفقًا لعلم الأحياء الجزيئي، تم تمثيل الميكروبات القديمة بكائنات غيرية التغذية تكاثرت في بيئة ذات مغذيات عضوية ومعدنية وفيرة. وشملت هذه العناصر الغذائية على الأقل الريبوز، والديوكسيريبوز، والفوسفات، والبيورينات وسلائفها، والبيريميدين، ومجموعة متنوعة من الأحماض الأمينية البروتينية وغير البروتينية. في المراحل الأولى من تطور الأرض، ربما كانت فوسفات الصوديوم والبوتاسيوم والكالسيوم موجودة بكميات كافية كناتج لتجوية الصخور الأولى. بالإضافة إلى ذلك، يمكن استخدام العديد من المركبات غير المعروفة أو غير المحددة، بما في ذلك بعض البوليمرات الطويلة الراتنجية، كغذاء.
تميزت الكائنات الحية الأولى بعملية التحول الأنزيمي للمواد العضوية - التخمير، حيث كانت المواد العضوية الأخرى متقبلة للإلكترون. إن تنفيذ مثل هذه التحولات في عملية التمثيل الغذائي الوسيط في جميع الكائنات الحية تقريبًا هو بمثابة حجة لصالح قدم هذه العمليات.
في المحيط الحيوي غير المتجانس المبكر للأرض، ظهرت قريبًا كائنات حية قادرة على امتصاص ثاني أكسيد الكربون باستخدام طاقة الأشعة الشمسية. وفقًا لـ L. Margelis، فإن التثبيت الحيوي لثاني أكسيد الكربون، المتوفر بكثرة في الغلاف الجوي الأساسي للأرض، حدث بثلاث طرق.
كان التثبيت الأول والأكثر بدائية مميزًا لمجموعة كبيرة من الكائنات الحية الدقيقة التي لم تكن حساسة للضوء المرئي. والثاني نشأ بمشاركة كربوكسيلاز فوسفونول بيروفيت ، والذي لوحظ في البكتيريا الضوئية اللاهوائية. تم إجراء التثبيت الثالث لثاني أكسيد الكربون بمشاركة بيوفوسفات الريبيلوز - كربوكسيلاز. وهو متأصل في العديد من الكائنات الهوائية وهو نموذجي لمعظم عمليات التمثيل الضوئي والتغذية الكيميائية. تم تطوير تثبيت النيتروجين في الغلاف الجوي في وقت واحد تقريبًا. هذه عملية لاهوائية تستهلك الطاقة وتوجد فقط في بدائيات النوى.
تشكلت أنظمة الصباغ الضوئي في بدائيات النوى حتى قبل أن تصبح الأخيرة بلاستيدات حقيقية النواة نتيجة للتكافل. يمكن الافتراض أن عملية التمثيل الضوئي مع إطلاق الأكسجين الحر لم تنشأ في البداية في النباتات الخضراء، ولكن في البكتيريا الضوئية والطحالب الخضراء المزرقة التي تفرزها.
يمكن اعتبار تطور المحيط الحيوي للأرض بمثابة تغيير متتابع من ثلاث مراحل. بدأت المرحلة الأولى - الترميم - في الظروف الفضائية وانتهت على الأرض بظهور محيط حيوي غير متجانس. تتميز المرحلة الأولى بظهور اللاهوائيات الكروية الصغيرة. لا توجد سوى آثار للأكسجين الحر. كان الوضع المبكر لعملية التمثيل الضوئي لاهوائيًا في الأساس. تطور تثبيت النيتروجين عندما اخترقت بعض الأشعة فوق البنفسجية الغلاف الجوي وتحللت الأمونيا الموجودة بسرعة.
المرحلة الثانية - ضعيفة الأكسدة - تتميز بظهور عملية التمثيل الضوئي. واستمر حتى اكتمال الترسيب وتراكم التكوينات الحديدية ذات النطاقات في عصر ما قبل الكمبري. بدأ التمثيل الضوئي الهوائي مع أسلاف البكتيريا الزرقاء. تم إنتاج الأكسجين عن طريق الكائنات الحية التي تقوم ببناء الستروماتوليت . لكن الأكسجين تراكم قليلا في الغلاف الجوي، لأنه تفاعل مع الحديد المذاب في الماء. في هذه الحالة، ترسبت أكاسيد الحديد، لتشكل تشكيلات حديدية ذات نطاقات من عصر ما قبل الكمبري. فقط عندما أصبح المحيط خاليًا من الحديد والمعادن المتعددة التكافؤ الأخرى، بدأت تركيزات الأكسجين في الزيادة نحو المستويات الحديثة.
تتميز المرحلة الثالثة بتطور المحيط الحيوي المؤكسد الضوئي. بدأ الأمر مع الانتهاء من ترسيب الكوارتزيتات الحديدية ذات النطاقات منذ حوالي 1800 مليون سنة، أثناء تكون الجبال الكاريليانية-السفيكوفينية. تتميز هذه المرحلة من تطور المحيط الحيوي بوجود كمية من الأكسجين الحر تكفي لظهور وتطور الحيوانات التي تستهلكه أثناء التنفس.
تم تسجيل المرحلتين الأخيرتين في تطور المحيط الحيوي في السجل الحجري للتاريخ الجيولوجي. المرحلة الأولى هي الأكثر بعدا وغموضا، ويرتبط فك رموز تاريخها بحل المشاكل الرئيسية للكيمياء الكونية العضوية.
بعض الكائنات الحية في عصر ما قبل الكمبري المبكر، مثل الطحالب الخضراء المزرقة والبكتيريا الزرقاء، لم تتغير إلا قليلاً على مدار التاريخ الجيولوجي. يمكن الافتراض أن أبسط الكائنات الحية كانت تتمتع بالثبات الأكثر استقرارًا (من اللاتينية "استمر" - "أنا أستمر"). في الأساس، طوال تاريخ الأرض، لم يكن هناك سبب لتغير الكثير من الكائنات الحية الدقيقة البحرية، وخاصة الطحالب الخضراء المزرقة والبكتيريا.