Основные направления эволюции биосферы

Эволюция – история жизни

 

Среди воззрений возникновения Вселенной во второй половине XX в. были наиболее распространены гипотезы:

• стационарного состояния - Вселенная существовала извечно;

• большого взрыва (с последующим расширением, продолжающимся и ныне);

• родилась в одной из черных дыр;

• создана Творцом.

До сих пор наука не опровергла идею божественного сотворения Вселенной, а теология (от греч. theos - бог и logos - учение) не отрицает возможность того, что современные черты жизни приобретены ею в процессе развития на основании законов природы. На почтовой марке, выпущенной в США в честь астронавтов, первыми ступившими на Луну, сделана надпись: «В основе всего Бог». Вера в Божественное начало мира не мешает американским ученым быть в группе лидеров мировой науки. На практике наука и религия не всегда взаимоисключают друг друга, о чем свидетельствует значительное число ученых, придерживающихся религиозных убеждений.

Одной из центральных проблем биологии является природа жизни, ее происхождение, разнообразие живых существ и объединяющая их структурная и функциональная близость. Главными современными теориями возникновения жизни на Земле являются следующие:

• сотворение Богом в определенное время;

• самопроизвольное и неоднократное возникновение из неживого вещества;

• изначальное существование, т.е. была всегда;

• появление на планете извне;

• возникновение в результате процессов, подчиняющихся химическим и физическим законам (биохимическая эволюция).

 

Результатом биологической эволюции всегда является соответствие развивающейся живой системы условиям ее существования.

 

Эволюция биосферы на протяжении большей части своей истории шла под влиянием двух главных факторов:

• естественных геологических и климатических изменений на планете;

• изменений видового состава и количества живых существ в процессе биологической эволюции.

На современном этапе следует учитывать и третий фактор - развивающееся человеческое общество.

Киральная чистота жизни.В воссозданной схеме происхождения жизни одним из самых загадочных остается факт, сформулированный Л. Пастером в виде закона киралъной чистоты: живое вещество состоит только из кирально чистых структур.

Киральность или киральная чистота - свойство объекта (индивидуальных молекул и их соединений) быть несовместимыми со своим отображением в идеально плоском зеркале. Так, белки живого построены только из «левых» (левовращающих - поляризующих свет влево) аминокислот, а нуклеиновые кислоты состоят исключительно из «правых» (правовращающих - поляризующих свет вправо) сахаров и так далее.

Вещества небиогенного происхождения всегда имеют одинаковое количество «правых» и «левых» молекул, они зеркально симметричны.

Таким образом, схема образования живого из неживого выглядит следующей чередой (последовательностью) событий (рис. 2):

 

Рис. 2. Схема образования живого из неживой материи

 

Полагают, что самые первые фотосинтезирующие клетки были лишены метаболизма, ведущего к образованию молекул кислорода; организмы, способные к фотосинтезу с выделением кислорода, подобные современным синезеленым водорослям, появились позже. Тогда количество кислорода в воде стало быстро расти, а вследствие десорбции (выделения) его в атмосферу она из восстановительной превратилась в окислительную. С данного момента началось постепенное накопление кислорода в атмосфере, и когда его концентрация стала равна 1% от современного уровня, победа аэробов над анаэробами стала окончательной. Соответствующий момент получил название 1-й точки Пастера. Произошло это геологически внезапно не более чем за 100-200 тыс. лет.

Описанные события происходили в архее около 2 млрд. лет назад. Они вызвали огромные изменения в химии Земли, обеспечили быстрое распространение жизни и развитие эукариотических клеток. Свидетельством того служат разнообразные геологические формации, образовавшиеся в результате выпадения в осадок многих минералов, таких, как соединения железа.

С ростом количества кислорода в атмосфере увеличивался также слой озона и, как следствие, уменьшался уровень ультрафиолетовой радиации, достигавшей поверхности Земли.

Аэробное дыхание сделало возможным развитие сложных многоклеточных организмов. Считается, что первые ядерные клетки появились после того, как содержание кислорода в атмосфере достигло 3-4% его современного уровня (или около 0,6% состава той атмосферы). Случилось это примерно 1 млрд. лет назад. Многоклеточные организмы, вероятно, появились 700 млн. лет назад по достижении концентрации кислорода в атмосфере 8% от современного уровня.

Период времени, когда существовали только мелкие, прокариотические одноклеточные формы жизни, называется докембрием. В кембрийский период произошел эволюционный взрыв новых форм жизни, таких, как губки, кораллы, черви, моллюски, морские водоросли и предки семенных растений и позвоночных. В течение последующих периодов палеозойской эры жизнь заполнила все моря.

После возрастания концентрации кислорода в атмосфере и достижения уровня 10% от современного (2-я точка Пастера) озоновый слой стал настолько эффективно защищать живое от жесткого ультрафиолетового излучения, что жизнь постепенно вышла из водной среды на сушу. Дальнейшее формирование наземных экосистем пошло относительно автономно от процессов эволюции водных экосистем. Развитие наземной зеленой растительности обеспечило большие количества кислорода и пищи, которые были необходимы для последующей эволюции таких крупных животных, как динозавры и млекопитающие, а также человека. Одновременно океанический планктон дополнительно к формам с клеточными оболочками из органических веществ пополнился формами с известковыми, а позже и с кремниевыми оболочками.

В середине палеозоя (около 400 млн. лет назад) потребление кислорода сравнялось с его продуцированием, в результате чего концентрация кислорода в атмосфере стабилизировалась на уровне современного, т. е. около 20%.

В конце палеозоя (350-250 млн. лет назад) изменился климат, послуживший началом обширного «автотрофного цветения», вызвавшего снижение содержания 0₂ и повышение содержания С0₂. В результате этого создались запасы ископаемого топлива - основы энергетики в наши дни. Позже (200-150 млн. лет назад) содержание кислорода и углекислого газа в атмосфере постепенно вернулось к относительно стабильному уровню, сохранившемуся до наших дней.

За время эволюции биосферы усиление ее биопродуктивности всегда сопровождалось интенсивным образованием многих полезных ископаемых, таких, как нефть, газ, уголь, горючие сланцы, фосфориты, калийные соли и др.

Земля пригодна для жизни уже около 4 млрд. лет, что в первую очередь свидетельствует о малых колебаниях температуры ее поверхности. За это продолжительное время не происходило ни сильного переохлаждения, ни сильного перегрева, т. е. приход энергии из космоса был равен ее расходу. Тем не менее в отдельные периоды происходили достаточно сильные колебания климатических условий среды обитания живых организмов, например, колебания уровня Мирового океана с разницей между максимумом и минимумом, по некоторым оценкам, порядка 300-400 м.

Периоды общего похолодания на нашей планете чередовались с периодами потепления достаточно часто. Ледяные шапки на полюсах как бы пульсируют: то разрастаются, то сокращаются. Считается, что за цикл «разрастание - отступление» ледниковые покровы пропускают через себя весь объем гидросферы. Подобные циклы продолжаются около 100 тыс. лет. За последний миллион лет этих циклов было (по разным оценкам) от четырех до восьми. Во всяком случае, твердо утверждается, что за это время вся гидросфера Земли несколько раз полностью прошла через твердую фазу в ледниках планеты.

Истинные же причины произошедшего, возможно, не станут известны никогда, но все эти вымирания были:

• неодновременными по всей планете;

• растянуты на миллионы лет;

• не связаны с деятельностью человека.

В ходе геологического времени развитие биосферы носило необратимый характер. Основываясь на эволюционном учении и палеонтологических данных, бельгиец Л. Долло (1857- 1931) сформулировал закон необратимости эволюции: организм не может вернуться, хотя бы частично, к предшествующему состоянию, которое было уже осуществлено в ряду его предков.

История развития атмосферы ярко иллюстрирует абсолютную зависимость живых организмов, и прежде всего человека, от других организмов, населяющих биосферу. Однако антропогенное воздействие на биосферу, в частности загрязнение воздуха пылью, парниковыми газами (С0₂, СН₄, N₂0 и др.), фреонами и иными веществами, может нарушить существующую хрупкую стабильность.

Эволюция органического мира, осуществлявшаяся на основании только биологических закономерностей жизнедеятельности и развития, происходила в два этапа:

• возникновение первичной биосферы с биотическим круговоротом (химическая эволюция по А. И. Опарину) примерно 4,6-3,5 млрд. лет тому назад;

• усложнение биоценоза как результат появления многоклеточных организмов (органическая эволюция), начиная примерно с 3,5 млрд. лет тому назад.

Возникновение на Земле человеческого общества способствовало выделению третьего этапа эволюции биосферы.

На современном этапе отношения «человек-природа» носят сложный характер. Преобразующая деятельность человека в биосфере неизбежна, так как с ней связано благосостояние населения. Незнание или нежелание учитывать свойственные природе законы поставило на грань сомнения если не существование всей биосферы, то как минимум возможность достойного развития в ней «Человека разумного».

Мозг человека представляет собой «устройство» с низкими количественными и высокими качественными энергетическими характеристиками, а также с огромными способностями к управлению. Однако нельзя не признать, что человек пока не обладает достаточной прозорливостью, чтобы понимать последствия своих действий. Говорить о сегодняшнем состоянии биосферы, как о ноосфере, еще рано. В современном понимании ноосфера — это гипотетическая стадия развития биосферы, когда в будущем разумная деятельность людей станет главным определяющим фактором ее устойчивого развития.

Гармония антропогенной деятельности человека и природы возможна только при:

• осуществлении контроля численности человечества;

• ограничении чрезмерных потребностей людей;

• рационализации использования природных ресурсов;

• использовании только экологически целесообразных промышленных технологий с максимальной переработкой и применением вторичных материальных и энергетических ресурсов;

• осуществлении глобального мониторинга за состоянием окружающей природной среды и др.

 

Вопросы для семинара

1. Что означает термин «экология»?

2. Цель и задачи экологии.

3. Экологический подход.

4. Аутэкология.

5. Демэкология.

6. Синэкология.

7. Экосистемы.

8. Основные разделы экологии.

9. Основные проблемы экологии.

10. Что такое «устойчивое развитие»?

11. Какие меры необходимы для уменьшения экологического давления на окружающую среду со стороны человечества?

12. Искусственная и естественная среда обитания людей.

13. 3 ветви экологии.

14. Системы организмов и биота Земли.

15. Классификации живых организмов.

16. Среда обитания и экологические факторы.

17. Закономерности действия экологических факторов на живые организмы.

18. Лимитирующие факторы.

19. Экологическая ниша.

20. Трофические взаимодействия в экосистемах.

21. Продукция и энергия в экосистемах.

22. Динамика экосистем.

23. Сукцессия и климакс биоценозов.

24. Искусственные экосистемы.

25. Живое вещество биосферы.

26. Биогеохимические циклы наиболее жизненно важных биогенных веществ

27. Понятие о ноосфере.