Эволюция биосферы

Выдающейся русский учёный Владимир Иванович Вернадский один из создателей современного учения о биосфере, определил, что:

Биосфера — это оболочка Земли, заселённая живыми организмами, которая находиться под их воздействием и занята продуктами их жизнедеятельности. «Плёнка жизни»; глобальная экосистема Земли.

Рассмотрим основные компоненты биосферы:

Живое вещество биосферы представлено примерно 1,5 млн видов различных организмов. Особое положение занимают производители органического вещества ─ зелёные растения, они составляют большую часть всего живого на земле.

Вторая составляющая часть биосферы — это биогенное вещество, обязанная своим происхождением живым организмам. Это каменный уголь, битум, торф, озёрный ил, сапропель, лесная подстилка, почвенный гумус, нефть.

Третий компонент биосферы – биокосное вещество. В его создании участвовали и организмы, и неживая природа. Это вода, приземная часть атмосферы, почва, кора выветривания. 

И наконец, косное (мёртвое) вещество, образованное процессами, в которых живые организмы не участвуют (изверженные горные породы, космическая пыль).

Разделение основных компонентов биосферы в незначительной степени носит условный характер. Но все они так или иначе связаны один с другим.

Границы биосферы

Верхняя граница проходит в атмосфере: 15-20 км. Она определяется озоновым слоем, задерживающим коротковолновое ультрафиолетовое излучение, губительное для живых организмов.

Нижняя граница в литосфере: 3,5-7,5 км. Она определяется температурой перехода воды в пар, однако в основном распространение живых организмов ограничивается вглубь несколькими метрами.

Граница между атмосферой и литосферой в гидросфере: 10-11 км. Определяется дном Мирового Океана, включая донные отложения.

На границы биосферы оказывают влияние многие факторы и прежде всего наличие кислорода, углекислого газа, воды.

Владимир Иванович Вернадский отмечал, что «пределы биосферы обусловлены, прежде всего, полем существования жизни». То есть условиями для жизни живых организмов.

Пределом существования жизни в нижней границе литосферы считают трехкилометровую глубину, где температура достигает около +100 °С.

При более высокой температуре большинство бактерий существовать не может.

Однако, большинство видов сосредоточено в верхнем слое, имеющем толщину в несколько десятков сантиметров.

Некоторые виды проникают в глубину на несколько метров или десятков метров. Это роющие животные — кроты, черви; бактерии; корни растений. Наибольшая глубина, на которой были обнаружены некоторые виды бактерий, составляет 3–4 км (в подземных водах и нефтеносных горизонтах).

В отличие от литосферы и атмосферы гидросфера полностью освоена живыми организмами. Даже на дне Мирового океана, на глубинах около 12 км, были обнаружены разнообразные виды живых существ.

В глубинах океана, куда не проникают солнечные лучи, существует множество рыб, рачков и микроорганизмов, излучающих свет. Ученые считают, что это, возможно, используется для привлечения брачных партнеров или в качестве предупреждения потенциальных хищников, хотя конкретные причины до конца не известны.

Однако же основная масса видов обитает в гидросфере в пределах 150–200 м от поверхности. Это связано с тем, что до такой глубины проникает свет.

Верхней границей биосферы как мы уже сказали определяется озоновым слоем.  Выше озонового слоя существование жизни невозможно.

В биосферу входят лишь самые нижние слои атмосферы. Жизнь в них не может существовать без непосредственной связи с литосферой и гидросферой.

Крупные древесные растения достигают нескольких десятков метров в высоту, располагая вверх свои кроны.

На сотни метров поднимаются некоторые виды хищных птиц, высматривая свою добычу.

Восходящими воздушными потоками пассивно заносятся на десятки километров вверх семена, споры растений и грибов и конечно же бактерии.

Однако они лишь временно находятся в атмосфере. Нет организмов, постоянно живущих в воздухе.

На высоте 7-8 км над уровнем моря низкое атмосферное давление и температура сильно ограничивают возможности существования большинства животных и растений.

Биосфера, очень сложно устроена, она способна постоянно изменяться. И действительно, с самого момента своего возникновения она никогда не оставалась в одном и том же состоянии. Вся история биосферы — это её непрерывное эволюционное развитие.

Доказательства эволюционного развития биосферы базируются, главным образом, на палеонтологических данных, свидетельствующих о необратимом направленном развитии органического мира нашей планеты в направлении усложнения и появления всё более высокоразвитых форм.

Как же сформировалась биосфера?

Владимир Иванович Вернадский выделял три этапа развития биосферы:

Первый этап — возникновение жизни и первичной биосферы. Ведущие факторы здесь — геохимические и климатические изменения на Земле.

Второй этап — усложнение структуры биосферы в результате появления многочисленных и разнообразных эукариотных организмов — как одноклеточных, так и многоклеточных. Движущим фактором выступает биологическая эволюция.

И третий этап — возникновение человека, человеческого общества и постепенное превращение биосферы в ноосферу.

Ноосфера — это сфера взаимодействия общества и природы, в границах которой разумная человеческая деятельность становится определяющим фактором развития.

Ноосфера — это новая, высшая стадия эволюции биосферы, становление которой связано с развитием общества, оказывающего глубокое воздействие на природные процессы.

Согласно В. И. Вернадскому, «в биосфере существует великая геологическая, быть может, космическая сила, планетное действие которой обычно не принимается во внимание в представлениях о космосе… Эта сила есть разум человека, устремлённая и организованная воля его как существа общественного».

Этапы развития биосферы не ограничены друг от друга они действовали и действуют сообща. Перетекая один в другой.

Возникновение первичной биосферы началось еще тогда, когда глубинные, гравитационные и радиоактивные процессы разогревали протопланету. Температура её была очень высокой, по мере её остывания тяжёлые вещества оседали к центру и образовывали ядро планеты, а более лёгкие (водород, аммиак, водяные пары, метан, двуокись углерода, сероводород и другие газы) образовывали её оболочку, а затем и первичную атмосферу.

Когда температура планеты стала понижаться, из водяных паров атмосферы образовывалась вода, которая создавала моря и океаны.

В условиях сильных грозовых разрядов и высокой радиации из «первичного бульона» возникла жизнь.

Так, в борьбе огненной и водной стихии из мономеров образовывались полимеры. Мировой океан превращался в раствор, содержащий макромолекулы образовывались коацерватные капли.

Которые накапливали из окружающего раствора различные вещества.

Коацерватные капли в ходе дальнейшей эволюции превратились в прогеноты, – предшественников живых организмов.

Предполагалось что сначала они использовали органические вещества первичного бульона, а энергию получали путём их сбраживания. При этом углекислый газ, как побочный продукт обмена веществ выделялся в атмосферу.

С течением времени запасы органического вещества исчерпывались. Организмы, питавшиеся им, стали вымирать.

В это время бактерии, которые синтезировали органические соединения из углекислого газа и присутствующего в атмосфере водорода так называемые метановые бактерии стали процветать.

В результате их жизнедеятельности в атмосферу начало поступать большое количества метана. А под действием ультрафиолетового излучения он превращался в водорастворимые органические соединения, которые вновь возвращались в воду. Таким образом на древней Земле происходил своеобразный круговорот углерода.

Кажется, что такой процесс мог длиться бесконечно, однако со временем запасы газообразного водорода истощались. И метановые бактерии уже не могли преобразовывать углекислый газ в метан. Таким образом лишались источника энергии для синтеза собственных питательных веществ.

В это время появились и другие первичные организмы источником энергии у них был солнечный свет – фотосинтезирующие организмы ─ фотосинтетики.

Своеобразный процесс фотосинтеза у таких организмов (как и у современных цианобактерий) протекал без выделения кислорода.

Процессы развития не стояли на месте и со временем появились организмы с более совершенным механизмом фотосинтеза, в результате которого в качестве побочного продукта в атмосферу стал выделяться кислород.

Возникновение такого фотосинтетического процесса было крупным ароморфозом. В атмосфере стал накапливаться кислород.

Однако для анаэробных организмов (живущих в бескислородной среде) кислород был сильным ядом.

На этом этапе происходили важные эволюционные преобразования. Одни организмы приспосабливались к новым условиям, другие погибали. У выживших появлялись новые приспособления для обитания в данных условиях.

Учёные считают, что биохимический механизм, при помощи которого, светлячке вырабатывает световую энергию, появился у древних организмов как средство обезвреживания губительного воздействия кислорода.

В конечном итоге, организмы уже не боролись против кислорода, а использовали его для получения энергии.

Появились более эффективный способа получения энергии – дыхание.

Однако организмы все ещё обитали в воде. Так как вода защищала их от ультрафиолетового излучения.

В верхних слоях атмосферы под действием ультрафиолетового излечения кислород превращался в озон. По мере накопления озона происходило образование озонового слоя. Который защищал и защищает поверхность Земли от губительно действия ультрафиолетовой солнечной радиации.

Благодаря этому организмы начали осваивать сушу.

Процесс дыхания обеспечил организмы энергией одноклеточные организмы сменялись многоклеточными, а автотрофный способ питания – гетеротрофным.

Благодаря развитию и жизнедеятельности автотрофных и гетеротрофных организмов в биосфере непрерывно протекали процессы синтеза и распада органических веществ.

Так сформировались современные круговороты углерода и кислорода. Которые обеспечивают стабильность функционирования биосферы.

Вернадский утверждал, что живое вещество «приучалось» полнее использовать химические элементы, вовлекая их в круговорот биогенной миграции.

Когда более полумиллиарда лет назад появились морские беспозвоночные, имеющие кальциевый наружный скелет, резко усилилась миграция атомов и некоторых соединений кальция. Скелет позвоночных стал фактором усиления миграции атомов фосфора, фтора.

В земной коре сохраняются свидетельства вспышек, волн жизни в виде горючих сланцев, угля, нефти, писчего мела и других минеральных образований, связанных с деятельностью живого вещества, с проявлением организации биосферы.

Организмы становились все совершеннее. Каждый приспосабливался к месту своего обитания.

Со временем появился и человек, который вначале был охотникам и собирателем. С усовершенствованием орудий охоты человек. Быстро истребил крупных копытных, пещерных медведей и мамонтов.

В условиях отсутствия достаточного количества пищи человек перешёл к земледелию. Затем к скотоводству. Таким образом он неосознанно создавал искусственные круговороты веществ в природе.

Изменение биосферы продолжалось, однако они были не значительны в сравнении с тем, что происходит на сегодняшний день.

С появлением индустриальной промышленности процессы разрушения в атмосфере стали преобладать.

Биосфера находиться на грани нового экологического кризиса.