2.1.5. Эволюция биосферы.
Высокая степень замкнутости биотического круговорота и биологическая регуляция окружающей среды - закономерный результат эволюции биосферы.
Идеи В.И. Вернадского. Важнейшей частью учения В.И. Вернадского о биосфере является его представление о ее возникновении и развитии. В сжатом виде идеи Вернадского об эволюции биосферы могут быть сформулированы следующим образом:
Вначале сформировалась литосфера – предвестник окружающей среды, затем – после появления жизни на суше – биосфера.
В течение всей геологической истории Земли никогда не наблюдались азойные (безжизненные) геологические эпохи. Следовательно, современное живое вещество генетически связано с живым веществом прошлых геологических эпох.
Живые организмы – главный фактор миграции химических элементов в земной коре.
Огромный геологический эффект деятельности организмов обусловлен тем, что их количество бесконечно велико и действуют они практические в течение бесконечного промежутка времени.
Основным движущим фактором в развитии процессов в биосфере является биологическая энергия живого вещества.
Основные этапы эволюции биосферы. Эволюция биосферы состоит из добиотической фазы, в ходе которой химическая эволюция подготавливала возникновение жизни, и собственно биологической эволюции. Согласно сложившимся представлениям последовательность основных этапов такова:
Добиогическая эволюция:
Образование планеты и ее атмосферы (около 4,5 млрд. лет назад). Первичная атмосфера Земли имела высокую температуру и содержала водород, азот, пары воды, метан, аммиак, инертные газы, возможно, окись углерода, цианистый водород, формальдегид и другие простые соединения.
Возникновение абиотического круговорота веществ в атмосфере за счет ее постепенного остывания и энергии солнечного излучения. Появляется жидкая вода, формируется гидросфера, круговорот воды, водная миграция элементов и многофазные химические реакции в растворах. Благодаря автокатализу происходит образование и рост молекул.
Образование органических соединений в процессах конденсации и полимеризации простых соединений углерода, азота, водорода, кислорода за счет энергии ультрафиолетового излучения Солнца, радиоактивности, электрических разрядов и других энергетических импульсов. Аккумуляция лучистой энергии в органических веществах в результате фотохимических реакций и образование макроэргических соединений.
Возникновение круговорота органических соединений углерода, включающего реакции аккумуляции солнечной энергии и окислительно-восстановительные реакции, - зародыш биотического круговорота биосферы, приведшее к дальнейшему усложнению органических веществ и появлению устойчивых комплексов макромолекул, обладающих способностью к редупликации (удвоению); возникновение молекулярных систем самовоспроизведения.
Биотическая эволюция:
Возникновение жизни (около 3,5 миллиардов лет назад). Структуризация белков и нуклеиновых кислот с участием биомембран приводит к появлению вирусоподобных тел и первичных клеток, способных к делению, - хемоавтотрофных прокариот (безъядерных микроорганизмов, бактерий). Возникновение биотического (биогеохимического) круговорот и формирование биосферных функций живого вещества. Это самый длинный этап биотической эволюции, который привел к возникновению автотрофных (способных к самостоятельной фиксации энергии и углерода) микроорганизмов и развитию фотосинтеза. Процесс фотосинтеза проходит с участием поглощающих свет пигментов (хлорофиллов) по формуле
Фотосинтез - единственный процесс, при котором энергия солнечного излучения не только тратится и перераспределяется, но и связывается, запасается иногда на очень длительное время.
Развитие фотосинтеза и обусловленное им изменение состава среды: биопродукция кислорода обусловливает постепенный переход к окислительной атмосфере. Ускоряется биогенная миграция элементов. Появление многоклеточных организмов, наземных растений и животных приводит к дальнейшему усложнению биотического круговорота. Этот процесс проходил не совсем просто. Сразу после выхода жизни на сушу произошло резкое снижение содержания кислорода, в результате чего резко снизилась интенсивность процессов разложения органических веществ (гниения), что привело к массовому отложению избытков накопившейся биомассы. Из них впоследствии сформировалась основная масса энергетических полезных ископаемых (нефти, каменного угля), которые человечество в настоящее время активно использует.
Дальнейшее развитие биосферы привело к возникновению сложных экологических систем и достижению высокой степени замкнутости биотического круговорота.
Увеличение биологического многообразия и усложнение строения и функциональной организации живых существ и биосферы в целом. Организмами заняты все экологические ниши на планете. Полностью сформировались средообразующая функция биосферы и биологический контроль ее гомеостаза. Преобразование среды вследствие деятельности организмов оказывает обратное действие на биоту и уравновешивается ее средорегулирующей функцией.
Появление человека. Возникновение и развитие человеческого общества привели к тому, что дальнейшее развитие биосферы стало полностью им (обществом) определяться. В настоящее время не осталось ни одного района Земли, где нельзя было бы увидеть следы деятельности человека.
Для описания последнего этапа в 1944 г. Вернадский разработал представление о переходе биосферы в ноосферу, т.е. в такое состояние биосферы, когда ее развитие будет управляться полностью разумом человека. Ноосфера – сфера разума, высшая развития биосферы, когда разумная человеческая деятельность становится главным, определяющим фактором ее развития.
Сейчас легко можно выделить ряд основных признаков переходы биосферы в ноосферу:
Возрастание количества механически извлекаемого материала земной коры (рост разработки месторождений полезных ископаемых). В геологическом (большом) круговороте резко возрастает звено денатурации.
Массовое потребление (сжигание) продуктов фотосинтеза прошлых геологических эпох (нефти, газа, каменного угля). Следствием этого является возникновение парникового эффекта (см. раздел 2.4).
Повышение уровня рассеивание энергии, в отличие от ее накопления в биосфере до появления человека. Как следствие повышается уровень энергетического загрязнения биосферы (см. раздел 2.3).
Образование в больших количествах веществ, ранее в биосфере отсутствовавших (чистые металлы, пластмассы). Результатом является химическое загрязнение.
Создание, хотя и в ничтожно малых количествах, трансурановых химических элементов, освоение ядерной энергии за счет деления тяжелых ядер и термоядерной энергии.
Расширение границ ноосферы за пределы Земли в связи с научно-техническим прогрессом (возникновение и развитие космонавтики).