Эволюция биосферы

Чтобы получить доступ к этому и другим видеоурокам комплекта, вам нужно добавить его в личный кабинет, приобрев в каталоге.

Получите невероятные возможности

Конспект урока “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.

Галактика как биосфера

Гипотеза панспермии гласит, что жизнь на Землю была привнесена «извне». В соответствии с этой гипотезой, по Вселенной странствуют зародыши жизни, способные попасть и на нашу планету.

Ахиллесова пята концепции панспермии — необходимость объяснить миграцию самовоспроизводящихся биомолекул или иных носителей жизни по межпланетному и тем более по межзвездному пространству. Космос не слишком гостеприимен для сложной органики, в нем чересчур много быстрых частиц и жестких излучений. Для межзвездного путешествия носители жизни должны сохранять свою жизнеспособность в течение миллионов лет. Вряд ли это возможно без надежных транспортных средств — но где их взять? На этот счет есть немало идей, и все они отягощены теми или иными недостатками.

Недавно Чандра Викрамасингх и четверо его коллег предложили новый метод, основанный на весьма смелой космогонической гипотезе, которая почти не имеет сторонников среди специалистов по астрономии ранней Вселенной. Но всё же это не чистый вымысел, а наука, хотя и не слишком возможная.

Раннее рождение

Считается, что планеты начали формироваться лишь после того, как через десятки миллионов лет после Большого взрыва образовались первые звезды (вероятнее всего, много позже, поскольку эти светила с массами в десятки и сотни солнечных масс быстро взрывались или коллапсировали). Тем не менее 16 лет назад соавторы Викрамасингха Карл Гибсон и Рудольф Шилд выдвинули альтернативную модель сверхраннего планетогенеза. По их мнению, первые планеты начали формироваться вскоре после того, как через 400 000 лет после Большого взрыва Вселенная лишилась плазменной среды и заполнилась нейтральными молекулами водорода и атомами гелия. Поскольку космический газ не был однородным, в нем могли возникнуть сферические сгустки диаметром в сотни километров, которые и стали первыми планетами (или планетоидами). Согласно этой модели, Вселенная в возрасте 3–4 млн лет содержала аж 10 80 газовых шаров, стянутых силой гравитации.

Температура реликтового излучения в эту эпоху измерялась сотнями кельвинов, и поэтому юные планеты были разогреты по всему объему. Но ко времени, когда Вселенной исполнилось 1,5 млрд лет, температура упала ниже точки плавления водорода (14 К), и посему планеты обрели твердую водородную кору. А еще до этого они в изобилии нахватались атомов элементов тяжелее гелия, разбросанных по космическому пространству после взрывов звезд. Так у них возникли железо-никелевые ядра, силикатные мантии и легкие внешние оболочки, содержащие водяной лед. Более того, часть воды вплоть до нашего времени и даже позже может пребывать в жидком состоянии из-за притока внутреннего тепла, обеспеченного распадом урана и тория.

Планетные скопления

Согласно модели Гибсона и Шилда, гало Млечного Пути (и, предположительно, гало Андромеды и прочих спиральных галактик) содержат великое множество древнейших планет, объединенных в шарообразные скопления, которые соседствуют со звездными шаровыми скоплениями. Правда, в отличие от звездных скоплений, планетные нельзя увидеть ни в один телескоп. Тем не менее они отклоняют своим тяготением лучи космических объектов заднего плана, и поэтому их всё же можно обнаружить благодаря эффекту гравитационного микролинзирования. Эти скопления устойчивы, хотя и до определенного предела. Гравитационные возмущения могут выбросить замерзшие первородные планеты в плоскость диска Галактики, где некоторые из них нагреваются до частичной или полной потери твердой водородной коры, а остальные (и их большинство) путешествуют в относительно первозданном виде. Викрамасингх и его соавторы вычислили, что в среднем каждые 26 млн лет одна из таких планет подходит к нашему Солнцу. Визитерша пересекает околосолнечное линзообразное облако из пыли и замерзшего газа, служащее источником зодиакального света, и аккумулирует на своей поверхности около тысячи тонн вещества.

Жизнелюбивая космология

Турбулентный Большой взрыв порождает плазменную эпоху, когда на границе с пустотами (войдами) формируются гигантские протогалактики. В газовую эпоху в них зарождаются звездные шаровые скопления и планеты. В скоплениях рождаются и умирают звезды, поставляя химические элементы для создания молекул (в первую очередь молекул воды), которые в дальнейшем могут стать основой жизни на планетах, где температура опускается ниже критической точки воды (647 К). Эти планеты связаны между собой «транспортной системой» из комет, разносящих молекулы по Галактике.

Подвезите до галактики

Но при чем здесь панспермия? На Землю иногда падают массивные астероиды и ядра комет, которые выбивают земное вещество в космическое пространство. Вместе с ним в космосе оказываются микроорганизмы — некоторым из них удается уберечься от гибельных температур и давлений и сохранить свою жизнеспособность. Такие организмы могут попасть из зодиакального облака на поверхность мигрирующей планеты и вместе с ней унестись в далекий космос. Если эта планета окажется в окрестностях какой-нибудь звезды, то принесет туда зародыши земной жизни, в роли которых могут выступать не только неповрежденные микроорганизмы, но и фрагменты их генома.

Скорее всего, Земля не единственная обитель жизни в Галактике. И если жизнь зародится где-то еще, то странствующие первородные планеты понесут ее дальше. Поэтому, заключает Чандра Викрамасингх с коллегами, Млечный Путь может оказаться единой супербиосферой космического масштаба. Это и есть панспермия в ее галактическом варианте.