Riigieksamite küsimused
Distsipliin "Ökoloogia"
Küsimus: Biosfääri evolutsioon. Evolutsiooniseadused V.I. Vernadski. Noosfääri õpetus
Kontseptsioon, põhietapid
Biosfääri areng on elu ajalugu Maal. Meie Maa tekkis teadlaste sõnul umbes 5 miljardit aastat tagasi. Selle aja jooksul on ta palju muutunud ja oma ajaloos muutunud kuumast massist atmosfääriga kaitstud planeediks, millel on vesi ja kus elab erinevaid eluvorme, see tähendab biosfääri.
Biosfääri arengul on peamised etapid või ajastud: arheoikum, proterosoikum, paleosoikum, mesosoikum ja kanosoikum. Katarhea, mis tähendab iidsest madalamat või varasemat, planeedi eksisteerimise etappi, on oluline ainult planeedi ajaloo jaoks, kuna sel perioodil Maal veel elu ei olnud, see ilmus hiljem - Arheaanis või iidne.
Arhea ajastu algab esimeste elusrakkude ilmumisega. "Biosfääri evolutsiooni" loo selles etapis küsib uudishimulik inimene: "Kust nad tulid? Ja miks see järsku on? Sellised küsimused tekivad kogu selle teema kajastamise ajal. Aga jätkame.
Ajaperioodid ja ajastud
Esimesi elusrakke nimetati prokarüootideks, see tähendab rakkudeks, millel ei ole membraaniga seotud tuumasid. Need olid kõige lihtsamad organismid, mis suutsid kiiresti paljuneda. Nad elasid ilma hapnikuta ega suutnud anorgaanilisest ainest orgaanilist ainet sünteesida. Nad kohanesid keskkonnaga kergesti ja sõid seda. Sõnastatud Redi põhimõte ütleb, et sel ajal ilmub elava ja elutu vahel ületamatu piir, kuigi nad suhtlevad. Elus asjad tulevad ainult elusast. Jälle küsimus: „Kui elusolend tuli elusolenditest ega suutnud elutuid asju seedida, siis mida nad sõid? Kas nad on tõesti enda moodi?
Järgmiseks on teadlaste sõnul nende rakkude toitainekeskkond ammendunud ning nad muutuvad ja hakkavad eksisteerima päikeseenergia arvelt ning toodavad ise eluks vajalikke aineid. Seda protsessi nimetatakse "fotosünteesiks". See on biosfääri evolutsiooni peamine tegur. Sellest hetkest algab Maa atmosfääri moodustumine ja hapnik muutub elusorganismide olemasolu peamiseks tingimuseks. Osoonikiht tekib järk-järgult ning õhu hapnikusisaldus ulatub täna tavapärase 21%-ni. See tähendab, et kuni kaitsekihi moodustumiseni oli elusorganismide stabiilsus selline, mis võimaldas neil selles keskkonnas eksisteerida. Milleks siis seda muuta? Või oli hapnik elu kõrvalmõju ehk selle raiskamine?
Nii jätkub evolutsioon umbes 2 miljardit aastat. Ja proterosoikumis, see tähendab 1,8 miljardit aastat tagasi, ilmusid elusorganismid koos rakkudega, milles tuum oli selgelt väljendunud. Veel 800 miljoni aasta pärast jagunesid need organismid, mida nimetatakse eukarüootideks, taime- ja loomarakkudeks. Taimed jätkasid fotosünteesi funktsiooni ja loomad hakkasid liikuma "õppima".
900 miljonit aastat tagasi algas seksuaalse paljunemise ajastu. See toob kaasa liikide mitmekesisuse ja parema kohanemisvõime keskkonnatingimustega. Evolutsiooniprotsess kiireneb.
Möödub umbes 100 miljonit aastat ja teadlaste sõnul ilmuvad esimesed mitmerakulised organismid. Huvitav, kuidas ainuraksed organismid enne seda erinesid? Mitmerakulised organismid arendavad elundeid ja kudesid.
Algab paleosoikum ja selle esimene etapp on Kambrium. Kambriumi perioodil ilmusid peaaegu kõik loomad, kaasa arvatud need, mis on tänapäeval olemas. Need on: molluskid, koorikloomad, okasnahksed, käsnad, arheotsüüdid, käsijalgsed ja trilobiidid.
500 miljonit aastat tagasi ilmusid suurkiskjad ja väikesed selgroogsed. Veel 90 miljoni aasta pärast hakkavad nad maad asustama. Elusorganisme, mis võivad eksisteerida maal ja vees, nimetatakse kopsukaladeks. Neist tulid kahepaiksed ja maismaaloomad. Need on iidsed roomajad, sarnased tänapäevaste sisalikega. Ilmuvad esimesed putukad. Möödub veel 110 miljonit aastat ja putukad on õppinud lendama.
Mesosoikum. 230 miljonit aastat tagasi. Evolutsioon jätkub. Taimedel arenevad juured, varred ja lehed. Moodustub süsteem, mis varustab taime vee ja toitainetega. Samuti muutuvad paljunemismeetodid. Eosed ja seemned muutuvad selleks otstarbeks kõige sobivamaks maismaal. Algab töötlemata orgaaniliste jäätmete ladestamine. Koos kivisöe ladestustega hakkab eralduma täiendav hapnik.
Paleosoikumsel ajastul, eriti devoni ja karboni perioodidel, ületas taimede elutase oluliselt senist taset. Metsad olid puulaadsete lükofüütide, hiiglaslike korte ja mitmesuguste sõnajalgade tihnikud. Fauna järgib seemnete täiustamise teed. Maaomanikeks on sel perioodil roomajad, kes liiguvad veest aina kaugemale. Ilmuvad ujumine, lendamine ja maal liikumine. Nad on lihasööjad ja taimtoidulised.
195 miljonit aastat tagasi - esimesed linnud ja imetajad. Need on: pteranodon, plesiosaurus, mesosaurus, brontosaurus, triceratops ja teised.
Tsenosoikum. 67 miljonit aastat tagasi. Imetajate, lindude, putukate ja taimede maailm on tohutu. Eelmisel perioodil esines olulisi külmahooge, mis muutis taimede paljunemisprotsessi. Angiospermid said kasu.
8 miljonit aastat tagasi – tänapäevaste olendite ja primaatide kujunemise periood.
Kuigi evolutsiooniprotsess kestis peaaegu 4 miljardit aastat, eksisteerivad rakueelsed elusorganismid ka tänapäeval. Need on viirused ja faagid. See tähendab, et mõned rakueelsed arenesid inimesteks, teised aga jäid samaks.
Tänapäeval on loomastikus umbes 1,2 miljonit liiki ja taimestikus umbes 0,5 miljonit liiki.
Nagu näeme, iseloomustab iga ajastut taimestiku ja loomastiku originaalsus. Pealegi ei liigu liigid reeglina ühest ajastust teise. Sarnasusi on vaid üksikuid. Kas neid võib pidada pärandiks või on need täiesti erinevad eluvormid? Kuidas muutus üks liik teiseks ja miks? Paleontoloogial ei ole tõendeid, see tähendab üleminekuvormide jäänuseid, ja need peavad tingimata esinema evolutsiooniliste muutuste ajal. Igal juhul on need laialt tundmatud.
Paleontoloogia
Teadlased väidavad, et evolutsiooniprotsessis toimus olulisi arenguseisakuid. Mis on selle uus ajastu – sotsiaalse revolutsiooni ajastu?
Biosfääri arengus määratletakse bioloogilist evolutsiooni kui eluslooduse arenguprotsessi, mis toimub looduslikult. Samal ajal muutuvad ja transformeeruvad nii üksikud ökosüsteemid kui ka biosfäär tervikuna. Selle tõendiks peetakse minevikus eksisteerinud loomade ja taimede jäänuseid ning nende elutegevuse jälgi, mis leiti väljakaevamistel. Paleontoloogia teadus tegeleb selliste fossiilsete jäänuste ja jälgede avastamise ja uurimisega. Samuti üritab see taastada või rekonstrueerida mineviku elusorganismide välimust, toitumisharjumusi, käitumist ja paljunemist.
Iidsetest aegadest peale on inimene taht-tahtmata kohanud iidsete loomade ja taimede jäänuseid. Sellest annavad tunnistust iidsete autorite ülestähendused: Xenophon, Herodotos, Aristoteles. Renessansiajastu teadlased: Leonardo da Vinci, Giorgi Agricola, Girolamo Fracastoro. 19. sajandil olid need muidugi Charles Darwin, paleontoloogia rajaja Georges Cuvier ning 20. sajandil Vladimir Kovalevski, Teilhard de Chardin ja V.I. Vernadski.
Evolutsiooni uus etapp
See oli V.I. Vernadsky toetab Chardini antud mõistet "noosfäär", see tähendab intelligentne sfäär, ning arendab ja põhjendab seda kontseptsiooni teaduslikult. Ta teeb kindlaks biosfääri evolutsiooni etapid. Neid on kolm: elu tekkimine ja esmane biosfäär, milles domineerivad keemilised reaktsioonid ja kliimamuutused. Järgmine etapp, teine etapp, on uute ja mitmekesiste ühe- ja mitmerakuliste organismide tekkimine. Bioloogiline evolutsioon on siin võtmetähtsusega. . Ja kolmas etapp on inimese ja ühiskonna tekkimine, mis hakkab mõjutama biosfääri omal moel ja oma huvides, muutes selle noosfääriks või biosfääri uueks evolutsiooniliseks seisundiks.
Elu meie planeedil tekkis umbes 3,5 miljardit aastat tagasi ja lühidalt oli biosfääri areng järgmine: elu tekkimine ning selle vormide ja tüüpide pidev muutumise protsess kuni tänapäevani. Millised uued liigid ja eluvormid tekkisid pärast seda, kui inimene hakkas evolutsiooni sekkuma? Vastupidi, liikide arv ja nende liikide esindajate arv hakkas järk-järgult vähenema. Ja need on sellised, et biosfääri uus evolutsiooniline seisund on selle viimane etapp. Inimene kasutab ainult seda, mis on loodud enne teda. Lihtsalt selle kasutamise määr muutub teaduse ja tehnoloogia arenguga aina sügavamaks. Inimese ainsaks saavutuseks võib pidada katseid laiendada oma kohalolekut Maast ja selle biosfäärist kaugemale.
Vastamata küsimused
Muutused toimuvad mingite tekkinud tegurite mõjul ja ei lase süsteemil eksisteerida talle tuttaval ja mugaval viisil. Mis need tegurid olid? Miks meie ajale lähenedes kiireneb uute vormide ja liikide tekkeprotsess ning meie ajastu algusega hakkab liikide mitmekesisus ja nende arvukus vähenema?
Kuidas nimetavad inimesed, kes ikka veel ei suuda määrata Torino surilina, kus jutt käib tuhandest aastast, vanust, lihtsalt ja enesekindlalt ajastuid ja nende miljonite aastate pikkuseid ajavahemikke? Kuidas saab inimene, kes seda elutegemist propageerib, pärast tööd kirikusse, pöördub religiooni poole ja palvetab? Kirik ju kinnitab asjade teistsugust päritolu. Kellelt me tulime? Kas viirusest ja ahvist või oli see Jumala ettehooldus? Kellelgi pole usaldusväärseid tõendeid. Biosfäär läbis oma ajaloos evolutsiooni, st kas eksisteeris põhjus-tagajärg seos, mis määras ülemineku ühest etapist teise, või lõpetas üks biosüsteem oma olemasolu ja asendus teisega, mis ei olnud eelmisega üldse seotud ?
Biosfääri evolutsioon
Teaduse ja tehnoloogia progressi ajastul omandavad teadmised eluprotsessidest Maal tervikuna erilise tähtsuse. Elusorganismidel on neis protsessides oluline roll. Miljardite aastate jooksul, mis on möödunud meie planeedi tekkest, täitsid nad atmosfääri hapniku ja lämmastikuga, puhastasid selle süsinikdioksiidist ning moodustasid lubjakivi, nafta ja maagaasi ladestusi. Evolutsiooni käigus moodustus Maal spetsiaalne kest - biosfäär (kreeka bios “elu”). Mõistet "biosfäär" kasutas esmakordselt 1875. aastal Austria geoloog E. Suess. Biosfääri all mõistetakse kõigi elusorganismide kogumit koos nende elupaigaga, kuhu kuuluvad: vesi, atmosfääri alumine osa ja maakoore ülemine osa, kus elavad mikroorganismid.
Joonis 1. Üldvaade biosfäärist
Biosfääri kaks peamist komponenti – elusorganismid ja nende elupaik – suhtlevad üksteisega pidevalt ning on tihedas orgaanilises ühtsuses, moodustades tervikliku dünaamilise süsteemi. Biosfäär kui globaalne supersüsteem koosneb omakorda mitmest allsüsteemist. Üksikud elusorganismid ei eksisteeri isoleeritult. Oma elutegevuse käigus on nad ühendatud erinevatesse süsteemidesse (kogukondadesse), näiteks populatsioonis.
Evolutsiooni käigus moodustub veel üks, kvalitatiivselt uus elusüsteemide tasand, nn biotsenoosid - taimede, loomade ja mikroorganismide kogum kohalikus elupaigas. Elu areng toob järk-järgult kaasa kasvu ja süveneva diferentseerumise biosfääri sees. Koos ümbritseva elupaigaga, vahetades sellega ainet ja energiat, moodustavad biotsenoosid uusi süsteeme – biogeotsenoosisid ehk, nagu neid ka nimetatakse, ökosüsteeme. Need võivad olla erineva ulatusega: meri, järv, mets, metsatukk jne. Biogeocenoos on biosfääri loomulik mudel miniatuursel kujul, mis hõlmab kõiki biootilise tsükli lülisid: alates rohelistest taimedest, mis loovad orgaanilist ainet, kuni nende tarbijateni, mis lõpuks muunduvad. see uuesti mineraalseteks elementideks. Teisisõnu on biogeocenoos biosfääri elementaarne rakk. Seega koos moodustavad kõik elusorganismid ja ökosüsteemid supersüsteemi – biosfääri.
Biosfääri evolutsioon. Vernadski doktriin biosfäärist
Biosfääri tekkeaja osas on erinevaid seisukohti. Neist ühe järgi (V.I. Vernadsky kontseptsioon) tekkis biosfäär planeedi Maa kõige varasemas arengujärgus ja selle vanus on Maa vanusele lähedane (umbes 4,6 miljardit aastat). Vernadski sõnul võttis üleminek elutult ainelt elusaine lihtsaimatele vormidele (geoloogilises skaalas) ebaolulise aja - mitte rohkem kui 200 aastat. Biosfääri iseloomulikud tunnused Vernadski kontseptsiooni raames on järgmised:
1. Biosfäär tekkis kohe biogeotsenooside kogumina. Elusaine tekkis keeruliste elusorganismide kogumina.
2. Primaarsed organismid on võimelised tagama kõiki Maa kestades toimuvaid põhiprotsesse (biokeemilisi, bioloogilisi).
3. Elusorganismid tagavad keemiliste elementide rände maakoores.
Teise vaatenurga järgi tekkis biosfäär Maa arengu teatud etapis. Kõigepealt oli eelkestade staadium, seejärel moodustusid peamised maakerad ja alles siis tekkis biosfäär.
Vernadski järgi määrab inimese ilmumine ja olemasolu biosfääris tema arengu kõrgeima astme. Juba inimese välimus kujutab endast üleminekut elusorganismide lihtsalt bioloogiliselt kohanemiselt intelligentsele käitumisele ja keskkonna sihipärasele muutmisele intelligentsete olendite poolt.Planeedi elusaine kohandub aktiivselt uute looduses eksisteerimise tingimustega. Looduse äkiline ühine mõju inimesele ja inimesele on looduse poolt ning inimene vastutab nüüd elu arengu eest.
Biosfääri mõistel on kaks peamist määratlust, millest üks on tuntud alates selle mõiste ilmumisest teaduses. See on arusaam biosfäärist kui kõigi Maa elusorganismide tervikust. Muldade õpetuse looja Dokutšajevi õpilane V.I. Vernadsky, kes uuris elusate ja elutute süsteemide vastasmõju, esitas elusate ja elutute asjade lahutamatu seose põhimõtte, mõeldes ümber biosfääri kontseptsiooni. Ta mõistis biosfääri elavate ja elutute asjade ühtsuse sfäärina.
See tõlgendus määras Vernadski nägemuse elu tekke probleemist Maal.
Kaaluti järgmisi võimalusi:
1) elu tekkis enne Maa teket ja toodi sinna;
2) elu algas pärast Maa teket;
3) elu sai alguse koos Maa tekkimisega.
Vernadski järgis viimast neist seisukohtadest ja uskus, et puuduvad veenvad teaduslikud tõendid selle kohta, et meie planeedil oleks elu kunagi eksisteerinud. Teisisõnu, biosfäär on alati olnud Maal.
Biosfäär (kreeka keeles bios – elu, sphaira – pall) on Maa kest, mis on asustatud elusorganismidega ja mille nad on muundatud. Biosfäär on tihedalt seotud kõigi teiste maakera kihtidega ja on ennekõike biogeokeemilise tsükli tagajärg, mille annab päikeseenergia. Biosfääris moodustavad organismid ja nende elupaik pikaajalise üksteisega suhtlemise tõttu tervikliku süsteemi, mis on dünaamilises tasakaalus.
Vernadski sõnul sisaldab biosfäär järgmisi komponente.
1. Organismide kogumi poolt moodustatud elusaine.
2. Biogeenne aine, mis tekib organismide elutegevuse käigus (atmosfäärigaasid, kivisüsi, nafta, lubjakivi jne).
3. Inertne aine, mis tekib ilma elusorganismide osaluseta (maakoore liikumise, vulkaanide, meteoriitide tegevuse tulemusena).
4. Bioinertne aine, mis on organismide elutegevuse ja mittebioloogiliste protsesside (muld) ühistulemus.
Vernadsky sõnastas biosfääri kui terviku organiseerimise aluspõhimõtted. Need on kaks biogeokeemilist põhimõtet.
1. Biosfääri elusaine geokeemiline energia (sh inimene kui kõrgeim intelligentsusega olend) püüdleb maksimaalse avaldumise poole.
2. Elusorganismide liikide evolutsiooni käigus jäävad ellu organismid, mis oma elutegevuse kaudu maksimeerivad biogeenset geokeemilist energiat.
Joonis 5. Fragment biosfääri elusaine evolutsioonist
Vernadski tegi hinnanguid elusaine hulga kohta biosfääris, mille alusel sõnastas järgmise põhimõtte: läbi Maa ajaloo oli elusaine hulk biosfääris praktiliselt konstantne. Praegu on inimene oma tasakaalu biosfääriga rikkunud. Kuni inimeste (ja suurte loomade) biosfääritoodete tarbimine ei ületanud 1% nende koguhulgast, oli biosfäär dünaamilises tasakaalus teiste maiste kestadega. Kaasaegsed inimesed tarbivad oma vajaduste rahuldamiseks üle 7%. biosfääri saadused ja häirib oluliselt selle loomulikku tasakaalu. Näiteks on juba muutunud süsinikuvarude suhe atmosfääris ja maismaal, erinevus orgaaniliste ainete sünteesi ja lagunemise vahel on muutunud sadu kordi suuremaks, kui see algselt oli.
Biosfäär ei tule enam oma stabiliseerimisfunktsiooniga toime ja peagi peab inimkond selle funktsiooni enda kanda võtma. Lõpuks, kui kogu elu ja keskkonna süsteem hakkab olema inimese kontrolli all, muutub biosfäär noosfääriks. Kuid siis läheb suurem osa energia- ja tööjõukuludest keskkonna stabiliseerimiseks (mõnede hinnangute kohaselt üle 99%). Tsivilisatsiooni ülalpidamiseks ja arendamiseks jääb vaid mõni protsent (või isegi alla 1%). Uurides enda loodud biogeokeemiat, mis uurib keemiliste elementide levikut planeedi pinnal, jõudis Vernadski järeldusele, et perioodilisuse tabeli elementi, mis elusaine hulka ei kuuluks, pole praktiliselt olemas. Vernadski rõhutas ka energia tähtsust ja nimetas elusorganisme energia muundamise mehhanismideks.
V.I. teoreetiliste ideede üksikasjalik põhjendus. Vernadski ja A.L. Tšiževski võetakse täna vastu. Niisiis, meie kosmonautika uurimine:
1. Need võimaldasid avastada arvukalt uusi andmeid maapealsete ja kosmiliste protsesside seoste kohta.
2. Mõjutanud radikaalselt astrofüüsikaliste ja astronoomiliste vaatluste ja avastuste teostamise viise.
3. Need viisid astrofüüsikas omamoodi teadusliku revolutsioonini.
Nii näiteks 60ndatel. Avastati kvasarid – tohutu kiirgusenergiatasemega kosmilised objektid (need kiirgavad kümneid kordi rohkem energiat kui võimsaimad galaktikad), aga ka selliseid kosmilisi nähtusi nagu supernoova plahvatused. Kaasaegsete astrofüüsikaliste kontseptsioonide kohaselt on supernoovade kiirgus galaktika peamine kosmiliste kiirte allikas. Neil võib olla mõju, kuna supernoovadest lähtuv röntgenikiirgus võib Maa stratosfääris tekitada kõrge lämmastikoksiidi kontsentratsiooni – see hävitab osoonikihi, mis on ekraan, mis kaitseb kogu elu Maal kõva kiirguse mõjude eest. Päikesest.
Ideed elusaine erinevate interaktsiooni vormide kohta kosmilise materjali ja energiavoogudega muutuvad üha olulisemaks ka tänu aktiivselt arendatud hüpoteesidele kõikehõlmava pangalaktilise elusüsteemi olemasolu kohta, vähemalt meie Galaktikas. Need näitavad tohutu hulga mikroorganismide olemasolu meie galaktika kosmoses. Sellesuunalisi uuringuid võib pidada tõenditeks V.I. esitatud kontseptsiooni kasuks. Vernadski elusaine laiast, kosmilise ulatusega levikust universumis, selle kosmilisest tähendusest.
Loodusteaduslikud hüpoteesid ja faktid näitavad, et interaktsioonide uuringud, mis on alustatud V.I. Vernadski ja tema järgijad esindavad juhtivaid, paljutõotavaid suundi loodusteadustes, looduse saladuste mõistmises.
Vastavalt V.I. Vernadskit, meie planeeti ja Kosmost esitletakse nüüd ühtse süsteemina, milles Maal toimuvad protsessid ja kosmilise iseloomuga protsessid seovad elu ja elusaine ühtseks tervikuks. Vastavalt V.I. Vernadski, kogu Maa ajaloo jooksul oli elusaine hulk biosfääris peaaegu konstantne. Planeetide arengu grandioosne pilt sisaldas ka inimese, mõistuse kandja ilmumist, kes kiirendas kõiki planeedil arenevaid protsesse. Ta ütles, et inimese mõju loodusele kasvab nii kiiresti, et temast saab peamine geoloogiline jõud ja ta peab võtma vastutuse looduse edasise arengu eest. Biosfäär muutub järk-järgult noosfääriks.
5. loeng
Küsimus 1. Biosfääri sünd
Biosfäär tekkis suure abiootilise tsükli otsese arenguna ja selle alusel. Abiootilise tsükli sügavustes hakkasid moodustuma orgaanilise aine tsüklid keemiliste süsinikuühendite sünteesi ja lagunemise näol (joon. 1). Kui õige on J. Bernali seisukoht, et elu hakkas arenema orgaanilise aine sünteesi- ja hävimisprotsesside ühtsusena, siis elu kui nähtus oleks pidanud tekkima enne elusorganisme.
Seejärel individualiseeriti orgaanilise aine üldine ringlus ja osutus seotuks teatud tüüpi koatservaatidega. Vastavalt V.I. Vernadski, " Miljonite liikide hulgas pole ühtegi, mis üksi suudaks täita kõiki biosfääris algusest peale eksisteerinud elu geokeemilisi funktsioone. Järelikult peaks eluslooduse morfoloogiline koostis biosfääris olema algusest peale keeruline." Seetõttu "ei pidanud esmakordne elu ilmumine biosfääri loomise ajal toimuma mitte ühe konkreetse organismi ilmumise kujul, vaid nende terviku kujul, mis vastab elu geokeemilistele funktsioonidele".
Kas selle seisukoha toetamiseks on mingeid fakte? Ilmselt jah. Igal juhul eeldab eukarüootse raku päritolu sümbiootiline teooria suure hulga esivanemate prokarüootsete organismide olemasolu, mis erinevad oma geokeemiliste funktsioonide poolest. Nende füsioloogilise korralduse ühtsus tuleneb asjaolust, et kõik need erinevad organismid on ühe abiootilise ainete tsükli saadused.
Olles tekkinud organismide kogumina, ilmutas elu koheselt oma põhiomadusi. Alates selle tekkimise hetkest ei suhelnud elusaine mitte ainult tervikuna oma esivanemate ja abiootilise maailmaga, vaid ka üksikud organismid suhtlesid üksteisega. Ilmselt tekkisid esialgu konsortsiumisuhted, mis veel halvasti diferentseerunud organismide evolutsiooni algfaasis viisid sümbiootiliste koosluste tekkeni, millest sündisid eukarüootsed organismid. Primaarsed biogeotsenoosid rajati r-strateegiliste liikide baasil, seni on mereveeökosüsteemid säilitanud sellistele kooslustele omased põhijooned – näiteks kõrge seksuaalproduktide tootmine.
Biosfääri edasine areng kulges biootilise tsükli komplitseerumise ja laienemise teed, millega kaasnes elusaine diferentseerumine, selle koostises olevate liikide spetsialiseerumine ja üha uute ruumide hõivamine. Selle protsessi iseloomulikuks jooneks oli see, et elu, ammutades keskkonnast vajalikke aineid ning rikastades seda jääkainete ja vaba energiaga, muutis paratamatult oma eksisteerimise tingimusi. Seetõttu pidi ta pidevalt kohanema oma eksistentsi muutuvate tingimustega, mida ta ise muutis üha suurema kiirusega. Biosfääri areng selles etapis oli seotud biootilise tsükli komplikatsiooniga. Uued orgaanilised vormid said sageli eksisteerida vaid eelnevate põhjal. Biootilise tsükli areng ilmneb peamiselt eluvormide järkjärgulise diferentseerumisena. Samal ajal kiireneb evolutsiooni tempo pidevalt biootiliste interaktsioonide keerukuse suurenemise tõttu, mis toimivad adaptiivsete transformatsioonide teguritena.
Küsimus 2. Biosfääri evolutsiooni põhietapid
Kuna koatservaatides ei sisaldunud kogu primaarse puljongi orgaaniline aine, eeldatakse traditsiooniliselt, et protobiondid olid heterotroofid. Võttes aga arvesse elu polüfüütilisust ja biosfääri kui sünteesi- ja hävimisprotsessi peamist tunnust, tundub loogilisem eeldada sünteesivate organismide olemasolu.
Primitiivsel kujul ei saanud fotosüntees olla hapnikuallikas. Hapnikuvabas keskkonnas kasutavad kaasaegsed tsüanobakterid CO 2 fikseerimiseks vesiniksulfiidi (nagu ka lillad bakterid). Võib oletada, et see on primitiivsete fototroofide esmane omadus. Vesiniksulfiidist on elektroni lihtsam eemaldada kui veest, kuid vesiniksulfiidi regenereerimine sulfaatidest (SO 4 2-) eeldab orgaaniliste ainete olemasolu. Järelikult piiras sulfaadist sõltuva fotosünteesi mahtu biosfääri kogunenud orgaanilise aine mass. Seetõttu võib oletada, et veest sõltuva fotosünteesi tekkele eelnenud staadiumis oli biosfäär vaatamata fotosünteesi olemasolule anaeroobne ning biogeotsenoosid koosnesid mixotroofsetest fotosünteesitootjatest ja saprofaagidest, mis lõpetasid toiduahela väävlis ja lämmastikus (kuid mitte süsinikus). Tõeliste kiskjate esinemine sellistes kooslustes on ebatõenäoline, sest
1) anaeroobsetes tingimustes on röövloomamine energeetiliselt kahjumlik,
2) eriti keskkonnas juba leiduva küllaltki suure hulga orgaanilise aine taustal,
3) kisklus hõlmab keerulist struktuuri, mis prokarüootidel puudub (näiteks puudub fagotsütoos).
Biosfääri arengu järgmine etapp oli vee fotolüüsiks võimeliste organismide tekkimine. Alati napi vee kasutamine fotosünteesis andis sellistele organismidele ja biosfäärile tervikuna rohkem kasu. Selle aja prokarüootsed biotsenoosid olid kahtlemata veeloomad ja neid peeti traditsiooniliselt merelisteks. Ilmselt pole see aga täiesti tõsi. See idee põhineb eeldusel, et maapinna struktuur oli põhimõtteliselt sama, mis praegu. Usutavam pilt on aga teravalt kontrastsest maastikust, mis koosnes peaaegu vertikaalsetest kivimitest (mis olid nõrgalt hävinud eelkõige maismaaelustiku puudumise tõttu) ja peaaegu horisontaalsetest tasandikest, mis ulatusid tohutult kaugele ja paiknesid merepinna lähedal. . Loode- ja tormilained võisid nendel tasandikel levida pikki vahemaid ning rannajoont praktiliselt polnud. Vetikad-bakteriaalsed matid (stromatoliidid) võisid hõivata kogu selle tasandiku, samas kui neid ei eksisteerinud nende tänapäevase arusaama kohaselt ei meres ega maal, vaid teatud eritingimustes, millel pole tänapäeva Maal analooge.
Aktiivselt fotosünteesivad vetikad tekitasid vahetuskeskkonnas oksüdeerivad tingimused. Ebakorrapärase erosiooni tõttu pidanuks setetest lahkuva orgaanilise aine hulk olema väga suur, kuid setete korduv töötlemine oleks pidanud viima nende olulise oksüdeerumiseni. Samal ajal toimus hapniku kogunemine atmosfääri väga aeglaselt.
Jõgede puudumine ja sademevee äravoolu ülekaal tõi kaasa selle, et mandritelt voolav vesi oli hägune. Rannikuvööndi vee hägusus raskendas ookeanilisel fütoplanktonil mineraalide ärakasutamist footilise vööndi kitsuse tõttu (joonis 2). Sellistes tingimustes tundub põhjaloomastiku arengu võimalus väga problemaatiline. Organismide toitumine selles etapis jäi osmootseks. Näib, et seda tüüpi toitumise kõige progressiivsem samm on elu edasine miniaturiseerimine, kuid väikesed organismid, kellel puudub võimalus keskkonnas aktiivselt liikuda, kahandavad kiiresti ümbritsevaid toitaineid ja satuvad toidupuuduse tingimustesse. Selle vastuolu ületamiseks on kaks võimalust. Ühe realiseerisid stromatoliitid, fikseerides end ruumis ja lastes keskkonnal nende suhtes liikuda. Teine võimalus on suurendada keha suurust. Esialgu püüdsid prokarüootid seda rakendada - ühinedes agregaatideks, kuid see saavutas oma suurima arengu eukarüootsetes organismides.
Suuruse suurendamise võime realiseerisid eukarüootid Vendi perioodil, mil organismid olid ebatavaliselt suured. Kuid need olid vähe mitmekesised, ilmselt vähe spetsialiseerunud ressursside kasutamise tüübile ja ühtlased kogu Maa peal. Nende üldistest liikidest koosnevate koosluste teke oli kahtlemata üks olulisemaid biootilisi sündmusi. Kuid eukarüootide eeliste selline "frontaalne" kasutamine asendus peagi iga üksiku elujuhtumi jaoks väga mitmekesiste spetsialistide kogukondade arenenuma moodustamisega. Kambriumis kiireneb mitmekesisuse kasvuprotsess märkimisväärselt ja võib-olla põhimõtteliselt. See muutus langeb kokku kahe teise biootilise sündmusega:
Mineraalse luustikuga organismide levik,
Lülijalgsete välimus ja nende hulgas väga arenenud filtrisööturid, mis moodustavad fekaaligraanuleid. Täiustatud filtrisööturite tekkimise tagajärjed on üsna ilmsed. Graanulite roll on palju vähem tuntud, kuigi mitte vähem oluline. Kaasaegsetes meredes filtreeritakse neisse sisenev peen pelliitne materjal väga kiiresti, pakitakse väljaheite pelliitideks ja saadetakse põhja. Ilma pellitmehhanismita oleks vee hägusus võrreldamatult suurem. Orgaaniline aine settib üsna kiiresti põhja, mis aitab kaasa vee rikastamisele orgaanilise detriidiga, mis ei kulu selle oksüdatsioonile, vaid orgaanilisele jäägile, mis loob tingimused mudasööjate arenguks. Tõepoolest, Kambriumis õitsesid sellised rühmad nagu trilobiidid. Orgaanilise aine säilitamine settes võimaldas muuta selle töötlemise palju ühtlasemaks ja parandada veesamba hapnikuga varustamist.
Ordoviitsiumis viis vee valgustumine ja hapnikuga küllastumine merede paksuse kujunemiseni elu poolt.
Merekoosluste tänapäevane ilme kujuneb mesosoikumis. Nende biotsenooside populatsiooni iseloomustab nektoni- ja mudasööjate osatähtsuse suurenemine, samas kui põhjasuspensiooni tarbijate osatähtsus väheneb.
Elu arengu ajalugu maismaal algab ilmselt juba eelkambriumis tuntud ürgsete muldade tekkega vetika-bakterimattide all. Ülem-Ordoviitsiumis oli võimalik leida muldasid, kus olid mõned ussilaadsed loomad. Selliseid kooslusi on aga raske üheselt nimetada tegelikult maapealseteks. Samuti on võimatu liigitada neid mandriveekogude alla, mille olemasolu tundub väga problemaatiline enne Devoni aega, mil taimed mõnevõrra vähendasid erosiooni ja stabiliseerisid rannajoont.
Suurimateks uusmoodustisteks osutusid kahtlemata jäikade vertikaaltelgedega maismaataimede tekkimine, kambakoe ja sekundaarse puidu ilmumine, ilma milleta selliste taimede kasv toimuda ei saaks. Nad muutsid olukorda korraga mitmes suunas.
(1) Orgaanilise aine moodustumise intensiivsust on saanud järsult suurendada, kuna fotosünteesistruktuurid asuvad nüüd kolmemõõtmelises ruumis, mitte tasapinnal.
(2) Kirveste vertikaalne asend muutis taimed vastupidavaks peene mullaga uhumisele, vähendades seeläbi järsult orgaanilise aine kadu biogeotsenoosidest.
(3) Tüvede jäikuse tagamine nõudis olulisel määral puitu, mis pärast taimede hukkumist tekitas suures koguses killustikku, mis aeglase lagunemise tõttu tõi kaasa biotsenoosi tingimuste stabiliseerumise.
(4) Vertikaalse asendi säilitamine eeldas piisavalt võimsa juurestiku väljaarendamist, mis suurendas taimestiku erosioonivastaseid omadusi. On näha, et kõik need muutused viisid üldiselt biogeocenooside stabiliseerumiseni. Samal ajal lõid need protsessid eeliseid keerukamatele, pikaealistele organismide populatsioonidele, aidates kahtlemata kaasa eluslooduse järkjärgulisele arengule.
Karbonis tekivad võimsad lepidofiilsed metsad. Väga hilise hargnemisega lepidofüütide kasvumuster viitab suurele alusmetsa kadumisele, mis oleks pidanud kaasa tooma paksu ja sügava allapanu ning olulise orgaanilise aine kadu. Nende metsade mitmekesisus ja erosioonivastased omadused ei olnud veel suured. Need kasvasid samadel tasandatud pindadel, mis olid sageli veega üle ujutatud. Suur suremus koos suure erosiooniga, mis tagas selle kiire matmise, viis selleni, et märkimisväärne osa orgaanilisest süsinikust jättis biogeocenoosi oksüdatsioonita ja muudeti kivisöevarudeks.
Mesosoikumi ajastu eraldab kainosoikumist kuulus kriidi-paleogeeni kriis, mis varem äratas tähelepanu seoses dinosauruste väljasuremisega ja viimasel ajal eriti ideedega "asteroidide talvest" - atmosfääri tolmust tingitud järsk jahtumine. Tõenäoliselt pole see aga elustiku kriisi põhjuseks. Katastroofi ajaks oli orgaaniline maailm juba ammu kriisis. Selle peamiseks põhjuseks oli tõenäoliselt katteseemnetaimede ilmumine ja levik kriidiajastul. Kõige enam mõjutas katteseemnetaimede ökoloogilise rolli muutumist nende laialt levinud entomofiilia, mis võimaldab moodustada kolossaalse liigilise mitmekesisusega metsi. Võib märkida, et entomofiilia levik korreleerub selgelt metsaökosüsteemide mitmekesisuse ja stabiilsusega.
Veelgi olulisem katteseemnetaimede ökoloogiliseks laienemiseks oli nende kalduvus neoteenia kaudu toota rohtseid vorme, kasutada vegetatiivset paljunemist ja moodustada muru. Seega on katteseemnetaimede kui pioneertaimede omadused, eriti kaldus lahtiste substraatide koloniseerimisel, ja nende erosioonivastane võime võrrelduna seemnetaimedega kordades kasvanud. Sutsessioonisüsteemide tõhusus keskkonna konditsioneerimisel – erosiooni vältimine, pinnase parandamine puhvrina toitainete leostumise vastu, äravoolu muutmine valdavalt aluspinnaseks – on viinud uut tüüpi maastike tekkeni, millel on palju suurem mitmekesisus hüdro- ja pedoloogilised omadused. Eelkõige oleks vee ja toitainete voolu reguleerimine pidanud mõjutama mandri veehoidlaid. See protsess venis aga pikaks, kuni neogeenis hakkasid levima rohumaad ja veehoidlad koos veealuse nekrofüütide lopsaka arenguga.
Küsimus 3. Biosfääri võimaliku loodusliku arengu prognoos
Viimase kolme miljardi aasta jooksul on Päikesesüsteem Galaktika keskpunkti ümber teinud rohkem kui ühe pöörde, läbides selle erinevaid piirkondi. Vahepeal elu arenes edasi. See tähendab, et galaktilise aasta ükski aastaaeg ei takista selle arengut. Biosfääri toimimises ei ole põhjust oodata tulevikus tõsiseid tüsistusi, kui galaktilised aastaajad muutuvad.
Päikesekiirguse intensiivsus püsib tänapäeva astronoomia järgi ilmselt mitme miljardi aasta jooksul tänapäevase taseme lähedasel tasemel. Ka Päikese aktiivsuse pikaajalised kõikumised ei küüni ilmselt kriitiliste väärtusteni.
Loodete hõõrdumine aeglustab Maa pöörlemist ümber oma telje, mis toob kaasa päeva pikkuse pikenemise. See protsess on aga väga aeglane ja elusaine kohaneb sellega järk-järgult.
Süsinikdioksiidi kontsentratsiooni vähenemisega atmosfääris vulkaanilise aktiivsuse ja fotosünteesi suurenemise tagajärjel kaasneb Maa pinna temperatuuri langus. Vastavalt hüpoteesi M.I. Budyko (1977) sõnul olid sellised protsessid minevikus jääaja alguse peamiseks põhjuseks. Tema arvutuste kohaselt peaks CO 2 kontsentratsiooni edasine langus paratamatult kaasa tooma Maa täieliku jäätumise stabiilse režiimi.
Intensiivse fotosünteesi tagajärjeks on ka CO 2 varude ammendumine atmosfääris, millega kaasneb süsiniku muundumine raskesti ligipääsetavaks süsiniku lademeks (nafta, kivisüsi, karbonaatkivimid).
Biosfääri areng meie planeedil on tingitud soodsate tegurite ebatõenäolisest koosmõjust nii elu tekke alguses kui ka järgmise 3,5 miljardi aasta jooksul. Mõnikord saavutas üksikute keskkonnategurite intensiivsus kriitilise taseme. Biosfääri suur keerukus ja eneseregulatsioonivõime andsid võimaluse sisemiste ümberkorralduste kaudu kriisidest üle saada. Selle toimimise määrab aga looduslike tegurite aktiivsus, pole põhjust eeldada, et biosfäär jätkab arengut ainult progressi suunas. CO 2 ammendumise arvutused näitasid selle protsessi reaalsust.
Küsimus 4. Noosfääri mõiste
Kvalitatiivselt uus etapp biosfääri arengus algas tertsiaari perioodi lõpus seoses uue geoloogilise ja biootilise jõu – inimese – esilekerkimisega.
Selleks ajaks oli biootiline tsükkel saavutanud oma kaasaegse arengu, muutudes megabiosfääris võimsaks teguriks. Inimeste tegevus erines algul vähe teiste loomade tegevusest. Võttes biosfäärist elatusvahendeid, andsid inimesed sellele, mida teised organismid kasutada said. Mikroorganismide universaalne võime hävitada peaaegu igasugust orgaanilist ainet on pikka aega taganud inimtegevuse jäänuste kaasamise biotiilisse tsüklisse.
Tule tootmine eristas aga juba meie esivanemaid paljudest teistest loomadest. Selle omandamise tähtsus ei seisnenud ainult selles, et tule abil kaitses inimene oma kodu kiskjate eest, asus elama külmema kliimaga piirkondadesse ja elas üle jäätumise perioodid. Olles õppinud tuld kasutama, omandasid inimesed oskuse orgaanilisi jääke täielikult hävitada, st õppisid tegema seda, mida enne olid teinud ainult mikroorganismid. Võime orgaanilisi jääke tule abil mineraliseerida võimaldas hiljem tsüklisse kaasata isegi need orgaanilised ained, mida mikroorganismid halvasti kasutavad. Selle tulemusena isoleerub antropogeenne tsükkel biootilises tsüklis (joonis 1). Esimest korda Maa ajaloos on ilmunud liik, kes on võimeline mitte ainult looma või hävitama orgaanilist ainet, vaid ka seda samal ajal tegema. On tekkinud eeldused inimtegevuse teadlikuks kaasamiseks biootilist tsüklisse. IN JA. Vernadsky kirjutas selle kohta: " Biosfääri geoloogilises ajaloos avaneb inimkonnale tohutu tulevik, kui ta seda mõistab ega kasuta oma mõistust ja tööd enesehävitamiseks.".
Inimühiskonna kiirenev areng toob kaasa inimese rolli suurenemise biosfääris. Ainete inimtekkeline ringkäik laieneb üha enam. Inimkond on põhimõtteliselt juba astunud väljapoole isegi abiootilise maa tsükli piire. See osales kosmilistes protsessides.
Inimese ilmumine tähendas põhimõtteliselt uut elumõju geokeemilistele tsüklitele. On saabunud aeg biosfääris toimuvate protsesside mõistlikuks reguleerimiseks, kuna inimkonna eesmärk on ühiskonna piiramatu areng.
Ühiskonna suurimad mõistused seostavad inimkonna edasist saatust noosfäär- uus etapp biosfääri arengus, kus biokeemilised ja biotsenootilised protsessid on inimtekkelise mõju all ning kus teaduslik mõtlemine ja tehniline varustus võimaldavad neid protsesse kontrollida, muuta ja muuta, st juhtida (joonis 1). 1).
Mõiste “noosfäär” tutvustas algselt teadusesse prantsuse filosoof E. Leroy (1927) ja see arendati välja V.I. Vernadski.
Kaasaegse noosfääri omadused:
Tööprotsessid on levinud kõikidesse biosfääri komponentidesse ja muutunud selle edasise arengu kõige olulisemateks teguriteks,
Toimub elanikkonna kasv ja sotsialiseerimine,
Ühiskonna kaasaegset arengut iseloomustavad hävitavad tegevused,
Biogeensete ja antropogeensete tsüklite maht muutub võrreldavaks,
Inimtekkelise mõju jõud biosfäärile kasvab kiiresti,
Mõnes kogukonnas viib inimeste majandustegevus nende struktuuri täieliku ümberkorraldamiseni.
Bibliograafia
Golubets M.A. Aktuaalsed keskkonnaprobleemid. Kiiev: Nauk. Dumka. 1982. aastal.
Kamshilov M.M. Biosfääri evolutsioon. M.: Teadus. 1979. 256 lk.
Kolchinsky E.I. Biosfääri evolutsioon. L.: Teadus. 1990. aasta.
Ponomarenko A.G. Peamised sündmused biosfääri evolutsioonis // Biosfääri antropogeense eelse evolutsiooni probleemid. M.: Teadus. 1993. aasta.
1. Sissejuhatus.
Kuni viimase ajani pidas enamik evolutsioonibiolooge organismi elu esmaseks ja põhiliseks eksisteerimise vormiks ning elusolendite evolutsioon taandus eelkõige organismide keskkonnaga kohanemise kujunemisele. Sünteetiline evolutsiooniteooria on tõestanud, et viimane saab esineda vaid sugulasorganismide – populatsioonide – statistiliselt küllastunud ansamblites. Seega on populatsioonide geneetiliste ja ökoloogiliste struktuuride transformatsioonid ja spetsifikatsioonimeetodid muutunud evolutsioonibioloogiliste uuringute keskmeks. Kuid ülespetsiifiliste elukorralduse tasandite arengut ei uuritud peaaegu kunagi; isegi biogenocenoosi ja biosfääri arengu peamisi etappe ei iseloomustanud nendele elusolendite kui tervikliku süsteemi korraldusvormidele omased eripärad, vaid ainult nende koostises sisalduvate elementaarsete komponentide – organismide ja liikide – kirjeldusega.
Kuid viimastel aastakümnetel Maal tööstuse mõjul toimunud globaalsed muutused on muutnud ettekujutusi loodusliku arengu protsessidest. On saanud üldtunnustatud seisukoht, et evolutsiooniprotsess ei hõlma mitte ainult üksikuid organisme, liike, biogeotsenoose, vaid ka elusolendite kõrgeimat organiseerituse taset - biosfääri. Erinevates biosfääri uurimisega seotud loodusteaduste harudes koguneb üha enam tõendeid selle kohta, et orgaanilise maailma evolutsioon muudab biosfääri geokeemilist struktuuri ja energiat, selle biogeokeemilisi funktsioone ja ainete biogeokeemilist tsüklit. Need biosfääri kui terviku muutused muutuvad omakorda võimsateks teguriteks selle kõige olulisema komponendi - orgaanilise maailma - edasises arengus.
2. Biosfääri mõiste. Biosfääri struktuur ja funktsioonid.
Biosfääri mõiste tõlgendamisel on olulisi erinevusi. Seega soovitatakse mõnes allikas biosfääri mõista elusorganismide kogumina. TSB artiklis “Biosfäär” on antud järgmine definitsioon: biosfäär on “Maa kest, mille koostise, struktuuri ja energia määrab olemuslikult elusorganismide senine või praegune tegevus”, artiklites “Geosfäär”. ” ja
"Geokeemia" biosfääri nimetatakse "Maa tahkete, vedelate ja gaasiliste kestade piiril asuvaks piirkonnaks, mille hõivab elusaine - organismide kogum".
Isegi 17. ja 18. sajandil hakkasid tekkima ideed kõigi anorgaanilise ja orgaanilise looduse protsesside omavahelisest seotusest, kuna juba siis oli kogunenud piisavalt andmeid, et hinnata seost loomade leviku ja kliimatingimuste vahel, gaasivahetuse kohta organismides. , loomade ja taimede osalemisest muldade, lubjakivide ja fossiilkütuste tekkes, samuti esimestest hüpoteesidest elementide biogeense tsükli olemasolu kohta (A. Lavoisier, A. Snyadetsky) Vernadski järgi on kontseptsioon biosfääri formuleeris J.-B. Lamarck. Just tema märkis esmakordselt, et "eluskehad sisaldavad kõiki looduses täheldatud kompleksseid anorgaanilisi aineid" (1955, lk 10) ning organismidega mitteasustatavates kohtades on mineraalid väga homogeensed. Seda seletatakse asjaoluga, et loomad ja taimed osalevad aktiivselt Maa pinna kujunemises. Nii tekkis teaduses idee erilisest ruumist, mida katab ja organiseerib organismide elutegevus. Mõiste “biosfäär” pakkus välja E. Suess 1875. aastal, kui käsitles Maa peamisi geoloogilisi kestasid: lito-, atmosfäär- ja hüdrosfääri. Ta uskus, et "ülemiste sfääride ja litosfääri vastastikuse mõju piirkonnas ning mandrite pinnal saab eristada iseseisvat biosfääri. Nüüd ulatub see nii kuivadele kui ka niisketele pindadele, kuid on selge, et varem piiras seda ainult hüdrosfäär” (Suess, 1875, lk 159–160). Lahknevused mõiste tähenduse tõlgendamisel tulenevad sellest, et Suess ei andnud sellele konkreetset definitsiooni.
19. ja 20. sajandi vahetusel hakati teadvustama vajadus luua terviklik õpetus üksteisest sõltuvatest muutustest orgaanilises maailmas, reljeefis, vetes, pinnases, settekivimites ja kliimas. Selle doktriini töötas välja V. I. Vernadsky, kes suutis ühendada orgaanilise maailma arenguprotsessid teiste Maa kestade geoloogilise ajalooga. Vernadski pakkus välja järgmise biosfääri kuuluvate ainete klassifikatsiooni: 1) elusaine või organismide kogum; 2) elu poolt loodud ja töödeldud biogeenne aine; 3) inertne aine, mille tekkes elusaine ei osale; 4) bioinertne aine, mis on seda moodustavate elus- ja inertsete ainete dünaamiline tasakaalusüsteem; 5) radioaktiivsed elemendid; 6) hajutatud aatomid, mis tulenevad kokkupuutest kosmilise kiirgusega; 7) kosmilise päritoluga aine. See klassifikatsioon ei olnud täpne. Tuvastatud tüübid kriteeriumide rohkuse tõttu kas osaliselt kattusid või kuulus üks tüüp täielikult teise hulka. 1975. aastal pakkus M. Kašmilov välja teise klassifikatsiooni: neli ainetüüpi: elav, biogeenne, inertne ja bioinertne. Kuid siin tekitab kahtlusi bioinertse aine kui tüübi sõltumatus, sest Vernadski kasutatud mõistes tähendab bioinertne aine teatud dünaamilist süsteemi, mille moodustavad organismid, nende elutegevuse produktid ja materiaalsed elutingimused. 1977. aastal tegi A. I. Perelman ettepaneku käsitleda biosfääri kui omamoodi hiiglaslikku bioinertset süsteemi, mille alamsüsteemideks on madalama organiseerituse tasemega bioinertsed kehad: mullad, muda, ilmastikukoorik, pinnaveed, põhjaveekihid, maastikud, jne.
Elusaine koha biosfääris määravad ära selle energeetilised ja geokeemilised funktsioonid. Energiafunktsioon on seotud päikeseenergia assimilatsiooniga ning selle biogeense ja inertse ainega rikastamisega. Geokeemilised funktsioonid väljenduvad organismide osalemises keemiliste elementide liikumises ja kontsentratsioonides, samuti keskkonnamuutustes ja uute mineraalide loomises.
Aastal 1987 A.V. Lappo pakkus tänu selleks ajaks kogutud teadmistele välja elusaine funktsiooni järgmise liigituse:
1) energia - päikeseenergia neeldumine fotosünteesi ja keemilise energia neeldumine ainete lagunemisel;
2) kontsentratsioon - teatud elementide selektiivne akumuleerumine;
3) destruktiivne - orgaanilise aine mineraliseerumine ja anorgaanilise aine lagunemine;
4) keskkonda kujundav – keskkonna füüsikaliste ja keemiliste parameetrite muutmine;
5) transport - elementide ülekandumine organismide poolt rände ajal.
Järelikult võib biosfääri mõista kui Maa pinnakest, mis on organiseeritud elusaine poolt. Biosfääri kõige olulisem struktuurne komponent on biogeotsenootiline kate, mis koosneb erineva keerukuse ja evolutsioonilise arengutasemega biogeotsenoosidest. Biogeotsenoosid hõlmavad inertset, elavat ja biogeenset ainet. Hiiglasliku bioinertse süsteemina täidab biosfäär Maa pinnal energia-, geokeemilisi ja keskkonda kujundavaid funktsioone.
3. Üldised ideed biosfääri arengust.
4. Biosfäärile avalduva mõju eriliigid.
Alles viimastel aastakümnetel on inimtegevus hakanud biosfääri märgatavalt mõjutama. Inimese majandustegevuse tagajärjed on kasvanud pikka aega ja on nüüdseks langenud tsivilisatsioonile.
Vernadski ütles: "Inimesest saab geoloogiline jõud, mis on võimeline muutma Maa nägu." Need sõnad olid ennustused. Inimkond kasutab tohutul hulgal biosfääri energiaressursse, aga ka "mitte-biosfääri" energiaallikaid (tuuma), kiirendades seeläbi geokeemilisi protsesse. Kahekümnendal sajandil muutus tööstuse kiire arengu mõju biosfäärile mastaapselt võrreldavaks biosfääris toimuvate looduslike energia- ja materjaliprotsessidega.
Inimtekkeline mõju on häirinud peaaegu igat tüüpi looduslikke biogeokeemilisi tsükleid.
Keskkonna saastamine ohtlike jäätmetega.
jne.................
Evolutsioon- see on paljude tegurite ja ennekõike keemiliste tegurite koosmõju tulemus. Need on keemilised reaktsioonid, mis on kõigi organismide protsesside aluseks. Kogu biosfääri evolutsioonilise arengu ajalugu vaadeldakse kahe väga pika ajaperioodi jooksul - eoonid, mis koosneb kahest intervallist - krüptosoikum (gr. Kryptos - salajane) ja fanerosoikum (gr. Phaneros - avatud, gr. Loomaaed - elu), mille jooksul toimusid biosfääris evolutsioonilised, aeglased muutused. Need koosnevad ajastutest (lat. Era – kronoloogia algus), ajastutest ja perioodidest. Biosfäär areneb vastavalt arengu samaaegse katkestuse ja järjepidevuse põhimõttele. Organismide järkjärguliste evolutsiooniliste muutuste protsessi katkestavad loomulikult nende kiire arengu ja väljasuremise faasid praktiliselt ilma üleminekuliste paleontoloogiliste vormideta.
Evolutsiooni mootoriks on keemilised reaktsioonid lihtsate ühendite - vee, ammoniaagi, süsinikmonooksiidi, formaldehüüdi - vahel katalüsaatorite - anorgaaniliste ainete ja elektrilahenduste osalusel. Selle tulemusena moodustusid keerulised molekulaarstruktuurid - aminohapped, valgud, nukleiinhapped.
Paranemise ja entroopia vähenemise kaudu tekkisid supramolekulaarsed struktuurid - organellid, millest rakud ehitatakse. Pärast keemilist evolutsiooni 350 000 000 aastat tagasi algas bioloogiline evolutsioon, mis põhineb elusobjektides toimuvatel ülikeerulistel keemilistel protsessidel ja mis jätkub tänapäevalgi.
Niisiis on evolutsiooniprotsesside aluseks keemilised reaktsioonid, mis toimuvad nii rakkudes kui ka väljaspool neid, keskkonnas.
See on oht tänapäevastele bioloogilistele protsessidele, sest inimtegevuse kaudu küllastatakse keskkond väga aktiivsete kemikaalidega. Nad osalevad biokeemilistes protsessides molekulaar-raku tasandil ja põhjustavad mutatsioone rakkudes, kudedes ja organismides. Elu tekkimise algfaasis aitas see kaasa elu mitmekesisuse kujunemisele järgnevates bioloogilistes protsessides – ajastutel. Kuid praeguses evolutsiooni etapis on inimtegevuse tõttu tekkinud suur hulk erinevaid aineid - ksenobiootikume, teratogeene, mutageene, mis mõjutavad evolutsiooniprotsesse negatiivselt.
Peamised esmased evolutsioonilised protsessid, mis toimusid peaaegu 4 miljardi aasta jooksul, on kujutatud diagrammil (joonis 4):
Riis. 4. Esmaste evolutsiooniprotsesside skeem
Esimene ajastu - arheosoikum, ehk Archean (kr Archeo – esialgne, esialgne) – muistse elu ajastu – algas umbes 3500000000 aastat tagasi ja kestis umbes 2 miljardit aastat. Selle aja jooksul koos tahke maakoore - litosfääri - moodustumisega keemiliste reaktsioonide - keemilise evolutsiooni tulemusena tekkisid kõigepealt valgu molekulid ja seejärel primitiivsed elusobjektid - viirused, bakterid, sinivetikad. Ajastu lõpul diferentseerusid rakud taimedeks ja loomadeks ehk algasid lahknemisprotsessid – omaduste ja omaduste erinevused.
See protsess intensiivistus aastal Proterosoikum(gr. - Lihtne) ajastu - lihtsa, primitiivse elu ajastu, mil hakkasid kujunema tingimused taimede jaoks maale "väljapääsemiseks". Hapnik ilmub atmosfääri - 0,021% (Curie punkt) ja hiljem - 0,21% (Pasteuri punkt). Need protsessid kestsid peaaegu 900 000 000 aastat ja moodustasid kaks ajastut krüptosoone eoon.
Järgmine eoon - Fanerosoikum moodustavad kolm ajastut, mis kestavad 600 miljonit aastat. See algab paleosoikumi (gr. Paleo – vana, iidne) ajastuga, mis kestis 350 miljonit aastat. See ajastu algas "bioloogilise plahvatusega", mille tulemusena ilmusid soomustatud kalad ja maismaataimed - psilofüüdid. Ajastu lõpus, umbes 400 miljonit aastat tagasi, oli hapniku kontsentratsioon atmosfääris juba üle 2% ja seetõttu hakkas tekkima osooniekraan. Tänu sellele stabiliseeritakse eluvormid, vähenevad letaalsed mutatsioonid ja tekivad tingimused loomade eluvormide aktiivseks arenguks - ilmuvad putukad ja roomajad. Praeguste kontinentide moodsad kontuurid hakkavad kujunema.
See pikk ajaperiood jaguneb kuueks perioodiks: kambrium (inglise Walesi provintsi muistsest nimetusest), mis kestis 70 miljonit aastat; Ordoviitsium(iidse keldi hõimu nimest) - kestis 70 miljonit aastat; silur(keldi hõimu nimest) - kestis 30 miljonit aastat; devoni(Inglismaa Devonshire'i maakonna nimest) - 60 miljonit aastat; Karbon (ladina keelest - kivisüsi) - kestis 50 miljonit ja permi periood - 70 miljonit aastat.
Järgmine - neljas ajastu - Mesosoikum(gr. Meso – vahepealne) ehk vahepealse elu ajastu, mida iseloomustavad üleminekuvormid ehk need, mis planeedil praegu eksisteerivad. See algas 250 miljonit aastat tagasi ja kestis 160 miljonit, mis koosnes kolmest perioodist: triias (rühm triias - kolmainsus), juura (Lääne-Euroopa mägede nimest - Yurska) ja kriidiajastu.
Seda ajastut iseloomustab hiiglaslike eluvormide – sõnajalgade, seemneseemnete – levik. Ajastu lõpus muutuvad planeedi kliimatingimused - toimub globaalne jahenemine, mille tõttu katteseemnetaimed annavad teed ja ilmuvad esimesed linnud.
Kõigi organismide edasine areng jätkus kanosoikumi (kr. – Extreme, present) ehk tänapäeva elu ajastul. See algas 90 miljonit aastat tagasi, nagu ka eelmine ajastu, ja koosneb kolmest perioodist - Paleogeen, neogeen, kvaternaar(kaasaegne). See ajastu jätkub ka tänapäeval. See, kas see muutub inimese jaoks "äärmuslikuks" või "viimaseks", sõltub temast. Seda ajastut iseloomustab katteseemnetaimede, platsentaloomade, eriti inimeste lai levik, mis ilmusid selle viimasel perioodil.
Riis. 5. Keemiliselt bioloogilisele evolutsioonile ülemineku skeem
Võib tekkida küsimus: kuidas määratakse teatud organismide eksisteerimise aeg? Esiteks radioaktiivsete ainete hulga määramisega erinevates jääkainetes. Mida väiksem on radioaktiivse elemendi, isotoobi kontsentratsioon, seda vanem on leid – taimset või loomset päritolu. Kõige sagedamini kasutatakse nn plii-uraan-toorium või kaalium-argoon või rubiidium-strontsium meetodeid. Iga elementi ja selle isotoopi iseloomustab selgelt määratletud poolestusaeg – see on aeg, mille jooksul laguneb pool olemasolevast radioaktiivse aine kogusest. Isotoopide sisalduse põhjal lagunevad need kiiresti, määravad lühikesed ajaintervallid ning pikka aega eksisteerivate, nagu uraan, toorium, abil väga pikad geoloogilised intervallid. Evolutsiooniprotsessid on skemaatiliselt kajastatud joonisel fig. 5.
Tabel 3. Evolutsioonilise idee kujunemise ajalugu
|
Aristoteles 384-322 eKr e. |
Sõnastas hüpoteesi elusolendite arengust elutust ainest ja idee "looduse etapist" seoses loomamaailmaga. |
|
Keskaeg 400-1400 hõõruda. |
Teooriad tunnustasid põhimõtteliselt kreatsionismi – jumalikku eluloomingut, inimest. |
|
John Ray 1627-1705 |
Pakkus välja liigi kontseptsiooni. |
|
Buffon (1707-1788) |
Uskus, et erinevat tüüpi loomad on erineva päritoluga ja tekkisid erinevatel aegadel. Tunnustanud keskkonna mõju ja omandatud omaduste pärandumist. |
|
Erasmus Darwin (1731-1802) |
Ta esitas hüpoteesi, et elu tekkis inimese loomise ühest "lõngast". |
|
Jean-Baptiste Lamarck (1744-1829) |
Ta esitas omandatud omaduste pärimise hüpoteesi. |
|
Georges Cuvier (1769-1838) |
Kasutas paleontoloogia saavutusi. Loodud "katastroofide" teooria kui evolutsiooni alus. |
|
Charles Lyell (1797-1875) |
Progressiivsed muutused fossiilsete jäänuste osas. |
|
Charles Darwin (1809-1882) |
Sõnastas evolutsiooniteooria loodusliku valiku tulemusena. |
|
De Vries (1848-1935) |
Ta avastas mutatsioonid ja uskus, et liigid tekivad loodusliku valiku tulemusena. |
|
Gregor Mendel (1822-1884) |
Avastas pärilikkuse seadused. |
|
Thomas Morgan (1903) |
Loonud kromosomaalse pärilikkuse teooria. |
Kuidas tekkis elu, kuidas kujunes inimene? Need küsimused tekkisid juba ammu ja need on teadlasi, kõiki inimesi iidsetest aegadest saati alati huvitanud. See on tänapäeva teaduse jaoks oluline, sest järkjärgulise arengu loogika annab tunnistust nende fundamentaalsete ideede ja seaduste õigsusest, mis on teadmiste aluseks.
Teadmiste abil saate mõjutada loodussündmuste arengut, kuid teatud piirides, rikkumata seejuures loodusseadusi ja seega ka evolutsiooniprotsesse.
Just sellel põhinevad tänapäevased filosoofilised ja ökoloogilised metoodikad elu säilitamiseks Maal, need on aluseks uue ökoloogilise mõtlemise kujunemisele. Peamised evolutsioonilised ideed on esitatud tabelis. 3.
Seega on ühelt poolt range evolutsiooniteooria, mis põhineb faktidel, ja teiselt poolt hüpotees, et kõik asjad on Jumala poolt loodud. Tänapäeval, ükskõik mis vaated inimesel on, peab ta meeles pidama oma tähtsust looduses, osalemist selle arengus, vastutust loodusseisundi eest. Nüüd, nagu V.I. kirjutas Vernadskist, mehest endast ja kogu ühiskonnast sai evolutsiooni liikumapanev jõud.
küsimus
1. Mis on evolutsioon, millised on selle peamised etapid?
2. Kirjeldage bioloogilise evolutsiooni peamisi ajastuid, perioode.
3. Milliseid evolutsioonilisi põhiideid teate?
4. Kuidas määratakse ajastute, perioodide kestus ja organismide olemasolu?
5. Kuidas tõestada olemasolevate evolutsiooniliste faktide usaldusväärsust?
Biosfääri evolutsioon
Maa ajalugu ulatub umbes 4,6 miljardi aasta taha. Elu tekkis 3,46 miljardit aastat tagasi Paleoarheas, mis on sel ajastul leitud kõige varasem eluvorm (hästi säilinud bakterite jäänused, Lääne-Austraalia). Selle aja jooksul tekkis ja suri välja palju miljoneid taime- ja loomaliike; kõrgeimad mäeahelikud kasvasid ja muutusid tolmuks; Hiiglaslikud mandrid kas jagunesid tükkideks ja hajusid eri suundades või põrkasid omavahel kokku, moodustades uusi hiiglaslikke maismaamassi. Kuidas me seda kõike teame? Tõsiasi on see, et vaatamata kõikidele katastroofidele ja kataklüsmidele, millega meie planeedi ajalugu on nii rikas, on üllatavalt suur osa planeedi tormilisest minevikust jäljendatud tänapäeval eksisteerivatesse kivimitesse, neis leiduvatesse kivististesse, aga ka tänapäeval Maal elavate elusolendite organismid. Muidugi on see kroonika poolik. Me kohtame sellest vaid fragmente, nende vahel haigutavaid tühimikke, narratiivist jäetakse välja terved peatükid, mis on tõeliselt juhtunu mõistmiseks äärmiselt olulised. Ja ometi, isegi sellisel kärbitud kujul ei jää meie Maa ajalugu lummavalt alla ühelegi detektiiviromaanile.
Veel kaks miljardit aastat tagasi on fossiilide rekord esinduslik. Ja sellel tasemel olid peaaegu kõik peamised tsüanobakterite perekonnad ja liigid juba olemas. Ilmselt jäid ookeanid hapnikuvabaks kuni kaks miljardit aastat tagasi, mil Maa diferentseerus tuumaks ja vahevööks ning raua voolu ookeanidesse lakkas. Ilmselt hakkas hapnik atmosfääris kogunema varem, kuna saadud geokeemilised andmed näitavad, et hapnik ilmus atmosfääri 2,7–2,8 miljardit aastat tagasi. Põhimõtteliselt võime rääkida sinivetikate ilmumisest kolm miljardit aastat tagasi, võib-olla 3,5, kuid siin pole küsimus päris selge.
Kaks miljardit aastat tagasi oli Maa täiesti erinev sellest, mida me praegu näeme. Mööda tasaseid mandreid voolasid elutud jõed, tumepruune ookeane asustas tohutul hulgal tsütobaktereid, mis ehitasid madalasse vette stromatoliite, vabastasid hapnikku ja küllastasid sellega atmosfääri. Ja seal olid esimesed üherakulised loomorganismid, kes kubisesid selles sinakasrohelises limas, kus oli kõrge hapnikusisaldus.
Maa oli üksluine ja suure tõenäosusega hall. Veel kaks miljardit aastat tagasi oli taevas teistsugune – tumepruun. Ja kaks miljardit aastat tagasi hakkas taevas siniseks minema, ookeanid said rauast puhtaks ja need hakkasid meenutama ka tänapäevaseid.
Maa tuum kahanes kiiresti. Tuumareaktsioonide ja radioaktiivsete elementide lagunemise tõttu eraldus Maa sooltes nii palju soojust, et selle moodustanud kivimid sulasid. Kergemad, ränirikkad ained, klaasitaoline mineraal, mis eraldatakse maa tuumas tihedamast rauast ja niklist, et moodustada esimene koorik. Umbes miljardi aasta pärast, kui Maa märkimisväärselt jahtus, kivistus maakoor meie planeedi kõvaks väliskestaks, mis koosnes tahketest kivimitest. Kui Maa jahtus, paiskus see oma tuumast välja palju erinevaid gaase. Tavaliselt juhtus see vulkaanipursete ajal. Kerged gaasid, nagu vesinik või heelium, pääsesid enamasti avakosmosesse. Maa gravitatsioon oli aga piisavalt tugev, et hoida oma pinna lähedal raskemaid gaase. Need moodustasid Maa atmosfääri aluse. Osa atmosfääri veeaurust kondenseerus ja Maale ilmusid ookeanid. Nüüd oli meie planeet täielikult valmis saama elu hälliks.
Elusaine on läbi geoloogilise aja alati olnud ja jääb biosfääri lahutamatuks osaks, energiaallikaks, mille ta püüab kinni päikesekiirgusest – aktiivses olekus ainest, millel on suur mõju geokeemiliste protsesside kulgemisele ja suunale. keemiliste elementide kogu maakoores.
V. I. Vernadski
Orgaaniliste ühendite, nagu ka elusaine, areng on tihedalt seotud veega.
Mitmete teadlaste arvates ei olnud elu oma arengu algstaadiumis seotud üksikute elusorganismidega, vaid väljendus ühes elusaines. V.I. Vernadski sõnul taandub elu tekkimine biosfääri tekkele, mis algusest peale oli keeruline isereguleeruv süsteem. Elusaine geokeemiliste funktsioonide mitmekesisus tulenes asjaolust, et igal, isegi kõige primitiivsemal rakul, olles vee- ja merekeskkonnas, oli tihe kontakt kõigi perioodilisuse tabeli keemiliste elementidega. Need primitiivsed organismid ei valinud loomulikult eluprotsessi kõiki elemente, vaid peamiselt neid, mis soodustasid nende kasvu ja mitmete füsioloogiliste protsesside paranemist.
Sellega seoses märkis V. I. Vernadsky: "Selle tekkimise peamine tingimus on järeldus üheaegsete äärmiselt mitmekesiste geokeemiliste funktsioonide vajaduse kohta elu esindajate biosfääris. Ükskõik milline see välimus ka poleks, peab seda esindama mitte ühe liigi jagamatute kogum, vaid paljude liikide kogum, mis morfoloogiliselt kuuluvad erinevatesse järsult jagunenud organismiklassidesse või oletuslikult eriline elusaine vorm, mis erineb liigist. meile tundmatuid liike. Võimalus täielikult rakendada biosfääri organismide geokeemilisi funktsioone üherakuliste organismide poolt muudab tõenäoliseks, et see oli elu esmakordne ilmumine...
Seega pidanuks elu esmakordne ilmumine biosfääri loomise ajal toimuma mitte mingisuguse organismi ilmumise, vaid elu geokeemilistele funktsioonidele vastava agregaadi kujul. Kohe oleks pidanud tekkima biotsenoosid“ (lk 87).
Võib oletada, et keemiline evolutsioon kosmilises udukogus koos katalüütiliste reaktsioonide kasvava rolliga võib viia molekulide tekkeni DNA. Selle funktsioonide elluviimine osutus aga võimalikuks vaid Maa piires, kus elusaine arengust lähtuvalt kujunes varane biosfäär eluks soodsate tingimuste kombinatsioonina bioinertsüsteemidest ja elusainest endast. Ülejäänud Päikesesüsteemi kehades osutus keemiline evolutsioon külmunuks.
Praegu on aktsepteeritud organismide selget jagunemist autotroofseteks ja heterotroofseteks vastavalt toitumismeetodile. Maa varajases biosfääris oli heterotroofsete ja autotroofsete organismide suhe aga erinev. Mis täpselt, me veel ei tea. Ainus, mida võib oletada, on see, et fotosünteetiline autotroofne biosfäär, mida isotoopide geokeemia andmed märgivad 4 miljardit aastat tagasi, oli sekundaarne moodustis ja tekkis teistsugust biogeokeemilist tüüpi biosfääri baasil.
Tõepoolest, fotosünteesi üksikasjalik uuring on näidanud, et see on keeruline. See protsess ei saanud olla esimene elusaine ajaloos. Seetõttu osutusid kõik hüpoteesid autotroofsete organismide ülimuslikkuse kohta vastuvõetamatuks. Tänapäevaste andmete valguses on tekkimas idee ainevahetuse heterotroofse vormi ülimuslikkusest primaarsetes organismides. Heterotroofse toitumise ülimuslikkuse õigustamiseks võib tuua järgmise argumendi.
1. Kõigil tänapäevastel organismidel on süsteemid, mis on kohandatud kasutama valmis orgaanilisi aineid biosünteesiprotsesside algse ehitusmaterjalina.
2. Valdav enamus organismiliikidest Maa kaasaegses biosfääris saab eksisteerida ainult pideva valmisorgaanilise ainega varustamise korral.
3. Heterotroofsetes organismides puuduvad märgid või algelised jäägid nendest spetsiifilistest ensüümikompleksidest ja biokeemilistest reaktsioonidest, mis on vajalikud autotroofse toitumismeetodi jaoks. Viimane argument on kõige olulisem. Seega viitab ülaltoodud argumentatsioon autotroofse fotosünteetilise elu sekundaarsele olemusele meie planeedi biosfääris.
Eeltoodu põhjal võime järeldada, et meie planeedi esmane biosfäär piirdus esiteks veekeskkonnaga ja teiseks oli see küllastunud heterotroofsete organismidega, mis toitusid vees lahustunud orgaanilistest ainetest, mis varem tekkisid peamiselt kosmokeemilistes tingimustes. . Sellise biosfääri olemasolu kestis tõenäoliselt lühikese geoloogilise ajaperioodi.
Primaarsed heterotroofsed organismid, millel on elusaine omadused, paljunesid kiiresti ja loomulikult ammendasid kiiresti oma toiteväärtuse. Seetõttu, olles saavutanud maksimaalse biomassi, pidid nad välja surema või minema üle autotroofsele fotosünteetilisele toitumismeetodile. See uus söötmisviis aitas kaasa organismide kiirele levikule primaarsete reservuaaride pinna lähedal. Vastsündinud Maa esmast vaba hapnikuta pinda aga kiiritas Päikeselt pärit ultraviolettkiirgus. Seetõttu tunnistas G. Gaffron, et esmased fotokeemilised mehhanismid, mis võtsid osa orgaaniliste ainete ja hiljem elusorganismide järjestikusest sünteesist, kasutasid alguses kiirgust spektri ultraviolettpiirkonnas. Alles pärast osooniekraani tekkimist vaba hapniku kui sama fotosünteesi kõrvalproduktina ilmnemise tõttu hakkas autotroofne fotosünteesiprotsess kasutama kiirgust päikesespektri nähtavas osas. Väljapaistva nõukogude bioloogi M. M. Kamšilovi sõnul arenes elu suure tõenäosusega ainete tsüklina, millel on tihe interaktsioon heterotroofsete ja autotroofsete organismide vahel. Päikesekiirgus oli elu peamine energiategur ja selle tekkimine seisnes ringjate ainevahetusprotsesside loomises valguse footonite abil.
Primaarsed heterotroofsed mikroorganismid elasid iidsetes veekogudes vaid mõnda aega. Seejärel lükkasid nad kõrvale fotoautotroofsed organismid, mis tekitasid vaba hapnikku, millest sai tõeline heterotroofide hävitaja. Võib oletada, et varajases ookeanis toimus võitlus primaarsete ja sekundaarsete organismide vahel. Vesiniksulfiidiga rikastatud vees oli vähe vaba hapnikku. See osales mõnede organismide kemosünteesis ja imendus ookeani ja primaarse litosfääri mineraalsete alaoksüdeeritud ainete poolt. Olelusvõitlus toimus valgustatud mereosas asuvate fotosünteetiliste planktoniorganismide ning kemosünteesi ja orgaaniliste jääkide lagunemise käigus hapnikku neelavate organismide vahel. Sellest sai üks peamisi põhjusi, mis määras vaba hapniku hulga biosfääris. See võitlus lõppes fotosünteetiliste autotroofsete organismide võiduga, mis sisuliselt surus anaeroobse mikrofloora süvameremudade tekkevööndisse. Üldiselt toimus oksüdatiivsete funktsioonide areng koos redokspotentsiaali suurenemisega.
Praegu saame mõningate geokeemiliste andmete põhjal kvalitatiivselt taastada esmase atmosfääri ja hüdrosfääri koostise kui varajase elu tekke ja arengu keskkonna. Vesi ja primaarsed atmosfäärigaasid kuuluvad meie planeedi lenduvate ainete hulka ning on loomulik, et nende ajalugu on seotud üheainsa primaarse vahevöö degaseerimise protsessiga. Mitmed komponendid, mis praegu moodustavad settekivimid, hüdrosfäär ja atmosfäär, on tõeliselt lenduvad ained. Kui võrrelda nende kogust kogu settekivimite kompleksis, hüdrosfääris ja atmosfääris kogusega, mis võiks eralduda maakoore murenemisel ja kristalsete tardkivimite töötlemisel, siis leiame suure erinevuse, mida V. Rubi tegi ettepaneku nimetada. lenduvate ainete liig.
Lenduvate ainete liig on üsna muljetavaldav väärtus ja ületab üksikute komponentide lõikes kümneid ja isegi sadu kordi litosfääri aluskivimite tardkivimite murenemisel tekkivat lenduvat materjali. Lenduvate aurude ülejääk on H2O 128 korda, CO2 83 korda ja Cl 60 korda suurem, kui esmane maakoor suudaks oma täieliku intensiivse hävimise ajal toota. Liigsete lenduvate ainete koostis on äärmiselt lähedane vulkaaniliste gaaside koostisele.
Isegi kui CO2 tekkis aktiivsetes vulkaanides karbonaatide termilise lagunemise tõttu, siis antud juhul laenati see kõige iidsemate karbonaatsete settekivimite moodustumisel varasemast atmosfäärist.
Jaotusjärjekorras koosnevad vulkaanilised gaasid H2O-st, CO2-st, N2-st. Sellise atmosfääri koostise korral on orgaaniliste ühendite olemasolu ja eriti nende esinemine termodünaamiliselt ebasoodne: kõik H, C, N, O koosnevad orgaanilised ühendid on vähem stabiilsed kui ülalloetletud primaarse atmosfääri põhikomponendid.
Primaarse atmosfääri ja ookeani moodustumise ajal olid üsna keerulised orgaanilised ained, mis paiknesid varajases vahevöös, tihedas kontaktis tahkete silikaadiosakestega, mis võisid hiljem täita tugevate katalüsaatorite rolli järjest keerukamate ühendite moodustumise protsessis.
Andmed vulkaaniliste gaaside kohta näitavad üsna selgelt, et purske käigus vabanes molekulaarne lämmastik (N2), kuid mitte ammoniaak; seetõttu pole ammoniaak kunagi olnud maakera atmosfääri põhikomponent.
Juba on märgitud, et heterotroofse biosfääri eksisteerimise periood oli äärmiselt lühike, mistõttu ei saanud primaarsetes reservuaarides olevaid orgaaniliste ainete varusid uuendada samal viisil kui autotroofsete organismide varusid. Tõsi, võib oletada, et heterotroofsete organismide surnukehad täiendasid endiselt pidevalt toitvate orgaaniliste ainete varu. Seega valitses tasakaal elavate heterotroofide ja nende lagunenud jäänuste vahel.
Eelnevast lähtudes võib oletada, et elusaine ja vee allikas oli üksik, täpsemalt oli lenduvate ainete ja orgaanilise aine allikas Maal üksik. Need olid vahevöö ülemised horisondid, mis tekkisid peamiselt primaarse aine, näiteks süsiniku kondriitide, kogunemise tõttu. Samal ajal ei saa Maa esmase ülemise vahevöö materjali lihtsalt samastada süsinikkondriitide materjaliga. Me saame rääkida ainult lähedastest analoogidest, kuna primaarse päikeseudukogu üksikute tsoonide koosseis sõltus heliotsentrilisest kaugusest.
Maa primaarset atmosfääri, millega varajane elu kuidagi seostati, saab rekonstrueerida, võrreldes seda teiste maapealsete planeetide, nagu Veenus või Marss, atmosfääriga. Fotosünteesi ja vaba hapniku tulekuga muutus Maa algne atmosfäär radikaalselt.
Meie teadmiste praegune tase lubab hüpoteesina aktsepteerida väidet, et keemiline evolutsioon protoplanetaarses udukogus koos katalüütiliste ja radiokeemiliste reaktsioonide rolli suurenemisega jahutamise lõppfaasis võib viia mitte ainult keeruliste orgaaniliste ühendite moodustumiseni, mis on tõesti kindlaks tehtud fakt, aga ka DNA molekulide tekkimine.
Rõhutada tuleks üht olulist asjaolu: tärkava biosfääri bioloogiline areng kulges pöördumatul teel, lihtsast keeruliseni. Seda asjaolu märkas 1893. aastal silmapaistev Belgia paleontoloog L. Dollo (1857-1931), kes sõnastas evolutsiooni pöördumatuse seaduse. Selle seaduse kohaselt ei saa keha vähemalt osaliselt naasta sellesse seisundisse, mis oli omane tema esivanematele. Edasi, viidates Charles Darwinile, märkis ta, et organismide evolutsiooniline transformatsioon toimub loodusliku valiku mõjul toimuva konsolideerumise tulemusena, mis on põhjustatud võitlusest kasulike individuaalsete variatsioonide olemasolu eest. Sellele põhiseadusele võlgnevad kõik taime- ja loomaliigid alates nende ilmumisest Maale.
Bioloogilise evolutsiooni pöördumatus eeldab loomulikult, et elusaine ja biosfääri tekkimise protsess toimus pöördumatutes tingimustes. Kõige tüüpilisemaks pöördumatuks protsessiks võib pidada radioaktiivsust. Selle võimalikku rolli orgaaniliste ainete sünteesis on juba märgitud. Radioaktiivsus on aine üldine ja sügavaim omadus, Päikesesüsteemi tekke eelõhtul toimuvate nukliidide moodustumise protsesside peegeldus. Radioaktiivsus lõi loodusliku kiirgusfooni, milles toimus keemiline evolutsioon nii kosmoses kui ka varajasel Maal. Aastal 1926 tehti kindlaks, et metaani kiiritamisel toimub süsivesinike polümerisatsioon, mille käigus moodustuvad järjest keerukamad polüaatomilised molekulid.
Radioaktiivsuse roll elu arengus Maal on probleem, millele oleme alles hiljuti hakanud lähenema. Radioaktiivsuse mõju elusorganismidele on geoloogilise aja jooksul vähenenud. Sel juhul tuleb lähtuda sellest, et lihtsalt organiseeritud vetikad ja bakterid taluvad oluliselt suuremaid kiirgusdoose kui kõrgelt organiseeritud looma- ja taimevormid. Sellest võib eeldada, et lihteluvormide madalam tundlikkus radioaktiivsuse suhtes on seotud nende tekkega biosfääri arengu algusaegadel, mil keskkonna radioaktiivsus oli suurem kui tänapäeval.
Peamine sündmus esimeste organismide tekke ajal oli spiraalsete DNA molekulide teke, mis orgaaniliste ainete rohkuse tingimustes võis olla suhteliselt kiire protsess. Ilmselt ei tekkinud aga mitte ainult üks organism, vaid elusaine. Ja alles palju hiljem jagati see üksikuteks sfäärilisteks vormideks, millest said organismide esivanemad.
Edasi V elusaines tekkisid tüsistusprotsessid. Elusaine evolutsioonis toimus kvalitatiivne muutus, mis on seotud nukleiinhapete reprodutseerimise täpsusega kui valkude sünteesi kodeerimisprotsessiga, mis olid oma biokatalüütiliste omaduste poolest teistest orgaanilistest ühenditest oluliselt paremad.
Paljunemisprotsessi käigus hõivasid uued organismid kogu eluks sobiva ruumi, mis oli oluline tingimus biosfääri kui terviku moodustumise lõpuleviimisel. V.I. Vernadsky esitas elusaine biomassi püsivuse põhimõtte, laiendades seda kogu planeedi ajaloole. See põhimõte oli ja jääb sügavaks teaduslikuks üldistuseks. Siiski tuleb rõhutada, et see on suhtelise tähtsusega. Elu suurim pinge, mis väljendub väikseimate organismide kõrges paljunemiskiiruses, viib planeedi tasakaaluni elusaine loomuliku tootmise ja lagunemise vahel. Seetõttu on nüüd õigem rääkida ilmalikust tendentsist kehtestada biomassi püsivus teatud, võib-olla isegi oluliste geoloogilise ajavahemike jaoks.
Molekulaarbioloogia järgi esindasid iidseid mikroobe heterotroofsed organismid, mis paljunesid keskkonnas, kus oli ohtralt orgaanilisi ja mineraalseid toitaineid. Need toitained hõlmasid vähemalt riboosi, desoksüriboosi, fosfaate, puriine ja nende lähteaineid, pürimidiine ning mitmesuguseid valke ja mittevalgulisi aminohappeid. Maa arengu algstaadiumis esines esimeste kivimite murenemise saadusena tõenäoliselt piisavas koguses Na-, K- ja Ca-fosfaate. Lisaks võidi toiduna kasutada paljusid tundmatuid või identifitseerimata ühendeid, sealhulgas mõningaid vaiguseid pikki polümeere.
Esimesi organisme iseloomustas orgaaniliste ainete ensümaatilise muundamise protsess – käärimine, kus teised orgaanilised ained olid elektronide aktseptorid. Selliste transformatsioonide rakendamine vahepealses metabolismis peaaegu kõigis organismides on argumendiks nende protsesside iidsuse kasuks.
Maa varajases heterotroofses biosfääris tekkisid peagi organismid, mis suutsid päikesekiirte energiat kasutades süsihappegaasi absorbeerida. Maa primaarses atmosfääris nii rikkaliku süsihappegaasi biosünteetiline fikseerimine toimus L. Margelise sõnul kolmel viisil.
Esimene, kõige primitiivsem fikseerimine oli iseloomulik suurele mikroorganismide rühmale, mis ei olnud nähtava valguse suhtes tundlikud. Teine tekkis fosfonoolpüruvaadi karboksülaasi osalusel, mida täheldatakse anaeroobsetes fotosünteetilistes bakterites. Kolmas CO2 fikseerimine viidi läbi ribiloosbiofosfaadi - karboksülaasi osalusel. See on omane paljudele aeroobsetele organismidele ja on tüüpiline enamikule fotosünteetilistele ja kemoautotroofidele. Atmosfääri lämmastiku sidumine arenes peaaegu samaaegselt. See on energiat tarbiv anaeroobne protsess, mida leidub ainult prokarüootides.
Fotosünteetilised pigmendisüsteemid tekkisid prokarüootides juba enne seda, kui viimastest sümbioosi tulemusena eukarüootsed plastiidid said. Võib oletada, et fotosüntees koos vaba hapniku vabanemisega ei tekkinud algselt mitte rohelistes taimedes, vaid fotosünteetilistes bakterites ja seda eritavates sinivetikates.
Maa biosfääri arengut võib käsitleda kolme etapi järjestikuse muutusena. Esimene etapp – taastamine – algas kosmosetingimustes ja lõppes Maa peal heterotroofse biosfääri ilmumisega. Esimest etappi iseloomustab väikeste sfääriliste anaeroobide ilmumine. Esineb ainult vaba hapniku jälgi. Fotosünteesi varajane viis oli sisuliselt anaeroobne. Lämmastiku sidumine arenes välja, kui osa ultraviolettkiirgusest tungis atmosfääri ja lagundas kiiresti olemasoleva ammoniaagi.
Teist etappi - nõrgalt oksüdatiivset - iseloomustab fotosünteesi ilmnemine. See jätkus kuni settimise ja prekambriumi vöödiliste raudmoodustiste kuhjumiseni. Aeroobne fotosüntees sai alguse tsüanobakterite esivanematest. Hapnikku tootsid stromatoliite ehitavad organismid . Kuid hapnikku kogunes atmosfääris vähe, kuna see reageeris vees lahustunud rauaga. Sel juhul sadestusid raudoksiidid, moodustades prekambriumi vöödilised raudmoodustised. Alles siis, kui ookean sai rauast ja muudest mitmevalentsetest metallidest vabaks, hakkas hapniku kontsentratsioon tõusma tänapäevase taseme suunas.
Kolmandat etappi iseloomustab oksüdatiivse fotoautotroofse biosfääri areng. See sai alguse vöödiliste raudkvartsiitide ladestumise lõpuleviimisest umbes 1800 miljonit aastat tagasi, Karjala-Svekofennia orogeneesi ajal. Seda biosfääri arenguetappi iseloomustab sellise koguse vaba hapniku olemasolu, mis on piisav seda hingamise ajal tarbivate loomade tekkeks ja arenguks.
Geoloogilise ajaloo kivikroonikas on kirjas kaks viimast biosfääri arenguetappi. Esimene etapp on kõige kaugem ja salapärasem ning selle ajaloo dešifreerimine on seotud orgaanilise kosmokeemia põhiprobleemide lahendamisega.
Mõned varajase eelkambriumi organismid, nagu sinivetikad ja püanobakterid, on geoloogilise ajaloo jooksul vähe muutunud. Võib oletada, et kõige stabiilsematel organismidel oli kõige stabiilsem püsivus (ladina keelest persiste – ma püsin). Põhimõtteliselt pole kogu Maa ajaloo jooksul olnud mingit põhjust, et mõned mere mikroorganismid, eriti sinivetikad ja bakterid, oleks palju muutunud.