Эволюция, как экологический процесс
Существует несколько теорий появления жизни на Земле. Из них можно выделить три наиболее известные:
1) теория креационизма (от английского слова create - создавать) - жизнь создана высшим существом - Богом;
2) теория панспермии - жизнь принесена на Землю из космоса; так уже в метеоритах находят белковые соединения;
3) теория эволюции - жизнь на Земле народилась вследствие естественных законов усложнения форм организации материи.
У каждой теории есть свои плюсы и минусы, свои сильные и слабые стороны.
Высокая степень замкнутости биотического круговорота и биологическая регуляция окружающей среды - закономерный результат эволюции 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:
Добиогическая эволюция:
1. Образование планеты и ее атмосферы (около 4,5 млрд лет назад). Первичная атмосфера имела высокую температуру, была резко восстановительной и содержала водород, азот, пары воды, метан, аммиак, инертные газы, возможно, окись углерода, цианистый водород, формальдегид и другие простые соединения.
2. Возникновение абиотического круговорота веществ в атмосфере за счет ее постепенного остывания и энергии солнечного излучения. Появляется жидкая вода, формируется гидросфера, круговорот воды, водная миграция элементов и многофазные химические реакции в растворах. Благодаря автокатализу происходит образование и рост молекул.
3. Образование органических соединений в процессах конденсации и полимеризации простых соединений углерода, азота, водорода, кислорода за счет энергии ультрафиолетового излучения Солнца, радиоактивности, электрических разрядов и других энергетических импульсов. Аккумуляция лучистой энергии в органических веществах в результате фотохимических реакций и образование макроэргических соединений.
4. Возникновение круговорота органических соединений углерода, включающего реакции аккумуляции солнечной энергии и окислительно-восстановительные реакции, - зародыш биотического круговорота биосферы. Дальнейшее усложнение органических веществ и появление устойчивых комплексов макромолекул, обладающих способностью к редупликации; возникновение молекулярных систем самовоспроизведения.
Биотическая эволюция:
5. Возникновение жизни (около 3,5 миллиардов лет назад). Структуризация белков и нуклеиновых кислот с участием биомембран приводит к появлению вирусоподобных тел и первичных клеток, способных к делению, - сперва хемоавтотрофных прокариот, затем - эукариот. Возникает биотический круговорот и формируются биосферные функции живого вещества.
6. Развитие фотосинтеза и обусловленное им изменение состава среды: биопродукция кислорода обусловливает постепенный переход к окислительной атмосфере. Ускоряется биогенная миграция элементов. Появление многоклеточных организмов, наземных растений и животных приводит к дальнейшему усложнению биотического круговорота. Возникают сложные экологические системы, содержащие все уровни трофической организации. Достигается высокая степень замкнутости биотического круговорота.
7. Увеличение биологического многообразия и усложнение строения и функциональной организации живых существ и биосферы в целом. Организмами заняты все экологические ниши на планете. Полностью сформировались средообразующая функция биосферы и биологический контроль ее гомеостаза. Преобразование среды вследствие деятельности организмов оказывает обратное действие на биоту и уравновешивается ее средорегулирующей функцией.
8. 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, вызывает антропогенные экологические кризисы и становится негативным фактором эволюции.
Эволюция (от латинского evolutio – развертывание) – необратимый процесс исторического изменения живого. Из многочисленных ненаправленных мутаций как элементарного эволюционного материала естественный отбор формирует такие комбинации признаков и свойств, которые ведут к возникновению адаптаций организмов к условиям внешней среды. Помимо мутационного процесса и естественного отбора элементарными факторами эволюции являются колебания численности особей в популяциях и изоляция популяций.
Основные закономерности эволюции:
1. Эволюция происходит с разной скоростью в разные периоды;
2. Эволюция организмов различных типов происходит с разной скоростью;
3. Новые виды образуются из относительно простых неспециализированных форм;
4. Эволюция не всегда идет от простого к сложному. Существует много примеров «регрессивной» эволюции;
5. Эволюция затрагивает популяции, а не отдельные особи и происходит в результате процессов мутирования, дифференциального воспроизведения, естественного отбора и дрейфа генов.
С появлением надежного механизма воспроизведения генетической информации процесс возникновения жизни завершился (таблица 2). Эра химической эволюции закончилась, и наступила эра естественного отбора. Теперь уже недостаточно было просто выжить; отбор среди клеток велся на способность получать энергию более эффективным путем и обращать ее на создание потомства.
На протяжении примерно первых 2-х миллиардов лет органической эволюции произошло несколько крупных прогрессивных сдвигов в питании и структурной организации: возникли автотрофное питание, в частности фотосинтез, аэробное дыхание, эукариотическая клеточная организация, половое размножение. Каждой из указанных стадий органической эволюции соответствует своя биота: 1) простые гетеротрофные бактерии, 2) фотосинтезирующие или хемосинтезирующие прокариоты (сине-зеленые водоросли и автотрофные бактерии), 3) простые анаэробные эукариоты (одноклеточные водоросли и растительные жгутиковые), 4) простые многоклеточные организмы (например, нитчатые водоросли и низшие грибы).
Таблица 2 – Главные события в истории возникновения жизни (по П.Кемп, К.Армс, 1988)
| Время, млрд. лет назад | Событие |
| 4,6 | Образовалась планета Земля |
| 4,3 | Условия на Земле стабилизируются |
| 3,8 | Солевой состав океана близок к нынешнему; атмосфера сходна с современной, но без О2, углерод в виде СО2. |
| 3,5 | Первые известные строматолиты (окаменелые остатки прокариотических клеток) |
| 2,3 | Фотосинтез с выделением кислорода |
| 2,0 | Большое разнообразие бактерий. Содержание кислорода в атмосфере достигло 1% от современного (точка Пастера). Возникновение аэробного дыхания. |
| 1,45 | Появились эукариотические клетки; половое воспроизведение способствует ускорению эволюции. |
| 0,7 | Появились мягкотелые животные (кишечнополостные, черви) |
| 0,6 | Появились животные с твердым скелетом |
Явления направленной эволюции выражаются не только в развитии в одном направлении, но и чаще всего в независимом приобретении организмами ряда общих признаков, отсутствовавших у их предков. Если при этом проявляется прямая зависимость специфики приобретаемого признака от функции (например, змеевидная форма тела у мурен, угря, червяги и удава), то мы говорим о конвергенциях.Если же наряду с функциональными моментами отчетливо проявляется зависимость приобретаемого признака от общих унаследованных особенностей организма, то говорят о параллелизмах.
Этапность развития органического мира, на которой в значительной мере основывается периодизация геологической истории, - твердо установленный факт. Эволюция жизни на Земле совершается неравномерно, и в геологической истории выделяются более или менее кратковременные интервалы, когда преобразуется весь органический мир – меняются господствующие формы жизни, появляются и достигают расцвета принципиально новые группы животных и растений, основывающие новые местообитания, полностью перестраиваются биоценозы и меняется их структура.
Смена этапов развития органического мира на Земле может быть обусловлена катастрофами, время от времени уничтожавшими животный и растительный мир различных регионов. Причины этих катастроф могут быть как земного, так и космического происхождения. Катастрофы земного происхождения могут быть вызваны оживлением вулканизма, геомагнитными инверсиями, горообразовательными процессами. Космические причины массовых вымираний:
1) катастрофическое повышение радиации, вызванное вспышками сверхновых звезд или колебаниями солнечной активности;
2) бомбардировки Земли кометами и гигантскими астероидами, вызванные, в частности, колебаниями положения Солнечной системы относительно плоскости Галактики, или прохождением крупного небесного тела через окружающую Солнечную систему Оортово кометное облако.
Вопросы для самоконтроля:
1. Дать определение эволюции. Что такое «эволюционный успех»?
2. Что является элементарными факторами эволюции?
3. Дать определение экологической катастрофы
4. Какие экологические катастрофы происходили в прошлом?
5. Почему история жизни на Земле может быть разделена на эры и периоды?
6. Привести доказательства эволюции.
ЛЕКЦИЯ № 3
Тема:Биосфера, как специфическая оболочка Земли
Цель лекции: Изучить сущность биосферы, ее роль в планетарном масштабе, ее функции и уникальные особенности живого вещества
Ключевые слова: характеристика, функция, граница, особенность, отличительные признаки и др
Основные вопросы (положения) и краткое содержание
1. Характеристика биосферы
2. Биомасса, продуктивность и основные функции биосферы
3. Свойства живого вещества
Характеристика биосферы
Биосфера имеет иерархическую структуру. Традиционно в структуре биосферы выделяют атмосферу, гидросферу и литосферу.
Состав биосферы включает 7 глубоко разнородных частей:
1) живое вещество;
2) биогенное вещество;
3) косное вещество;
4) биокосное вещество;
5) вещество в радиоактивном распаде;
6) вещество рассеянных атомов, не связанных химическими реакциями;
7) вещество космического происхождения.
Живое вещество совокупность организмов на планете (растительный и животный мир, микроорганизмы).
Биогенное вещество - совокупность веществ, возникших в результате жизнедеятельности организмов (торф, нефть, мел, природный газ и др.).
Косное вещество - совокупность веществ, в образовании которых живые организмы не участвуют, т.е. горные породы магматического, неорганического происхождения, вода.
Биокосное вещество - продукты распада и переработки горных и осадочных пород живыми организмами (почва, природные воды).
Радиоактивное вещество–атомы радиоактивных элементов,например уран, торий, радий, радон, углерод 14С, и др.
Атомы веществ рассеянных в природе–отдельные атомыэлементов, встречающиеся в природе в рассеянном состоянии: молибден, кобальт, цинк, медь, золото и др.
Вещество космического происхождения–вещество,поступающее наЗемлю из космоса (метеориты, космическая пыль).
Пространство, занимаемое современной биосферой, охватывает приземный слой атмосферы, поверхностные горизонты земной коры континентов и гидросферу Земли. Верхняя граница основного слоя биосферы расположена на высоте нескольких десятков метров над поверхностью растительного покрова на суше или над океаном; нижняя - по горизонту грунтовых вод или максимального проникновения корней растений и роющих животных. В океане она ограничена слоем проникновения солнечных лучей, достаточным для осуществления фотосинтеза (не более 100 м) или глубиной сохранения биологической активности в донных осадках.
Масса живого вещества биосферы сравнительно мала. Если ее распределить по всей поверхности планеты, то получится слой всего в 1,5 см.
Биота биосферы обусловливает преобладающую часть химических превращений на планете. Отсюда суждение В.И.Вернадского об огромной преобразующей геологической роли живого вещества. На протяжении органической эволюции живые организмы тысячекратно (для разных круговоротов от 103 до 105) пропустили через себя, через свои органы, ткани, клетки, кровь всю атмосферу, весь объем Мирового океана, большую часть массы почв, огромную массу минеральных веществ. И не только «пропустили», но и в соответствии со своими потребностями видоизменили всю земную среду таблица 3.
Таблица 3 – Сравнение биосферы с другими геосферами Земли
| Геосферы | Масса, т | Разнообразие состава, V* | Время оборота состава, лет |
| Литосфера (кора выветривания) | 2,5 *1018 | 1,85 | 5*107 |
| Гидросфера | 1,4 *1018 | 0.12 | 2*104 |
| Атмосфера | 5,2 *1015 | 0,38 | 3*104 |
| Биота биосферы** | 2,1 *1012 | 4,50 |
*Индекс разнообразия по Шеннону
** Живое вещество в расчете на сухой вес