Эволюция биосферы. 3

Содержание:

      стр. 

Введение

1. Понятие биосферы, ее структурные особенности…………………………...5
2. Основные этапы эволюции биосферы…………………………………...……8
3. Итоги эволюции биосферы……………………………………………………17

Заключение

Список использованных источников

Введение

Целью данной работы является изучение темы «Эволюция биосферы».

В соответствии с поставленной целью необходимо решить следующие задачи:

- изучить понятие биосферы;

- проанализировать структурные  особенности биосферы;

- рассмотреть основные  этапы эволюции биосферы;

- подвести итоги эволюции  биосферы.

Знания о биосфере сегодня  актуальны и необходимы. Человек  вышел за пределы возможностей биосферы и активно преобразовывает ее. В большинстве случае подобные преобразования крайне негативно сказываются на самой биосфере.

Таким образом, данная тема довольно актуальна в настоящее время.

Человек связан с природой   неразрывными узами. Начиная с первобытного периода своего существования он пытался ее познать в целях использования.

Постепенно из наблюдений и опыта использования различных  природных объектов возникли науки. Наука о природе - естествоведение - дифференцировалась на отдельные отрасли знания: биологию, геологию, физику, химию. Каждая из них углублялась в изучение деталей и выделяла новые науки, например ботаника: анатомию, морфологию, физиологию, систематику, филогению растений, микробиологию. То же происходило с зоологией  и многими другими науками.

С развитием отдельных  наук о природе все настоятельнее  проявляется потребность в выявлении  всеобъемлющей картины жизни  на планете  Земля и общих процессов, происходящих на ней.

Биосфера тесно связана с деятельностью человека, и сохранность равновесия ее состава зависит от него.

В настоящее время в  связи с весьма ощутимыми последствиями научно-технического прогресса, ставящим под угрозу дальнейшее существования человека, во всех странах мира испытывается настоятельная потребность в охране биосферы. А чтобы устранить опасности, нависшие над Землей, необходимо знать историю биосферы, знать, как она существовала  до возникновения человека. Знание процессов, происходящих в биосфере, и соответственно разумная организация всей деятельности и жизни человечества может помочь восстановить былую красоту природы.

Биосферой называется та часть  литосферы, гидросферы и атмосферы  Земли, в которой существуют и  развиваются растительные и живые  организмы. В ее состав входят не только растительный покров и животное население  планеты, все реки и озера, водная масса океанов, но и почвенный  слой, значительная часть тропосферы и самый верхний слой земной коры - зоны выветривания. На земной поверхности  практически нет площадей, где  отсутствует жизнь. Даже в жарких и безводных тропических пустынях или на поверхности высокогорных ледников и полярных льдов обнаружены микробы и другие микроорганизмы.

1. Понятие биосферы, ее структурные особенности

Термин «биосфера» впервые был использован в 1875 г. австрийским геологом Эдуардом Зюссом. Под биосферой понимается совокупность всех живых организмов вместе со средой их обитания, в которую входят: вода, нижняя часть атмосферы и верхняя часть земной коры, населенная микроорганизмами.

Два главных компонента биосферы - живые организмы и среда их обитания -непрерывно взаимодействуют между собой и находятся в тесном, органическом единстве, образуя целостную динамическую систему. Биосфера как глобальная суперсистема в свою очередь состоит из ряда подсистем.

Отдельные живые организмы  не существуют изолированно. В процессе своей жизнедеятельности они  соединяются в различные системы (сообщества), например, в популяции. В ходе эволюции образуется другой, качественно новый уровень живых  систем, так называемые биоценозы - совокупность растений, животных и микроорганизмов в локальной среде обитания.

Эволюция жизни постепенно приводит к росту и углублению дифференциации внутри биосферы. В  совокупности с окружающей средой обитания, обмениваясь с ней веществом  и энергией, биоценозы образуют новые системы - биогеоценозы или, как их еще называют, экосистемы. Они могут быть разного масштаба: море, озеро, лес, роща и т. д. Биогеоценоз представляет собой естественную модель биосферы в миниатюре, включающую все звенья биотического круговорота: от зеленых растений, создающих органическое вещество, до их потребителей, в итоге превращающих его вновь в минеральные элементы. Иначе говоря, биогеоценоз является элементарной ячейкой биосферы. Таким образом, в совокупности все живые организмы и экосистемы образуют суперсистему - биосферу.

В состав биосферы входят верхние  слои литосферы, нижний слой атмосферы (тропосфера) и вся гидросфера, связанные  между собой сложными круговоротами  веществ и энергии.

Атмосфера - наиболее легкая оболочка Земли, которая граничит с  космическим пространством; через  атмосферу осуществляется обмен  вещества и энергии с космосом.

Гидросфера - водная оболочка Земли. В следствие высокой подвижности вода проникает повсеместно в различные природные образования, даже наиболее чистые атмосферные воды содержат от 10 до 50 мгр/л растворимых веществ.

Литосфера - внешняя твердая  оболочка Земли, состоящая из осадочных  и магматических пород. В настоящее время земной корой принято считать верхний слой твердого тела планеты, расположенный выше сейсмической границы Мохоровичича (нижняя граница земной коры, на которой происходит резкий скачок скорости сейсмических волн (от 7 до 8—8,2 км/с). Находится эта граница на глубине от 7 (под океанами) до 70 километров (под складчатыми поясами).). Поверхностный слой литосферы, в котором осуществляется взаимодействие живой материи с минеральной (неорганической), представляет собой почву. Остатки организмов после разложения переходят в гумус (плодородную часть почвы). Составными частями почвы служат минералы, органические вещества, живые организмы, вода, газы.

Нижний предел жизни на Земле (до глубины 3 км) ограничен высокой  температурой земных недр, верхний  предел (20 км) - жёстким излучением ультрафиолетовых лучей (всё, что находится на высоте ниже 20 км, защищено от губительного излучения  двадцатикилометровым озоновым слоем). Тем не менее, на границах биосферы можно найти, в основном, лишь микроорганизмы (обычно в виде спор); наибольшая же концентрация биомассы наблюдается  у поверхности суши и океана, в  местах соприкосновения оболочек. Организмы, составляющие биосферу, обладают поразительной  способностью к размножению и  распространению по планете. Совокупная биомасса Земли составляет примерно около 0,01% массы всей биосферы.97% из этого количества занимают растения, 3% - животные. В настоящее время  на Земле известно несколько миллионов  видов живых организмов.

Живое вещество - главная  биогеохимическая сила в биосфере. Живое вещество - совокупность всех живых организмов планеты, численно выраженная в элементарном химическом составе, массе, энергии. Это вещество геохимически чрезвычайно активно, так как при осуществлении процессов питания, дыхания, выделения, размножения оно тесно связано с окружающей средой, благодаря чему почти все химические элементы проходят в общей цепи превращений через биогеохимическое звено. Таким образом, жизнедеятельность организмов - глубокий и мощный геологический процесс планетарного характера. Миграция химических элементов из организма в среду и обратно не прекращается ни на секунду.

В пределах биосферы живое  вещество встречается везде, либо следы  его биогеохимической деятельности. Газы атмосферы (кислород, азот, углекислота), природные воды, равно как и каустобиолиты (нефти, угли), известняки, глины и их метаморфические производные (сланцы, мраморы, граниты и др.) в своей основе созданы живым веществом планеты. Слои земной коры, лишённые в настоящее время живого вещества, но переработанные им в геологическом прошлом, Вернадский относил к области «былых биосфер». Биосфера мозаична по структуре и составу, отражая геохимическую и геофизическую неоднородность лика Земли (океаны, озёра, горы, ущелья, равнины и т.д.) и неравномерность в распределении живого вещества по планете, как в прошлые эпохи, так и в наше время. Максимальное содержание живого вещества гидросферы приурочено к мелководьям, минимальное - к глубинным акваториям (абиссаль); на суше эта неравномерность проявляется в мозаике биогеоценотического покрова (леса, болота, степи, пустыни и др.) с минимумом плотности живого вещества в высокогорьях, пустынях и полярных областях. Элементарная структура активной части современной биосферы - биогеоценоз.

2. Основные этапы эволюции биосферы

Земля появилась около 4,5 миллиардов лет назад, жизнь на ней возникла около 3,8 млрд. лет назад. Австралийскими учеными в древних породах были обнаружены минералы, изотопный возраст которых превышает 4 млрд лет. Следовательно, возраст Земли - более 4 млрд лет. Во время своего образования Земля, вероятно представляла холодное тело, близкое по составу к метеоритам. Материал, из которого она образовалась, содержал радиоактивные элементы. Вещество Земли первоначально характеризовалась однородностью состава.

Вследствие выделения  тепла при гравитационном сжатии  и особенно при радиоактивном распаде недра Земли стали постепенно разогреваться. Однако из-за постоянной потери тепла через поверхность и недостаточности радиогенного тепла полного расплавления Земли не произошло.

В начальные моменты плавки вещества Земли процессы выплавления и дегазации, очевидно, охватывали всю поверхность, которая была относительно ровной  и слагалась лишь материалом излившихся базальтов  и первичным веществом планеты. Однообразие и монотонность ландшафтов нарушалось лишь бесчисленным количеством вулканов да беспрепятственно достигавшими земной коры солнечными лучами.

С течением миллионов лет постепенно менялся облик планеты:  формировались гидросфера и атмосфера. В результате процессов плавления Земли, на ее поверхность выносилась вода и разнообразные газы. За счет этой воды и начала формироваться гидросфера, масса которой постепенно росла, а соответственно увеличивалась и площадь ее поверхности.

С увеличением площадей, покрытых водой, меньше становилось наземных вулканов, и увеличивалось число подводных извержений или вулканических построек в виде очень пологих островов, поднимающихся над водой.

Помимо воды, выделявшейся в виде паров и жидком состоянии, из недр Земли одновременно поступали газы и дымы: метан (CH4), кобальт (CO), сера (S), хлороводород (HCl), бромоводород (HBr)  и др. Одни из них растворялись в водах гидросферы и участвовали тем самым в формировании ее солевого состава; другие же, которые практически не растворялись в воде, образовывали атмосферу.

Одновременно с образованием гидросферы происходило формирование атмосферы. Основными компонентами ее были водяные пары, метан, окись углерода, аммиак, азот, углекислый газ. Состав атмосферы примерно отвечал составу современных вулканических газов. С увеличением объема гидросферы происходило возрастание содержания газов в атмосфере.

С какого-то момента, когда содержание паров воды и газов в атмосфере достигло существенного уровня  стали существовать условия, благоприятствующие возникновению жизни.

Науке известны две основные гипотезы возникновения атмосферы  и гидросферы. Одна из них была описана  выше. На основании этого можно  сравнить ее с другой гипотезой. Если Земля была однажды полностью расплавлена, большая часть воды и многих других веществ одновременно улетучилась тогда в горячую древнюю атмосферу. Позже, когда Земля застыла, водяной пар сконденсировался и образовался первичный океан. Согласно этой гипотезе, современная атмосфера и океан являются простым остатком горячей древней атмосферы. Вторая гипотеза основывается на толковании сложного и сравнительно малоизученного процесса «дегазации» пород в глубоких недрах Земли. Можно наметить два варианта второй гипотезы:

     а) вода и  другие летучие вещества выделились  из недр Земли за очень короткий  период времени на заре земной  истории; 

     б) эти летучие  вещества выделялись из глубин  Земли постепенно и примерно  с одной и той же скоростью  в течение значительного геологического  времени. 

     В итоге молодая Земля была окружена плотной оболочкой паров и газов — праатмосферой, которая существенно отличалась от современной атмосферы не только температурой и давлением, но и прежде всего химическим составом. В нее входили такие же газы, которые выделяются действующими вулканами современной геологической эпохи. Она состояла, по-видимому, из двуокиси углерода, азота, водяного пара, различных углеводородов, аммиака и других газообразных соединений, а также благородных газов. Эта праатмосфера обладала собственно восстановительными свойствами. Облака горячего газа, возможно, полностью окутывали Землю в течение длительного времени. 

     Процесс застывания  и охлаждения земной коры около  4 млрд. лет назад продвинулся  настолько, что постепенно была  достигнута и в конце концов пройдена точка кипения воды — 100°С. Тогда началось осаждение водяного пара из праатмосферы в виде дождей, которые первое время с трудом достигали поверхности Земли вследствие все еще высокой ее температуры и тут же вновь испарялись. Однако после того как поверхность оказалась способной принимать воду, осадки стали выпадать с большей силой и в огромных количествах, при этом вода пропитывала высохшую поверхность. Началось формирование водной оболочки Земли — гидросферы, возникли первые моря. 

     Как атмосфера,  так и гидросфера ранней Земли  являются продуктами вулканизма  и сформировались в результате  дегазации Земли. Масса воды, осаждавшаяся  из атмосферы, вымывала значительную  часть кислот, поэтому первоначальные  моря приставляли собой кислотный раствор. Их преобразование в современный солевой раствор является опять-таки следствием взаимодействия с продуктами разрушения первичной вулканической коры Земли, подвергшимися выветриванию и перенесенными в море. 

     Однако и  восстановительная атмосфера, возникшая  в результате вулканической дегазации,  подверглась процессу постепенного  преобразования, существенное участие  в котором принимали древнейшие  растительные организмы. 

     Из всех  вулканов подводные их представители  должны рассматриваться в качестве  особо благоприятной среды для  образования более высокоорганизованных  молекул из упомянутых выше  газов, они могли сыграть решающую  роль в возникновении жизни  на Земле.

В то время атмосфера была  проницаема для космического излучения в несравненно большей степени, чем сейчас, поскольку основные компоненты современной атмосферы - азот и кислород  - не играли заметной роли, отсутствовал озоновый экран, меньше было паров воды. Можно предположить, что в таких условиях в древней атмосфере должны были постоянно образовываться   сложные органические молекулы   (при особых воздействиях  (ультрафиолетовое излучение, ионизирующее излучение) на смеси газов и паров воды, сходные с возможным первичным составом атмосферы, могут возникать разнообразные органические вещества, которые входят в состав биологических макромолекул). Но эти соединения под влиянием коротковолнового  излучения должны были подвергаться и постоянному разрушению. Ученые предполагают, что образовавшиеся  соединения сохранялись лишь в том случае, если они попадали в водоемы, в которых верхний слой воды был достаточен, чтобы задержать губительную коротковолновую  радиацию.

Таким образом, органические соединения постепенно  могли накапливаться в первичном океане и должны были служить не только  материалом  для создания первых организмов, но и необходимой питательной средой для них. 

 Предполагается, что органические соединения, рассеянные в воде, в результате  бесчисленных взаимодействий друг с другом, периодических образований   привели в конце концов к возникновению специфических скоплений органического вещества. Эти скопления могли не только длительно существовать, но и расти, а затем постепенно обмениваться веществом с окружающей средой, делиться на части себе подобные.  Это момент  был революционным скачком, в результате которого капля органического вещества превратилась в живое существо. Дальше все  было относительно проще, так как не требовалось радикального изменения состояния вещества, а шло лишь усовершенствование живой материи.

Описанная выше схема пути возникновения жизни на Земле  является одной из возможных, и на самом деле модно предположить что все могло быть иначе. Возможно жизнь на самом деле возникла не на Земле. Она могла быть принесена в виде каких-то простейших организмов с метеоритным веществом из космоса, в то время, когда еще не было плотной атмосферы, которая могла сильно разогреть или даже сжечь метеорит.

Принято полагать, что возникновение жизни на Земле и возникновение биосферы с геологической точки зрения явления синхронные. Кислород в небольших количества выделялся вследствие частичной диссоциации молекул вода и углекислого газа.

В процессе  эволюции простейших организмов какой-то организм за счет энергии Солнца  осуществил в своем теле синтез органического водорода, сопровождающийся разложением воды и выделением свободного кислорода. Появился первый автотрофный организм, родоначальник  фотосинтезирующих   растений.  Это событие ознаменовало величайшую революцию в развитии жизни, поскольку именно фотосинтез является двигателем органических процессов.

Эта революция сопровождалась практически уничтожением старого  органического мира. На смену примитивным, малоэффективным в энергетическом отношении организмам, использовавшим энергию брожения, получающуюся за счет уничтожения органических веществ, пришли более совершенные  организмы, которые использовали энергию солнечных лучей и сами создавали органические вещества.

Автотрофные организмы, как  и гетеротрофные, практически мгновенно, в смысле геологического времени, распространились на все пространство Земли.

Ограничивающими факторами  были, вероятно, лишь коротковолновое излучение, которое не давало возможности выйти организмам на сушу, но и делало непригодным для обитания самую поверхностную часть гидросферы, и недостаток  солнечного света в воде не глубине, превышающей несколько десятков метров.

Для первой половины архея  было характерно резкое преобладание  в воде и атмосфере углекислого газа, значительно количество аммиака, а так же вероятно, присутствие метана  и паров соляной, фтористой и серной кислот.

Во вторую половину архея  и в раннем протерозое в атмосфере  и гидросфере уже присутствовал  свободный кислород, увеличилось  содержание азота  и уменьшилось распространение углекислого газа.

Третий этап развития газовой оболочки Земли, начавшийся около 2 млрд. лет назад, качественно отличается от предшествующих ему этапов. Для него характерно полное отсутствие аммиака, преобладание свободного азота, значительное содержание свободного кислорода. Атмосфера имела уже состав, аналогичный ее современному составу.

Полагают, что очень большое воздействие на среднегодовую температуру воздуха на Земле оказывает содержание в атмосфере углекислого газа. Он  пропускает солнечные лучи, но  поглощает основную часть тепловых лучей, идущих от поверхности земли, что препятствует охлаждению Земли и повышает общую температуру на ее поверхности. Наличие углекислого газа  обуславливает так называемый оранжерейный эффект воздушной оболочки Земли.

По мере изменения состава  и массы атмосферы среднегодовая  температура должна была существенно  меняться. В архее она значительно превышала современную. Уже примерно около 2 млрд. лет назад температура должна была быть близкой к современной.

Великие оледенения, аналогичные известному оледенению Европы и Северной Америки и каменноугольному оледенению были в обоих полушариях и позднем протерозое.

Начало кембрийского периода, а следовательно и начало фанерозоя, ознаменовались очень важным событием в развитии органического мира. Впервые появились организмы, обладающие карбонатными, фосфатными  и хитиновыми скелетными образованиями.

Чрезвычайно большую геологическую  роль в кембрии играли археоциаты: морские беспозвоночные животные с  внутренним известковым скелетом очень сложного и тонкого строения, иногда напоминающие вазочки и кубики величиной от нескольких миллиметров до 40см.

Эти животные наподобие кораллов строили на дне  мелких участков морей своеобразные береговые и барьерные  известковые рифы. Они вероятно питались микроскопическим  фитопланктоном, спорами водорослей и бактериями. Археоциаты очень быстро распространились в морях, захватывая средние и небольшие глубины и вытесняя из них обитавшие там водоросли. Археоциаты появились в кембрийском периоде и в этом же периоде вымерли. 

Карбонатным или реже фосфатным  скелетным образованием (двустворчатая  раковина с неодинаковыми створками) обладали плеченогие, одиночные двусторонне-симметричные животные, ведущие прикрепленный образ жизни. Обитали они на морском дне. В кембрии появилась и большая группа древнейших членистоногих - трилобитов, имевших хитиновый панцирь. Это уже были преимущественно ползающие по дну животные

С начала кембрийского периода мир животных, несомненно, начал развиваться очень бурно, сложно, с вымиранием одних групп организмов и появлением других, более многочисленных. В результате к концу кембрия существовали представители почти всех типов животного мира, хотя наиболее распространенными были трилобиты и археоциаты.

Распространено представление, что именно к кембрийскому периоду содержание его в атмосфере достигло почти 1% от содержания его в современной атмосфере. Это привело к образованию у поверхности Земли озонового экрана, благодаря чему  жесткое излучение Солнца стало проникать в верхние слой гидросферы  и животный мир смог проникнуть в крайнее мелководье - наиболее благоприятную для обитания зону. Именно мелководье наиболее благоприятно для образования карбонатных и некоторых фосфатных материалов, поскольку в водах его содержится наименьшее количество углекислого газа, резко повышающего растворимость минералов. Появление у организма того или иного скелета давало им большое преимущество перед бесскелетными формами. Поэтому в процессе борьбы за существование у многочисленных форм организмов стали возникать скелетные образования.

Живые организмы создали свободный кислород на Земле. Увеличение его количества привело к образованию озонового экрана, что расширило границы распространения жизни в гидросфере. Фотосинтез растений стал идти более интенсивно. Увеличилась в связи с этим масса автотрофных организмов и количество выделяемого ими кислорода и поглощаемого углекислого газа. 

На границе криптозоя  и фанерозоя появился новый мощный фактор, повлиявший на эволюцию биосферы - образование осадочных пород вследствие накопления извести в результате жизнедеятельности многоклеточных животных. До этого карбонатные породы образовывались лишь в результате деятельности водорослей.

Этот фактор был полезен  для развития животного мира  в целом, поскольку постоянно приводило к изъятию из гидросферы значительной части углекислого газа. В связи с этим породообразующая роль живых организмов с ходом времени все увеличивалась, что сопровождалось параллельным уменьшением роли водорослей и бактерий в процессах образования биогенных карбонатных отложений.

В конце силурийского периода произошло событие первостепенной важности для всего дальнейшего развития биосферы - появление наземных растений. Это событие стало возможным благодаря тому, что к концу силура содержание кислорода в атмосфере достигло уровня в 10% от современного. Образование озона стало происходить на большой высоте, поэтому ультрафиолетовое излучение солнца уже не должно было оказывать губительное влияние  на организмы, находящиеся на поверхности суши.

 Первой растительностью, появившейся на суше, по мнению Давиташвили и ряда других ученых, была группа растений, которую иногда выделяют  в особый тип нематофитов, являющийся как бы промежуточным звеном между водорослями и сосудистыми растениями.

В среднем девоне уменьшение  содержания углекислого газа  было значительно больше,  чем увеличение кислорода. Животный мир девона  характеризовался пышным расцветом  брахиопод, кораллов, строматопороидей, мшанок. Фауна беспозвоночных в девоне достигла наибольшего расцвета.

Возможно, значительное увеличение содержания в девоне кислорода и уменьшение углекислого газа способствовали   появлению в девоне кистеперых рыб, способных не только поглощать кислород из воды, но и дышать воздухом. Поэтому они могли выползать на сушу и, вероятно являлись предками земноводных позвоночных, которые появились, в конце девонского периода.

Первыми земноводными были стегоцефалы (крышеголовые) - коротконогие, с волочившимся по земле туловищем животные, с головой, покрытой панцирем из массивных костных образований.

Представляется, что происшедшее в девоне увеличение содержания кислорода и уменьшение  концентрации углекислого газа в воздухе благоприятствовали и появлению на суше паукообразных, скорпионов, насекомых.

Наземная растительность этого периода была уже типично лесного типа. Крупные древовидные папоротники, плуановые и хвощовые нередко достигали  до 40 м и более. К концу периода разнообразие растительного мира еще более увеличилось и появились первые хвойные растения.

Нынешняя структура биосферы и границы обитания современных  организмов формировались постепенно, в результате долгой истории Земли, начиная с ее возникновения и  до настоящего времени. Эволюция биосферы диалектически связана с эволюцией  форм живого вещества (организмы и  их сообщества), усложнением его  биохимических функций, совершающихся  на фоне геологической истории Земли. Все компоненты биосферы тесно взаимодействуют  между собой, составляя целостную, сложно организованную систему, развивающуюся  по своим внутренним законам и  под действием внешних сил, в  том числе космических (солнечного излучения, гравитационных сил, магнитных  полей Солнца, Луны и др. небесных тел). Биосфера, возникнув и сформировавшись 1-2 млрд. лет назад (к этому времени  относятся первые обнаруженные остатки  живых организмов), находится в  постоянном динамическом равновесии и  развитии.

3. Итоги эволюции биосферы