Учение о биосфере и ее эволюции
Федеральное агентство по образованию
Московский Государственный Строительный Университет
Авторы: А.С. Маршалкович, М.И. Афонина, Т.А. Алешина.
ЭКОЛОГИЯ - Конспект лекций.
Москва 2009
Московский Государственный Строительный Университет
Авторы: А.С. Маршалкович, М.И. Афонина, Т.А. Алешина.
ЭКОЛОГИЯ - Конспект лекций.
Москва 2009
Введение.
Тема 1. Учение о биосфере и ее эволюции.
Тема 2. Основные законы и принципы экологии.
Тема 3. Экосистемы и их особенности.
Тема 4. Круговороты веществ.
Тема 5. Воздействия на окружающую среду.
Заключение.
Список использованной литературы.
ТЕМА 1. УЧЕНИЕ О БИОСФЕРЕ И ЕЕ ЭВОЛЮЦИИ.
Термин «биосфера» предложен в 1875 году австрийским геологом Э. Зюссом, с греческого «bios» - жизнь и «sphaira» - шар. В начале XX в. академик В.И. Вернадский разработал учение о биосфере. Согласно учению Вернадского В.И. биосфера представляет собой оболочку Земли, включающую все живое вещество и область ее распространения.
Биосфера - область существования и функционирования ныне живущих организмов, охватывающая нижнюю часть атмосферы, всю гидросферу, поверхность суши и верхние слои литосферы. Биосфера включают в себя живые организмы и среду их обитания, самая крупная экосистема земного шара, которая делится на экосистемы более низкого иерархического уровня. Биосфера характеризуется большим кругом биотического обмена веществ
Биосфера, возникшая 3-4 млрд. лет назад является не только сочетанием живого вещества с областью его распространения, но и тесным их взаимодействием. Как живое вещество является составляющей частью биосферы, так и биосфера есть результат развития живого вещества как планетарного явления, служащего могучей геологической силой, связанной с другим веществом биосферы. Живое вещество - по В.И.Вернадскому - совокупность тел живых организмов, населяющих Землю, открытая система, для которой характерны рост, размножение, распространение, обмен веществ и энергии с внешней средой. Живое органическое вещество рассматривается в качестве носителя свободной энергии в биосфере.
Каждый живой организм в биосфере – природный объект, живое природное тело. Живое вещество биосферы есть совокупность живых организмов в ней живущих. В биосфере существует «пленка жизни», в которой концентрация живого вещества максимальна, это поверхность суши, почвы и верхние слои вод Мирового океана.
В.И. Вернадский считал, что земная кора представляет собой в основном остатки былых биосфер, и даже ее гранитно-гнейсовый слой образовался в результате метаморфизма и переплавления пород, некогда возникших под влиянием живого вещества. Лишь базальты и другие основные магматические породы он считал глубинными, не связанными по своему генезису с биосферой.
Органическая жизнь сосредоточена в литосфере (верхняя часть твердой поверхности земной коры), в гидросфере (моря, реки, озера и Мировой океан), а также в атмосфере.
Верхней границей биосферы является защитный озоновый экран на высоте 20-25 км, выше которого жизнь невозможна из-за действия жесткого УФ-излучения. (рис.1)
Нижняя граница биосферы - литосфера до глубины 4-5 км на суше и 1-2 км ниже дна океана и гидросфера до глубины 12 км, эта граница лимитируется температурой, при которой организм может существовать и развиваться. Около 99% всего вещества в верхних слоях литосферы трансформировано живыми организмами. Для осуществления подобной работы организмы должны обладать значительной массой. Суммарная биомасса сухого вещества живых организмов Земли, включающего около 500 тыс. видов животных, велика и оценивается примерно в 2,4.1012 тонн. Под биомассой понимают общую массу особей одного вида, группы видов или сообщества в целом, приходящейся на единицу поверхности или объёма местообитания. Через живые организмы прошло большое количество элементов верхней части литосферы, атмосферы и гидросферы. При этом биомасса организмов океана ничтожно мала по сравнению с биомассой наземных животных, растений и микроорганизмов.
Рис.1 Границы биосферы.
За миллиарды лет своего существования биосфера прошла сложный путь развития, называемый эволюцией. Первым этапом эволюции было возникновение самой жизни из неживой материи. Сначала было образование простых органических соединений из метана (СН4), аммиака (NH3), водорода (H) и водяных паров под действием УФ-излучения Солнца, в условиях высоких температур и повышенной вулканической деятельности. Этими органическими соединениями были молекулы сахаров, аминокислот и других азотистых соединений, т.е. те самые молекулы, из которых состоят белки, нуклеиновые кислоты, вещества-энергоносители типа АТФ (адезинтрифосфата). На этом этапе эволюции важным является то, что органические молекулы стали подвергаться процессам синтеза и разрушения, причем продукты распада одних молекул служили материалом для построения других, таким образом, возник первичный круговорот органического вещества.
Неравномерное распределение органических молекул в толще воды привело к образованию более или менее устойчивых полужидких сгущений или коацерватов (от лат. «коацерватус» - собранный). Особенностью этих сгущений была некоторая граница их раздела с окружающим раствором, эти коацерваты и рассматриваются в качестве первых предбиологических систем, они могли разрушаться, образовываться вновь, а при достижении определенного размера распадаться на дочерние, т.е. делиться. В конце концов, произошел неизбежный качественный скачок: сохранялись только те капли, которые при делении в дочерних каплях сохраняли свои признаки, химический состав и структуру, т.е. приобретали способность к самовоспроизведению.
Кроме того, коацервативные капли обладали способностью избирательно поглощать вещества из окружающего раствора и избавляться от ненужных соединений в процессе обмена веществ и информацией и переноса энергии. Некоторые ученые считают, что с возникновением самовоспроизведения окончилась предыстория развития жизни и коацерватная капля превратилась в простейший живой организм.
Следующий этап эволюции связан с развитием многоклеточности. Многоклеточность развивалась в результате не законченного бесполого размножения: клетка разделилась, а дочерние части не разошлись. Причем сначала обе клетки были одинаковыми, но затем между ними возникали различия в химическом составе. А это в свою очередь приводило к функциональной специализации: одни клетки были ответственны за ассимиляцию, другие обеспечивали подвижность, третьи приняли на себя функцию выделения, воспроизводства и т.д.
Многоклеточные организмы совершенствовались и приобретали отличия друг от друга в течение многих миллионов лет. Круговорот органического вещества сменился круговоротом биологическим, заключающемся в непрерывном обмене веществом и энергией между организмом и средой, в процессе возникновения и разрушения организмов.
Проникновение жизни в области Земли с разными физико-химическими условиями (например, выход организмов на сушу) потребовало приспособление к новым, динамичным условиям, что было связано с гибелью части организмов, с дальнейшими процессами естественного отбора и эволюции.
Вся история развития Земли делится на эры - длительные отрезки времени (от 70 млн. лет до 2 млрд. лет), каждый из которых получил свое название:
Архейская - древнейшая эра в истории развития Земли, когда еще не существовало жизни.
Протерозойская - эра возникновения первичной жизни (простейших организмов).
Палеозойская - эра древней жизни в геологической истории Земли, характеризующаяся формированием всех типов растений и животных.
Мезозойская - эра средней жизни в геологической истории Земли, характеризующаяся развитием пресмыкающихся, птиц и первых млекопитающих.
Кайнозойская - эра новой жизни в геологической истории Земли, эра формирования всех современных форм растений и животных. Она продолжается и в настоящее время.
Современный этап развития жизни на Земле - антропогенный, который характеризуется высокими темпами эволюции человека, т.е. человеческое общество со всеми его особенностями есть один из последовательных этапов развития жизни на Земле - биогенеза. В то же время оно превратилось в мощную природную силу, которая сознательно, целенаправленно, закономерно и необратимо меняет всю окружающую среду, включая околоземное космическое пространство. Биогенез – (от греческого bios - жизнь и genesis – происхождение) процесс возникновения живого из неживого в эволюции Земли.
В настоящее время в отличие от первичной биосферы выделяется некоторое новое состояние природы - биотехносфера. Эту новую природно-техническую среду сформировал человек, и поэтому его деятельность следует рассматривать, как интегральную часть биосферы. Таким образом, техника является не чуждой биосфере, а качественно новым этапом ее развития.
Предотвратить изменение окружающей среды невозможно, как нельзя остановить социальный и научно-технический прогресс человеческого общества. Поэтому следует так управлять взаимодействием между человеком и биосферой, чтобы оно было взаимовыгодным, и чтобы развитие общества не привело к деградации биосферы. Значит, с экологических позиций можно говорить о сбалансированности процессов положительной и отрицательной обратной связи между обществом и средой. В отличие от биогенеза, данный этап эволюции жизни рассматривается как этап развития разума, т.е. ноогенез, когда происходит постепенное превращение технобиосферы в ноосферу, сферу разума, высшую стадию развития биосферы. Ноосфера - высшая стадия развития биосферы, связанная с возникновением и становлением в ней цивилизованного человечества, когда его разумная деятельность становится главным определяющим фактором.
Основателем учения о ноосфере в ее современном понимании был В.И. Вернадский, который показал, что она является закономерным этапом развития самой биосферы, этапом разумного регулирования взаимоотношений человека и природы. С позиций В.И. Вернадского, на данном этапе эволюции жизни развитие должно пойти по пути ноогенеза. С ноогенезом связано возникновение науки о взаимоуправлении человеческого общества и природы, которую называют ноогеникой. Одна из главных ее задач заключается в исправлении нарушений, отклонений от разумных и целесообразных отношений между человеком и природой и предотвращение подобных отклонений в будущем.
Воздействие человеческого общества, как единого целого на природу, по своему характеру резко отличается от воздействий других форм живого вещества. Вернадский отмечал, что раньше организмы влияли на историю тех атомов, которые были нужны им для роста, размножения, питания, дыхания. Человек расширил этот круг, влияя на элементы, нужные для техники и создания цивилизованных современных форм жизни, что повлечет глобальные изменения облика и строения биосферы.
Для совокупности населяющих Землю организмов был введен термин «живое вещество», а биосферой стали называть всю ту среду, в которой это живое вещество находится: водную оболочку Земли, поскольку живые организмы существуют и на самых больших глубинах Мирового океана; нижнюю часть атмосферы, в которой летают насекомые, птицы, обитают животные и люди; также верхнюю часть твердой оболочки Земли – литосферы, в которой живые бактерии в подземных водах встречаются до глубины порядка двух километров, а человек своими шахтами проник до еще больших глубин.
По представлениям В. И. Вернадского, биосфера включает в себя:
- живое вещество, образованное совокупностью организмов;
- биогенное вещество, которое создается в процессе жизнедеятельности организмов (газы атмосферы, каменный уголь, нефть, торф, известняки и др.);
- косное вещество, которое формируется без участия живых организмов (магматические горные породы);
- биокосное вещество, представляющее собой совместный результат взаимодействия живого вещества и косного (например, почвы);
- вещество, находящееся в радиоактивном распаде;
- вещество космического происхождения (метеориты и др.)
- рассеянные элементы, непрерывно создающиеся из различных веществ под влиянием излучения.
- изменения и процессы в живом веществе происходят быстрее, чем в косных телах, поэтому для характеристики изменений в живом веществе используется понятие исторического времени, а в неживых телах геологического времени. 1 секунда геологического времени = 100 тысяч лет исторического;
- в живых организмах существует непрерывный ток атомов: из живых в неживое, и наоборот;
- только в живых организмах происходят качественные изменения в ходе геологического времени, т.е. эволюция;
- живые организмы изменяются в зависимости от окружающей среды.
- кислородная;
- почвообразующая;
- хемосинтезирующая – синтез органических веществ из неорганических, возможный только в бактериях (например, только бактерии способны аккумулировать азот из воздуха);
- круговорот веществ (атомов) в природе, в котором участвует вся атмосфера в целом;
- структурная – некоторые живые организмы способны изменять облик Земли и т.д.
0
