Запитання до Держіспитів
Дисципліна «Екологія»
Запитання Еволюція біосфери. Закони еволюції В.І. Вернадського. Вчення про ноосферу
Поняття, основні етапи
Еволюція біосфери – це історія життя Землі. Наша Земля, як стверджують вчені, виникла близько 5 млрд. років тому. За цей час вона чимало змінилася і пройшла у своїй історії шлях від розпеченої маси до планети, захищеної атмосферою, що має воду і населеної різними формами життя, тобто біосферою, що володіє.
Еволюція біосфери має основні етапи або ери: архей, протерозою, палеозою, мезозою та кайнозою. Катархей, що означає нижче або раніше давнього, етап існування планети, має відношення тільки до історії планети, оскільки в цей період життя на Землі ще не було, вона з'явилася пізніше - в археї чи стародавньому.
Епоха архея починається тим, що з'являються перші живі клітини. На цьому етапі розповіді про «еволюцію біосфери» допитлива людина запитає: «Звідки з'явилися? І чого це раптом?». Такі питання виникатимуть протягом усього висвітлення цієї теми. Але продовжимо.
Тимчасові періоди та ери
Перші живі клітини отримали назву - прокаріоти, тобто клітини, які не мають обмежених мембран ядер. Це були найпростіші організми, здатні швидко розмножуватися. Вони жили без кисню та не могли синтезувати органічну речовину з неорганічної. Легко пристосовувалися до навколишнього середовища і нею ж харчувалися. Сформульований принцип Реді свідчить, що у цей час з'являється непереборна межа між живим і неживим, хоча вони взаємодіють. Живе походить лише від живого. Знову запитання: «Якщо живе походило від живого і не могло перетравлювати неживе, чим воно харчувалося? Невже собі подібними?
Далі відбувається, за твердженням вчених, виснаження поживного для цих клітин середовища і вони змінюються і починають існувати за рахунок сонячної енергії і самі виробляти речовини, необхідні їм для життя. Цей процес отримав назву "Фотосинтез". Він є в еволюції біосфери основним чинником. З цього моменту починається формування атмосфери Землі, а кисень стає головною умовою існування живих організмів. Поступово формується озоновий шар, і вміст кисню в повітрі досягає звичних сьогодні 21%. Тобто, поки захисний шар не сформувався, стійкість живих організмів була такою, що дозволяло їм існувати і в тому середовищі. Тоді навіщо її міняти? Чи кисень був побічним ефектом життєдіяльності, тобто її відходами?
Так іде еволюція приблизно 2 млрд. років. А в протерозої, тобто 1,8 млрд років тому, з'являються живі організми з клітинами, в яких явно виражене ядро. Ще через 800 млн. років, ці організми, названі еукаріоти, розділилися на рослинні та тваринні клітини. Рослинні продовжили функцію фотосинтезу, а тварини почали «навчати» пересуватися.
900 млн. років тому було започатковано епоху статевого розмноження. Це призводить до видового розмаїття та кращої пристосованості до умов навколишнього середовища. Еволюційний процес пришвидшується.
Проходить близько 100 млн років і, на думку вчених, з'являються перші багатоклітинні організми. Цікаво, як раніше відрізнялися одноклітинні? У багатоклітинних організмів з'являються органи та тканини.
Настає ера палеозою та її перший етап – кембрій. У кембрійський період виникають практично всі тварини, у тому числі існуючі й досі. Це: молюски, рачки, голкошкірі, губки, археоціати, плечіногі і трилобіти.
500 млн. років тому з'являються великі м'ясоїдні та невеликі хребетні. Ще за 90 млн. років вони починають заселяти сушу. Живі організми здатні існувати на суші і у воді назвали дводихаючими. З них сталися земноводні та сухопутні. Це стародавні рептилії, схожі на сучасні ящірки. З'являються перші комахи. Ще 110 млн. років минає, і комахи навчилися літати.
Мезозою. 230 млн років тому. Еволюція продовжується. У рослин з'являється корінь, стебло, листя. Формується система, що забезпечує рослину водою та поживними речовинами. Змінюються і методи розмноження. Суперечки і насіння стає найбільш придатним для цих цілей на суші. Починаються відкладення неперероблених органічних відходів. Разом з відкладеннями кам'яного вугілля починає вивільнятися додатковий кисень.
В епоху палеозою, особливо в період девону та карбону, рівень рослинного світу значно перевищував існуючий. Ліси являли собою зарості з деревоподібних плаунових, гігантських хвощових і різних папоротей. Фауна йде шляхом удосконалення насіння. Господарі суші цього періоду – рептилії, які все далі йдуть від води. З'являються плаваючі, що літають і рухаються суходолом. Вони м'ясоїдні та травоїдні.
195 млн. років тому – перші птахи та ссавці. Це: птеранодон, плезіозавр, мезозавр, бронтозавр, трицератопс та інші.
Кайнозою. 67 млн років тому. Світ ссавців, птахів, комах та рослин величезний. У попередній період відбулися значні похолодання, які внесли деякі зміни у процес розмноження рослин. Переваги отримали покритонасінні.
8 млн. років тому – період формування сучасних істот та приматів.
Хоча процес еволюції тривав майже 4 млрд. років, доклітинні живі організми існують і сьогодні. Це віруси та фаги. Тобто одні доклітинні еволюціонували в людину, інші залишилися, як були.
Сьогодні фауна налічує близько 1,2 млн. видів, а флора близько 0,5 млн. видів.
Як бачимо, кожна епоха характеризується своєрідністю видів флори і фауни. Причому види, як правило, не переходять із однієї ери до іншої. Є лише деякі подібності. Чи можна їх вважати успадкуванням, чи це зовсім інші форми життя? Як один вид перетворювався на інший і чому? Доказів, тобто останків перехідних форм, а вони повинні обов'язково бути при еволюційних змінах, немає і палеонтології. Принаймні вони широко невідомі.
Палеонтологія
Вчені стверджують, що у процесі еволюції були суттєві зупинки розвитку. Чим є її нова епоха – епоха соціальної революції?
У розвитку біосфери, біологічна еволюція окреслюється процес розвитку живої природи, що проходить природним чином. У цьому змінюються і перетворюються як окремі екосистеми, і біосфера загалом. Доказами чого вважають останки тварин і рослин, що існували в минулому, та сліди їхньої життєдіяльності, знайдені в процесі розкопок. Виявленням та вивченням таких копалин останків і слідів займається наука палеонтологія. Вона також намагається відтворити чи реконструювати зовнішній вигляд, особливості харчування, поведінки та розмноження живих організмів минулого.
Людина з давніх часів мимоволі стикалася з останками стародавніх тварин і рослин. Про це свідчать записи античних авторів: Ксенофона, Геродота, Арістотеля. Вчених епохи Відродження: Леонардо да Вінчі, Георгія Агрікола, Джіроламо Фракасторо. У ХІХ столітті – це, звісно, Чарльз Дарвін, Жорж Кюв'є, засновник палеонтології, а XX – Володимир Ковалевський, Тейар де Шардена і В.І. Вернадський.
Новий етап еволюції
Саме В.І. Вернадський підтримує термін «Ноосфера», тобто розумна сфера, даний да Шарден і розвиває і науково доводить це поняття. Він виділяє етапи еволюції біосфери. Їх три: виникнення життя та первинної біосфери, в якому чільне положення відведено хімічним реакціям та кліматичним змінам. Наступний - другий етап - це поява нових та різноманітних одно-і багатоклітинних організмів. Тут головною є біологічна еволюція . І третій етап – поява людини і суспільства, яка починає по-своєму та у своїх інтересах впливати на біосферу, перетворюючи її на ноосферу чи новий еволюційний стан біосфери.
Життя на нашій планеті зародилося приблизно 3,5 млрд років тому і коротко еволюція біосфери являла собою: поява життя і постійний процес зміни її форм і видів, аж до теперішнього часу. Після того, як в еволюцію стала втручатися людина, які нові види та форми життя з'явилися? Навпаки, кількість видів і кількість представників цих видів стало скорочуватися прогресуючими темпами. І вони такі, що новий еволюційний стан біосфери стане її останнім етапом. Людина лише користується тим, щоб було створено до неї. Просто ступінь цього використання ставатиме з розвитком науки і технологій, дедалі глибшою. Єдиним досягненням людини вважатимуться її спроби розширити свою присутність поза Землі та її біосфери.
Запитання без відповідей
Зміни відбуваються під впливом якихось факторів, які виникли і не дають системі існувати у звичній та зручній для неї манері. Що це були за фактори? Чому процес виникнення нових форм і видів пришвидшується з наближенням до нашого часу, а з початком нашої ери – різноманітність видів та їх чисельність починає скорочуватися?
Як люди, які досі не можуть визначити вік Туринської плащаниці, де йдеться про тисячу років, з легкістю та переконаністю називають ери та їхні часові рамки у мільйони років? Як людина, яка відстоює таке походження життя, після роботи йде до церкви, звертається до релігії та молиться? Адже церква утверджує інше походження сущого. Від кого ми походять? Від вірусу та мавпи чи це був Божий промисел? Достовірних доказів немає ні в кого. Біосфера у своїй історії пройшла еволюцію, тобто був причинно-наслідковий зв'язок, що зумовлює перехід від однієї стадії до іншої чи одна біосистема закінчувала своє існування і на її місце приходила інша, з попередньою зовсім не пов'язана?
Еволюція біосфери
В епоху науково-технічного прогресу особливого значення набувають знання про життєві процеси на Землі в цілому. Важливу роль цих процесах грають живі організми. За мільярди років, що минули з моменту утворення нашої планети, вони наповнили атмосферу киснем та азотом, очистили її від вуглекислого газу, сформували відкладення вапняку, нафти, газу. У процесі еволюції Землі утворилася особлива оболонка – біосфера (грец. bios «життя»). Термін "біосфера" вперше був використаний у 1875 р. австрійським геологом Е. Зюссом. Під біосферою розуміється сукупність всіх живих організмів разом із середовищем їхнього проживання, до якої входять: вода, нижня частина атмосфери та верхня частина земної кори, населена мікроорганізмами.
Рис.1. Загальний вид біосфери
Два головні компоненти біосфери - живі організми та середовище їхнього проживання - безперервно взаємодіють між собою і перебувають у тісній, органічній єдності, утворюючи цілісну динамічну систему. Біосфера як глобальна суперсистема, у свою чергу, складається з низки підсистем. Окремі живі організми немає ізольовано. У процесі своєї життєдіяльності вони поєднуються в різні системи (спільноти), наприклад, у популяції.
У ході еволюції утворюється інший, якісно новий рівень живих систем, так звані біоценози - сукупність рослин, тварин і мікроорганізмів у локальному середовищі. Еволюція життя поступово призводить до зростання та поглиблення диференціації всередині біосфери. У сукупності з довкіллям, обмінюючись з нею речовиною та енергією, біоценози утворюють нові системи - біогеоценози або, як їх ще називають, екосистеми. Вони можуть бути різного масштабу: море, озеро, ліс, гай і т. д. Біогеоценоз є природною моделлю біосфери в мініатюрі, що включає всі ланки біотичного круговороту: від зелених рослин, що створюють органічну речовину, до їх споживачів, в результаті перетворюють його знову у мінеральні елементи. Інакше кажучи, біогеоценоз є елементарним осередком біосфери. Таким чином, у сукупності всі живі організми та екосистеми утворюють суперсистему – біосферу.
Еволюція біосфери. Вчення Вернадського про біосферу
Існують різні погляди щодо часу виникнення біосфери. Згідно з однією з них (концепція В.І. Вернадського), біосфера виникла на ранній стадії розвитку планети Земля і має вік, близький до віку Землі (приблизно 4,6 млрд. років). За Вернадським, перехід від неживої речовини до найпростіших форм живого зайняв незначний (у геологічному масштабі) час - трохи більше 200 років. Характерними рисами біосфери, у рамках концепції Вернадського, є:
1. Біосфера виникла одночасно як сукупність біогеоценозів. Жива речовина сформувалася як сукупність складних живих організмів.
2. Первинні організми здатні забезпечити всі основні процеси (біохімічні, біологічні), які у оболонках Землі.
3. Живі організми забезпечують міграцію хімічних елементів у земній корі.
Згідно з іншою точкою зору, біосфера сформувалася на певному етапі розвитку Землі. Спочатку був етап передоболонок, потім сформувалися основні земні оболонки і потім з'явилася біосфера.
На думку Бернадського, поява та існування людини в біосфері визначає найвищий ступінь її розвитку. Сама поява людини представляє перехід від простого біологічного пристосування живих організмів до розумної поведінки та цілеспрямованої зміни навколишнього середовища розумною істотою. Жива речовина планети при цьому активно пристосовується до нових умов існування в природі. Відбувається раптовий спільний вплив природи на людину і людину природу, і людина тепер відповідає за еволюцію життя.
Існують два основні визначення поняття "біосфера", одне з яких відоме з часу появи в науці даного терміна. Це розуміння біосфери як сукупності всіх живих організмів Землі. Учень Докучаєва, творця вчення про ґрунти, В.І. Вернадський, який вивчав взаємодію живих і неживих систем, висунув принцип нерозривного зв'язку живого та неживого, переосмисливши поняття біосфери. Він розумів біосферу як сферу єдності живого та неживого.
Таке тлумачення визначило погляд Вернадського проблему походження життя Землі.
Розглядалися такі варіанти:
1) життя виникло до утворення Землі та було занесено на неї;
2) життя зародилося після утворення Землі;
3) життя зародилося разом із формуванням Землі.
Вернадський дотримувався останньої з цих точок зору і вважав, що немає переконливих наукових даних про те, що живе ніколи не існувало на нашій планеті. Інакше кажучи, біосфера була Землі завжди.
Біосфера (грец. bios – життя, sphaira – куля) – оболонка Землі, населена живими організмами та перетворена ними. Біосфера тісно пов'язана з іншими земними оболонками, є наслідком, насамперед біогеохімічного круговороту, який забезпечується сонячною енергією. У біосфері організми та середовище їхнього існування внаслідок тривалої взаємодії один з одним утворюють цілісну систему, що знаходиться в динамічній рівновазі.
Біосфера, згідно з Вернадським, включає наступні складові частини.
1. Жива речовина, утворена сукупністю організмів.
2. Біогенна речовина, що створюється у процесі життєдіяльності організмів (гази атмосфери, кам'яне вугілля, нафта, вапняки тощо).
3. Доскона речовина, що формується без участі живих організмів (внаслідок руху земної кори, діяльності вулканів, метеоритів).
4. Біокосна речовина, що є спільним результатом життєдіяльності організмів і небіологічних процесів (ґрунту).
Вернадський сформулював основні засади організації біосфери загалом. Це два біогеохімічні принципи.
1. Геохімічна енергія живої речовини в біосфері (включаючи людину як вищу наділену розумом істота) прагне максимального прояву.
2. У ході еволюції видів живих організмів виживають організми, які своєю життєдіяльністю максимально збільшують біогенну геохімічну енергію.
Рис.5. Фрагмент еволюції живої речовини біосфери
Вернадський здійснив оцінки кількості живої речовини в біосфері, на підставі яких сформулював наступний принцип: протягом всієї історії Землі кількість живої речовини в біосфері була практично постійною. В даний час людина порушила свою рівновагу з біосферою. Поки людина (і великі тварини) у споживанні продуктів біосфери не перевищували 1 % їх загальної кількості, біосфера перебувала у динамічному рівновазі коїться з іншими земними оболонками. Сучасна людина споживає свої потреби вже понад 7%. продуктів біосфери та суттєво порушує її природний баланс. Наприклад, вже змінилося співвідношення запасів вуглецю в атмосфері і на суші, різниця між синтезом і розкладанням органічних речовин стала в сотні разів більшою, ніж було спочатку.
Біосфера вже не справляється зі своєю функцією стабілізації, і невдовзі цю функцію людству доведеться взяти на себе. Зрештою, коли вся система життя та середовища стане керуватися людиною, тоді біосфера перетвориться на ноосферу. Але тоді основна частина енергетичних та трудових витрат піде на стабілізацію довкілля (за деякими оцінками – понад 99%). На підтримку та розвиток цивілізації залишиться лише кілька відсотків (або навіть менше 1%). Займаючись ним створеною біогеохімією, що вивчає розподіл хімічних елементів по поверхні планети, Вернадський дійшов висновку, що немає практично жодного елемента таблиці Менделєєва, який не включався б в живу речовину. Вернадський підкреслював також важливе значення енергії та називав живі організми механізмами перетворення енергії.
Детальне обґрунтування теоретичних уявлень В.І. Вернадського та А.Л. Чижевського отримують у наші дні. Так, дослідження нашої космонавтики:
1. Дозволили відкрити нові численні дані щодо зв'язку земних та космічних процесів.
2. Радикально вплинули на способи здійснення астрофізичних та астрономічних спостережень та відкриттів.
3. Привели до своєрідної наукової революції в астрофізиці.
Так, наприклад, у 60-х роках. були відкриті квазари - космічні об'єкти з грандіозним за енергетичною потужністю рівнем випромінювання (випромінюють у десятки разів більше енергії, ніж найпотужніші галактики), а також такі космічні явища, як спалахи наднових. За сучасними астрофізичними уявленнями, саме випромінювання наднових є головним джерелом космічних променів у Галактиці. Вони можуть впливати, тому що рентгенівський потік, що виходить від наднових, може створювати в стратосфері Землі високі концентрації окису азоту - руйнівника озонового шару, що є екраном, що оберігає живе Землі від впливу жорсткого випромінювання Сонця.
Уявлення про різні форми взаємодії живої речовини з космічними матеріально-енергетичними потоками набувають все більшого значення також завдяки гіпотезам, що активно розробляються, про існування, щонайменше, в межах нашої Галактики всепроникаючої загальногалактичної живої системи. Вони вказують на наявність величезної кількості мікроорганізмів у космічному просторі нашої Галактики. Дослідження у цьому напрямі можуть розглядатися як свідчення на користь концепції, що висувалась В.І. Вернадським про широке, космічне за масштабами, поширення у Всесвіті живої речовини, його космічне значення.
Природничо-наукові гіпотези та факти показують, що дослідження взаємодій, розпочаті працями В.І. Вернадського та її послідовників, представляють випереджаючі, перспективні напрями у природознавстві, осягненні таємниць природи.
За В.І. Вернадському, наша планета і Космос представляються нині як єдина система, у якій життя, живу речовину пов'язують у єдине ціле процеси, які протікають Землі з процесами космічного характеру. За оцінками В.І. Вернадського, протягом усієї історії Землі кількість живої речовини в біосфері була практично постійною. Грандіозна картина загальнопланетарного розвитку включала і появу людини - носія Розуму, який прискорив усі процеси, що розвиваються на планеті. Він говорив, що вплив людини на природу зростає настільки швидко, що вона перетвориться на основну на основну геологічну силу і повинна буде взяти на себе відповідальність за майбутній розвиток природи. Біосфера поступово перетворюється на ноосферу.
Лекція 5
Запитання 1. Зародження біосфери
Біосфера зароджувалася як безпосередній розвиток великого абіотичного круговороту та на його основі. У надрах абіотичного круговороту стали формуватися цикли органічної речовини у вигляді синтезу та розпаду хімічних сполук вуглецю (рис. 1). Якщо вірна точка зору Дж. Бернала, що життя почала розвиватися як єдність процесів синтезу та деструкції органічної речовини, то життя як явище мало виникнути раніше живих організмів.
Згодом загальний кругообіг органічної речовини індивідуалізувався і виявився пов'язаним із певними типами коацерватів. Відповідно до В.І. Вернадському, " серед мільйонів видів немає жодного, який міг би виконувати один усі геохімічні функції життя, що існували в біосфері. Отже, морфологічний склад живої природи в біосфері мав бути складним". Тому "перша поява життя при створенні біосфери мала відбутися не у вигляді появи одного якогось організму, а у вигляді їх сукупності, що відповідає геохімічним функціям життя".
Чи є якісь факти, що підтверджують таку точку зору? Мабуть, так. Принаймні симбіотична теорія походження еукаріотичної клітини передбачає наявність великої кількості предкових прокаріотичних організмів, що відрізняються за своїми геохімічними функціями. Єдність їхньої фізіологічної організації є наслідком того факту, що всі ці не схожі між собою організми є продуктами єдиного абіотичного круговороту речовин.
Виникнувши як сукупність організмів життя відразу ж виявила свої основні властивості. Вже з моменту виникнення жива речовина не тільки взаємодіяла як ціла зі своїми прабатьками та абіотичним світом, а й окремі організми взаємодіяли один з одним. Очевидно, спочатку виникали консортивні зв'язки, які на ранніх етапах еволюції ще слабо диференційованих організмів призводили до появи симбіотичних асоціацій, що дали початок еукаріотичним організмам. Первинні біогеоценози будувалися з урахуванням видів r-стратегів, досі морські водні екосистеми зберегли основні риси властиві таким співтовариствам - наприклад, висока продукція статевих продуктів.
Подальший розвиток біосфери йшов шляхом ускладнення та розширення біотичного круговороту, що супроводжувалося диференціацією живої речовини, спеціалізацією складових її видів і захопленням все нових просторів. Характерною рисою цього процесу виявилося те, що життя, витягуючи з довкілля необхідні речовини та збагачуючи її продуктами життєдіяльності та вільної енергією, неминуче змінювало умови свого існування. Тому вона повинна була постійно пристосовуватися до мінливих умов свого існування, які сама ж і змінювала з швидкістю, що все збільшувалася. Розвиток біосфери було пов'язане цьому етапі з ускладненням біотичного круговороту. Нові органічні форми часто могли існувати з урахуванням попередніх. Еволюція біотичного круговороту постає передусім як прогресуюча диференціація форм життя. У цьому постійно прискорюється темп еволюції з ускладнення біотичних взаємодій, які у ролі чинників адаптивних перетворень.
Запитання 2. Основні етапи еволюції біосфери
У зв'язку з тим, що не всі органічні речовини первинного бульйону увійшло до складу коацерватів традиційно передбачається, що протобіонти були гетеротрофами. Однак з огляду на поліфілітичність життя та основну особливість біосфери як процесу синтезу та деструкції здається більш логічним припустити і наявність синтезуючих організмів.
У своєму примітивному варіанті фотосинтез було джерелом кисню. У безкисневому середовищі сучасні ціанобактерії використовують сірководень при фіксації CO 2 (як і пурпурні бактерії). Можна припускати, що це первинна властивість примітивних фототрофів. Від сірководню електрон відібрати легше, ніж від вода, проте регенерація сірководню з сульфатів (SO 4 2-) вимагає наявності органічних речовин. Отже, обсяг сульфат-залежного фотосинтезу лімітувався масою накопиченої в біосфері органіки. Тому можна припускати, що на етапі, що передував виникненню воднозалежного фотосинтезу біосфера, не дивлячись на наявність фотосинтетиків, була анаеробною і біогеоценози складалися з міксотрофних фотосинтезуючих продуцентів і сапрофагів, що замикали ланцюг живлення по сірці і азоту (але не вуглецю). Присутність справжніх хижаків у таких спільнотах малоймовірна, оскільки
1) в анаеробних умовах хижацтво енергетично невигідне,
2) особливо на тлі і так присутнього в навколишньому середовищі досить великої кількості органічної речовини,
3) хижацтво передбачає складну будову, яка відсутня у прокаріотів (наприклад, немає фагоцитозу).
Наступним етапом у розвитку біосфери було виникнення організмів, здатних до фотолізу води. Використання у фотосинтезі завжди недефіцитної води дало таким організмам та біосфері загалом більше вигод. Прокаріотичні біоценози цього часу безперечно були водними і традиційно розглядалися як морські. Однак це, мабуть, не зовсім так. Таке уявлення засноване на припущенні, що будова земної поверхні було важливо тим самим, що й зараз. Однак більш правдоподібною є картина різко контрастного ландшафту, який складався з майже вертикальних скель (які слабко руйнувалися зокрема через відсутність наземної біоти) і майже горизонтальних рівнин, що простягалися на величезному протязі і знаходяться поблизу рівня моря. Приливні та штормові хвилі могли проходити цими рівнинами на великі відстані і берегова риса практично була відсутня. Водорослево-бактериальные мати (строматоліти) могли займати всю цю рівнину, причому вони існували і над море і над суші у тому сучасному розумінні, а деяких особливих умовах, аналогів яким немає сучасної Землі.
Водорості активно фотосинтезуючи створювали окислювальні умови у найближчому оточенні. Через нерегулярну ерозію кількість органічної речовини, що йде в опади, мала бути дуже великою, але багаторазова переробка опадів повинна була призводити до їх значного окислення. У цьому накопичення кисню у атмосфері йшло дуже повільно.
Відсутність річок, переважання плащового стоку призводило до того, що вода, що стікає з материків, була каламутною. Мутність води у прибережній зоні ускладнювала утилізацію мінеральних речовин океанічним фітопланктоном через вузькість фотичної зони (рис. 2). У таких умовах дуже проблематичною є можливість розвитку донної фауни. Харчування організмів цьому етапі залишалося осмотичним. Здавалося б, що найбільш прогресивним кроком при такому типі харчування є подальша мініатюризація життя, проте дрібні організми, позбавлені здатності активно пересуватися у навколишньому середовищі, швидко виснажують біогени навколо себе і опиняються в умовах харчового дефіциту. Для подолання цієї суперечності можливі два шляхи. Один реалізували строматоліти, зафіксувавши себе у просторі та представивши середовищі рухатися щодо них. Другий шлях – збільшення розмірів тіла. Спочатку його спробували реалізувати прокаріоти - об'єднавшись в агрегати, але найбільшого розвитку досяг у еукаріотичних організмів.
Здатність збільшувати розміри була реалізована еукаріотами у Вендському періоді, коли організми відрізнялися надзвичайно великими розмірами. Але вони були низько різноманітні, мабуть, низько спеціалізованими на кшталт використання ресурсів і однотипні по всій Землі. Утворення цих угруповань, що складалися з видів-генералістів, безсумнівно, стало однією з найважливіших біотичних подій. Однак таке "лобове" використання еукаріотами своїх переваг незабаром змінилося більш досконалим формуванням високорізноманітних співтовариств фахівців на кожен окремий випадок життя. Процес зростання різноманітності значно, а, можливо, й принципово пришвидшується у Кембрії. Ця зміна збігається з ще двома біотичними подіями:
Розповсюдженням організмів з мінеральним скелетом,
Появою членистоногих, серед них дуже досконалих фільтраторів, утворюють фекальні пелети. Наслідки появи досконалих фільтраторів цілком очевидні. Роль пелетів відома набагато гірше, хоч і не менш значуща. У сучасних морях тонкий пелітовий матеріал, що потрапляє в них, дуже швидко відфільтровується, упаковується в фекальні пеліти і відправляється на дно. Без пелітового механізму каламутність води була б незрівнянно більшою. Органічне речовина досить швидко осідає на дно, що сприяє збагаченню води не витраченим з його окислення киснем, а донних опадів органічним детритом, останнє створює умови у розвиток илоедов. І справді, у Кембрії спостерігається розквіт таких груп як трилобіти. Запасання органічної речовини в осаді дозволило зробити його переробку набагато рівномірнішою і поліпшити постачання товщі води киснем.
Просвітлення та насичення води киснем призвело до Ордовика до освоєння товщі морів життям.
У Мезозої формується сучасний вигляд морських угруповань. Населення цих біоценозів характеризується збільшенням ролі нектону та ілоїдів, при скороченні ролі споживачів придонної суспензії.
Історія розвитку життя суші, очевидно, починається з освіти під водоростево-бактериальными матами примітивних грунтів, відомих вже у докембрії. У верхньому Ордовику вдалося знайти ґрунти з ходами якихось червоподібних тварин. Проте важко однозначно назвати такі спільноти власне наземними. Неможливо віднести їх і до континентальних водойм, існування яких здається досить проблематичним до Девона, коли рослини трохи знизили ерозію та стабілізували берегову лінію.
Виникнення наземних рослин з жорсткими вертикальними осями, поява камбіальної тканини та вторинної деревини, без яких зростання таких рослин не могло відбуватися, безсумнівно, виявилися найбільшими новоутвореннями. Вони змінили ситуацію одразу у кількох напрямках.
(1) З'явилася можливість різко збільшити інтенсивність утворення органічної речовини, оскільки фотосинтезуючі структури розташовуються тепер у тривимірному просторі, а чи не на площині.
(2) Вертикальне положення осей зробило рослини стійкими до занесення дрібноземом, що змивається, тим самим різко зменшивши втрати органіки з біогеоценозів.
(3) Забезпечення жорсткості стовбурів вимагало значної кількості деревини, що давала після загибелі рослин велику кількість детриту, який через повільне розкладання призводив до стабілізації умов біоценозу.
(4) Підтримання вертикального положення вимагало розвитку досить потужної кореневої системи, що підвищувало протиерозійні властивості рослинності. Можна бачити, що ці зміни загалом призводили до стабілізації біогеоценозів. Одночасно ці процеси створювали переваги більш складних, довго живуть популяцій організмів, безсумнівно сприяючи прогресивному розвитку живої природи.
У Карбоні виникають потужні лепідофільні ліси. Характер зростання лепидофитов зі своїми дуже пізнім розгалуженням передбачає високий рівень відпаду підросту, що мало призводити до утворення потужної і високошпарової підстилки і суттєвих втрат органіки. Різноманітність та протиерозійні властивості цих лісів ще були невеликі. Виростали вони на тих самих вирівняних поверхнях, які часто заливалися водою. Великий відпад при високій ерозії, що забезпечує його швидке поховання, приводив до того, що значна частина органічного вуглецю, не окислюючись, йшла з біогеоценозу, перетворювалася на запаси кам'яного вугілля.
Мезозойську еру від Кайнозоя відокремлює знаменита Мел-Палеогенова криза, яка раніше привертала до себе увагу у зв'язку з вимиранням динозаврів, а останнім часом особливо з уявленнями про "астероїдну зиму" - різке похолодання через запилення атмосфери. Однак навряд чи це було причиною кризи біотів. На час катастрофи органічний світ уже давно був у кризі. Головною причиною якого швидше за все була поява та поширення в крейдяному періоді покритонасінних рослин. На зміну екологічної ролі покритонасінних найбільше вплинуло широке поширення у них ентомофілії, що дозволяє утворювати ліси з колосальним видовим розмаїттям. Можна відзначити, що поширення ентомофілії явно корелює з різноманітністю та стійкістю лісових екосистем.
Ще більше значення екологічної експансії покритонасінних мала їх схильність давати за рахунок неотенії трав'янисті форми, використовувати вегетативне розмноження та утворювати дерновини. Тим самим властивості покритонасінних як піонерних рослин, особливо при колонізації похилих пухких субстратів та їх протиерозійні здібності зросли багаторазово в порівнянні з голонасінними. Ефективність сукцесійних систем з кондиціонування середовища - попередження ерозії, удосконалення ґрунту як буфера проти вимивання біогенів, переведення стоку в переважно підґрунтовий - призвела до появи нових типів ландшафтів із значно більшою строкатістю гідро- та педологічних характеристик. Найбільше регулювання стоку води та біогенів мало позначитися на континентальних водоймах. Однак цей процес затягнувся на тривалий час аж до поширення в Неогені злаковників та водойм з пишним розвитком занурених некрофітів.
Питання 3. Прогноз можливого природного розвитку біосфери
Протягом останніх трьох мільярдів років Сонячна система зробила не один оберт навколо центру Галактики, проходячи через різні її області. Життя тим часом продовжувало розвиватися. Значить жоден із сезонів галактичного року не перешкоджає її розвитку. Немає підстав і в майбутньому чекати на якісь серйозні ускладнення у функціонуванні біосфери при зміні галактичних сезонів.
Інтенсивність сонячного випромінювання за даними сучасної астрономії, мабуть, збережеться на рівні близькому до сучасного не один мільярд років. Багаторічні флуктуації сонячної активності також, очевидно, не досягають критичних величин.
Припливне тертя уповільнюватиме обертання Землі навколо осі, що призведе до збільшення тривалості доби. Однак цей процес дуже повільний і жива речовина поступово адаптується до нього.
Зниження концентрації вуглекислого газу в атмосфері в результаті вулканічної діяльності та посилення фотосинтезу супроводжується зниженням температури поверхні Землі. Згідно з гіпотезою М.І. Будико (1977) подібні процеси були головною причиною настання льодовикових періодів у минулому. Подальше зниження концентрації CO 2 за його розрахунками неминуче має призвести до сталого режиму повного зледеніння Землі.
Наслідком інтенсивного фотосинтезу є вичерпання запасів CO 2 в атмосфері, що супроводжується переведенням вуглецю в важкодоступну форму вуглецевих родовищ (нафти, вугілля, карбонатні породи).
Розвиток біосфери нашій планеті має малоймовірному поєднанню сприятливих чинників як на початку формуванні життя, і протягом наступних 3,5 млрд. років. Іноді інтенсивність окремих чинників довкілля досягала критичних значень. Велика складність біосфери, здатність до саморегуляції забезпечували можливість виходів із криз шляхом внутрішніх перебудов. Однак її функціонування визначається діяльністю стихійних факторів, немає підстав розраховувати, що біосфера й надалі розвиватиметься лише у напрямку прогресу. Розрахунки з вичерпання CO2 показали реальність цього процесу.
Запитання 4. Концепція ноосфери
Якісно новий етап у розвитку біосфери розпочався наприкінці Третичного періоду у зв'язку з появою нової геологічної та біотичної сили – людиною.
До цього часу біотичний кругообіг досяг свого сучасного розвитку, ставши потужним фактором мегабіосфери. Спочатку діяльність людей мало відрізнялася від діяльності інших тварин. Беручи у біосфери кошти для існування, люди віддавали їй те, що могли використовувати інші організми. Універсальна здатність мікроорганізмів виробляти руйнування майже будь-якої органічної речовини досить довго забезпечувало включення залишків людської діяльності до біотичного кругообігу.
Проте вже добування вогню виділило наших предків із інших тварин. Значення цього придбання полягало у тому, що з допомогою вогню людина захистив своє житло від хижаків, розселився у райони з більш холодним кліматом і пережив періоди заледеніння. Навчившись використовувати вогонь, люди набули здатності до повної деструкції органічних залишків, тобто навчилися робити те, що до них робили лише мікроорганізми. Вміння за допомогою вогню мінералізувати органічні залишки дозволило надалі залучити до кругообігу навіть ті органічні речовини, які слабо використовуються мікроорганізмами. В результаті всередині біотичного круговороту відокремлюється антропогенний кругообіг (рис. 1). Вперше в історії Землі з'явився вигляд, здатний не тільки створювати або руйнувати органічну речовину, але робити це одночасно. З'явилися передумови свідомого включення людської діяльності в біотичний кругообіг. В.І. Вернадський писав із цього приводу: " У геологічній історії біосфери перед людством відкривається величезне майбутнє, якщо воно зрозуміє це і не вживатиме свій розум і свою працю на самовинищення".
Розвиток людського суспільства, що прискорюється, призводить до посилення ролі людини в біосфері. Дедалі більше розширюється антропогенний кругообіг речовин. Людство в принципі вже переступило за межі навіть абіотичного земного круговороту. Воно включилося до космічних процесів.
Поява людини означало нову форму впливу життя на геохімічні цикли. Настав час розумного регулювання процесів у біосфері, оскільки метою людства є необмежений часом розвиток суспільства.
Подальшу долю людства найбільші уми суспільства пов'язують із ноосферою- новим етапом розвитку біосфери, в якому біохімічні та біоценотичні процеси знаходяться під антропогенним впливом і в якому наукова думка та технічна оснащеність дають можливість контролювати, модифікувати та змінювати ці процеси, тобто керувати ними (рис. 1).
Саме поняття "ноосфера" було спочатку введено в науку французьким філософом Е. Леруа (1927) та набуло розвитку в роботах В.І. Вернадського.
Риси сучасні ноосфери:
Трудові процеси поширилися на всі компоненти біосфери та стали найважливішими факторами її подальшого розвитку,
Спостерігається зростання та соціалізація населення,
Сучасний розвиток суспільства характеризується руйнівною діяльністю,
Обсяг біогенного та антропогенного кругообігів стають сумірними,
Потужність антропогенного на біосферу зростає швидкими темпами,
В окремих спільнотах господарська діяльність людини призводить до повної розбудови їхньої структури.
Список літератури
Голубець М.А. Актуальні питання екології. Київ: Наук. Думка. 1982.
Камшилов М.М. Еволюція біосфери. М: Наука. 1979. 256 с.
Колчинський Е.І. Еволюція біосфери. Л.: Наука. 1990.
Пономаренко О.Г. Основні події еволюції біосфери // Проблеми доантропогенной еволюції біосфери. М: Наука. 1993.
1. Введення.
Більшість біологів-еволюціоністів донедавна вважали організм первинною та основною формою існування життя, а еволюцію живого зводили переважно до формування адаптації організмів до навколишнього середовища. Синтетична теорія еволюції довела, що вона може відбуватися лише у статистично насичених ансамблях споріднених організмів - популяціях. Так було в центрі еволюційно-біологічних досліджень виявилися перетворення генетичних та екологічних структур популяцій і методи видообразования. Однак еволюцію надвидових рівнів організації життя майже не вивчали, навіть головні етапи розвитку біогеноценозу та біосфери характеризували не специфічними ознаками, властивими кожній з цих форм організації живого як цілісної системи, а лише описом елементарних компонентів, що входять до їхнього складу – організмів та видів.
Але глобальні зміни, що відбулися останні десятиліття Землі під впливом промисловості, змінили ставлення до процесів розвитку природи. Стало загальновизнаним, що еволюційний процес захоплює як окремі організми, види, біогеоценози, а й вищий рівень організації живого – біосферу. У різних галузях природознавства, пов'язаних із вивченням біосфери, накопичується все більше даних про те, що еволюція органічного світу змінює геохімічну будову та енергетику біосфери, її біогеохімічні функції та біогеохімічний кругообіг речовин. У свою чергу, ці перетворення біосфери в цілому стають потужними факторами подальшої еволюції її найважливішого компонента - органічного світу.
2. Поняття біосфери. Структура та функції біосфери.
У трактуванні поняття біосфери є значні розбіжності. Так, під біосферою у деяких джерелах пропонується розуміти сукупність живих організмів. У БСЕ у статті «Біосфера» наводиться таке визначення: біосфера – це «оболонка Землі, склад, структура та енергетика якої у суттєвих рисах обумовлені минулою чи сучасною діяльністю живих організмів», у статтях «Геосфери» та
«Геохімія» біосферою називається „область на межі твердої, рідкої та газової оболонок Землі, зайнята живою речовиною – сукупністю організмів”.
Ще XVII і XVIII ст. стали з'являтися ідеї про взаємопов'язаність всіх процесів неорганічної та органічної природи, оскільки вже тоді були накопичені достатні дані для того, щоб судити про взаємозв'язок залежності поширення тварин від кліматичних умов, про газовий обмін в організмів, про участь тварин і рослин у формуванні ґрунтів, вапняків та горючих копалин, а також перші гіпотези про існування біогенного круговороту елементів (А. Лавуазьє, А. Снядецький) На думку Вернадського, поняття біосфери сформулював Ж.-Б. Ламарк. Саме він першим зазначив, що у „живих тіл виявляються усі складні неорганічні речовини, що спостерігаються в природі” (1955, с. 10), і що в місцях, не заселених організмами, мінерали дуже однорідні. Це тим, що тварини і рослини беруть активну участь у формуванні поверхні Землі. Так у науці з'явилося уявлення про спеціальний простір, охоплений і організований життєдіяльністю організмів. Сам термін «біосфера» було запропоновано Е. Зюссом у 1875 р. при розгляді основних геологічних оболонок Землі: літо-, атмо- та гідросфери. Він вважав, що „у сфері взаємодії верхніх сфер і літосфери і поверхні материків можна виділяти самостійну біосферу. Вона простягається тепер як над сухою, і над вологою поверхнею, але зрозуміло, що вона була обмежена лише гидросферой” (Suess, 1875, S. 159-160). Розбіжності у тлумаченні сенсу терміна мають початок у тому, що Зюсс не дав йому конкретного визначення.
На рубежі XIX і XX століть стала усвідомлюватись необхідність створення цілісного вчення про взаємозалежні зміни органічного світу, рельєфу, вод, ґрунтів, осадових порід та клімату. Це вчення було розроблено В.І.Вернадським, який зумів пов'язати воєдино процеси розвитку органічного світу з геологічною історією інших оболонок Землі. Вернадський пропонував наступну класифікацію речовин, що входять у біосферу: 1) жива речовина або сукупність організмів; 2) біогенна речовина, створена та перероблена життям; 3) відкісна речовина, в освіті якої жива речовина не бере участі; 4) біокісна речовина, що є динамічними рівноважними системами, що утворюють його живу і відсталу речовини; 5) радіоактивні елементи; 6) розсіяні атоми, що виникли внаслідок дії космічних випромінювань; 7) речовина космічного походження. Така класифікація була точної. Виділені типи через безліч критеріїв або частково перекривали один одного, або один з типів повністю входив до складу іншого. У 1975 р. М. Кашмілов запропонував іншу класифікацію: чотири типи речовини: живу, біогенну, відсталу та біокосну. Але тут сумніви викликає самостійність біокосної речовини як типу, оскільки у тому сенсі, який використовує Вернадський, біокосна речовина означає певну динамічну систему, що утворюється організмами, продуктами їхньої життєдіяльності та матеріальними умовами проживання. У 1977 р. А. І. Перельман запропонував біосферу розглядати як гігантську біокосну систему, підсистемами якої є біокосні тіла нижчого рівня організації: грунту, мули, кора вивітрювання, поверхневі води, водоносні горизонти, ландшафти тощо.
Місце живої речовини в біосфері визначається її енергетичними та геохімічними функціями. Енергетична функція пов'язана з асиміляцією сонячної енергії та збагаченням нею біогенної та відсталої речовини. Геохімічні функції виражаються в участі організмів у переміщеннях та концентраціях хімічних елементів, а також у перетвореннях навколишнього середовища та у створенні нових мінералів.
У 1987 р. А.В. Лаппо, завдяки накопиченим на той час знанням, запропонував наступну класифікацію функції живої речовини:
1) енергетична – поглинання сонячної енергії при фото-синтезі та хімічної енергії при розкладанні речовин;
2) концентраційна – вибіркове накопичення певних елементів;
3) деструктивна - мінералізація органічної речовини та розкладання неорганічної речовини;
4) середоутворююча – перетворення фізико-хімічних параметрів середовища;
5) транспортна – перенесення організмами елементів під час міграцій.
Отже, під біосферою можна розуміти поверхневу оболонку Землі, організовану живою речовиною. Найважливішим структурним компонентом біосфери є біогеоценотичний покрив, що складається з біогеоценозів різного рівня складності та еволюційної просунутості. До біогеоценозів входить відстала, жива та біогенна речовина. Як гігантська біокосна система біосфера виконує енергетичні, геохімічні та середотворчі функції на поверхні Землі.
3. Загальні ставлення до еволюції біосфери.
4. Особливі види на біосферу.
Діяльність людини лише останні десятиліття стала помітно впливати на біосферу. Наслідки господарську діяльність людини наростали протягом багато часу наростали і нині обрушилися на цивілізацію.
Вернадський сказав: «Людина стає геологічною силою, здатною змінити образ Землі». Ці слова стали пророцтвом. Людство використовує величезну кількість енергетичних ресурсів біосфери, а також небіосферні джерела енергії (атомна), тим самим прискорюючи геохімічні процеси. У ХХ столітті вплив бурхливого розвитку промисловості на біосферу стало порівняно за масштабами з природними енергетичними та матеріальними процесами, що відбуваються у біосфері.
Антропогенний вплив порушило майже всі види природних біогеохімічних циклів.
Забруднення середовища є небезпечними відходами.
і т.д.................
Еволюція- це результат сукупної дії багатьох факторів і насамперед – хімічних. Саме хімічні реакції становлять основу всіх процесів у будь-якому організмі. Уся історія еволюційного розвитку біосфери розглядається протягом двох дуже тривалих проміжків часу. еонів,що складаються з двох інтервалів - криптозою (гр. криптос - таємниця) і фанерозою (гр. фанерос - відкритий, гр. зоос - життя), протягом яких відбувалися еволюційні, є повільні зміни в біосфері. Вони складаються з ер (лат. ера - початок літочислення), епох та періодів. Біосфера еволюціонує за принципом одночасності перервності та безперервності розвитку. Процес поступових еволюційних змін організмів закономірно переривається фазами їхнього бурхливого розвитку та вимирання практично без перехідних палеонтологічних форм.
Двигун еволюції – хімічні реакції між простими сполуками – вода, аміак, оксид вуглецю, формальдегід за участю каталізаторів – неорганічних речовин та електричних розрядів. В результаті утворилися складні молекулярні структури – амінокислоти, білки, нуклеїнові кислоти.
Через благоустрою, зменшення ентропії виникли надмолекулярні структури - органоїди, з яких побудовані клітини. Після хімічної еволюції 3500000000 років тому розпочалася біологічна еволюція, основу якої складають надскладні хімічні процеси в живих об'єктах, і яка продовжується і зараз.
Отже, основа еволюційних процесів - хімічні реакції, які відбуваються як у клітинах, так і поза ними, у навколишньому середовищі.
У цьому вся небезпека для сучасних біологічних процесів, оскільки через антропогенну діяльність середовище насичується дуже активними хімічними речовинами. Вони включаються в біохімічні процеси на молекулярно-клітинному рівні та викликають мутації у клітинах, тканинах, організмах. На ранніх етапах виникнення життя це сприяло утворенню життєвого розмаїття у подальших біологічних процесах – ерах. Але на сучасному етапі еволюції, за діяльності людини, виникла велика кількість різноманітних речовин – ксенобіотиків, тератогенів, мутагенів, які негативно впливають на еволюційні процеси.
Основні первинні еволюційні процеси, які відбувалися протягом майже 4 мільярдів років, зображені на схемі (рис. 4):
Мал. 4. Схема первинних еволюційних процесів
Перша ера - археозойська,або архейська (гр. Архео - початковий, початковий) - ера найдавнішого життя - почалася близько 3500000000 років тому і тривала близько 2 млрд років. За цей час, поряд з формуванням твердої кори – літосфери, внаслідок хімічних реакцій – хімічної еволюції, виникли спочатку білкові молекули, а потім примітивні живі об'єкти – віруси, бактерії, синьо-зелені водорості. Наприкінці ери клітини диференціювались на рослинні та тварини, тобто почалися процеси дивергенції – розбіжності у властивостях та ознаках.
Цей процес посилився в протерозойського(гр. - простий) ері - ера простого, примітивного життя, коли почали формуватися умови для "виходу" рослин на сушу. В атмосфері утворюється кисень - 0,021% (крапка Кюрі), а пізніше - 0,21% (крапка Пастера). Ці процеси тривали ще майже 900 000 000 років, а дві ери склали криптозойський еон.
Наступний еон - фанерозоюстановлять три ери, тривали 600 млн. років. Починає його палеозойська (гр. Палео - старий, давній) епоха, що тривала 350 млн років. Ця епоха почалася " біологічним вибухом " , у результаті якого з'явилися панцирні риби, наземні рослини - псилофіти. Наприкінці ери близько 400 млн років тому концентрація кисню в атмосфері становила вже більше 2% і тому почав формуватися озоновий екран. Завдяки йому стабілізуються життєві форми, зменшуються летальні мутації та виникають умови для активного розвитку тварин форм життя – з'являються комахи, рептилії. Починають формуватись сучасні контури нинішніх материків.
Цей великий період часу поділяють на шість періодів: кембрій (від стародавньої назви англійської провінції Уельс), який тривав 70 млн років; ордовика(від назви древнього кельтського племені) – тривав 70 млн років; силур(від назви кельтського племені) – тривав 30 млн років; девон(від назви графства Девоншир в Англії) – 60 млн років; карбон (від лат. – вугілля) – тривав 50 млн і пермський період – 70 млн років.
Наступна - четверта ера - мезозойська(Гр. Мезо - проміжний), або ера проміжного життя, для якого характерні перехідні форми, тобто такі, що існують на планеті і зараз. Почалася вона 250 млн років тому і тривала 160 млн., які склали три періоди: тріасовий (гр. Тріас – трійковість), юрський (від назви гір у Західній Європі – Юрські) та крейдяний.
Для цієї ери характерно поширення гігантських форм життя - папоротей, голонасінних рослин. Наприкінці ери змінюються кліматичні умови на планеті - відбувається глобальне похолодання, через що голонасінні рослини поступаються місцем покритонасінних, з'являються перші птахи.
Подальша еволюція всіх організмів тривала в кайнозойській (гр. - крайній, сьогодення) ері, або ері сучасного життя. Почалася вона 90 млн років тому, як і попередня ера, складається з трьох періодів. палеоген, неоген, четвертинний(сучасний). Ця ера продовжується і зараз. Чи стане вона "крайньою", "останньою" для людини - залежатиме від неї. Для цієї ери характерно широке поширення покритонасінних рослин, плацентарних тварин, зокрема людини, з'явилося в останньому її періоді.
Мал. 5. Схема переходу від хімічної до біологічної еволюції
Чи може виникнути питання: як визначають час, коли існували ті чи інші організми? Насамперед за допомогою визначення кількості радіоактивних речовин у різних залишках. Чим менша концентрація радіоактивного елемента, ізотопу, тим давніша знахідка - рослинного або тваринного походження. Найчастіше використовують так званий свинцево-урано-торієвий або калій-аргоновий, або рубідієво-стронцієвий методи. Для кожного елемента його ізотопу характерний чітко визначений період напіврозпаду - це час за який розпадається половина наявної кількості радіоактивної речовини. За вмістом ізотопів розпадаються швидко, визначають короткі інтервали часу, а за допомогою існуючих тривалий час, як уран, торій – дуже тривалі, геологічні проміжки часу. Схематично еволюційні процеси відбиває рис. 5.
Таблиця 3.Історія розвитку еволюційної ідеї
|
Аристотель 384-322 р.р. До зв. е. |
Сформулював гіпотезу про розвиток живого з неживої матерії та уявлення про "ступінь природи" щодо світу тварин. |
|
Середньовіччя 400-1400р. |
Теорії, в основі визнавали креаціонізм - божественне творіння життя, людини. |
|
Джон Рей 1627-1705 |
Запропонував вид концепції. |
|
Бюффон (1707-1788) |
Вважав, що різні типи тварин мають різне походження та виникли у різний час. Визнавав вплив середовища та успадкування набутих ознак. |
|
Еразм Дарвін (1731-1802) |
Запропонував гіпотезу у тому, що життя з однієї «нитки» створення людини. |
|
Жан-Батіст Ламарк (1744-1829) |
Висунув гіпотезу наслідування набутих ознак. |
|
Жорж Кюв'є (1769-1838) |
Використав досягнення палеонтології. Створив теорію "катастроф" як основу еволюції. |
|
Чарльз Лайєль (1797-1875) |
Продемонстрував прогресивні зміни викопних решток. |
|
Чарльз Дарвін (1809-1882) |
Сформулював теорію еволюції внаслідок природного відбору. |
|
Де Фріз (1848-1935) |
Відкрив мутації, вважав, що види виникають у результаті природного відбору. |
|
Грегор Мендель (1822-1884) |
Відкрив закони спадковості. |
|
Томас Морган (1903) |
Створив хромосомну теорію спадковості. |
Як виникло життя, як формувався чоловік? Ці питання виникли давно і вони завжди цікавили вчених, усіх людей з давніх-давен. Для сучасної науки це важливо тому, що логіка поступового розвитку свідчить про правильність тих фундаментальних ідей, законів, які є основою знання.
З допомогою знань можна проводити розвиток природних подій, але у певних межах, не порушуючи законів природи, отже процесів еволюції.
Саме на цьому ґрунтуються сучасні філософсько-екологічні методології збереження життя на Землі, вони є основою для формування нового екологічного мислення. Основні еволюційні ідеї представлені у табл. 3.
Отже, з одного боку, існує сувора теорія еволюції, що ґрунтується на фактах, з іншого - гіпотеза про творіння всього сущого Богом. В даний час, які б погляди не мала людина, він повинен пам'ятати про своє значення у природі, свою участь у її розвитку, відповідальність за стан природи. Тепер, як писав В.І. Вернадський, сама людина, все суспільство стало рушійною силою еволюції.
Питання
1. Що таке еволюція, які її основні етапи?
2. Охарактеризуйте основні епохи, періоди біологічної еволюції.
3. Які основні еволюційні ідеї відомі Вам?
4. Як визначають час тривалості ер, періодів, існування організмів?
5. Як довести достовірність існуючих еволюційних фактів?
Еволюція біосфери
Історія Землі налічує близько 4,6 млрд. років. Життя виникло 3,46 млрд років тому, в палеоархей, рання форма життя знайдена в цю еру (залишки бактерій, що добре збереглися, Західна Австралія). За цей час на ній виникали та вимирали багато мільйонів видів рослин та тварин; виростали і зверталися на порох найвищі гірські хребти; величезні континенти то розколювалися на частини і розбігалися в різні боки, то стикалися один з одним, утворюючи нові гігантські масиви суші. Звідки ми все це знаємо? Справа в тому, що, незважаючи на всі катастрофи і катаклізми, якими така багата історія нашої планети, на диво багато з її бурхливого минулого відображається в гірських породах, що існують і донині, в скам'янілостях, які в них знаходять, а також в організмах живих істот , що мешкають на землі в наші дні. Зрозуміло, цей літопис неповний. Нам трапляються лише її фрагменти, між ними сяють порожнечі, з оповіді випадають цілі розділи, вкрай важливі для розуміння того, що відбувалося насправді. І все-таки навіть у такому урізаному вигляді історія нашої Землі не поступиться захопливістю будь-якому детективному роману.
До двох мільярдів років тому палеонтологічний літопис є репрезентативним. І на цьому рівні практично всі основні роди та види ціанобактерій вже існували. Очевидно, океани залишалися безкисневими до двох мільярдів років тому, доки відбулася диференціація Землі на ядро і мантію, і залізо перестало надходити в океани. В атмосфері, мабуть, кисень став накопичуватися раніше, оскільки отримані геохімічні дані говорять про те, що кисень з'являється в атмосфері 2,7-2,8 мільярда років тому. У принципі можна говорити про появу ціанобактерій три мільярди років тому, можливо 3,5, але тут уже питання не зовсім однозначне.
Два мільярди років тому Земля була несхожою на те, що ми бачимо сьогодні. По плоских континентах текли мляві річки, темно-бурі океани були заселені величезною кількістю ціантобактерій, які будували строматоліти на мілководді, виділяли кисень і насичували їм атмосферу. І були перші одноклітинні тварини організми, які копошилися в цьому синьо-зеленому слизу, де був підвищений вміст кисню.
Земля була однакова і, швидше за все, сіра. До двох мільярдів років тому небо було інше – темно-коричневе. А два мільярди років тому небо почало голубіти, океани очистилися від заліза, і теж стали нагадувати сучасні.
Земне ядро швидко стискалося. Через ядерні реакції і розпад радіоактивних елементів у надрах Землі виділялося так багато тепла, що гірські породи, що її утворили, розплавилися. Більш легкі речовини, багаті кремнієм - схожим на скло мінералом, - відокремилися в земному ядрі від щільніших заліза та нікелю і утворили першу земну кору. Приблизно через мільярд років, коли Земля істотно охолоніла, земна кора затверділа і перетворилася на міцну зовнішню оболонку нашої планети, що складається з твердих гірських порід. Охолоджуючи, Земля викидала зі свого ядра безліч різних газів. Зазвичай це відбувалося під час виверження вулканів. Легкі гази, такі, як водень або гелій, здебільшого випаровувалися в космічний простір. Однак сила тяжіння Землі була досить великою, щоб утримувати біля її поверхні важчі гази. Вони й склали основу земної атмосфери. Частина водяної пари з атмосфери сконденсувалася, і Землі виникли океани. Тепер наша планета була повністю готова до того, щоб стати колискою життя.
Жива речовина завжди, протягом усього геологічного часу, була і залишається складовою біосфери, джерелом енергії, нею захоплюваної із сонячних випромінювань,- речовиною, що у активному стані, що має основний вплив на хід і напрямок геохімічних процесів хімічних елементів у всій земній корі.
В. І. Вернадський
Розвиток органічних сполук, як і живої речовини, тісно пов'язане з водою.
На думку цілого ряду дослідників, на ранніх етапах свого розвитку життя не було пов'язане з окремими живими організмами, а виражалося в єдиній живій речовині. Згідно В. І. Вернадського, походження життя зводиться до походження біосфери, яка з самого початку була складною системою, що саморегулюється. Велика різноманітність геохімічних функцій живої речовини випливала хоча б з того, що будь-яка, найпримітивніша клітина, перебуваючи у водному, морському середовищі, мала найтісніший контакт із усіма хімічними елементами таблиці Менделєєва. Ці примітивні організми, природно, вибирали у процесі життєдіяльності в повному обсязі елементи, а передусім ті, які сприяли їх зростанню та вдосконаленню цілого ряду фізіологічних процесів.
У цьому плані В. І. Вернадський зазначав: " " Висновок необхідність одночасної надзвичайно різноманітної геохімічної функції у біосфері представників життя є основною умовою її появи. Якою б ця поява не було, вона має бути представлена не сукупністю неподільних одного виду, а сукупністю багатьох видів, що морфологічно належать до різних різко розділених класів організмів, або гіпотетично особливої, відмінної від видів, невідомої нам формою живої речовини. Можливість повного здійснення всіх геохімічних функцій організмів у біосфері одноклітинними організмами робить ймовірним, що такою була перша поява життя.
Таким чином, перша поява життя при створенні біосфери мала відбутися не у вигляді появи якогось виду організму, а у вигляді сукупності, що відповідає геохімічним функціям життя. Мали відразу з'явитися біоценози "" (с. 87).
Можна припустити, що хімічна еволюція у космічній туманності зі зростанням ролі каталітичних реакцій могла призвести до утворення молекул ДНК.Однак реалізація її функцій виявилася можливою лише в межах Землі, де на підставі розвитку живої речовини сформувалася рання біосфера як поєднання сприятливих умов для життя з боку біокосних систем та живої речовини. В інших тілах Сонячної системи хімічна еволюція виявилася замороженою.
В даний час прийнято чіткий підрозділ організмів на автотрофшлі і гетеротрофні за способом харчування. Однак у ранній біосфері Землі співвідношення гетеротрофних і автотрофних організмів було іншим. Як точно, ми ще не знаємо. Єдине, що можна припустити, це те, що фотосинтезуюча автотрофна біосфера, позначена даними ізотопної геохімії 4 млрд років тому, була вторинною освітою і виникла на основі біосфери іншого біогеохімічного типу.
Дійсно, детальне вивчення фотосинтезу показало, що має складний характер. Цей процес було першим історія живого речовини. Тому всі гіпотези про первинність автотрофних організмів виявилися неспроможними. У світлі сучасних даних складається уявлення про первинність гетеротрофної форми обміну речовин у первинних організмах. Як обґрунтування первинності гетеротрофного харчування можна навести таку аргументацію.
1. Всі сучасні організми мають системи, пристосовані до використання готових органічних речовин як вихідного будівельного матеріалу для процесів біосинтезу.
2. Переважна більшість видів організмів у сучасній біосфері Землі може існувати лише за постійного постачання готовими органічними речовинами.
3. У гетеротрофних організмів немає жодних ознак чи рудиментарних залишків тих специфічних ферментних комплексів і біохімічних реакцій, які необхідні автотрофного способу харчування. Останній аргумент найбільш істотний. Таким чином, наведена вище аргументація свідчить про вторинність фотосинтетичного автотрофного життя в біосфері на нашій планеті.
Виходячи з вищевикладеного, можна зробити висновок, що первинна біосфера нашої планети, по-перше, обмежувалася водним середовищем, по-друге, була насичена гетеротрофними організмами, які харчувалися розчиненими у воді органічними речовинами, що раніше виникли переважно в космохімічних умовах. Тривалість існування подібної біосфери, найімовірніше, займала невеликий відрізок геологічного часу.
Первинні гетеротрофні організми, маючи властивості живої речовини, швидко розмножувалися і, природно, швидко вичерпали свою поживну базу. Тому, досягнувши максимальної біомаси, вони мали вимирати або перейти до автотрофного фотосинтетичного способу харчування. Цей новий спосіб харчування сприяв швидкому розселенню організмів на поверхні первинних водойм. Однак первинна поверхня новонародженої Землі, позбавлена вільного кисню, опромінювалася ультрафіолетовою радіацією Сонця. Тому Г. Гаффрон припустив, що первинні фотохімічні механізми, які брали участь у послідовному синтезі органічних речовин, а пізніше і живих організмів, спочатку використовували радіацію в ультрафіолетовій області спектра. Тільки після виникнення озонового екрану у зв'язку з появою вільного кисню як побічного продукту того ж фотосинтезу, автотрофний фотосинтетичний процес почав використовувати випромінювання у видимій частині сонячного спектру. На думку видного радянського біолога М. М. Кам-Шілова, життя, ймовірно, розвивалося як кругообіг речовин при тісній взаємодії гетеротрофних і автотрофних організмів. Сонячне випромінювання було головним енергетичним чинником життя, і його виникнення полягало у встановленні кругових обмінних процесів з використанням фотонів світла.
Первинні гетеротрофні мікроорганізми мешкали у стародавніх водоймах лише деякий час. Потім їх відтіснили фотоавтотрофні організми, які створили вільний кисень, який став справжнім руйнівником гетеротрофів. Можна вважати, що у ранньому океані відбувалася боротьба між первинними та вторинними організмами. У воді, збагаченій сірководнем, мало вільного кисню. Він йшов на хемосинтез деяких організмів і поглинався мінеральними недоокис-яними речовинами океану та первинної літосфери. Боротьба за існування йшла між фотосинтезуючими організмами планктону у освітленій частині моря та організмами, що поглинають кисень при хемосинтезі та розкладанні органічних залишків. Це стало однією з головних причин, що визначили кількість вільного кисню у біосфері. Ця боротьба завершилася перемогою фотосинтезуючих автотрофних організмів, які по суті відтіснили анаеробну мікрофлору в зону формування глибоководних мулів. Загалом еволюція окислювальних функцій проходила у разі зростання окислювально-відновного потенціалу.
В даний час, виходячи з деяких геохімічних даних, ми можемо якісно реставрувати склад первинної атмосфери та гідросфери як середовища для зародження та розвитку раннього життя. Вода та первинні гази атмосфери відносяться до летких речовин нашої планети, і природно, що їхня історія пов'язана з єдиним процесом дегазації первинної мантії. Ряд компонентів, що складають в даний час осадові гірські породи, гідросферу і атмосферу, являють собою дійсно леткі речовини. Якщо порівняти їх кількість у складі всього комплексу осадових порід, гідросфери та атмосфери з тією кількістю, яка могла звільнитися при вивітрюванні п переробці кристалічних порід вивержених земної кори, то виявиться велика різниця, яку В. Рубі запропонував називати надлишком летких.
Надлишок летких - досить велика величина і за окремими компонентами перевищує в десятки і навіть сотні разів летючий матеріал від вивітрювання корінних порід вивержених літосфери. У надлишку летких пар Н2О у 128 разів, СО2 у 83, a Cl у 60 разів більше, ніж це могла б продукувати первинна земна кора при її повному інтенсивному руйнуванні. Склад надлишку летких надзвичайно близький до складу вулканічних газів.
Якщо навіть СО2 в вулканах, що діють, виник за рахунок термічного розкладання карбонатів, то і в цьому випадку він був запозичений з більш ранньої атмосфери в процесі утворення найдавніших карбонатних осадових порід.
У порядку поширення вулканічні гази складено з Н2О, СО2, N2. При такому складі атмосфери наявність органічних сполук і більше їх виникнення термодинамічно невигідно: будь-які органічні сполуки, що складаються з H, C, N, Про, менш стійкі, ніж перелічені вище основні компоненти первинної атмосфери.
При формуванні первинних атмосфери і океану досить ранні мантії досить складні органічні речовини були в тісному контакті з твердими частинками силікатів, які надалі могли відігравати роль сильних каталізаторів у процесі утворення все більш складних сполук.
Дані по вулканічним газам вказують цілком виразно, що в ході виверження виділявся молекулярний азот (N2), але не аміак; отже, аміак будь-коли був головною складовою земної атмосфери.
Вже зазначалося, що період існування гетеротрофної біосфери був виключно коротким, тому запаси органічних речовин у первинних водоймищах не могли відновлюватись так само, як запаси автотрофних організмів. Щоправда, можна припустити, що трупи гетеротрофних організмів все ж таки безперервно поповнювали запас поживних органічних речовин. Таким чином, існував баланс між живими гетеротрофними і їх залишками, що розклалися.
Зі сказаного можна припустити, що джерело живої речовини і води було єдиним, точніше, єдиним було джерело летючих на Землі та органічної речовини. Це були верхні горизонти мантії, що виникла головним чином за рахунок акреції первинної речовини типу кутових хондритів. При цьому не можна просто ототожнювати матеріал первинної мантії Землі з матеріалом кутистих хондритів. Мова може йти лише про близькі аналоги, оскільки склад окремих зон первинної сонячної туманності залежав від геліоцентричної відстані.
Первинну атмосферу Землі, з якою так чи інакше було пов'язане раннє життя, можна відновити, порівнявши її з іншими планетами земної групи, як-от Венера чи Марс. З появою фотосинтезу та вільного кисню початкова атмосфера Землі докорінно змінилася.
Сучасний рівень наших знань дозволяє прийняти як гіпотезу положення про те, що хімічна еволюція в протопланетній туманності зі зростанням ролі каталітичних і радіохімічних реакцій на заключних стадіях охолодження могла призвести не тільки до утворення складних органічних сполук, що є реально встановленим фактом, але і до виникнення молекул ДНК.
Слід підкреслити одну важливу обставину: біологічна еволюція біосфери, що виникла, проходила незворотним шляхом, від простого до складного. На цю обставину звернув увагу в 1893 видний бельгійський палеонтолог Л. Долло (1857-1931), який сформулював закон незворотності еволюції. Відповідно до цього закону, організм не може повернутися, хоча б частково, до того стану, який був властивий його предкам. Далі, посилаючись на Ч. Дарвіна, він зазначав, що еволюційне перетворення організмів відбувається внаслідок закріплення під впливом природного відбору, викликаного боротьбою існування корисних індивідуальних варіації. Усі види рослин і тварин від часу появи на Землі зобов'язані походженням цьому основному закону.
Необоротність біологічної еволюції, природно, передбачає, що процес виникнення живої речовини і біосфери протікав в незворотних умовах. Найбільш типовим незворотним процесом можна визнати радіоактивність. Її можливу роль у синтезі органічних речовин вже було відзначено. Радіоактивність є загальним і найбільш глибоким властивістю речовини, відображення процесів побудови нуклідів напередодні утворення Сонячної системи. Радіоактивність створювала те природне радіаційне тло, в якому протікала хімічна еволюція як у космосі, так і не ранній Землі. Ще 1926 р. було встановлено, що з опроміненні метану відбувається полімеризація вуглеводнів з утворенням складніших багатоатомних молекул.
Роль радіоактивності в розвитку життя на Землі є проблемою, до вирішення якої ми тільки недавно почали наближатися. Вплив радіоактивності на живі організми зменшувалася під час геологічного часу. При цьому ми повинні виходити з того факту, що просто організовані водорості та бактерії переносять значно вищі дози радіації, ніж високоорганізовані форми тварин та рослин. Звідси можна припустити, що менша чутливість до радіоактивності простих форм життя пов'язані з виникненням в ранні епохи розвитку біосфери, коли радіоактивність довкілля була вищою сучасної.
Основною подією при зародженні перших організмів було утворення спіральних молекул ДНК, що в умовах різноманітності органічних речовин могло бути відносно швидким процесом. Однак, мабуть, виник не один організм, а жива речовина. І лише значно пізніше воно розділилося на індивідуальні сферичні форми, які стали родоначальниками організмів.
Надалі вживою речовиною відбувалися процеси ускладнення. Відбулася якісна зміна в еволюції живої матерії, пов'язана з точністю відтворення нуклеїнових кислот як кодуючого процесу синтезу білків, які значно перевершували інші органічні сполуки за своїми біокаталічним властивостями.
У процесі розмноження нові організми займали весь простір, придатний життю, що було важливою умовою завершення формування біосфери загалом. В. І. Вернадський висунув принцип сталості біомаси живої речовини, поширивши її на всю історію планети. Цей принцип був і залишається глибоким науковим узагальненням. Однак слід наголосити, що він має відносне значення. Найбільша напруженість життя, що виражається у високих темпах розмноження дрібних організмів, призводить до планетарної рівноваги між природною продукцією живої речовини та її розкладанням. Тому зараз правильніше говорити про вікову тенденцію до встановлення сталості біомаси для певних, можливо навіть значних, інтервалів геологічного часу.
За даними молекулярної біології, найдавніші мікроби були представлені гетеротрофними організмами, які розмножувалися серед з рясними органічними і мінеральними поживними речовинами. Ці поживні речовини включали принаймні рибозу, дезоксирибозу, фосфат, пурини та їх попередників, піримідини, різноманітні "білкові" і "небілкові" амінокислоти. На ранніх стадіях розвитку Землі фосфати Na, К, Са були, ймовірно, у достатній кількості, як продукти вивітрювання перших гірських порід. Крім того, в якості їжі могли бути використані багато невідомих або неідентифікованих сполук, у тому числі деякі смолоподібні довгі полімери.
Для перших організмів характерним був процес ферментативного перетворення органічних речовин - бродіння, де акцепторами електронів були інші органічні речовини. Здійснення таких перетворень у проміжному обміні чи не в усіх організмах є аргументом на користь давнини цих процесів.
У ранній гетеротрофній біосфері Землі незабаром зародилися організми, здатні поглинати вуглекислий газ, використовуючи енергію сонячних променів. За Л. Маргеліс, біосинтетична фіксація вуглекислого газу, настільки багатого в первинній атмосфері Землі, відбувалася трьома способами.
Перша, найпримітивніша фіксація була властива великій групі мікроорганізмів, не чутливих до видимого світла. Друга виникла за участю фосфоснолпіруват – карбоксилази, яка спостерігається у анаеробних фотосинтезуючих бактерій. Третя фіксація СО2 відбувалася за участю рибілозобіофосфату - карбоксилази. Вона властива багатьом аеробним організмам і типова більшість фотосинтетиків і хемоавтотрофів. Майже одночасно виробилася фіксація атмосферного азоту. Це анаеробний процес, що йде з витратою енергії, виявлений тільки у прокаріотів.
Фотосинтетичні пігментні системи утворилися у прокаріотів ще до того, як останні в результаті симбіозу стали пластидами еукаріотів. Можна вважати, що фотосинтез з виділенням вільного кисню виник спочатку зовсім не у зелених рослин, а у фотосинтезуючих бактерій і синьо-зелених водоростей, що виділяють його.
Розвиток біосфери Землі можна як послідовну зміну трьох етапів. Перший етап - відновлювальний - почався ще космічних умовах і завершився Землі появою гетеротрофної біосфери. Для першого етапу характерна поява малих сферичних анаеробів. Є тільки сліди вільного кисню. Ранній спосіб фотосинтезу був, по суті, анаеробним. Розвинулася фіксація азоту, оскільки частина ультрафіолетової радіації проникала через атмосферу та швидко розкладала присутній аміак.
Другий етап – слабоокислювальний – відзначений появою фотосинтезу. Він тривав до завершення осад-конакопичення полосчастих залозистих формацій докем-брію. Аеробний фотосинтез розпочався предками ціанобактерій. Кисень вироблявся організмами, які будують строматоліти. . Але кисень мало накопичувався в атмосфері, тому що реагував із залізом, розчиненим у воді. При цьому оксиди заліза осідали, утворюючи смугасті залізисті формації докембрія. Тільки коли океан звільнився від заліза та інших поливалентних металів, концентрація кисню почала зростати у напрямку сучасного рівня.
Третій етап характеризується розвитком окисної фотоавтотрофної біосфери. Він розпочався із завершення відкладень смугастих залізистих кварцитів близько 1800 млн років тому, в епоху Карельсько-Свекофенського орогенезу. Для цього етапу розвитку біосфери характерна наявність такої кількості вільного кисню, якого достатньо для появи та розвитку тварин, які споживають його при диханні.
Останні два етапи у розвитку біосфери фіксовані у кам'яному літописі геологічної історії. Перший етап - найбільш далекий і загадковий, і розшифровка його пов'язана з вирішенням основних проблем органічної космохімії.
Деякі організми раннього докембрія, що відносяться до синьо-зелених водоростей та піанобактерій, мало змінилися під час геологічної історії. Можна вважати, що найпростіші організми мали найбільш стійку персистентність (від латинського persiste - завзятість). По суті, протягом всієї історії Землі не було причин для того, щоб деякі морські мікроорганізми, зокрема синьо-зелені водорості та бактерії, сильно змінилися.