Этапы развития (эволюции) биосферы. Реферат особенности эволюции биосферы

По данным современной науки возраст Земли оценивается в 4,6 млрд лет, а первые признаки жизни на ней появились, по данным палеонтологии, около 3,5-3,8 млрд лет назад. Первые живые организмы были гетеротрофами , которые использовали для жизнедеятельности абиогенные органические молекулы. Однако с течением времени происходило уменьшение концентрации свободного органического вещества в окружающей среде, и преимущество получали организмы, которые обретали способность синтезировать органические соединения из неорганических.

Таким путём 2-3 млрд лет тому назад возникли первые фотосинтезирующие клетки типа цианобактерий , способные использовать световую энергию для синтеза органических соединений из CO 2 и H 2 O. Выделяя при этом О 2 , автотрофы изменяли состав атмосферы , после чего она стала приобретать окислительный характер. Таким образом жизнь, возникшая на Земле, изменила те условия, которые сделали возможным её появление, в частности, атмосферу восстановительного типа, содержавшую метан, аммиак , сероводород и др. вещества.

С увеличением содержания кислорода в атмосфере сформировалась достаточно мощная озоновая оболочка (слой), которая защитила поверхность Земли от проникновения жёсткого космического, в том числе ультрафиолетового излучения. Это создало возможность для распространения жизни в толще океана к его поверхности и последующего выхода живых организмов на сушу. В течение палеозойской эры (начало - 570 ± 20 млн лет, конец - 340 ± 10 млн лет назад) жизнь, заполнив все моря, вышла на сушу.

Происходила интенсивная эволюция высших растений, представленных в палеозое почти всеми группами споровых и голосеменных. В палеозое сформировались основные типы и классы беспозвоночных, а также позвоночных, исключая птиц и млекопитающих. Если для первой половины палеозоя характерно господство водных, преимущественно морских беспозвоночных, появление рыбообразных и рыб, преобладание различных водорослей, то для второй половины - освоение суши растениями и животными (беспозвоночными, земноводными и пресмыкающимися).

Эволюция биосферы осуществлялась на протяжении её большей части истории под влиянием двух главных факторов:

1) естественных геологических и климатических изменений на планете;

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

В третичном периоде кайнозойской эры добавился третий (современный) фактор - человеческое общество. Соответственно, этап биогенеза в эволюции биосферы сменился этапом ноогенеза.

В эволюции биосферы можно выделить следующие основные тен-денции:

1) постепенное увеличение общей её массы и продуктивности;

2) прогрессивное накопление аккумулированной солнечной энергии в поверхностных оболочках Земли;

3) увеличение информационной ёмкости биосферы, проявляющейся в нарастающей диверсификации (росте разнообразия) органических форм, увеличении числа геохимических барьеров и возрастании дифференцированности физико-географической структуры биосферы;

4) усиление некоторых биогеохимических функций живого вещества и появление новых функций;

5) усиление преобразующего воздействия жизни на атмосферу, гидросферу и литосферу , увеличение роли живого вещества и продуктов его жизнедеятельности в геологических, геохимических и физико-географических процессах;

6) расширение сферы действия биотического круговорота и усложнение его структуры;

7) всё возрастающее трансформирующее воздействие человеческой деятельности. Если в эволюции живого вещества имеется непрерывный поток генетической информации и в геноме человека есть гены от всего ряда его предков, то в составе биосферы имеются виды различного геологического возраста - «экогеноэлементы», или «биоэлементы» экосистем. Происходит эволюционная замена этих биоэлементов, в региональных рамках иногда полная замена, включающая исчезновение предшественников.

Массовое истребление видов человеком не могло не изменить естественных процессов. Например, плиоценовое исчезновение крупных животных, видимо, происходило не только в результате прямого преследования, но и из-за нарушения цепей питания, что вело к преобразованию экосистем в целом. Современное уничтожение видов, идущее намного быстрее, чем во времена плиоценового перепромысла, ведет к процессам, в результате которых снижается биомасса, продуктивность и информационность биосферы, меняется характер аккумуляции солнечной энергии в поверхностных оболочках Земли и т.д.

Ноосфера - высший этап эволюции биосферы. Человек как природный объект и активный элемент биосферы

Ноосфера - новое состояние биосферы, при котором разумная деятельность человека становится главным определяющим фактором её развития. Понятие «ноосфера» было введено в науку французским философом Э. Леруа и французским палеонтологом, философом и теологом П. Тейяром де Шарденом в 1927 году. Однако они дали идеалистическое толкование ноосферы как особого надбиосферного «мыслительного пласта», окутывающего планету. В 30-40-х годах ХХ века В.И. Вернадский развил представление о ноосфере с материалистических позиций.

О н понимал ноосферу как качественно новую форму организованности, возникающую при взаимодействии биосферы и общества, как новое эволюционное состояние биосферы, целенаправленно преобразуемой в интересах человечества. Науку о взаимоотношении между человеческим обществом и природой назвали ноогеникой. Основная её задача - исправление нарушений во взаимосвязях человека и природы, вызванных прогрессом техники.

На начальном этапе воздействия человека на природу не отличались от воздействия других живых организмов. Извлекая из окружающей среды средства для существования в таком количестве, которое полностью восстанавливалось, и возвращая в среду продукты жизнедеятельности, которые использовались другими организмами, человек не нарушал биотический круговорот вещества и энергии в биосфере. Однако в результате научно-технического прогресса, а также во многом стихийного роста промышленности, энергетики, транспорта, широкой химизации сельского хозяйства и быта, быстрого роста народонаселения и урбанизации планеты биотический круговорот резко нарушился, стал незамкнутым. Человек, извлекающий сырьё во всё возрастающем количестве, производит такие вещества, которые не используются другими организмами, накапливаясь в биосфере.

Ежегодно из Земли извлекается более 100 млрд тонн различных пород; сжигается около 1 млрд тонн условного топлива; выбрасывается в атмосферу около 20 млрд тонн СО 2 , 300 млн тонн СО, 50 млн тонн NO, 150 млн тонн SO 2 , 4-5 млн тонн H 2 S и других вредных газов, более 400 млн тонн частиц золы, сажи, пыли; сбрасывается в гидросферу около
600 млрд тонн промышленных и бытовых стоков, около 10 млн тонн нефти и нефтепродуктов; вносится в почву около 100 млн тонн минеральных удобрений. В биосферу поступает около 50% извлечённых из недр металлов, 30% химического сырья, до 67% тепла, вырабатываемого теплоэлектростанциями. Каждый год создаются сотни тысяч тонн не встречавшихся ранее в биосфере химических соединений (ксенобиотиков и др.), многие из которых не поддаются биологическому и физическому разрушению.

Естественные процессы метаболизма и разбавляющая способность атмосферы и гидросферы в ряде районов планеты уже не в состоянии нейтрализовать вредное действие хозяйствования человека. Накопление персистентных (стойких) загрязняющих веществ, которые почти не разрушаются в природе, нарушает сложившиеся в ходе длительной эволюции природные системы и связи в биосфере, подрывает способность природных комплексов к саморегуляции.

С 30-х гг. ХХ века стала очевидной опасность истощения природных ресурсов, как невозобновляемых (нефть, уголь, руды), так и возобновляемых (растительный, животный мир и др.). С середины ХХ века воздействие человека на природу приняло глобальный характер.

За период с конца XVI века до 70-х гг. ХХ века с лица Земли исчезли (главным образом из-за разрушения местообитаний) 109 видов птиц, 64 вида млекопитающих, 20 видов пресмыкающихся. С начала 80-х гг. ХХ века ежедневно исчезал, по данным МСОП, 1 вид (подвид) животных. Вымирание угрожает почти 1000 ныне живущим видам птиц и млекопитающих (примерно половина из них находится в тропических лесах, которые сводятся со скоростью несколько десятков га в минуту). Не менее 1/4-1/6 суши уже лишены естественного растительного покрова.

Под угрозой исчезновения находится каждый 10-й вид высших растений, каждый 4-й вид земноводных и каждый 7-й вид пресмыкающихся. Под прессом сильного хозяйственного воздействия находится около 50% суши. Большие площади коренных биогеоценозов замещаются вторичными, более упрощёнными, однообразными по составу и структуре, с заметно пониженной продуктивностью. Естественный покров степной зоны сменился посевами и насаждениями культурных растений, городскими и индустриальными территориями.

Сформулированы принципы сохранения биосферы, имеющие основополагающее значение для ноогеники:

1) принцип необходимости разнообразия природы (только многообразная и разнообразная живая природа оказывается устойчивой и высокопродуктивной);

2) принцип потенциальной полезности каждого компонента природы (сейчас трудно предвидеть возможное значение каждого вида организмов для человека в будущем);

3) принцип всеобщности связи в живой природе (выпадение какого-либо одного звена в сложной цепи трофических и иных связей в природе часто приводит к непредвиденным результатам).

Перед человечеством стоит актуальная проблема разработки методов и способов сознательного регулирования обмена веществом и энергией между человечеством и биосферой, включения человеческой деятельности в биогеохимические циклы с учётом важнейших закономерностей развития биосферы.

Путями её решения являются:

а) экологизация экономики (включая промышленность, энергетику, транспорт, сельское хозяйство) посредством развития безотходной и малоотходной технологии, перехода на циклическое использование водных и других ресурсов;

б) экологизация права и сознания людей.

В настоящее время человечество стоит на пороге экологического кризиса, превращения биосферы в непригодную для жизни техносферу. Положительное влияние человека на биосферу (выведение новых пород и сортов, создание культурных биогеоценозов с высокой биопродуктивностью, выведение штаммов полезных микроорганизмов как основы микробиологической промышленности, интродукция полезных видов в новые условия обитания) несравнимы с отрицательными последствиями его деятельности.

Уничтожение лесов резко нарушило водный режим планеты. Мелеют реки, истощаются запасы грунтовых вод, возрастают потери от эрозии почв, возрастает степень загрязнённости природной среды промышленными отходами, пестицидами, радиоактивными веществами. Искусственные биоценозы, благодаря усилиям человека, теснят естественные биоценозы. 20% суши в настоящее время уже полностью «преобразовано» человеком. Во второй половине ХХ века как никогда ранее остро встала проблема объединения усилий всего человечества для спасения среды его обитания. Действия человека должны приобрести единый, согласованный с законами существования и развития биосферы характер.

Эволюция - это результат совокупного действия многих факторов и прежде всего - химических. Именно химические реакции составляют основу всех процессов в любом организме. Вся история эволюционного развития биосферы рассматривается в течение двух очень длительных промежутков времени - эонов, состоящие из двух интервалов - криптозой (гр. Криптос - тайна) и фанерозой (гр. Фанерос - открытый, гр. Зоос - жизнь), в течение которых происходили эволюционные, есть медленные изменения в биосфере. Они состоят из эр (лат. Эра - начало летоисчисления), эпох и периодов. Биосфера эволюционирует по принципу одновременности прерывности и непрерывности развития. Процесс постепенных эволюционных изменений организмов закономерно прерывается фазами их бурного развития и вымирания практически без переходных палеонтологических форм.

Двигатель эволюции - химические реакции между простыми соединениями - вода, аммиак, оксид углерода, формальдегид с участием катализаторов - неорганических веществ и электрических разрядов. В результате образовались сложные молекулярные структуры - аминокислоты, белки, нуклеиновые кислоты.

Через же благоустройства, уменьшение энтропии возникли надмолекулярные структуры - органоиды, из которых построены клетки. После химической эволюции 3500000000 лет назад началась биологическая эволюция, основу которой составляют сверхсложные химические процессы в живых объектах, и которая продолжается и сейчас.

Итак, основа эволюционных процессов - химические реакции, которые происходят как в клетках, так и вне их, в окружающей среде.

В этом опасность для современных биологических процессов, потому что через антропогенную деятельность среда насыщается очень активными химическими веществами. Они включаются в биохимические процессы на молекулярно-клеточном уровне и вызывают мутации в клетках, тканях, организмах. На ранних этапах возникновения жизни это способствовало образованию жизненного разнообразия в дальнейших биологических процессах - эрах. Но на современном этапе эволюции, за деятельности человека, возникло большое количество разнообразных веществ - ксенобиотиков, тератогены, мутагены, которые негативно влияют на эволюционные процессы.

Основные первичные эволюционные процессы, которые происходили в течение почти 4 миллиардов лет, изображенные на схеме (рис. 4):

Рис. 4. Схема первичных эволюционных процессов

Первая эра - археозойська, или архейская (гр. Архео - перво-начальный, начальный) - эра древнейшего жизни - началась около 3500000000 лет назад и продолжалась около 2 млрд лет. За это время, наряду с формированием твердой коры - литосферы, в результате химических реакций - химической эволюции, возникли сначала белковые молекулы, а затем примитивные живые объекты - вирусы, бактерии, сине-зеленые водоросли. В конце эры клетки дифференцировались на растительные и животные, то есть начались процессы дивергенции - расхождения в свойствах и признаках.

Этот процесс усилился в протерозойского (гр. - Простой) эре - эра простого, примитивного жизни, когда начали формироваться условия для "выхода" растений на сушу. В атмосфере появляется кислород - 0,021% (точка Кюри), а позже - 0,21% (точка Пастера). Эти процессы продолжались еще почти 900 000 000 лет, а две эры составили криптозойський эон.

Следующий эон - фанерозой составляют три эры, продолжались 600 млн лет. Начинает его палеозойская (гр. Палео - старый, древний) эра, продолжавшейся 350 млн лет. Эта эра началась "биологическим взрывом", в результате которого появились панцирные рыбы, наземные растения - псилофиты. В конце эры, около 400 млн лет назад концентрация кислорода в атмосфере составляла уже более 2% и поэтому начал формироваться озоновый экран. Благодаря ему стабилизируются жизненные формы, уменьшаются летальные мутации и возникают условия для активного развития животных форм жизни - появляются насекомые, рептилии. Начинают формироваться современные контуры нынешних материков.

Этот большой промежуток времени разделяют на шесть периодов: кембрий (от древнего названия английской провинции Уэльс), который продолжался 70 млн лет; ордовика (от названия древнего кельтского племени) - длился 70 млн лет; силур (от названия кельтского племени) - продолжался 30 млн лет; девон (от названия графства Девоншир в Англии) - 60 млн лет; карбон (от лат. - уголь) - длился 50 млн и пермский период - 70 млн лет.

Следующая - четвертая эра - мезозойская (гр. Мезо - промежуточный), или эра промежуточного жизни, для которого характерны переходные формы, то есть такие, которые существуют на планете и в настоящее время. Началась она 250 млн лет назад и длилась 160 млн., Которые составили три периода: триасовый (гр. Триас - троичность), юрский (от названия гор в Западной Европе -Юрськи) и меловой.

Для этой эры характерно распространение гигантских форм жизни -папоротей, голосеменных растений. В конце эры меняются климатические условия на планете - происходит глобальное похолодание, из-за чего голосеменные растения уступают место покрытосеменных, появляются первые птицы.

Дальнейшая эволюция всех организмов продолжалась в кайнозойской (гр. - Крайний, настоящее) эре, или эре современной жизни. Началась она 90 млн лет назад, как и предыдущая эра, состоит из трех периодов - палеоген, неоген, четвертичный (современный). Эта эра продолжается и сейчас. Станет ли она "крайней", "последней" для человека - будет зависеть от нее. Для этой эры характерно широкое распространение покрытосеменных растений, плацентарных животных, в частности человека, зьявивлося в последнем ее периоде.

Рис. 5. Схема перехода от химической к биологической эволюции

Может возникнуть вопрос: как определяют время, когда существовали те или иные организмы? Прежде всего с помощью определения количества радиоактивных веществ в различных остатках. Чем меньше концентрация радиоактивного элемента, изотопа, тем древнее находка - растительного или животного происхождения. Чаще всего используют так называемый свинцово-урано-ториевый или калий-аргоновый, или рубидиевого-стронциевый методы. Для каждого элемента, его изотопа характерен четко определенный период полураспада - это время за которое распадается половина имеющегося количества радиоактивного вещества. По содержанию изотопов распадаются быстро, определяют короткие интервалы времени, а с помощью существующих длительное время, как уран, торий - очень длительные, геологические промежутки времени. Схематично эволюционные процессы отражает рис. 5.

Таблица 3. История развития эволюционной идеи

Как возникла жизнь, как формировался человек? Эти вопросы возникли давно и они всегда интересовали ученых, всех людей с давних времен. Для современной науки это важно потому, что логика постепенного развития свидетельствует о правильности тех фундаментальных идей, законов, которые составляют основу знания.

С помощью знаний можно влиять на развитие природных событий, но в определенных пределах, не нарушая законов природы, а следовательно процессов эволюции.

Именно на этом основываются современные философско-экологические методологии сохранения жизни на Земле, они являются основой для формирования нового экологического мышления. Основные эволюционные идеи представлены в табл. 3.

Итак, с одной стороны, существует строгая теория эволюции, основанная на фактах, с другой - гипотеза о творении всего сущего Богом. В настоящее время, которые бы взгляды не имела человек, он должен помнить о своем значение в природе, свое участие в ее развитии, ответственность за состояние природы. Теперь, как писал В.И. Вернадский, сам человек, все общество стало движущей силой эволюции.

Вопрос

1. Что такое эволюция, каковы ее основные этапы?

2. Охарактеризуйте основные эры, периоды биологической эволюции.

3. Какие основные эволюционные идеи Вам известны?

4. Как определяют время продолжительности эр, периодов, существование организмов?

5. Как доказать достоверность имеющихся эволюционных фактов?

Глава 1. Эволюция биосферы

Учение В.И. Вернадского о биосфере

Биоразнообразие биосферы как результат её эволюции

Ноосфера как новая стадия эволюции биосферы

Глава 2. Понятие о популяции

Статические показатели популяции

Динамические показатели популяции

Продолжительность жизни

Динамика роста численности популяции

Глава 3. Урбанизация

О процессах урбанизации

Урбанистические системы

Глава 4. Полномочия граждан и общественных экологических объединений в области охраны окружающей среды

Экологические обязанности граждан

Список литературы

1. Эволюция биосферы

Учение В.И. Вернадского о биосфере

По современным представлениям, биосфера – это особая оболочка Земли, содержащая всю совокупность живых организмов и ту часть вещества планеты, которая находится в непрерывном обмене с этим организмами.

Эти представления базируются на учении В. И. Вернадского (1863-1945) о биосфере, являющимся крупнейшим из обобщений в области естествознания в ХХ в. Исключительная значимость его учения во весь рост проявилась лишь во второй половине прошлого века. Этому способствовало развитии экологии, и прежде всего глобальной экологии, где биосфера является основополагающими понятием.

Учение В. И. Вернадского о биосфере – это целостное фундаментальное учение. Органично связанное с важнейшими проблемами сохранения и развития жизни на Земле, знаменующее собой принципиально новый подход к изучению планеты как развивающейся саморегулирующейся системы в прошлом, настоящем и будущем.

По представлениям В. И Вернадского, биосфера включает:

· живое вещество (т.е все живые организмы),

· биогенное (т.е уголь, известняки, нефть и др.)

· косное ( в его образовании живое не участвует, например магнетические горные породы)

· биокосное (создается с помощью живых организмов)

· радиоактивное ( вещество)

· космического происхождения (метеориты)

· рассеянные атомы

Все эти семь различных типов веществ геологически связаны между собой.

Важнейшей частью в биосфере В. И. Вернадского являются представление о её возникновении и развитии . Современная биосфера возникла не сразу, а в результате длительной эволюции (табл. 8.1) в процессе постоянного взаимодействия абиотических и биотических факторов. Первые формы жизни, по-видимому, были представлены анаэробными бактериями. Однако созидательная и преобразующая роль живого вещества стала осуществляться лишь с появлением в биосфере фотосинтезирующих автотрофов – цианобактерий и сине-зеленых водорослей, а затем и настоящих водорослей и наземных растений (эукариотов), что имело решающее значение для формирования современной биосферы. Деятельность этих организмов привела к накоплению в биосфере свободного кислорода, что рассматривается как один из важнейших этапов эволюции.

Параллельно развивались и гетеротрофы, и прежде всего – животные. Главное в их развитии являются выход на сушу и заселение материков и, наконец, появление человека.

Эволюция биосферы и её основных составляющих (по Ф. Рамаду,1981)

В жатом виде идеи В.И. Вернадского об эволюции биосферы могут быть сформулированы следующим образом:

1. Вначале сформировалась литосфера – предвестник окружающей среды, а затем после появления жизни на суше – биосфера.

2. В течение всей геологической истории Земли никогда не наблюдались азойные геологические эпохи (т.е. лишение жизни). Следовательно, современное живое вещество генетически связано с живым веществом прошлых геологических эпох.

3. Живые организмы – главный фактор миграции химических элементов в земной коре, “по крайней мере, 90% по весу массы ее вещества в своих существенных чертах обусловлено жизнью”.

4. Грандиозный геологический эффект деятельности организмов обусловлено тем, что их количество бесконечно велико и действуют они практически в течение бесконечно большого промежутка времени.

5. Основным движущим фактором развития процессов в биосфере является биохимическая энергия живого вещества.

Венцом творчества В.И. Вернадского стало учение о ноосфере , т.е. сфере разума.

В целом, учение о биосфере В. И. Вернадского заложило основы современных представлений о взаимосвязи и взаимодействии живой и не живой природы. Практическое значение учения о биосфере огромно. В наши дни оно служит естественнонаучной основой рационального природопользования и охраны окружающей среды.

Биоразнообразие биосферы как результат её эволюции

В относительно короткие промежутки развития экосистем (сукцессий), и в долговременной эволюции таких экосистем, как биосфера, на протекающие в них процессы оказывают влияние:

· аллогенные (внешние) факторы – геологические и климатические;

· автогенные (внутренние) процессы, обусловленные только живым

компонентом. Благодаря действию и взаимодействию этих факторов сформировались биологическое разнообразие на внутривидовом, межвидовом и на биосферном уровнях. Основа устойчивости биосферы (экосферы) – разнообразие составляющих ее экосистем.

Простейшие анаэробы, из которых состояли первые на Земле экосистемы, образовались из этих органических веществ и, возможно, других, синтезируемых под воздействием мощного ультрафиолетового излучения. Тогда еще не было кислорода в атмосфере и, следовательно, озонового слоя, который сейчас является преградой для этого излучения.

Первыми автотрофами стали прокариоты – сине-зеленые водоросли и, возможно, цианобактерии. Затем 1,5-2 млрд. лет тому назад появились первые одноклеточные эукариоты и, в результате изначального господства r-отбора, произошел мощный популяционный взрыв автотрофных водорослей, что привело к избытку в воде кислорода и к его выделению в атмосферу. Произошел переход восстановительной атмосферы в кислородную, что способствовало развитию эукариотических организмов и появлению многоклеточных около 1,4 млрд. лет назад.

В начале кембрийского периода, примерно 600 млн. лет назад, содержащие кислорода в атмосфере достигло 0,6%, а затем произошел ещё один эволюционный взрыв – появились новые формы жизни – губки, кораллы, черви, моллюски. Уже к середине палеозоя содержание кислорода впервые стало близко к совершенству, и к этому времени жизнь не только заполнила все моря, но и вышла на сушу. Растительный покров, достаточное количество кислорода и питательных веществ в дальнейшем привели к возникновению таких крупных животных, как динозавры, млекопитающие и, наконец, человек. Но, несмотря на обилие автотрофов, в конце палеозоя, примерно 300 млн. лет назад, содержание кислорода в атмосфере упало до 5% от современного уровня и повысилось содержание углекислого газа. Это привело к изменению климата, снижению интенсивности процессов размножения и, как следствие, к бурному накоплению массы отмерших органических веществ, что создало запасы ископаемого топлива (каменный уголь, нефть). Затем содержание кислорода стало снова повышаться и с середины мелового периода. Примерно 100 млн. лет назад, отношение О 2 /СО 2 близко к совершенству, хотя и испытывало колебания в определенных пределах.

Из истории развития атмосферы ясно, что человек абсолютно зависим от других организмов, населяющих среду, в которой он обитает. Только от их жизнедеятельности и от их разнообразия зависит стабильность атмосферы и, следовательно, биосферы.

Групповой отбор – это естественный отбор в группах организмов, но не обязательно связанных тесными мутуалистическими связями. Это весьма сложное и во многом спорное явление. Но в первом приближении он представляет собой подобие отбора генотипов в популяции, но вымирают не отдельные генотипы, а целые популяции и, с другой стороны, получают развитие новые популяции, для которых эти условия более благоприятны.

Групповой отбор тоже увеличивает разнообразие и устойчивость сообществ.

Сопряженная эволюция и групповой отбор повышают биоразнообразие экосистем, устанавливают определенные взаимоотношения между ними как между наземными, так и водными, и даже между обоими типами. Все это в целом ведет к повышению устойчивости биосферы как глобальной экосистемы.

Термин «биосфера» ввел в науку геолог из Австрии Эдуард Зюсс в 1875 году. «Лик Земли» – так называется его фундаментальный труд, над которым ученый работал четверть века. Зюсс под биосферой понимал «тонкую пленку жизни на земной поверхности». Роль биосферы для живых организмов настолько велика, что уже в начале двадцатого века возникло новое научное направление в естествознании – учение о биосфере, основоположником которого является великий русский ученый Владимир Иванович Вернадский. По В.И. Вернадскому, биосфера – это наружная оболочка Земли, среда обитания живого вещества, которая включает в себя все живые организмы и ту часть вещества планеты, которая находится в непрерывном обмене с этими организмами. Согласно учению В.И. Вернадского, в состав биосферы входят верхняя часть литосферы (твердая оболочка Земли), вся гидросфера (водная оболочка Земли) и нижние слои атмосферы (воздушная оболочка Земли), т.е. те участки, где обнаружена жизнь. В настоящее время живые организмы населяют планету от глубины 11км (океанские впадины) до высоты в атмосфере около 20 км (граница озонового слоя).

По представлениям В.И. Вернадского, все вещества, входящие в состав биосферы, можно разделить на следующие группы:

· живые вещество (т.е. все вещества, входящие в состав живых организмов);

· биогенное вещество (уголь, известняки, нефть и др.);

· косное вещество (в его образовании живые организмы не участвуют);

· биокостное (создается с помощью живых организмов);

· радиоактивное вещество;

· вещество космического происхождения (метеориты и дрю);

· рассеянные атомы.

Все эти типы веществ геологически связаны между собой.

Важнейшей частью учения В.И. Вернадского о биосфере являются представления о возникновении и развитии биосферы, о роли живых организмов на планете. Великий ученый показал в своих работах исключительную роль «живого вещества», преобразующего облик планеты.

Многие вопросы, касающиеся появления и развития жизни на Земле, до сих пор остаются без ответа. Земля и окружающая ее среда сформировались в результате закономерного развития всей Солнечной системы около 4,7 млрд. лет назад из рассеянного в Солнечной системе газово-пылевого вещества. В результате обособления вещества Земли в космическом пространстве, под действием ее гравитационного поля и в условиях разогрева земных недр возникли и развились различные по химическому составу, физическим свойствам оболочки Земли: ядро в центре, мантия, земная кора (литосфера), гидросфера, атмосфера.

По новейшим данным, масса Земли составляет 6·10 21 т, объем – 1,083·10 12 км 3 , площадь поверхности – 510,2 млн. км 2 . Размеры, аследовательно, и все ресурсы нашей планеты ограничены.

Около 3-3,5 млрд. лет назад в результате эволюции материи на Земле возникла жизнь, и началось развитие биосферы. Остатки первых живых клеток – прокариотов (лишенных ядер) обнаружены в породах возраста 3 млрд. лет, первые клетки с ядром – в породах с возрастом около 1 млрд. лет. Первые живые организмы нашей планеты были анаэробами (т.е. для их существования не нужен был воздух). По всей видимости, пищей для этих организмов были органические вещества, содержащиеся в горячих источниках водоемов. Дефицит пищи привел со временем к возникновению фотосинтеза (3,5 млрд. лет назад). Около 1,4 млрд. лет назад на планете появились первые многоклеточные организмы. Примерно 600 млн. лет назад произошел новый эволюционный взрыв – появились новые формы жизни – губки, кораллы, черви, моллюски. Деятельность фотосинтезирующих организмов (бактерий) привела к накоплению кислорода в воздухе, со временем сформировался озоновый слой, который защитил нашу планету от губительного коротковолнового электромагнитного излучения. Это позволило представителям живого мира выйти на сушу, ведь до сих пор жизнь существовала на определенной глубине, там, где ослабевало губительное излучение. Растительный покров, достаточное количество кислорода и питательных веществ, привели к возникновению таких крупных животных, как динозавры, млекопитающие. Примерно 300 млн. лет назад произошло падение содержания кислорода в атмосфере, что привело к снижению скорости разложения мертвого органического вещества, и, как следствие, к бурному накоплению массы отмерших органических веществ, что создало запасы ископаемого топлива (каменный уголь, нефть). Примерно 100 млн. лет назад количество кислорода в атмосфере приблизилось к современному.

Таким образом, живое вещество преобразовывало среду обитания. Появление кислорода в атмосфере, новых горных пород (известняков, гранита), горючих полезных ископаемых (угля, нефти, природного газа), почв связано с возникновением и развитием живого вещества. С возникновением человека начался новый этап в эволюции биосферы. Будучи лишь представителем животного мира, человек сам стал мощным фактором, преобразующим облик планеты. Человек является единственным видом, потребляющим энергии больше, чем требует его физиология. Он извлекает из земной коры и распыляет в атмосфере, гидросфере все, что было накоплено в ней за 4 млрд. лет благодаря деятельности других живых организмов.

В процессе эволюции биосфера неоднократно переживала катастрофы. Около 99% всех видов, населявших Землю, погибло. Возникаетвопрос: каким путем пойдет дальнейшее развитие человеческого общества и биосферы в целом? Дать однозначный ответ на этот вопрос трудно. Серьезное вмешательство человека в природные системы уже привело к ухудшению состояния биосферы. Сжигание огромного количества органического топлива привело к накоплению в атмосфере углекислого газа, оксидов азота и др. веществ, вызывающих глобальные климатические изменения на планете (усиление парникового эффекта), над многими участками планеты нарушен озоновый слой, загрязнены воздух, водоемы, почвы, резко сокращается видовое разнообразие. Все это приводит к изменению естественной скорости круговорота веществ. Биосфера чрезвычайно упруга, она противостоит варварской деятельности человека. Но каков предел устойчивости биосферы? Поскольку роль человека в преобразовании планеты колоссальна, то именно человек должен взять на себя ответственность сохранения биосферы, устойчивого развития планеты. Высшая стадия развития биосферы, связанная с возникновением и становлением в ней цивилизованного человечества, когда его разумная деятельность становится главным определяющим фактором ее развития, называетсяноосферой. Впервые понятие «ноосфера» было использовано в 1927 году французским ученым Э. Леруа, который говорил о необходимости сделать стихийный процесс развития биосферы управляемым. Более глубокое объяснение этого термина дал в своих работах В.И. Вернадский. Он показал, что переход к ноосфере должен быть закономерным и неизбежным этапом развития биосферы, этапом разумного регулирования взаимоотношений человека и природы.

«Биосфера перейдет так или иначе, рано или поздно в ноосферу… На определенном этапе развития человек вынужден взять на себя ответственность за дальнейшую эволюцию планеты, иначе у него не будет будущего», – утверждал В.И. Вернадский.

В эру научно-технического прогресса особое значение приобретают знания о жизненных процессах на Земле в целом. Важную роль в этих процессах играют живые организмы. За миллиарды лет, прошедшие с момента образования нашей планеты, они наполнили атмосферу кислородом и азотом, очистили её от углекислого газа, сформировали отложения известняка, нефти, природного газа. В процессе эволюции на Земле образовалась особая оболочка – биосфера (греч. bios «жизнь»). Термин "биосфера" впервые был использован в 1875 г. австрийским геологом Э. Зюссом. Под биосферой понимается совокупность всех живых организмов вместе со средой их обитания, в которую входят: вода, нижняя часть атмосферы и верхняя часть земной коры, населенная микроорганизмами.

Рис.1. Общий вид биосферы

Два главных компонента биосферы - живые организмы и среда их обитания - непрерывно взаимодействуют между собой и находятся в тесном, органическом единстве, образуя целостную динамическую систему. Биосфера как глобальная суперсистема в свою очередь состоит из ряда подсистем. Отдельные живые организмы не существуют изолированно. В процессе своей жизнедеятельности они соединяются в различные системы (сообщества), например, в популяции.

Рис.2. Популяция тупиков

В ходе эволюции образуется другой, качественно новый уровень живых систем, так называемые биоценозы - совокупность растений, животных и микроорганизмов в локальной среде обитания. Эволюция жизни постепенно приводит к росту и углублению дифференциации внутри биосферы. В совокупности с окружающей средой обитания, обмениваясь с ней веществом и энергией, биоценозы образуют новые системы - биогеоценозы или, как их еще называют, экосистемы. Они могут быть разного масштаба: море, озеро, лес, роща и т. д. Биогеоценоз представляет собой естественную модель биосферы в миниатюре, включающую все звенья биотического круговорота: от зеленых растений, создающих органическое вещество, до их потребителей, в итоге превращающих его вновь в минеральные элементы. Иначе говоря, биогеоценоз является элементарной ячейкой биосферы. Таким образом, в совокупности все живые организмы и экосистемы образуют суперсистему - биосферу.

Рис.3. Экологическая структура биоценоза пруда

Эволюция биосферы. Учение Вернадского о биосфере

Существуют различные точки зрения относительно времени возникновения биосферы. Согласно одной из них (концепция В.И. Вернадского), биосфера возникла на самой ранней стадии развития планеты Земля и имеет возраст, близкий к возрасту Земли (приблизительно 4,6 млрд. лет). По Вернадскому, переход от неживого вещества к простейшим формам живого занял незначительный (в геологическом масштабе) отрезок времени - не более 200 лет. Характерными чертами биосферы, в рамках концепции Вернадского, являются следующие:

1. Биосфера возникла сразу как совокупность биогеоценозов. Живое вещество сформировалось как совокупность сложных живых организмов.

2. Первичные организмы способны обеспечить все основные процессы (биохимические, биологические), происходящие в оболочках Земли.

3. Живые организмы обеспечивают миграцию химических элементов в земной коре.

Согласно другой точке зрения, биосфера сформировалась на определенном этапе развития Земли. Сначала был этап предоболочек, затем сформировались основные земные оболочки и лишь потом появилась биосфера.

По мнению Beрнадского, появление и существование человека в биосфере определяет высшую ступень ее развития. Само появление человека представляет переход от простого биологического приспособления живых организмов к разумному поведению и целенаправленному изменению окружающей среды разумными существом Живое вещество планеты при этом активно приспосабливается к новым условиям существования в природе. Происходит внезапное совместное влияние природы на человека и человека природу, и человек теперь несет ответственность за эволюцию жизни.

Существуют два основных определения понятия "биосфера", одно из которых известно со времени появления в науке данного термина. Это понимание биосферы как совокупности всех живых организмов на Земле. Ученик Докучаева, создателя учения о почвах, В.И. Вернадский, изучавший взаимодействие живых и неживых систем, выдвинул принцип неразрывной связи живого и неживого, переосмыслив понятие биосферы. Он понимал биосферу как сферу единства живого и неживого.

Рис.4. Многообразие живого вещества биосферы

Такое толкование определило взгляд Вернадского на проблему происхождения жизни на Земле. Рассматривались следующие варианты: 1) жизнь возникла до образования Земли и была занесена на нее; 2) жизнь зародилась после образования Земли; 3) жизнь зародилась вместе с формированием Земли. Вернадский придерживался последней из этих точек зрения и считал, что нет убедительных научных данных о том, что живое когда-либо не существовало на нашей планете. Иными словами, биосфера была на Земле всегда.

Биосфера (греч. bios - жизнь, sphaira - шар) - оболочка Земли, населенная живыми организмами и преобразованная ими. Биосфера тесно связана со всеми другими земными оболочками, является следствием, прежде всего биогеохимического круговорота, который обеспечивается солнечной энергией. В биосфере организмы и среда их обитания вследствие длительного взаимодействия друг с другом образуют целостную систему, находящуюся в динамическом равновесии.

Биосфера, согласно Вернадскому, включает в себя следующие составные части.

1. Живое вещество, образованное совокупностью организмов.

2. Биогенное вещество, которое создается в процессе жизнедеятельности организмов (газы атмосферы, каменный уголь, нефть, известняки и т.д.).

3. Косное вещество, которое формируется без участия живых организмов (в результате движения земной коры, деятельности вулканов, метеоритов).

4. Биокосное вещество, представляющее собой совместный результат жизнедеятельности организмов и небиологических процессов (почвы).

Вернадский сформулировал основные принципы организации биосферы в целом. Это два биогеохимических принципа.

1. Геохимическая энергия живого вещества в биосфере (включая человека как высшее наделенное разумом существо) стремится и максимальному проявлению.

2. В ходе эволюции видов живых организмов выживают организмы, которые своей жизнедеятельностью максимально увеличивают биогенную геохимическую энергию.

Рис.5. Фрагмент эволюции живого вещества биосферы

Вернадский осуществил оценки количества живого вещества в биосфере, на основании которых сформулировал следующий принцип: на протяжении всей истории Земли количество живого вещества в биосфере было практически постоянным. В настоящее время человек нарушил свое равновесие с биосферой. Пока человек (и крупные животные) в своем потреблении продуктов биосферы не превышали 1 % их общего количества, биосфера находилась в динамическом равновесии с другими земными оболочками. Современный человек потребляет на свои нужды уже более 7%. продуктов биосферы и существенно нарушает ее естественный баланс. Например, уже изменилось соотношение запасов углерода в атмосфере и на суше, разность между синтезом и разложением органических веществ стала в сотни раз больше, чем было первоначально.

Биосфера уже не справляется со своей функцией стабилизации, и скоро эту функцию человечеству придется взять на себя. В конце концов, когда вся система жизни и среды станет управляться человеком, тогда биосфера превратится в ноосферу. Но тогда основная часть энергетических и трудовых затрат уйдет на стабилизацию окружающей среды (по некоторым оценкам - более 99%). На поддержание и развитие цивилизации останется всего лишь несколько процентов (или даже менее 1%). Занимаясь им же созданной биогеохимией, изучающей распределение химических элементов по поверхности планеты, Вернадский пришел к выводу, что нет практически ни одного элемента таблицы Менделеева, который не включался бы в живое вещество. Вернадский подчеркивал также важное значение энергии и называл живые организмы механизмами превращения энергии.

Детальное обоснование теоретические представления В.И. Вернадского и А.Л. Чижевского получают в наши дни. Так, исследования нашей космонавтики:

1. Позволили открыть новые многочисленные данные о связи земных и космических процессов.

2. Радикально повлияли на способы осуществления астрофизических и астрономических наблюдений и открытий.

3. Привели к своеобразной научной революции в астрофизике.

Так, например, в 60-х гг. были открыты квазары - космические объекты с грандиозным по энергетической мощи уровнем излучения (излучают в десятки раз больше энергии, чем самые мощные галактики), а также такие космические явления, как вспышки сверхновых. По современным астрофизическим представлениям, именно излучение сверхновых является главным источником космических лучей в Галактике. Они могут оказывать влияние, так как рентгеновский поток, исходящий от сверхновых, может создавать в стратосфере Земли высокие концентрации окиси азота - разрушителя озонового слоя, являющегося экраном, предохраняющим все живое Земли от воздействия жесткого излучения Солнца.

Рис.6. Связь земных и космических процессов - Полярное сияние

Представления о различных формах взаимодействия живого вещества с космическими материально-энергетическими потоками приобретают все большее значение также благодаря активно разрабатываемым гипотезам о существовании, по меньшей мере, в пределах нашей Галактики всепроникающей общегалактической живой системы. Они указывают на присутствие огромного количества микроорганизмов в космическом пространстве нашей Галактики. Исследования в этом направлении могут рассматриваться как свидетельство в пользу концепции, выдвигавшейся В.И. Вернадским о широком, космическим по масштабам, распространении во Вселенной живого вещества, его космическом значении.

Естественнонаучные гипотезы и факты показывают, что исследования взаимодействий, начатые трудами В.И. Вернадского и его последователей, представляют опережающие, перспективные направления в естествознании, постижении тайн природы.

Рис.7. Наша галактика – Млечный путь

По В.И. Вернадскому, наша планета и Космос представляются ныне как единая система, в которой жизнь, живое вещество связывают в единое целое процессы, протекающие на Земле с процессами космического характера. Согласно оценкам В.И. Вернадского, на протяжении всей истории Земли количество живого вещества в биосфере было практически постоянным. Грандиозная картина общепланетарного развития включала в себя и появление человека - носителя Разума, который ускорил все процессы, развивающиеся на планете. Он говорил, что воздействие человека на природу растет столь быстро, что он превратиться в основную в основную геологическую силу и должен будет принять на себя ответственность за будущее развитие природы. Биосфера постепенно превращается в ноосферу.

Биосфера и космические циклы

Связь между циклами солнечной активности и процессами в биосфере была замечена еще в XVIII в. Тогда английский астроном В. Гершель обратил внимание на связь между урожаями пшеницы и числом солнечных пятен. В конце XIX в. профессор Одесского университета Ф.Н. Шведов, изучая срез ствола столетней акации, обнаружил, что толщина годичных колец изменяется каждые 11 лет, как бы повторяя цикличность солнечной активности. Но лишь в XX в. удалось понять, что солнечная активность связана с электромагнитными и другими колебаниями мирового пространства.

Установил этот факт Чижевский, который обобщил опыт предшественников и подвел под эти эмпирические данные твердую научную базу. Он считал, что Солнце диктует ритм большинства биологических процессов на Земле, и, когда на нем образуется много пятен, наблюдаются хромосферные вспышки и усиливается яркость короны (это характерно для периодов активного Солнца), на нашей планете разражаются эпидемии, усиливается рост деревьев, особенно активно размножаются вредители сельского хозяйства и микроорганизмы - возбудители различных болезней. К такому заключению Чижевский пришел, изучая графики солнечной активности и активности биосферы путем наложения их друг на друга.

Рис.8. Циклы солнечной активности

Сегодня основная масса ученых едины во мнении, что человек и человечество составляют часть живого вещества нашей планеты. Это означает, что люди также подвержены действию космических энергий и солнечной радиации. Например, человеческий организм, так же как организмы других животных, "подстраивается" к ритмам биогеосферы, прежде всего суточным (циркадным) и сезонным, связанным со сменой времен года.

Обмен веществ у человека протекает в наследуемом из поколения в поколение циркадном ритме. В настоящее время считается, что около 40 процессов в человеческом организме подчинено строгому циркадному ритму. Например, еще в 1931 г. была установлена цикличность в функционировании печени человека. У людей, ведущих нормальный образ жизни и питающихся три раза в день, в первую половину дня печень выделяет наибольшее количество желчи, которая необходима для переваривания жиров и белков, расходуя запасенный гликоген и превращая его в простые разновидности сахара. Она отдает воду, образуя много мочевины, и накапливает жиры. Во второй половине дня печень начинает усваивать сахара, накапливая гликоген и воду. Объем ее клеток увеличивается в 3 раза.

На протяжении суток циклично колеблется содержание гемоглобина в крови, максимум его приходится на 11 - 13 часов, а минимум - на 16 - 18 часов. Суточным колебаниям подвержено содержание в крови калия, магния, натрия, кальция, железа. Ночью повышается количество солей магния, а в мозговой жидкости - солей калия. Оба эти соединения гасят нервно-мышечную возбудимость. По суточному графику работает вегетативная нервная система. Статистика утверждает, что даже рождение и смерть чаще случаются в темную часть суток, около полуночи.

Вся живая природа чутко реагирует на сезонные изменения окружающей температуры, интенсивность солнечного излучения - весной покрываются листвой деревья, осенью листва опадает, затухают обменные процессы, многие животные впадают в спячку и т. д. Человек здесь не исключение. На протяжении года у него меняется интенсивность обмена, состав клеток тканей, причем эти колебания различны в разных климатических поясах.

Так, в южных районах (Сочи) содержание гемоглобина и количество эритроцитов, а также максимальное и минимальное давление крови в холодный период возрастают на 20% по сравнению с теплым периодом времени. А в условиях Севера наибольший процент гемоглобина обнаружен у большинства обследованных жителей в летние месяцы, а наименьший - зимой и в начале весны.

Циклы солнечной активности оказывают свое влияние и на жизнедеятельность человека. Так, обработав материал по вспышкам возвратного тифа в Европейской России с1883 по1917 гг., а также данные по холере в России с 1823 по 1923 гг. и данные по активности Солнца, Чижевский пришел к выводу, что эти земные явления наступают синхронно с изменениями, происходящими в разных солнечных сферах. На основании построенных им графиков он еще в 1930 г. предсказал, что в 1960 - 1962 гг. произойдет эпидемическая вспышка холеры, что действительно случилось в странах Юго-Восточной Азии.

То, что состояние солнечной активности небезразлично для жизни на Земле, показывает и увеличение числа случаев заражения чесоткой в 1968 г. и неожиданно подскочившее число заболеваний клещевым энцефалитом и туляремией на вершине максимума векового цикла солнечной активности в 1957 г. (несмотря на проводившуюся, как и в прошлые годы, вакцинацию населения).

Таким образом, мы обнаруживаем явную взаимосвязь человека с растительным и животным миром, в котором все жизненные циклы - заболевания, массовые перекочевки, периоды бурного размножения млекопитающих, насекомых, вирусов - протекают синхронно с 11-летними циклами солнечной активности, как и чередование грозовой и спокойной летней погоды, большего и меньшего производства растительной массы.

Рис. 9. Связь числа психических заболеваний и солнечной активности

Гематологи пришли к выводу, что в годы максимума солнечной активности норма свертывания крови у здоровых людей увеличивается вдвое, а так как у сердечно-сосудистых больных способность несвертываемости крови угнетена, то при увеличении солнечных пятен учащаются инфаркты, инсульты. Поэтому сегодня никого не удивляет, когда в СМИ сообщают о неблагоприятных днях, в которые люди, больные хроническими заболеваниями, должны вести себя с осторожностью.

Приведенные факты позволяют нам говорить о влиянии космоса на физиологические процессы в отдельном человеческом организме. Но ведь одновременно человек является частью человечества, общественного организма, который также подвержен влиянию солнечной активности. Чижевский попытался установить взаимосвязь 11-летних солнечных циклов с насыщенностью историческими событиями разных периодов человеческой истории. В результате своего анализа он сделал вывод, что максимум общественной активности совпадает с максимумом солнечной активности.

Средние точки течения цикла дают максимум массовой деятельности человека, выражающийся в революциях, восстаниях, войнах, походах, переселениях, указывают на начала новых исторических эпох в истории человечества. В крайних точках течения цикла напряжение общечеловеческой деятельности военного или политического характера понижается до минимального предела, уступая место созидательной деятельности и сопровождаясь всеобщим упадком политического и военного энтузиазма, миром и спокойной творческой работой в области государственного строительства, науки и искусства. По подсчетам Чижевского, во время минимума солнечной активности социальная активность составляет не более 5%, во время максимума - достигает 60%.