История эволюции биосферы

УЧЕНИЕ О БИОСФЕРЕ

 

Учебное пособие для студентов и слушателей всех форм обучения специальности 280104.65 «Пожарная безопасность»

 

 

Екатеринбург

20.1

ББК Г. 86.

Грозин А.Н. УЧЕНИЕ О БИОСФЕРЕ. Учебное пособие – Екатеринбург.: Уральский институт Государственной противопожарной службы МЧС России, 2008. – 31 с.

 

В учебном пособии рассматривается краткая история зарождения и эволюции биосферы, ее состав и границы распространения в рамках планеты земля. Рассматриваются свойства и функции живого вещества как основного компонента биосферы. Раскрывается роль потоков вещества, энергии и информации в биосфере как основных элементов взаимодействия живой и косной материи. Приводится информация по причинам динамики биосферы и условиям ее устойчивости. Дается определение понятию «ноосфера» как высшей стадии эволюции биосферы и единственному пути выхода человечества из глобального экологического кризиса.

Пособие является дополнительным материалом для изучения дисциплины "Экология", предназначено для студентов и слушателей всех форм обучения по подготовке инженеров пожарной безопасности учебных заведений МЧС России, а также для широкого круга специалистов в области экологии, природопользования и охраны окружающей среды.

 

 

Рецензенты:

 

Начальник кафедры пожарной тактики Уральского института Государственной противопожарной службы МЧС России, кандидат сельскохозяйственных наук Филиппов А.В.

 

Доцент кафедры инженерной защиты окружающей среды Уральского государственного университета путей сообщения, кандидат технических наук Гмызина Н.Б.

 

 

Учебное пособие одобрено на заседании методического совета института и рекомендовано к использованию при изучении курса «Экология»

Протокол № 11 от «19 » июня 2008 г.

 

 

© Уральский институт Государственной

противопожарной службы

МЧС России, 2008

© Грозин А.Н., 2008

Содержание

Предисловие...................................................... 4

История эволюции биосферы........................................ 5

Состав и границы биосферы......................................... 10

Свойства живого вещества биосферы................................. 13

Функции живого вещества.......................................... 16

Потоки энергии в биосфере..........................................17

Потоки вещества в биосфере.........................................18

Потоки информации в биосфере......................................23

Динамика биосферы................................................25

Устойчивость биосферы............................................ 26

Ноосфера.........................................................28

Заключение....................................................... 30

Литература........................................................31

 

Предисловие

 

Понятие биосферы вошло в науку случайно. Более 100 лет назад, в 1875 г., австрийский геолог Эдуард Зюсс, го­воря о различных оболочках земного шара, впервые употребил этот термин в последней, наиболее общей главе своей книги о происхождении Альп. Однако это упомина­ние не сыграло сколько-нибудь заметной роли в развитии научной мысли. В 1926 г. были опубликованы две лекции русского минералога В. И. Вернадского, в которых им, спу­стя 50 лет после работ Зюсса, формулировались основ­ные положения концепции биосферы, которую мы прини­маем и сейчас. Под биосферой Вернадский понимал те слои земной коры, которые подвергались в течение всей геологической истории влиянию живых организмов. Биосфера включает в себя собственно «живую пленку» Земли (сумму населяющих Землю в каждый данный момент живых организмов, «живое вещество» планеты) и область «былых сфер», очерченную распределением на Земле биогенных оса­дочных пород. В. И. Вернадский писал: «На земной поверхности нет хими­ческой силы, более постоянно действующей, а потому более могущественной по своим конечным последствиям, чем живые организмы, взятые в целом».

История эволюции биосферы

 

К настоящему времени накоплено множество доказательств того, что биосфера, да и наша планета в целом, обрела совре­менный вид в результате длительной эволюции. Согласно более или менее общепринятой гипотезе Канта — Лапласа, развитой Отто Юльевичем Шмидтом (1891—1956), Земля, другие планеты и Солнце образовались в результате гравитационного сжатия га­зопылевого облака около 4,6 миллиардов лет назад. Солнечная система — относительно молодое образование во Вселенной, возраст которой по современным представлениям составляет 15—25 миллиардов лет. Наша планета относится к группе внут­ренних, близких к Солнцу и сравнительно небольших планет. Главным процессом в её эволюции, незавершённым до сих пор, является гравитационное разделение веществ в её недрах, при котором тяжёлые вещества опускаются к центру Земли, а лёгкие — поднимаются к поверхности. Так сформировались ядро и оболочки Земли (рис. 1).

 

	Литосфера		Ячейка конвекции

	Материк
	Атмосфера

 

 

Рис. 1.Схема строения Земли по современным взглядам.

 

Изучая эволюцию биосферы как особую оболочку земного шара, необходи­мо предварительно ознакомиться со строением Земли. Это даст воз­можность глубже понять, в каких условиях формировалась жизнь, что ее защищает, а что представляет угрозу ее существованию.

При описании Земли выделяют так называемые геосферы — концен­трические оболочки планеты различной плотности и химического соста­ва. В направлении от периферии к центру Земли различают магнитосфе­ру, атмосферу, земную кору, мантию Земли и ядро Земли.

Магнитосфера Земли — область околоземного пространства, гра­ница которой (магнитопауза) определяется равенством давления маг­нитного поля Земли и динамического давления солнечного ветра. Конфигурация магнитосферы непрерывно меняется, простираясь с дневной стороны до 10—12 R (R — земной радиус, около 6370 км), с ночной — вытянута, образуя так называемый магнитный хвост Земли в несколько сотен R. Она реагирует на проявление солнечной актив­ности, сопровождающейся изменениями в солнечном ветре и его магнитном поле (магнитные бури). При этом частицы солнечного ветра вторгаются в магнитосферу, происходят нагрев и усиление иониза­ции верхних слоев атмосферы, ускорение заряженных частиц, увели­чение яркости полярных сияний, возникновение электромагнитных шумов, нарушение радиосвязи и т.д. Магнитосфера защищает Землю от губительного радиоактивного воздействия «солнечного ветра».

Атмосфера — газовая оболочка Земли, которая удерживается пла­нетой посредством силы тяжести и принимает участие в ее суточном и годовом вращении. Она состоит из смеси различных газов, водя­ных паров и пыли. Общая масса атмосфе­ры — 5,15-10¹⁵т. На высоте от 10 до 50 км, с максимумом кон­центрации на высоте 20—25 км, расположен слой озона, защи­щающий Землю от чрезмерного ультрафиолетового облучения, гибельного для организмов.

С увеличением высоты плотность воздуха убывает, и атмосфера плавно переходит в космическое пространство. Она делится на слои: тропосферу, стратосферу, мезосферу, термосферу и экзосферу, ко­торые отличаются температурой, ионизацией молекул и другими па­раметрами. Между атмосферой и земной поверхностью происходит постоянный обмен теплом и влагой, что вместе с циркуляцией атмос­феры влияет на основные климатообразующие процессы. Атмосфера является активным участником физических процессов, которые про­текают на суше и в верхних слоях водоемов (выветривание, морские течения и т.п.).

Гидросфера — прерывистая водная оболочка Земли, располагаю­щаяся между атмосферой и земной корой. Она включает в себя сово­купность всех вод планеты: материковых (глубинных, почвенных, поверхностных), океанических и атмосферных. По отношению к объему земного шара общий объем гидро­сферы не превышает 0,13%. Основную часть гидросферы (96,53%) составляет Мировой океан. На долю под­земных вод приходится 23,4 млн км², или 1,69% от общего объема гидросферы, остальное — воды рек, озер и ледников. Более 98% всех водных ресурсов Земли составляют соле­ные воды океанов, морей и др. Общий объем пресных вод на Земле равен 28,25 млн км³, или около 2% общего объема гид­росферы. Основная часть пресных вод сосредоточена в ледниках, воды которых пока используются очень мало. На долю остальной части пресных вод, пригодных для водоснабжения, приходится 4,2 млн км³ воды или всего лишь 0,3% объема гидросферы. Гидросфера является колыбелью жизни на нашей планете. Она играет огромную роль в формировании климата и природной среды Земли.

Литосфера (греч. «литое» — камень) — каменная оболоч­ка Земли, включающая земную кору мощностью (толщиной) от 6 (под океанами) до 80 км (горные системы). Земная кора сложена горными породами. Доля различных гор­ных пород в земной коре неодинакова — более 70% приходит­ся на базальты, граниты и другие магматические породы, око­ло 17% — на преобразованные давлением и высокой темпера­турой породы и лишь чуть больше 12% — на осадочные.

Земная кора — важнейший ресурс для человечества. Она содержит горючие полезные ископаемые (уголь, нефть, горю­чие сланцы), рудные (железо, алюминий, медь, олово и др.) и нерудные (фосфориты, апатиты и др.) полезные ископаемые, естественные строительные материалы (известняки, пески, гра­вий и др.).

Мощность литосферы ко­леблется в пределах 50—200 км. Процесс преобразования литосферы живыми организмами, начавшийся около 450 млн лет назад, привел к образованию почвы, ее мощность достигает 2—3 м, ее основное качество – плодородие.

В 1912 г. немецкий геофизик Альфред Вегенер (Wegener, 1880—1930) по­казал, что земная кора состоит из отдельных литосферных плит, медленно двигающихся друг относительно друга («дрейф мате­риков») и как бы «плавающих» поверх астеносферы. Материко­вая кора существенно отличается от океанической. Первая сло­жена из менее тяжелых минералов и достигает 75 км в глубину. Океаническая кора гораздо тоньше — порядка 10 км и состоит из тяжелых базальтов.

Ядро Земли — наиболее плотная центральная часть Зем­ли. Согласно современным взглядам, в центре Земли образова­лось внутреннее твёрдое ядро. Его материал состоит в основном из железа, которое, несмотря на высокую температуру, удерживается в твёрдом состоянии благодаря гигантскому давлению. Радиус твёрдого ядра — около 1300 км. Вокруг него, на глубине от 3 до 5 тысяч км располагается жидкое ядро. Его плотность составляет от 9400 кг/м³ в периферической области до 17200 кг/м³ (в два с лишним раза выше, чем у железа) в более глу­боких слоях; давление достигает 140—350 ГПа (1,4—3,5 млн атм.), тем­пература 2000—5000 °С. Предполагают, что по химическому составу вещество ядра сходно с веществом мантии Земли, но находится в ме­таллическом состоянии.

Первоначально при образовании Земля была холодной, но при дальнейшем сжатии потенциальная энергия тяготения, пе­реходя в тепло, и энергия распада долгоживущих радиоактив­ных изотопов урана, калия и тория вызвали разогрев её недр. Главный вклад (не менее 70 %) в нагревание был внесён грави­тацией. За счёт теплового излучения в космос Земля потеряла за всю свою историю примерно 1/3 накопленного тепла. Благодаря нагреву вещество мантии ведёт себя как жидкость с гигантской вязкостью, в которой развиваются медленные конвективные по­токи, образующие замкнутые ячейки (рис. 1). Скорости дви­жения этих потоков составляют 1—10 см/год. Внешне эти чрез­вычайно медленные по сравнению с человеческой историей процессы проявляются в движении на поверхности Земли лито­сферных плит и материков относительно друг друга и его след­ствиях — вулканизме и землетрясениях. Литосферные плиты надвигаются друг на друга, и в этих местах растут особо высо­кие горные цепи, такие как Гималаи или Кордильеры. Посреди­не океанических плит находятся срединно-океанические хреб­ты — это как раз области восходящих потоков в мантии. Имен­но здесь происходит наращивание океанической коры, которая раздвигается потом в горизонтальном направлении, образуя на Дне океанов абиссальные равнины.Атлантический океан, напри­мер, зародился примерно 200 млн лет назад и растёт со скоро­стью 1—2 см/год. Глубоководное Красное море — зародыш нового океана, который образуется по мере того, как Аравийский полуостров дрейфует на север от Африки, вызывая землетрясе­ния в Иране и Средней Азии. Океаническая кора, сталкиваясь с материковыми плитами, заглубляется под них, наращивая их толщу. На линиях этого столкновения возникают гигантские глубоководные океанические желоба шириной в десятки и дли­ной в сотни и тысячи километров с глубинами более 6 км. Наи­большая глубина (11 020 м) найдена в Марианском желобе на востоке Филиппинского моря.

Новорожденная Земля не имела ни атмосферы, ни гидросфе­ры. В первый период её существования, о котором у нас нет ка­ких-либо прямых данных, вероятно, имел место активный вул­канизм с обильным излиянием базальтовой лавы. При этих из­вержениях образовались первичные атмосфера, океан и земная кора, сходная с современной океанической корой. При дегаза­ции изверженных лав выделялись водяной пар, окиси углерода СО₂ и СО, метан СН₄, азот N₂ (в небольшом объёме), аммиак NH₃, сероводород H₂S, сернистый газ SO₂, хлор С1₂ и хлористый водород НС1 (пары соляной кислоты), а также другие газы в от­носительно малых количествах. Первичная атмосфера была тон­кой и почти не препятствовала потере тепла, поэтому средняя температура на Земле не превышала 5 °С. Благодаря этому водя­ной пар конденсировался, превращаясь в воду и образуя гидро­сферу. При этом аммиак, хлористый водород, соединения серы и углекислый газ обильно растворялись в формировавшемся океане. В результате реакций этих веществ с материалом дна об­разовывались соли, и таким образом мировой океан изначально становился солёным. Рост объёма мирового океана за счёт вул­канизма продолжается и до сих пор.

Лабораторные исследования показали, что в этом тёплом океане могло происходить множество химических реакций, ве­дущих к образованию аминокислот — «кирпичиков», из которых строятся белки, и других органических соединений. Эта эпоха «химической эволюции» продолжалась примерно миллиард лет и получила название катархея. С конца катархея начинается история биосферы. Вероятно, важнейшим этапом химической эволюции явилось появление веществ, способных к ав­токаталитическому синтезу, то есть молекул, способствующих появлению собственных копий. Скорее всего, это происходило путём деления материнской молекулы на дочерние и последую­щей достройки этих дочерних молекул. Среди этих органических молекул уже происходил естественный отбор на выживаемость, который привёл к образованию конгломератов, состоявших из молекул с разными функциями. Так или примерно так возникли первые живые организмы около 4 млрд лет назад.

В первичных атмосфере и гидросфере кислород полностью отсутствовал. И это — очень важное обстоятельство. С одной стороны, в присутствии кислорода — мощнейшего окислителя органические молекулы не могли существовать, так как они поч­ти мгновенно превратились бы в воду и углекислый газ. С дру­гой стороны, тонкая бескислородная атмосфера не защищала поверхность Земли от жёсткого ультрафиолетового излучения Солнца, губительного для органического вещества. Поэтому жизнь возникла в океане, под защитой толщи воды. Примерно 3,5 млрд лет тому назад появляются первые одноклеточные орга­низмы, владеющие фотосинтезом, — сине-зеленые водоросли и бактерии. С этого момента живое вещество становится геохими­ческим фактором, сильнейшим образом влияющим на облик Земли. Освоившие фотосинтез организмы-продуценты непо­средственно используют солнечную энергию, они захватывают мировой океан и в громадных количествах начинают выделять кислород. Наличие в гидросфере растворённого свободного кис­лорода создаёт возможность для появления организмов, живу­щих за счёт окисления органических и неорганических веществ. Часть этих организмов становится редуцентами, разлагающими аммиак с выделением молекулярного азота N₂, который, будучи практически нерастворим в воде, поступает в атмосферу. Через некоторое время выделяется группа организмов-консументов, потребляющих готовую органику продуцентов. Здесь разделяют­ся биологические царства. Продуценты не нуждаются в свобод­ном движении, и от них происходит царство растений, а консументы должны иметь возможность двигаться в поисках пищи, и от них берёт начало царство животных.

Благодаря метаболизму живых организмов океана на протя­жении протерозоя происходит постепенная смена первичной ат­мосферы на вторичную, состав которой близок к современному. Уменьшаются концентрации аммиака и углекислого газа, их сменяют свободные азот и кислород. Свободный кислород окисляет СО, СН₄, H₂S и SO₂, и их концентрации в атмосфере становятся ничтожными. В верхних слоях атмосферы молекулы кислорода О₂ расщепляются и образуют озон О₃.

Озоновый слой начинает перехватывать жёсткое ультрафио­летовое излучение Солнца, и у живой материи появляется воз­можность выхода на сушу. Это и происходит примерно 500 мил­лионов лет назад.

К этому времени жизнь в океане буквально кипит. Уже поя­вились многочисленные моллюски и ракообразные, прибрежная зона заросла гигантскими водорослями, и, наконец, уже сущест­вуют первые хордовые, от которых произойдут все позвоночные. Переход от внешнего скелета (панциря) к внутреннему носил принципиальный характер. Ослабление пассивной защиты ком­пенсировалось усилением подвижности и ловкости; кроме того, исчезла необходимость в периодической полной линьке при ро­сте организма, что дало большую экономию дефицитных строи­тельных веществ. Рост подвижности привёл к необходимости иметь хорошее устройство управления, то есть к появлению и развитию головного мозга. Первыми сушу стали осваивать рас­тения и насекомые, появились двоякодышащие рыбы, способ­ные жить и на воздухе, и в воде, от которых, по-видимому, про­изошли земноводные (амфибии). Через 200 млн лет на Земле уже господствовали динозав­ры — потомки первых пресмыкающихся. Как и почему они полностью погибли 70 млн лет назад, до сих пор идут споры. Остаётся непонятным, почему катастрофа, постигшая динозавров, не отразилась столь же существенно на остальной биоте? Так или иначе, господство в животном царстве на суше захватили теплокровные млекопитающие, а в растительном — цветковые растения, и биосфера стала приобретать совре­менный вид.

Важнейший вывод, который можно сделать, прослеживая историю биосферы и анализируя её современный элементный состав, состоит в том, что живые организмы влияют на абио­тические условия на Земле в такой же степени, как эти условия влияют на биоту. И, следовательно, биосфера пред­ставляет собой единую динамическую систему из живых ор­ганизмов и абиотической среды их обитания, пронизанную глубокими обратными связями, изменения в которой проис­ходят в ходе общей эволюции — биологической, химической и физической.