Возникновение круговорота органических соединений углерода

Реакции аккумуляции солнечной энергии и окислительно-восстановительные реакции, – зародыш биотического круговорота биосферы.

Дальнейшее усложнение органических веществ приводит к появлению устойчивых комплексов макромолекул, обладающих информационными функциями – молекулярным узнаванием, катализом (появление специфических ферментов), способностью к самосборке и редупликации.

Образуются липопротеидные, нуклеопротеидные и другие макромолекулярные микросистемы типа мембранных образований, микросфер или коацерватных капель – предшественников протоклеток.

Биотическая эволюция – эволюция жизни, также включает 4 подэтапа.

1. Возникновение жизни (около 3,5 млрд лет назад).

Структуризация белков и нуклеиновых кислот с участием биомембран приводит к появлению первичных клеток, способных к делению.

Кодирующие редупликацию нуклеиновые кислоты становятся программами самовоспроизведения и биосинтеза – возникает биологическая информация.

Функция самовоспроизведения становится почвой для возникновения естественного отбора.

Появление клеток, различающихся по типу питания, – хемоавтотрофных и гетеротрофных – дает начало биотическому круговороту.

2. Появление фотоавтотрофных клеток, развитие фотосинтеза и биопродукция кислорода – постепенный переход к окислительной атмосфере.

Микробы природных вод ускоряют миграцию и концентрацию химических элементов, формируют солевой состав среды, возникает средообразующая функция биоты.

Появляются колониальные и многоклеточные формы, закладываются все царства живого.

Оксигенация атмосферы и возникновение озонового экрана делают возможным выход на сушу – сначала амфибиальных организмов, а затем и наземных растений и животных. Это приводит к дальнейшему усложнению и совершенствованию биотического круговорота. Возникают сложные экологические системы, содержащие все уровни трофической организации.

Достигается высокая степень 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.

Происходит последовательная смена основных эволюционных форм всех крупных таксонов растений и животных.

Полностью сформировались средообразующая функция биосферы.

Преобразование среды деятельностью организмов оказывает обратное действие на биоту и уравновешивается ее средорегулирующей функцией.

4. Появление человека – лидера эволюции.

Возникновение и развитие человеческого общества, вовлечение в техногенез непропорционально больших (по мерам биосферы) потоков вещества и энергии нарушает замкнутость биотического круговорота.

Биосфера сталкивается с техносферой и превращается в экосферу.

Сокращение числа подсистем в биосфере приводит к дисбалансу синтеза и разложению органических веществ и невозможности поддержать эти процессы в скоррелированных биотой соотношениях.

Драматизм биосферной эволюции хорошо выражен в одной из последних статей Н.Н. Моисеева (1998). Он оценивал развитие биосферы как цепь катастроф с непредсказуемыми исходами. Одной из таких катастроф было уничтожение прокариотической биосферы и замена ее биосферой, в которой главенствуют эукариоты. Полная перестройка биосферы произошла и тогда, когда живое вещество вышло из океана. Гибель динозавров тоже следует отнести к числу подобных катастроф. Наконец, появление человека – это тоже катастрофа, внесшая в число механизмов развития биосферы разум, и опять с непредсказуемым исходом. В результате появления человека эволюция биосферы пошла по совершенно другому пути.

Лекция 5

Законы экологии

Законы природы – суровые, неумолимые силы, не знающие ни морали, ни приспособления

Карл Фогт

(1817-1895; Vogt K. – естествоиспытатель, философ, – Германия, Швейцария)

Все законы в экологии опираются на фундаментальные законы диалектики, естествознания, их можно рассматривать как их частные приложения и следствия.

Закон внутреннего динамического равновесия (ЗВДР) – основной закон функционирования Биосферы – вещество, энергия, динамические качества природных экосистем и их иерархии взаимосвязаны настолько, что любое изменение одного из этих показателей вызывает функционально-структурные количественные и качественные перемены, сохраняющие общую сумму вещественно-энергетических, информационных и динамических качеств систем, где эти изменения происходят.

Рассматриваемые далее «законы экологии» так или иначе отражают различные стороны закона внутреннего динамического равновесия.

1. Закон всеобщей связи вещей и явлений – принцип целостности

В живой природе всеобщность связей проявляется особенно ярко, потому что при материальном (физико-химическом) единстве жизни, живые системы имеют наиболее разнообразные, разветвленные и интенсивные превращения вещества, энергии и информации.

Они образуют сложные экологические цепи и сети взаимодействий (пищевые, материально-энергетические, информационные).

Глобальные потоки энергии и круговороты вещества, ветры, океанские течения, реки, трансконтинентальные и трансокеанические миграции птиц и рыб, переносы семян и спор, деятельность человека и влияние антропогенных факторов – все это делает биосферу единой коммуникативной системой.

Говоря словами известного американского эколога – популяризатора экологии Б. Коммонера («законы экологии Коммонера», 1974), первый закон экологии звучит как «все связано со всем», и означает, что возмущения в одной части сложной системы (например, в биосфере) неизбежно вызывают изменения в других ее частях, которые ведут к нейтрализации возмущения или при превышении его порога к еще большей деформации системы.

В биосфере природа и общество находятся в одной сети системных взаимодействий.

Функционирование больших систем («суперсистем») подчиняется закону больших чисел, законам сохранения и принципу Ле Шателье.

Закон больших чисел.

Закон больших чисел гласит, что совокупное действие множества случайных факторов приводит к результату, почти не зависящему от случая, т.е. имеющему системный характер.

Случайное, стохастическое поведение большого числа молекул в некотором объеме газа обусловливает определенную температуру и давление.

Сочетание большого числа случайных актов спроса и предложения формирует относительно постоянный товарооборот и ценообразование свободного рынка.

Взаимодействие множества организмов разных видов между собой и окружающей их средой осуществляется так, что сообщество и окружающая его среда (т.е. экологическая система) остаются пригодными для существования всех организмов, входящих в это сообщество.

Принцип Ле Шателье

Принцип Ле Шателье – при внешнем воздействии, выводящем систему из состояния устойчивого равновесия, это равновесие смещается в направлении, при котором эффект внешнего воздействия уменьшается (эмпирически выведен для условий химического равновесия).

Принцип Ле Шателье впоследствии стал применяться к поведению разных динамических систем:

- на биологическом уровне он реализуется в виде способности к авторегуляции и поддержанию гомеостаза, т.е. относительного постоянства важных параметров состояния организма или сообщества организмов;

- в масштабе биосферы осуществление этого принципа основано на глобальной биотической регуляции окружающей среды.