Эволюция 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:

Добиотическая эволюция:

1. Образование планеты и ее атмосферы (около 4,5 млрд лет на­зад).

Очень активна была вулканическая деятельность. Формирование плотной атмосферы вокруг остывающей Земли происходило за счет паров и газов, выделяющихся в результате дегазации мантии. Важной отличительной особенностью атмосферы ранней Земли являлось отсутствие в нем свободного кислорода. Он не мог накапливаться в атмосфере, содержащей большое количество газов, обладающих восстановительными свойствами (водород, азот, пары воды, метан, аммиак, инертные газы, возможно, окись углерода, цианистый водород, формальдегид и другие простые соединения). К тому же жесткий ультрафиолет почти беспрепятственно достигал поверхности Земли. В результате атмосферных электрических разрядов и вулканической деятельности в зоне высоких температур осуществлялось множество химических реакции, при этом из простых газов получались сложные вещества, в том числе и органические (углеводороды, альдегиды и др.) В результате химической эволюции материи, круговорота органических соединений образовывались все более сложные структуры. Так энергия солнечного света постепенно запасалась в виде все большего количества органического вещества сложных структур. При этом происходил своего рода «естественный отбор» химических молекул в направлении усложнения молекулярных структур и накопления в Океане наиболее устойчивых из них. Значительная концентрация таких структур оказалась достаточной для возникновения и поддержания на первых стадиях эволюции примитивных форм жизни.

Поначалу жизнь брала из окружающей среды все готовое, получала энергию путем ассимиляции из органического вещества, образовывавшегося в ходе абиотического синтеза. Это так называемые гетеротрофные, нефотосинтезирующие организмы, главным образом бактерии.

Таким образом, древнейшая биосфера возникла в гидросфере, су­ществовала в ее пределах и носила гетеротрофный характер.

Биотическая эволюция:

Решающее значение в истории образования биосферы имело возникновение жизни на Земле - автотрофных растений, т.е организмов, способных синтезировать органическое вещество из минерального (около 3,5 млрд. лет назад). Первыми автотрофами стали прокариоты — синезеленые водо­росли и, возможно, цианобактерии, способные улавливать световую энергию и использовать ее для реакций фотосинтеза. Процесс фотосинтеза проходит с участием поглощающих свет пигментов (хлорофиллов) по формуле

Фотосинтез - единственный биологический процесс, который идет с увеличением свободной энергии и прямо или косвенно обеспечивает доступной химической энергией все земные организмы. На протяжении всей истории эволюции биосферы на Земле существует только единственный процесс, при котором энергия солнечного излучения не только тратится и перераспределяется, но и связывается, запасается иногда на очень длительное время. Этот процесс - создание органического вещества в ходе фотосинтеза.

В результате деятельности таких фотосинтезирующих микроорганизмов началась перестройка химического состава атмосферы Земли: количество кислорода в воде стало быстро расти, а в следствие десорбции (выделения) его в атмосферу произошел переход вос­становительной атмосферы в кислородную. 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 (1-ая точка Пастера). Происходило это в архее около 2 млрд. лет назад.

Рост содержание О₂ в атмосфере привел к возникновению озонового слоя, защищающего поверхность Земли от жесткого ультрафиолетового излучения солнца. Это дало направление эволюции жизни: примерно 600 млн лет назад, со­держание кислорода в атмосфере достигло 8% от современного уровня, а затем произошел новый эволюционный взрыв — появились новые формы жизни — губки, кораллы, черви, моллюски. Уже к середине палеозоя жизнь заполнила все моря.

После возрастания концентрации кислорода в атмосфере и достижения уровня 10% от современного (2-ая точка Пастера) озоновый слой стал настолько эффективно защищать живое от жесткого ультрафиолета, что жизнь постепенно вышла из водной среды на сушу. Появление растительности на суше ускорило процесс фотосинтеза. 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%.

При этом в начале эволюции не весь кислород оставался в атмосфере, частично он вступал в химические реакции и окислял поверхностные минералы и горные породы, в результате чего образовались залежи железных и других руд.

В течение всего периода эволюции биосферы значительные массы органических веществ были выработаны автотрофными растениями, но при этом часть органической продукции не участвовала в круговороте и накапливалась в морских и континентальных осадочных породах и почвах. Огромные залежи различных полезных ископаемых (нефть, газ, уголь, торф, сланцы) - яркие свидетельства масштабности этих явлений. Ископаемое топливо можно рассматривать как форму сохранения в виде химической энергии солнечной энергии, поступающей на Землю в течении сотен миллионов лет.

Многие живые организмы способны накапливать в себе определенные элементы, несмотря на часто ничтожное содержание их в окружающей среде. Отдельные организмы концентрируют кальций, кремний, натрий, алюминий, йод и др. Отмирая, они образуют скопление этих веществ. Возникают залежи таких соединений, как известняки, бокситы и другие, которые для человечества служат ценными полезными ископаемыми.

Постепенно примерно за 3 млрд лет непрерывной “работы” живых существ принципиально изменились физико-химические условия на земной поверхности.

Все компоненты биосферы - атмосфера, гидросфера и литосфера, в которой осадочные породы имеют многокилометровую толщину, полностью изменились как по структуре, так и по содержанию происходящих в них биогеохимических процессов. Сегодня можно утверждать, что все атомы химических элементов, составляющие живое вещество, неоднократно побывали в различных организмах во время многочисленных сложнейших круговоротов. Современная поверхность Земли - продукт непрерывного процесса ”биологизации”, в котором человек - последнее эволюционное звено. Биосфера формировалась в течении многих миллионов лет и оказалась системой очень высокого качества с множеством сбалансированных связей.

Сегодня структура биосферы необычайно сложна и полностью асимметрична. По разным оценкам на нашей планете функционирует от 1,5 до 30 млн. видов животных (наиболее вероятно 5-6 млн) и около 500 тыс. видов растений.

В соответствии с теорией акад. Вернадского конечной стадией развития биосферы является ноосфера. Ноосфера связана с возникновением и становлением в ней цивилизованного общества, с периодом, когда разумная деятельность человека становится главным, определяющим фактором развития. По этому поводу В.И.Вернадский писал: “Ноосфера есть новое геологическое явление на нашей планете. В ней впервые человек становится крупной геологической силой. Он может и должен перестраивать своим трудом и мыслью область своей жизни, перестраивать коренным образом по сравнению с тем, что был раньше”. Он также отмечал, что человек неразрывно связан с биосферой, уйти из нее не может, его существования есть функция, которую он несет с собой всюду, неизбежно изменяя ее. По мнению многих ученых еще рано говорить о «сфере разума», о чем свидетельствуют многочисленные глобальные экологические проблемы. Вероятно, ноосферное развитие – это разумное управляемое соразвитие человека, общества и природы, при котором удовлетворение жизненных потребностей населения осуществляется без ущерба интересов будущих поколений. Одна древняя индийская мудрость дополняет эту мысль словами: «Природа – это не то, что мы получили в наследство от предков, а то, что взяли в займы у потомков». Современная цивилизация сможет выжить как единый разумный механизм, не нарушающий равновесия в биосфере, основываясь на коллективном разуме и воле.