Как ще завърши еволюцията в развитието на биосферата? Появата на органични съединения__3. Теорията за големия взрив като хипотеза за произхода на Вселената

В ерата на научно-техническия прогрес знанията за жизнените процеси на Земята като цяло придобиват особено значение. Важна роляЖивите организми участват в тези процеси. През милиардите години, изминали от формирането на нашата планета, те напълниха атмосферата с кислород и азот, изчистиха я от въглероден диоксид и образуваха залежи от варовик, нефт и природен газ. В процеса на еволюцията на Земята се е образувала специална обвивка - биосферата (гръцки bios "живот"). Терминът "биосфера" е използван за първи път през 1875 г. от австрийския геолог Е. Зюс. Биосферата се разбира като съвкупността от всички живи организми заедно с тяхното местообитание, което включва: водата, долната част на атмосферата и горната част земната кора, обитаван от микроорганизми.

Фиг. 1. Обща формабиосфера

Двата основни компонента на биосферата - живите организми и тяхното местообитание - непрекъснато взаимодействат помежду си и са в тясно, органично единство, образувайки интегрална динамична система. Биосферата като глобална суперсистема от своя страна се състои от множество подсистеми. Индивидуалните живи организми не съществуват изолирано. В процеса на своята жизнена дейност те се съчетават в различни системи(общност), например в популация.

Фиг.2. Популация на пуфини

В хода на еволюцията се формира друго, качествено ново ниво на живи системи, така наречените биоценози - съвкупност от растения, животни и микроорганизми в местно местообитание. Еволюцията на живота постепенно води до растеж и задълбочаване на диференциацията в биосферата. Заедно с околната среда, обменяйки с нея материя и енергия, биоценозите образуват нови системи - биогеоценози или, както ги наричат ​​още, екосистеми. Те могат да бъдат от различни мащаби: море, езеро, гора, горичка и т.н. Биогеоценозата е естествен модел на биосферата в миниатюра, включващ всички звена на биотичния цикъл: от зелените растения, които създават органична материя, до техните потребители, които в крайна сметка се трансформират отново в минерални елементи. С други думи, биогеоценозата е елементарна клетка на биосферата. Така заедно всички живи организми и екосистеми образуват една суперсистема – биосферата.

Фиг.3. Екологична структура на езерната биоценоза

Еволюция на биосферата. Учението на Вернадски за биосферата

Съществуват различни точкивъзглед относно времето на възникване на биосферата. Според една от тях (концепцията на V.I. Vernadsky), биосферата е възникнала на самото начало ранна фазаразвитие на планетата Земя и има възраст, близка до възрастта на Земята (приблизително 4,6 милиарда години). Според Вернадски преходът от неживата материя към най-простите форми на живата материя е отнел незначителен (в геологически мащаб) период от време - не повече от 200 години. Характеристикибиосфера, в рамките на концепцията на Вернадски, са както следва:

1. Биосферата възниква веднага като набор от биогеоценози. Живата материя се е формирала като съвкупност от сложни живи организми.

2. Първичните организми са способни да осигурят всички основни процеси (биохимични, биологични), протичащи в черупките на Земята.

3. Живите организми осигуряват миграцията химически елементив земната кора.

Според друга гледна точка биосферата се е формирала на определен етап от развитието на Земята. Първо беше етапът на предчерупките, след това се образуваха основните земни черупки и едва тогава се появи биосферата.

Според Вернадски появата и съществуването на човека в биосферата определя най-високия етап от нейното развитие. Самата поява на човека представлява преход от проста биологична адаптация на живите организми към интелигентно поведение и целенасочена промяна заобикаляща средаразумни същества Живата материя на планетата активно се адаптира към новите условия на съществуване в природата. Има внезапно съвместно влияние на природата върху човека и човека от природата и сега човекът е отговорен за еволюцията на живота.

Съществуват две основни дефиниции на понятието „биосфера“, едната от които е известна още от появата й в науката този срок. Това е разбиране за биосферата като съвкупност от всички живи организми на Земята. Ученик на Докучаев, създателят на учението за почвите, В.И. Вернадски, който изучава взаимодействието на живите и неживите системи, излага принципа на неразривната връзка между живите и неживите същества, преосмисляйки концепцията за биосферата. Той разбира биосферата като сфера на единството на живите и неживите същества.

Фиг.4. Разнообразието на живата материя в биосферата

Това тълкуване определи възгледа на Вернадски за проблема за произхода на живота на Земята. Бяха разгледани следните варианти: 1) животът е възникнал преди образуването на Земята и е бил пренесен на нея; 2) животът е започнал след образуването на Земята; 3) животът е възникнал с образуването на Земята. Вернадски се придържаше към последната от тези гледни точки и вярваше, че няма убедителни научни доказателства, че животът някога е съществувал на нашата планета. С други думи, биосферата винаги е съществувала на Земята.

Биосферата (на гръцки bios - живот, sphaira - топка) е обвивката на Земята, обитавана от живи организми и преобразувана от тях. Биосферата е тясно свързана с всички други слоеве на земята и е следствие преди всичко от биогеохимичния цикъл, който се осигурява от слънчевата енергия. В биосферата организмите и тяхното местообитание, поради дългосрочно взаимодействие помежду си, образуват интегрална система, която е в динамично равновесие.

Биосферата, според Вернадски, включва следните компоненти.

1. Жива материя, образувана от съвкупност от организми.

2. Биогенно вещество, което се създава по време на жизнената дейност на организмите (атмосферни газове, въглища, масло, варовик и др.).

3. Инертна материя, която се образува без участието на живи организми (в резултат на движението на земната кора, дейността на вулкани, метеорити).

4. Биоинертно вещество, което е съвместен резултат от жизнената дейност на организмите и небиологични процеси (почва).

Вернадски формулира основните принципи на организацията на биосферата като цяло. Това са два биогеохимични принципа.

1. Геохимичната енергия на живата материя в биосферата (включително и човека като висше същество, надарено с разум) се стреми към максимално проявление.

2. По време на еволюцията на видовете живи организми оцеляват организми, които чрез своята жизнена дейност максимизират биогенната геохимична енергия.

Фиг.5. Фрагмент от еволюцията на живата материя на биосферата

Вернадски прави оценки на количеството живо вещество в биосферата, въз основа на което формулира следния принцип: през цялата история на Земята количеството живо вещество в биосферата е практически постоянно. В момента човекът е нарушил баланса си с биосферата. Докато хората (и големите животни) в консумацията на биосферни продукти не надвишават 1% от тях общ брой, биосферата е била в динамично равновесие с други земни обвивки. Модерен човеквече изразходва за нуждите си над 7%. продукти на биосферата и значително нарушава нейния естествен баланс. Например, съотношението на запасите от въглерод в атмосферата и на сушата вече се е променило, разликата между синтеза и разлагането на органични вещества е станала стотици пъти по-голяма, отколкото първоначално.

Биосферата вече не може да се справи със стабилизиращата си функция и скоро човечеството ще трябва да поеме тази функция. В крайна сметка, когато цялата система на живота и околната среда започне да се контролира от човека, тогава биосферата ще се превърне в ноосфера. Но тогава по-голямата част от разходите за енергия и труд ще отидат за стабилизиране на околната среда (според някои оценки - повече от 99%). Само няколко процента (или дори по-малко от 1%) ще останат за поддържането и развитието на цивилизацията. Изучавайки създадената от него биогеохимия, която изучава разпределението на химичните елементи на повърхността на планетата, Вернадски стига до извода, че практически няма нито един елемент от периодичната таблица, който да не е включен в живата материя. Вернадски също подчерта значението на енергията и нарече живите организми механизми за трансформация на енергия.

Подробна обосновка на теоретичните идеи на V.I. Вернадски и A.L. Чижевски е приет днес. И така, изследванията на нашата космонавтика:

1. Те ​​направиха възможно откриването на множество нови данни за връзката между земните и космическите процеси.

2. Повлия радикално върху начините за извършване на астрофизични и астрономически наблюдения и открития.

3. Те доведоха до своеобразна научна революция в астрофизиката.

Така например през 60-те години. Бяха открити квазари - космически обекти с огромно енергийно ниво на радиация (те излъчват десетки пъти повече енергия от най-мощните галактики), както и такива космически явления като експлозии на свръхнови. Според съвременните астрофизични концепции именно радиацията на свръхновите е основният източник космически лъчив Галактиката. Те могат да окажат влияние, тъй като рентгеновият поток, излъчван от свръхнови, може да създаде в стратосферата на Земята високи концентрацииазотен оксид - разрушител на озоновия слой, който е екран, който предпазва всички живи същества на Земята от въздействието на тежката радиация на Слънцето.

Фиг.6. Връзка между земни и космически процеси – Аврора

Идеи за различни формивзаимодействията на живата материя с космическите материални и енергийни потоци стават все по-важни и благодарение на активно развиваните хипотези за съществуването, поне в рамките на нашата Галактика, на всепроникваща, пан-галактическа жива система. Те показват наличието на огромен брой микроорганизми в космическото пространство на нашата Галактика. Изследванията в тази посока могат да се считат за доказателство в полза на концепцията, предложена от V.I. Вернадски за широкото космическо разпространение на живата материя във Вселената, нейното космическо значение.

Естественонаучните хипотези и факти показват, че изследванията на взаимодействията, започнати от трудовете на В.И. Вернадски и неговите последователи представляват водещи, обещаващи направления в естествознанието, разбиране на тайните на природата.

Фиг.7. Нашата галактика - Млечният път

Според V.I. Вернадски, нашата планета и Космосът сега се представят като единна система, в която животът и живата материя са свързани в едно цяло чрез процесите, протичащи на Земята, с процеси от космическо естество. Според V.I. Вернадски през цялата история на Земята количеството жива материя в биосферата е почти постоянно. Грандиозната картина на планетарното развитие включва и появата на човека, носител на Разума, който ускорява всички процеси, протичащи на планетата. Той каза, че влиянието на човека върху природата нараства толкова бързо, че той ще се превърне в основна геоложка сила и ще трябва да поеме отговорност за бъдещото развитие на природата. Биосферата постепенно се превръща в ноосфера.

Биосферни и космически цикли

Връзката между циклите на слънчевата активност и процесите в биосферата е забелязана още през 18 век. Тогава английският астроном У. Хершел обръща внимание на връзката между добивите на пшеница и броя на слънчевите петна. IN края на XIX V. Професорът от Одеския университет F.N. Шведов, изучавайки част от ствола на стогодишна акация, откри, че дебелината на растежните пръстени се променя на всеки 11 години, сякаш повтаряйки цикличността на слънчевата активност. Но едва през 20 век. Беше възможно да се разбере, че слънчевата активност е свързана с електромагнитни и други колебания на световното пространство.

Този факт е установен от Чижевски, който обобщава опита на своите предшественици и осигурява солидна научна основа за тези емпирични данни. Той вярваше, че Слънцето диктува ритъма на повечето биологични процеси на Земята и когато върху него се образуват много слънчеви петна, се наблюдават хромосферни изригвания и яркостта на короната се увеличава (това е типично за периодите на активно Слънце), избухват епидемии на нашата планета, растежът на дърветата се увеличава, особено вредителите се размножават селско стопанствои микроорганизми, които причиняват различни заболявания. Чижевски стига до това заключение, като изучава графиките на слънчевата активност и активността на биосферата, като ги наслагва една върху друга.

Фиг.8. Цикли на слънчевата активност

Днес повечето учени са единодушни в мнението, че човекът и човечеството са част от живата материя на нашата планета. Това означава, че хората също са изложени на космически енергии и слънчева радиация. Например, човешкото тяло, подобно на организмите на други животни, се „настройва“ към ритмите на биогеосферата, предимно ежедневни (циркадни) и сезонни, свързани със смяната на сезоните.

Човешкият метаболизъм протича в циркаден ритъм, наследен от поколение на поколение. В момента се смята, че има около 40 процеса в човешкото тялосе подчинява на строг циркаден ритъм. Например още през 1931 г. е установена цикличност във функционирането на черния дроб на човека. При хора, водещи нормален начин на живот и хранещи се три пъти на ден, през първата половина на деня черният дроб секретира най-голямото числожлъчката, която е необходима за смилането на мазнините и протеините, използвайки натрупания гликоген и превръщайки го в прости видове захар. Отказва водата, образува много урея и натрупва мазнини. Следобед черният дроб започва да метаболизира захарите, натрупвайки гликоген и вода. Обемът на клетките му се увеличава 3 пъти.

През цялото денонощие съдържанието на хемоглобин в кръвта се колебае циклично, максимумът му настъпва към 11-13 часа, а минимумът към 16-18 часа. Кръвните нива на калий, магнезий, натрий, калций и желязо са обект на ежедневни колебания. През нощта се увеличава количеството на магнезиевите соли, а в мозъчната течност - на калиеви соли. И двете съединения потискат нервно-мускулната възбудимост. Вегетативната нервна система работи по дневен график. Статистиката казва, че дори раждането и смъртта се случват по-често в тъмната част на денонощието, около полунощ.

всичко Жива природачувствително реагира на сезонните промени в температурата на околната среда, интензивността на слънчевата радиация - през пролетта дърветата се покриват с листа, през есента листата падат и избледняват метаболитни процеси, много животни спят зимен сън и т.н. Човекът не прави изключение. През годината интензивността на метаболизма и съставът на тъканните клетки се променят, като тези колебания са различни в различните климатични зони.

Така в южните райони (Сочи) съдържанието на хемоглобин и броят на червените кръвни клетки, както и максималното и минималното кръвно налягане през студения период се увеличават с 20% в сравнение с топлия период. А в условията на Север най-висок процент на хемоглобин е открит при повечето изследвани жители на летни месеци, а най-малко - през зимата и ранна пролет.

Циклите на слънчевата активност също оказват влияние върху човешкия живот. По този начин, като обработи материал за огнища на рецидивираща треска в Европейска Русия от 1883 до 1917 г., както и данни за холера в Русия от 1823 до 1923 г. и данни за слънчевата активност, Чижевски стигна до извода, че тези земни явления се случват синхронно с промените, настъпващи в различни слънчеви сфери. Въз основа на построените от него графики още през 1930 г. той прогнозира, че през 1960 - 1962 г. ще има епидемия от холера, която всъщност се случи в страните от Югоизточна Азия.

Фактът, че състоянието на слънчевата активност не е безразлично към живота на Земята, се вижда от увеличаването на броя на случаите на заразяване с краста през 1968 г. и неочаквания скок в броя на заболяванията енцефалит, пренасян от кърлежии туларемия в пика на вековния цикъл на слънчевата активност през 1957 г. (въпреки ваксинирането на населението, както в предишните години).

Така откриваме ясна връзка между човека и растителния и животински свят, в който всичко жизнени цикли- болести, масови миграции, периоди на бързо размножаване на бозайници, насекоми, вируси - протичат синхронно с 11-годишните цикли на слънчевата активност, както и редуването на гръмотевични бури и тихо лятно време, по-голяма и по-малка растителна маса.

Ориз. 9. Номер връзка психично заболяванеи слънчева активност

Хематолозите стигнаха до извода, че в годините на максимална слънчева активност скоростта на съсирване на кръвта в здрави хорасе удвоява и тъй като при сърдечно-съдовите пациенти способността на кръвта да се съсирва е потисната, с увеличаването на слънчевите петна зачестяват инфарктите и инсултите. Ето защо днес никой не се изненадва, когато медиите съобщават за неблагоприятни дни, в които хората с хронични заболявания трябва да се държат с повишено внимание.

Горните факти ни позволяват да говорим за влиянието на пространството върху физиологичните процеси в индивидуалното човешко тяло. Но в същото време човек е част от човечеството, социален организъм, който също се влияе от слънчевата активност. Чижевски се опита да установи връзката между 11-годишните слънчеви цикли и насищането исторически събитияразлични периоди човешката история. В резултат на своя анализ той заключава, че максимумът на социалната активност съвпада с максимума на слънчевата активност.

Средните точки на цикъла дават максимума на масовата човешка дейност, изразена в революции, въстания, войни, кампании, преселване и показват началото на нови исторически епохи в историята на човечеството. В крайните точки на цикъла напрежението на универсалната човешка дейност от военно или политическо естество се свежда до минимална граница, отстъпвайки място на творческата дейност и придружено от общ спад на политическия и военен ентусиазъм, мир и тишина. творческа работав изграждането на нация, науката и изкуството. Според изчисленията на Чижевски по време на минималната слънчева активност социалната активност е не повече от 5%, а по време на максималната достига 60%.

Еволюцията на биосферата се определя от тясно свързани три групи фактори: развитието на нашата планета като космическо тяло и химическите трансформации, протичащи в нейните дълбини; биологична еволюция на живите организми; развитие на човешкото общество.

Говорейки за първата група фактори, определящи еволюцията на биосферата, трябва да обърнете внимание на формулировката на „геохимичния принцип за запазване на живота“: една планета може да бъде обитаема, стига нейната вътрешност да е активна.Дейността на почвата е не по-малко важна от активността на Слънцето. За да продължи животът, самата Земя трябва да е жива в този смисъл. Следователно учените, които сериозно смятат Земята за организъм (като Джеймс Лавлок), заслужават пълно разбиране. За тях феноменът на организацията на биосферата не е набор от инциденти, а резултат от нейната (Гея-Земя, виж параграф 11.6) собствена дейност.

В развитието на биосферата се наблюдават много необичайни за нас екосистеми. Епохите са били топли и студени, с по-голям или по-малък процент земя, с по-голямо или по-малко разнообразие от видове. Преходът между епохите беше прогресивната еволюция на екосистемите, която беше разбрана още преди раждането на екологията.

Днес можем да говорим за четири биосфери, възникнали последователно по време на еволюцията: хемосфера, прокариотна фотосфера, кариосфера и антропосфера. Всяка биосфера е възникнала поради появата на нова доминираща категория организми и първите три от тях вероятно са просъществували около милиард години всяка.

Хемосферапроизлиза от прогенота (първата система, в която метаболизмът е отделен от наследствеността) и представлява много предклетъчни зони, в които се развиват прокариоти. Литотрофите служат като хранителна база, а основният път на еволюцията е включването на органични единици в геохимичните цикли. Хемосферата възниква от първите центрове на живота и придобива свойствата на биосферата, когато когато нарасна достатъчно, за да се превърне в планетарен феномен, т.е. превзе океана (земята беше безжизнена). Очевидно изключително късите цикли, дължащи се на симбиоза, са често срещани в него.

Хемосферата в хидротермалните течности на океанското дъно все още остава и е много слабо свързана с останалата част от живота, но сега се състои от отделни организми. Останките от тази сфера също се простират на половин километър под океанското дъно; и някои изследователи смятат, че условията на живот там не са се променили от началото на живота.

В ерата на раждането на живота потокът от топлина от дълбините е бил четири пъти по-висок от днес. Когато земната повърхност се охлади, хемосферата беше заменена от прокариотна фотосфера.В него хранителната база беше фотоавтотрофи; Основният път на еволюцията е усложняването на биохимията. Тя също започна с кратки цикли (цианобактериални рогозки), но след това, напротив, започна да удължава веригите от цикли, което промени външния вид на планетата, например, създавайки кислородна атмосфера. Както вече беше посочено, смята се, че сегашното съдържание на кислород в атмосферата (21%) е достигнато в палеозоя преди 250 милиона години, но процесът започва през архея.

кариосфера -Това е доминирането на еукариотите. Основният път на еволюцията е усложняването на структури с еднаква биохимия; и прокариотите са изтласкани в периферията на биосферата, където доминират и днес (например в земната и океанската кора), а зелените растения стават основни производители. Дългите цикли започнаха да преобладават: консуматори (консуматори - животни) се появиха между производители (производители) и разлагащи (редуценти), така че сега нормалната хранителна верига има до седем връзки. Кариосферата изглежда като самата биосфера и G.A. Заварзин й се обажда неосфера,но на негова основа вече расте следващата сфера.

антропосфера -възникващата сега биосфера на бъдещето. Основните цикли в него ще се раждат от хората, а основният път на еволюция на организмите ще бъде създаването на изкуствени породи при намаляване на броя на естествените видове. В И. Вернадски беше прав, като посочи, че човечеството се превръща в геоложка сила. Човекът вече унищожава някои видове и създава други, унищожава едни вкаменелости, създава други (депа за отпадъци) и променя циклите - както ги удължава в космоса (глобален транспорт), така и скъсява геохимичните вериги (изгаряне на гори и т.н.). Антропосферата е онази неприятна реалност, която расте на мястото, където V.I. Вернадски трябваше да види прекрасна ноосфера.

Всяка следваща биосфера расте на базата на предишната и проявява нова активност: тя отнема по-голямата част от тези глобални функциикоито тя може да изпълни сама.

А.Г. Пономаренко идентифицира редица от най-значимите пренареждания на биосферата:

появата на многоклетъчност.Въпреки че са известни многоклетъчни прокариоти (гъби, храсти), при еукариотите многоклетъчността се вижда „като обща линия“.

Известно е, че през камбрия има рязко нарастване на разнообразието, по-специално появата на организми с твърд скелет и първите членестоноги (трилобити).

Нека добавим към казаното: геохимичнооблика на биосферата се определя от едноклетъчни прокариоти; морфологично и поведенчески външният му вид се създава от многоклетъчни еукариоти. Всъщност сред прокариотите многоклетъчните видове съставляват около 1%, а сред еукариотите, напротив, само около 1% от видовете са едноклетъчни, а самите еукариотни видове са повече от 2 милиона - това е 500 пъти повече от прокариотите;

развитие на водния стълб и дъното.А. Г. Пономаренко вижда ранния живот главно в самия повърхностен слой вода (в действителност това не би могло да се случи - вижте параграф 12.2), обяснявайки това с високата мътност на водата. С появата на квалифицирани филтриращи хранилки през камбрия, финият материал бързо се филтрира и изпраща на дъното, което влошава условията на живот на повърхността, но прави водата по-чиста и снабдява дъното с органична материя. Появиха се калояди.

Животът преди това време е бил ограничен главно до плитки дълбочини; Океанските дълбини и дъно са почти безлюдни: в първите има малко органична материя и до дъното почти не достига кислород. Изключение прави околността на хидротермите, които са като специална биосфера (хемосфера) на дъното на океаните;

появата на живот на сушата.А. Г. Пономаренко отново повдигна древния въпрос какво е морето и сушата в архея. Той също стигна до заключението, че без сухоземна растителност пейзажът се състои от почти вертикални скали и почти хоризонтални ниски равнини. Приливните и буреносните вълни можеха да изминат дълги разстояния през тези равнини и на практика нямаше брегова линия. Водорасло-бактериалните подложки можеха да заемат цялата тази равнина, но те не съществуваха в морето или на сушата.

През протерозоя рогозките вероятно са създали първата почва на сушата. Отначало животът на сушата беше тънък слой, състоящ се от плесени и земни водорасли; гниейки, те образуваха почва, в която живееха червеи и членестоноги;

появата на вертикална зоналност на земния живот(фиг. 13.4). В средата на силура (преди 420 милиона години) на сушата се появяват висши растения (така се нарича всичко, което е по-сложно от водораслите). В долния девон, с появата на растения с вертикални стъбла, възникват нива: ниските растения могат да бъдат разположени под високи. Вертикалното стъбло изискваше нова естествена технология - метод на хранене воден разтворсрещу гравитацията.

Ориз. 13.4.

Риния - първото сухоземно растение с вертикално стъбло, долен девон

Появата на листа, пренесени в въздушна среда, и коренова система, способна да използва подземни води - най-голямото събитие в историята на биосферата.

През карбона се появяват многослойни гори, които дават началото на находища на въглища. Вертикалните стволове изискват мощни корени, а корените предотвратяват ерозията на почвата. Преди появата на горите биосферата не би могла да има настоящата биомаса. В наши дни повече от 90% от масата на биосферата се съдържа в сухоземни растения- предимно стволове на дървета. Блатото започна да произвежда основния кислород;

бедствия в океана и на сушата.Историята е пълна с примери за масови измирания, а някои от тях са имали характер на биосферни бедствия; На първо място, това се отнася до катастрофата на границата на геоложките епохи: вендско-камбрийското, пермско-триаското и креда-палеоценското изчезване.

Пермо-триаското изчезване се счита за най-мистериозното)