§ 92. Эволюция биосферы

1. Что называется биосферой?

Ответ. Биосфера — это оболочка Земли, заселенная живыми организмами и преобразованная ими. Она включает почти всю гидросферу, нижнюю часть атмосферы и верхнюю часть земной коры. Границы биосферы определяются наличием условий, необходимых для жизни различных организмов.

Верхняя граница биосферы простирается от поверхности Земли до озонового экрана. Выше этой границы организмы жить не могут, так как там на них будут губительно действовать ультрафиолетовые лучи Солнца и низкая температура. Нижняя граница проходит по дну гидросферы и на глубине 4-5 км в земной коре материков (это зависит от того, на какой глубине температура горных пород достигает +100°С). Наиболее обильна жизнью часть биосферы у земной поверхности и до глубины 200 м в гидросфере.

2. Какой состав имела первичная атмосфера планеты?

Ответ. Первичная атмосфера Земли состояла главным образом из водяных паров, водорода и аммиака. Под воздействием ультрафиолетового излучения Солнца водяные пары разлагались на водород и кислород. Водород в значительной части уходил в космическое пространство, кислород вступал в реакцию с аммиаком и образовывались азот и вода. В начале геологической истории Земля благодаря магнитосфере, изолировавшей её от солнечного ветра, создала вторичную собственную углекислую атмосферу. Углекислый газ поступал из недр при интенсивных вулканических извержениях.

3. Какие автотрофные организмы вам известны?

Ответ. Автотрофными называют организмы, способные синтезировать органические вещества за счет энергии солнечного света или энергии, выделяющейся при окислении неорганических соединений. При этом источником углерода является углекислый газ. К организмам, использующим энергию солнечного света, относятся растения, цианобактерии и некоторые бактерии. Все они объединены в группу фотосинтетиков. Растения и цианобактериии (сине- зеленые водоросли) осуществляют фотосинтез с выделением кислорода; бактерии — без выделения кислорода. Автотрофов, использующих для получения энергии окисление неорганических веществ, называют хемосинтетиками. К ним относят несколько древних групп прокариот: серобактерии (окисляют сероводород до серы), железобактерии (окисля­ют Fe2+ до Fe3+) и др.

Вопросы после § 92

1. Почему можно говорить о взаимосвязи развития органического мира и эволюции биосферы?

Ответ. Биосфера — не только сфера распространения жизни, но и результат ее деятельности. Начиная с момента зарождения, жизнь постоянно развивается и усложняется, оказывая воздействие на окружающую среду, изменяя ее. Таким образом, эволюция биосферы протекает параллельно с историческим развитием органической жизни.

2. Какие процессы были характерны для раннего этапа эволюции биосферы?

Ответ. Сначала живые организмы использовали органические соединения первичного океана, запасы которого довольно быстро истощались. Углекислый газ, как побочный продукт обмена веществ, выделялся в атмосферу. Затем преимущества получили и широко размножились микроорганизмы, способные синтезировать органические соединения из углекислого газа и присутствующего в атмосфере водорода, — метановые бактерии. Когда же запасы газообразного водорода истощились, они уже не могли перерабатывать углекислый газ в метан и таким образом лишились источника энергии для синтеза собственных питательных веществ. Необходимо было найти источник получения энергии. Им стало Солнце благодаря процессу сначала бескислородного фотосинтеза (без выделения кислорода). На следующем этапе эволюции появились организмы с более совершенным механизмом фотосинтеза, в результате которого в качестве побочного продукта в атмосферу стал выделяться кислород. Это вело к изменению состава атмосферы Земли, в которой становилось все больше кислорода. Кислород — сильный окислитель и губителен для анаэробных (живущих в бескислородной среде) организмов. Практически кислород стал загрязнителем атмосферы, что привело к экологическому кризису. Живые организмы должны были погибнуть или приспособиться к новым условиям среды. Природа нашла наиболее рациональный путь решения этой проблемы. Возникли живые организмы, которые уже не боролись против кислорода, а использовали его для получения энергии. Появился процесс дыхания, который обеспечил организмы энергией. Постепенно между фотосинтезирующими организмами и гетеротрофами установилось равновесие, которое привело к стабилизации нового состава атмосферы. Сформировались современные круговороты углерода и кислорода.

3. Почему на определенных этапах развития биосферы возникали экологические кризисы?

Ответ. Экологические кризисы на определенных этапах развития биосферы возникали: во-первых, в силу исчерпания живущими на тот момент организмами энергетических и пищевых ресурсов, а во-вторых, из-за серьезного изменения состояния окружающей среды, причинами которого становилось накопление продуктов жизнедеятельности.

4. Какие закономерности, происходящие в биосфере, можно отметить в преодолении экологического кризиса?

Ответ. Проблема в том, что показатели, считающиеся основными компонентами глобального экологического кризиса, такие как, кислотные дожди, парниковый эффект, загрязнение планеты суперэкотоксикантами и озоновые дыры имеют очень короткий период наблюдений за ними в истории существования нашей планеты. Кроме того, некоторые из них, такие как озоновые дыры подвержены циклическим изменениям, с достаточно продолжительной длительностью цикла. Поэтому нет достаточно убедительных доказательств по поводу происходящих изменений этих показателей. Одни эксперты считают, что показатели ухудшаются и это свидетельствует о наличии экологического кризиса, другие, что они находятся в определенной фазе цикла естественного изменения и при переходе в другую фазу изменят свои параметры в лучшую сторону и это свидетельствует об устойчивости экосистемы планеты и отсутствии экологического кризиса.

5. Почему можно утверждать, что надвигающийся экологический кризис является результатом деятельности человека?

Ответ. Биосфера находится на грани нового экологического кризиса, так как с появлением промышленности процессы разрушения в природе стали преобладать над процессами созидания, причем эти тенденции становятся все более выраженными. Современные цивилизации, основанные на представлении о неисчерпаемости ресурсов, ведут человечество к катастрофе.

6. Можно ли считать завершенным процесс формирования биосферы?

Ответ. Процесс формирования биосферы нельзя считать законченным. Биосфера — сложная, саморегулирующаяся система, существование которой сопряжено с ее постоянным развитием. Остановка этого процесса приведет к полному разрушению всей сформированной системы с ее сложными взаимосвязями

► Основываясь на знании о развитии жизни на нашей планете, составьте примерную хронологическую таблицу, показывающую основные этапы эволюции биосферы.

Ответ. Большинство авторов гипотез о происхождении жизни на Земле допускали, что в течение огромного промежутка времени наша планета была безжизненной и на ее поверхности, в атмосфере и океане происходил медленный абиогенный синтез органических соединений, который привел к образованию первых примитивных организмов. Установилось почти традиционное представление о том, что на Земле происходила длительная химическая эволюция, предшествовавшая биологической и охватившая интервал времени не менее 1 млрд. лет. Фоссилизированные (окаменевшие) остатки организмов встречаются в отложениях последних этапов геологической истории, охватывающих 570 млн. лет. По инициативе американского геолога Ч. Шухерта этот период назван фанерозойским эоном, или фанерозоем (от греч. фанерос – очевидный, четкий, зое – жизнь). К фанерозою относятся три последние эры в истории земной коры: палеозойская, мезозойская и кайнозойская. Более древняя и самая продолжительная часть геологической истории названа криптозоем (от греч.криптос – скрытый), охватывающий огромный промежуток времени – 570–4500 млн. лет тому назад и обозначаемый как докембрий. Этот первоначальный этап геологической истории биосферы принято подразделять на два последовательных периода:1) архейская эра, продолжительностью около 1900 млн. лет,2) протерозойская эра, продолжительностью около 2000 млн. лет. Геохронологическая шкала представляет интерес с точки зрения рассмотрения последовательности этапов развития биосферы, так как позволяет датировать историю возникновения видов организмов. Так, архей – это время примитивных одноклеточных бактерий, протерозой – время разнообразных бактерий и водорослей. C началом палеозоя связывают первое появление многочисленных беспозвоночных, имеющих раковину, окаменевшие останки которых находят в горных породах повсеместно. В палеозое появились первые позвоночные около 450 млн. лет назад (ордовикский период), первые насекомые – 350 млн. лет назад (девон), первые рептилии – 300 млн. лет назад (каменноугольный период), первые хвойные – 220 млн. лет назад (пермский период). С мезозоем связано появление первых динозавров и первых млекопитающих (200 млн. лет назад в триасе) и первых птиц и сосновых деревьев (160 млн. лет назад в юрском периоде).Кислород в атмосфере. В развитии биосферы важнейшую роль сыграл постепенный рост концентрации кислорода в атмосфере, что создало условия для формирования озонового слоя в атмосфере, перехода на сушу зародившейся в океане жизни и появления в дальнейшем высших животных. Первичная атмосфера была почти без кислорода (0,1% от современного уровня). Изменение состава атмосферы началось приблизительно 2 млрд. лет назад, когда появились первые фотосинтезирующие организмы. Этот процесс развивался до появления 1,5 млрд. лет назад современных хлорофилловых клеток, которые стали выделять большое количество кислорода и поглощать углекислый газ. Их предшественники – прекариоты (клетка без ядра) были первыми фотосинтезирующими организмами (вероятно, это были сине-зеленые водоросли, обнаруженные в докембрийских отложениях в Онтарио).