Учение о биосфере и ее эволюции

Биосфера

Совокупность всех биогеоценозов (экосистем) нашей планеты создает глобальную гигантскую экосистему, называемую биосферой (от греческого биос - жизнь) - область системного взаимодействия живого и косного вещества планеты. Понятие “биосфера” без самого употребления этого термина было сформулировано еще в начале 19 века Жаном-Батистом Ламарком. В 1875 году австрийский геолог Э. Зюсс впервые ввел в научную литературу современный термин «биосфера», понимая под ним область взаимодействия основных оболочек Земли: атмосферы, гидросферы и литосферы, где встречаются живые организмы. При этом учитывается преобразующая деятельность организмов не только в настоящее время, но и в прошлом.

Вещество биосферы состоит по Вернадскому В.И. “из семи глубоко разнородных природных частей”:

1. Совокупность живых организмов (живое вещество);

2. Биогенное вещество, созданное и перерабатываемое жизнью и являющееся источником энергии (каменный уголь, нефть, торф и т.д.);

3. Косное вещество (твердое, жидкое и газообразное...), “образуемое процессами, в которых живое вещество не участвует”;

4. Биокосное вещество - создается “одновременно живыми организмами и косными процессами”, например вода, почва, кора выветривания и т.д. (организмы играют главнейшую роль);

5. “ Вещество, находящееся в радиоактивном распаде... Мы здесь имеем дело с химическими элементами сложного изотопного состава, пронизывающими все вещества биосферы и идущими внутрь...”;

6. Рассеянные атомы, “которые непрерывно создаются из всякого рода земных веществ под влиянием космических излучений”;

7. Вещество космического происхождения.

Апобиосфера

60.000 м

Парабиосфера 20.000 м

8.848 м Эверест

Атмосфера

Педосфера

0 м

Метабиосфера

Уголь

Биосфера

-1.000 м

Углеводороды

-3.000 м

-10.800 м

Та часть биосферы, где живые организмы встречаются в настоящее время, обычно называют современной биосферой, или необиосферой, а древние биосферы относят к былым биосферам, иначе палеобиосферам или метабиосферам. Примерами последних являются скопления органических веществ (залежи угля, нефти, газа и др.) или запасы других веществ, образовавшихся при участии живых организмов (известняки, ракушечники, некоторые руды и др.).

К природным (физико-химическим) условиям, определяющим границы биосферы, относятся следующие:

1. Достаточность количества кислорода и углекислого газа. Известно, что в Гималаях зона зеленой растительности достигает высоты 6200 метров, однако жизнь не заканчивается и выше. Встречены различные виды насекомых (пауки, ногохвостки, некоторые виды клещей), которые питаются заносимыми ветром органическими остатками. Еще выше живые организмы могут попадаться только случайно, и, скорее всего, они там выжить не могут;

2. Количество влаги, обеспечивающее развитие живых организмов. Отмечено, что даже в сухих пустынях Африки, жизнь не ограничена этим условием: под слоем песка встречаются насекомые, которые могут обходиться без атмосферной и почвенной влаги, получая ее только с пищей. Пища же доставляется сюда чаще всего по воздуху;

3. Благоприятный термический режим, исключающий слишком высокие или низкие температуры. Встречены виды бактерий, которые живут на снегу в Арктике и в скальных породах Антарктиды, а другие - в подземных водах при 100 градусах. Более того, в гидротермах дна океана на глубинах около 3000 метров обнаружены организмы, выдерживающие температуры около 250 градусов.

4. Атмосферное давление. На высотах 7500 - 8000 метров жизнь встречается крайне редко из-за низкого атмосферного давления. Наиболее зависимы от атмосферного давления птицы и летающие насекомые - для большинства из них верхней границей является высота 1000 метров, хотя отдельные виды птиц (орлы, кондоры) могут постоянно жить на высотах 4000 - 5000 метров. С другой стороны, жизнь существует при сверхвысоких давлениях на дне океана до глубины 11.022 метра (в Марианской впадине). И это можно считать нижней границей биосферы.

На самом деле указанные ограничения для необиосферы достаточно условны, поскольку реально они определяются по результатам эксперимента, исходя из самого факта существования жизни. Приведенные примеры, например обнаружение жизни при температурах около 250 градусов, показывают, что граничные условия для существования жизни вполне могут еще больше расширены. Есть, правда, фактор, который, по крайней мере, теоретически, ограничивает существование жизни пространством не выше озонового слоя Земли - это жесткое ультрафиолетовое излучение, разрушающее все живые клетки. Однако и здесь граница достаточно размыта, поскольку озон не концентрируется в тонком слое, а распределен в толще атмосферы (преимущественно в тропосфере и стратосфере) до высоты около 50 км выше уровня моря с концентрационным максимумом на уровне около 30 км. Поэтому интенсивность воздействия ультрафиолетового излучения нарастает постепенно с высотой, снижая одновременно (но не исключая полностью) вероятность существования жизни.

Однако это касается только условий существования необиосферы. Для палеобиосферы ограничения были несколько другими, поскольку образование озонового слоя шло постепенно, и считается, что он окончательно сформировался только около 600 млн. лет назад. В отсутствии озоновой оболочки живые организмы от ультрафиолетового излечения защищала вода, поэтому границей биосферы была, вероятно, граница гидросферы.

Биосфера включает в себя:

- аэробиосферу - нижнюю часть атмосферы;

- гидробиосферу - всю гидросферу;

- литобиосферу - верхние горизонты литосферы (твердой земной оболочки).

Для живого вещества биосферы характерны следующие свойства:

1. стремление заполнить все пространство (давление по Реймерсу и всеядность по Вернадскому);

2. произвольное перемещение в пространстве;

3. наличие специфических химических соединений;

4. разнообразие форм;

5. высокая скорость протекания химических реакций;

6. высокая скорость обновления живого вещества (за всю историю существования Земли общая масса вещества, прошедших через биосферу, в 12 раз превысила массу Земли).

Для живого вещества биосферы характерны следующие функции:

- энергетическая;

- газовая;

- окислительно-восстановительная;

- рассеивающая;

- концентрационная;

- деструктивная;

- средообразующая;

- транспортная.

В живом веществе насчитывается более 2,5 миллионов органических соединений, тогда как в неживом – только около 2 тысяч.

Круговорот веществ в природе приводит к тому, что полная замена происходит:

- для живого вещества за 8 лет;

- для наземных растений за 14 лет;

- для воды в гидросфере за 2800 лет;

- для кислорода в атмосфере за несколько тысяч лет;

- для диоксида углерода за 63 года.

Организмы

Живым организмом называют дискретную открытую самовоспроизводящуюся систему, связанную со средой обменом веществ, энергии и информации. Отличительной особенностью организмов является способность к саморегуляции - сохранению своего строения, химического состава, физических свойств.

Несмотря на разнообразие живых организмов, в природе существует определенная система питания и соответствующая ей структура взаимодействия организмов между собой, стереотипным образом повторяющаяся в различных географических районах и природных средах. С учетом особенностей ассимиляции (усвоения) вещества и энергии различают определенные категории организмов.

Так, животные, птицы, рыбы и тому подобные организмы в отличие от растений и бактерий не способны осуществлять реакции фотосинтеза и хемосинтеза, поэтому получают необходимую для их жизнедеятельности энергию Солнца через органическое вещество, созданное фотосинтетиками, то есть опосредованно. Такие организмы называются гетеротрофами, - “питаемыми другими”, в отличие от автотрофов - “самопитающихся”.

Относящиеся к автотрофам организмы, в основном зеленые растения, создают первичное органическое вещество, продуцируя (производя) его из неорганического, и называются также продуцентами. Из биогенов (веществ, необходимых для существования живых организмов), получаемых из почвы и воды, растения синтезируют все сложные вещества, составляющие их организм. Продуценты очень многообразны - это и микроскопические одноклеточные водоросли, и средних размеров злаки и кактусы, а также гигантские деревья.

Гетеротрофы извлекают энергию за счет окисления получаемого извне готового органического вещества. Их подразделяют на две большие группы:

- консументы, как бы концентрирующие поток энергии в экосистемах;

- редуценты - грибы и гетеротрофные бактерии, минерализующие мертвые органические остатки.

Консументы (от латинского консумо - потреблять) - это самые разнообразные организмы от микроскопических бактерий до громадных синих китов. Однако не все организмы способны ограничиваться потреблением растительной пищи. Многие должны использовать животные белки со специфическим набором аминокислот - это плотоядные животные.

Консументы в зависимости от источника питания делят на следующие группы

- фитофаги (растительноядные);

- хищники (плотоядные);

- эврифаги (всеядные).

Кроме того, консументы подразделяют на ряд групп или на “порядки”. Фитофаги относят к консументам первого порядка (или первичным). Организмы, питающиеся консументами первого порядка, относят к консументам второго порядка (или вторичным). Например, заяц, который ест капусту, это первичный консумент, а волк, охотящийся на зайца - вторичный.

В природе существуют животные, питающиеся консументами второго порядка, то есть консументы третьего порядка, а также консументы четвертого порядка и так далее, причем некоторые виды животных соответствуют нескольким порядкам. Консументы, начиная со второго порядка и выше, могут быть как хищниками, так и эврифагами.

В процессе питания образуются отходы. Многие растения ежегодно сбрасывают листву, отмирает часть их веток. Часть организмов по различным причинам регулярно отмирает. Мертвые растительные и животные остатки называют детритом, а питающиеся ими организмы - детритофагами.

Так или иначе, все созданное органическое вещество должно минерализоваться. Это происходит благодаря наличию особых организмов, специализированных на питании детритом; такие организмы называют редуцентами (от латинского редуцио - возвращать) или деструкторами, окончательно разлагающими сложные органические молекулы на более или менее простые неорганические соединения, которые затем используют продуценты. К ним относятся грибы и бактерии, при этом многие грибы являются деликатесами в пище человека, а, отмирая, они сами превращаются в детрит.

Важным свойством живых систем любого уровня организации, начиная с отдельного организма, является их устойчивость, сбалансированность происходящих в них процессов обмена веществом и энергией между всеми компонентами и внешней средой, вследствие чего организмам свойственно состояние так называемого подвижного равновесия или гомеостаза (от греческого гомео - то же и стасис - состояние).

Различают два вида устойчивости живых систем.

Выносливость (живучесть) - это способность живых систем сопротивляться различным нарушениям или изменениям.

Упругость - способность живых систем самовосстанавливаться после действия внешних нарушений, если они не были катастрофическим. В специальной литературе упругость иногда называют резистентностью (сопротивляемостью), имея в виду способность живого быстро входить в неустойчивое состояние и затем быстро возвращаться к норме, а выносливость - толерантностью.

Резкие изменения характеристик окружающей среды, при которых помехи жизнедеятельности организмов выходят за границы допустимого, называют экологическим стрессом.

Экологические факторы

Каждый организм постоянно находится в прямых или косвенных отношениях с разнообразными компонентами или явлениями окружающей его среды или, иначе, среды обитания, влияющими на состояние и свойства организма. Понятие среда является одним из основных экологических понятий и обозначает часть природы, непосредственно окружающую данные живые организмы, все то, среди чего они живут.

В земных условиях существует четыре типа среды обитания для живых организмов: водная, наземная (воздушная), почвенная, а также тело другого организма, используемое паразитами.

Любой элемент окружающей среды, способный оказывать прямое или косвенное влияние на живой организм, хотя бы на одном этапе его индивидуального развития, называют экологическим фактором.

Экологические факторы принято делить на две категории:

- факторы косной (неживой) природы - абиотические и абиогенные;

- факторы живой природы - биотические или биогенные.

С другой стороны, по происхождению и те, и другие бывают как природными, так и антропогенными, то есть прямо или косвенно связанными с деятельностью человека, который не только меняет режимы природных экологических факторов, и создает новые.

Экологические факторы

Природные

Антропогенные

Косной природы (абиотические, абиогенные)

Живой природы (биотические, биогенные)

Физические

климатические

топографические

космические

механический состав среды

высокотемпературные

Химические (количественный и качественный состав среды)

основные вещества

примеси

токсичные примеси

кислотность

Зоогенные

воздействие животных

Фитогенные

воздействие растений

Микробиогенные

воздействие микробов

Абиотические факторы:

1. Климатические факторы - лучистая энергия Солнца, температура, подвижность (перемещение воздушных, водных и почвенных масс), давление, ионизирующее излучение.

2. Топографические факторы - высота над уровнем моря, экспозиция склона, крутизна склона, рельеф местности.

3. Состав среды - состав водной среды, состав воздушной среды, состав почвы (минеральный состав, вода, воздух).

4. Космические факторы - космическое излучение, межзвездное вещество, цикличность явлений.

5. Высокотемпературные - огонь, пожар.

Биотические факторы - это совокупность влияний жизнедеятельности одних организмов на другие.

Среди них можно выделить такие формы биотических взаимоотношений как симбиоз (кооперация, межвидовая взаимопомощь, комменсализм, мутуализм), антибиоз (конкуренция, хищничество, паразитизм), нейтрализм.

Некоторые закономерности воздействия экологических факторов на организмы:

1. Закон Рюбеля Э. (1930 г.) компенсации (взаимозаменяемости) факторов: “Отсутствие или недостаток некоторых экологических факторов могут быть компенсированы другим близким (аналогичным) фактором”. Недостаток света может быть компенсирован обилием углекислого газа, при построении раковин моллюсков недостаток кальция может быть заменен стронцием.

2. Закон Вильямса В.Р. (1949 г.) незаменимости фундаментальных факторов: ”Полное отсутствие в среде фундаментальных экологических факторов (света, воды, биогенов...) не может быть заменено другими факторами”.

3. Закон Шелфорда В. (1913 г.) толерантности: “Любой живой организм имеет определенные, эволюционно унаследованные верхний и нижний предел устойчивости (толерантности) к любому экологическому фактору”.

Адаптация

Животные и растения вынуждены приспосабливаться к множеству факторов непрерывно изменяющихся условий жизни. Динамичность экологических факторов во времени и пространстве зависит от астрономических, гелиоклиматических, геологических процессов, которые выполняют управляющую роль по отношению к живым организмам. Организмы в процессе эволюции и естественного отбора вырабатывают наследственно закрепленные особенности, обеспечивающие нормальную жизнедеятельность в изменившихся экологических условиях, то есть происходит адапатация организмов к новым условиям.

Адаптация - приспособление организмов (и видов) к среде - является фундаментальным свойством живой природы. Среда обитания любого живого существа, с одной стороны, медленно и неуклонно изменяется на протяжении жизни многих поколений соответствующего биологического вида, а, с другой стороны, среда предъявляет организму разнообразные требования, меняющиеся и в короткие промежутки индивидуальной жизни. Поэтому различают уровни процессов адаптации.

Генетический уровень обеспечивает адаптацию и сохранение жизнеспособности вида в поколениях на основе свойства генетической изменчивости.

Приспособление к сезонным и годичным природным циклам осуществляется с помощью глубоких изменений обмена веществ.

Быстрые изменения в ответ на кратковременные отклонения

факторов среды осуществляются:

- у животных разнообразными нервными механизмами, ведущими к перемене поведения и быстрой обратимой трансформации обмена веществ;

- у растений примером быстрых изменений служат реакции на смену освещенности.

Важнейший экологический принцип гласит: “Выживание вида обеспечивается его генетическим разнообразием и слабыми колебаниями экологических факторов”. Можно добавить, чем более широко распространен вид, тем более он генетически разнообразен.

Адаптация имеет следующие особенности:

- высокая адаптированность к одному из экологических факторов не дает такой же степени приспособления к другим условиям жизни (закон относительной независимости адаптации);

- каждый вид специфичен по экологическим возможностям адаптации; двух идентичных видов не существует (правило экологической индивидуальности, Л.Г. Раменский, 1924 г.);

- вид организмов может существовать до тех пор и постольку, поскольку окружающая его среда соответствует генетическим возможностям приспособления к ее колебаниям и изменениям

(правило соответствия условий среды обитания генетической предопределенности организма).

Дата добавления: 2014-01-04