Венцом творчества В.И. Вернадского стало учение о ноосфере, т.е. сфере разума

Основным движущим фактором развития процессов в биосфере является биохимическая энергия живого вещества.

Грандиозный геологический эффект деятельности организмов обусловлен тем, что их количество бесконечно велико и действуют они практически в течение бесконечно большого промежутка времени.

В течение всей геологической истории Земли никогда не наблюдались азойные геологические эпохи (т.е. лишение жизни). Следовательно, современное живое вещество генетически связано с живым веществом прошлых геологических эпох.

Тема 7. Основные тенденции в эволюции биосферы

Эволюция биосферы на протяжении её истории осуществлялась под влиянием трех главных факторов:

- естественных геологических и климатических изменений на планете;

- изменений видового состава и количества живых существ в процессе биологической эволюции;

- человеческое общество (добавился в третичном периоде кайнозойской эры).

В жатом виде идеи В.И. Вернадского об эволюции биосферы могут быть сформулированы следующим образом:

1. Вначале сформировалась литосфера – предвестник окружающей среды, а затем после появления жизни на суше – биосфера.

3. Живые организмы – главный фактор миграции химических элементов в земной коре, “по крайней мере, 90% по весу массы ее вещества в своих существенных чертах обусловлено жизнью”.

В.И.Вернадский выделял следующие тенденции в эволюции биосферы:

1. Расширение области жизни

Он писал: «Биосфера не есть нечто неподвижное... Это проявляется в расширении области жизни, т. е. биосферы, в геологическое время. Вырабатываются организмы, которые, приспосабливаясь к условиям безжизненных областей, их заселяют: процесс расширения идет быстро в ходе геологического времени”.

Также он допускал, что «Процесс освоения жизнью новых областей продолжается и в наши дни».

2. Увеличение биомассы в ходе развития биосферы

С одной стороны, он считал, что: «Объем живого вещества предопределен количеством химических элементов, пригодных для использования в биологических процессах, а это количество постоянно. Поэтому, общее количество живого вещества должно было оставаться примерно одинаковым в течение всего геологического времени»

С другой стороны, он допускал возможность увеличения биомассы в эволюции биосферы. Об этом свидетельствуют его многочисленные высказывания о непрерывной экспансии жизни по поверхности Земли, об образовании все более сложных и продуктивных экосистем, об усложнении циклов миграции химических элементов и т. д.

Такая несогласованность в высказываниях Вернадского обусловливалась тем, что Вернадский:

- не смог правильно оценить распределение живого вещества на суше и в океане

- у него не было никаких количественных данных для решения вопроса об изменении биомассы биосферы во времени

- не имел возможности (механизмов) точного подсчета всей биомассы нашей планеты (в разные годы приводил разные цифры)

3. Возрастание организованности биосферы.

Он писал, что: «Возможно, это вызвано тем, что в процессе коренных перестроек биосферы сохранялись прежде всего те группы организмов, которые были устойчивы к воздействию астрономических и геологических факторов. Возрастание целостности и автономности элементарных компонентов в биосфере в целом способствовало и увеличению ее организованности».

4. Роль живого вещества в становлении и стабилизации поверхностных оболочек Земли

Он писал: «На земной поверхности нет химической силы, более постоянно действующей, а потому и более могущественной по своим конечным последствиям, чем живые организмы, взятые в целом».

«Живое вещество охватывает и перестраивает все химические процессы биосферы, его энергия по сравнению с энергией косного вещества... огромна. Живое вещество есть самая мощная геологическая сила, растущая с ходом времени»

Решающая роль живого в эволюции биосферы особенно ярко, проявилась:

- в формировании и стабилизации газового состава атмосферы,

- в превращении восстановительной обстановки на нашей планете в окислительную,

- в преобразовании химической и минералогической структуры литосферы,

- в детерминации химической активности природных вод и общего термодинамического баланса биосферы

5. Накопление энергии в биосфере

Он писал: «Живое вещество является регулятором действенной энергии биосферы. Оно собирает солнечную энергию и передает ее глубоким слоям земной коры в виде химических соединений: в первую очередь углеродистых тел и карбонатов, способных при определенных условиях обеспечить выделение свободной энергии»

Он сформулировал основные способы увеличения количества энергии в биосфере:

- фотосинтез и выделение кислорода, обладающего высокой химической активностью

- захват растениями новых областей и превращение их в области аккумуляции солнечной энергии при фотосинтезе

- аккумуляция солнечной энергии в горючих ископаемых и биогенных минералах.

6. Возникновение новой формы миграции химических элементов.

Он считал, что:

- Функции, связанные с питанием, размножением и дыханием организмов в биосфере существовали изначально.

- При появлении животных со сложным поведением возникла новая функция, связанна с перемещением атомов в процессах преобразования внешней среды в соответствии с их потребностями.

- Например: деятельность роющих животных, постройка муравейников, ульев, гнезд и т.д. – все это примеры возникновения качественно новой формы биогеннной миграции атомов в ходе эволюции биосферы.

- Наибольшего развития такая форма биогенной миграции достигла в связи с деятельностью и потребностями человека.

7. Биосферные адаптации

Он писал: «Жизнь сама как бы создает себе защиту – один из многих примеров приспособленности, при участии жизни, биосферы для жизни…..»

Важнейшей биосферной адаптацией он считал - возникновение озонового экрана в ходе фотосинтезирующей деятельности растений, защитившей жизнь от губительного действия ультрафиолетового излучения.

Другой важной адаптацией он считал – способность растений улавливать солнечную энергию и переводить ее в формы, пригодные для обеспечения самых разнообразных биосферных процессов.

Современная наука выделяет следующие тенденции эволюции биосферы:

1. Увеличение общей биомассы и продуктивности.

Оценки продуктивности всей биосферы в целом носят очень приблизительный характер. Однако, к началу 60-х годов большинство ученых было согласно с тем, что валовая продукция живого вещества континентов значительно превышает валовую продукцию океана.

Так, при сравнении первичной продукции океана, которая по оценкам современных ученых изменяется в пределах: 45 – 60 млрд. т. (Г. Г. Винберг, 1983) с первичной продукцией континентов за год, которая равна 172,5 млрд. т (Н. И. Базилевич, Л. Е. Родина, Н. Н. Розова,1970), становится очевидным, что продуктивность биосферы, а следовательно, и количество вовлекаемых за год в биотический круговорот химических элементов увеличилось, по крайней мере, в три – четыре раза.

Более убедительно сравнение биомассы в экосистемах, различающихся по геологическому возрасту. В океане, биологическая структура которого сложилась в конце палеозоя, биомасса равняется 3,42 млрд. т сухой массы (Богоров, 1969, 1970). В более молодых наземных биогеоценозах биомасса составляет 1.8 · 10¹² т (Рябчиков, 1971), 2.42 · 10¹² т (Базилевич и др., 1970), 2.63 · 10¹² т (Суетова, 1976) или даже 3.1 · 10¹² - 1.0 · 10¹³ т (Ковда, 1973).

Иначе говоря, даже при столь значительных различиях в оценке биомассы континентов, ясно, что «общая биомасса Мирового океана в общем балансе планеты по весу играет ничтожную роль».

Это является доказательством значительного возрастания биомассы в ходе эволюции биосферы и увеличения количества вещества, включенного в биотический круговорот.

Косвенных доказательств изменения биомассы нашей планеты в ходе эволюции является изменение соотношения между биомассой продуцентов, с одной стороны, и консументов и редуцентов — с другой.

Так, если в океане, древнейшей части биосферы, биомасса продуцентов составляет всего 1/16 часть от общей биомассы организмов океана, то в наземных экосистемах преобладает биомасса растений, которая более чем в 99 раз превышает общую биомассу животных и микроорганизмов.

2. Накопление аккумулированной солнечной энергии в поверхностных оболочках Земли

Увеличение биомассы и накопление ископаемого органического вещества изменяют энергетику биосферы.

По самым грубым подсчетам:

- только в месторождениях горючих ископаемых сконцентрировано более 1 · 10¹³ т органического вещества (Перельман, 1973)

- всего в осадочных породах - от 3,48 · 10¹⁵ т (Вассоевич, 1976) до 1.5 · 10¹⁶ т (Базилевич, 1979).

- энергия, накопленная в осадках, равняется примерно 1 · 10²⁵ Дж (Вольскис, 1982).

Эти цифры позволяют представить, какое колоссальное количество энергии накопилось в земной коре и в почве за всю историю биосферы.

В ходе эволюции биосферы была создана такая структура жизни, при которой распределение энергии по разным уровням и эффективность ее использования на каждом уровне обеспечивают целостность и устойчивость биосферы.

3. Увеличение информационной емкости биосферы

Увеличение информационной емкости биосферы выражается в возрастании ее разнообразия и структурированности.

Для количественной оценки роста информации в биосфере весьма показателен подсчет числа водных и наземных организмов. Так, по данным Камшилова (1974) и Ф. Г. Добржанского (1951):

- число наземных животных составляет 93 %, а водных — только 7 % от общего числа видов в царстве животных

- сходные соотношения существуют и в царстве растений, где наземных видов – 92%, а водных – 8%.

Из этих цифр ясно видно, что с освоением регионов биосферы, отличающихся разнообразием условий, возрастали и возможности видообразования.

При этом лишь немногие формы оказались способными эволюционировать в сложных условиях наземных экосистем.

Примерно 10% из числа классов животных смогли приспособиться к наземной жизни, а остальные остались в гидросфере. Но именно эти 10% дивергировали в удивительное разнообразие видов, дав подавляющее большинство современных видов животных.

То же самое и в царстве растений. Подобное преобладание наземных видов объясняется тем, что „эволюция жизни на суше пошла явно ускоренными темпами”

4. Эволюция биотического круговорота

Увеличение биомассы живого вещества, возрастание энерговооруженности биосферы и ее информационной «емкости» являются сторонами единого процесса – эволюции биотического (биологического) круговорота.

Биотический (иологический) круговорот – это круговая циркуляцияхимических элементов между живыми организмами и внешней средой. Заключается она в поступлении химических элементов из почвы, гидросферы и атмосферы в живые организмы; превращении в них поступивших элементов в сложные органические соединения, а затем возврат этих элементов с отмершими организмами в почву, атмосферу и гидросферу через звено редуцентов.

Впервые эта мысль в самой общей форме была высказана В.И. Вернадским.

Владимир Иванович Вернадский отмечал, что: «Живое вещество, избирательно извлекая из окружающей среды элементы и их изотопы, создает и сохраняет в охваченной им области общепланетарный биотический круговорот».

Эти идеи получили поддержку, прежде всего в работах почвоведов, географов и геохимиков.

Так, например:

Васи́лий Ро́бертович Ви́льямс (1863—1939) советский почвовед-агроном считал, что:

- существует всего один способ придать количественно ограниченному свойство бесконечного – это заставить его вращаться в круговороте, чем и воспользовалась жизнь;

- первые биологические циклы развивались на базе большого геологического цикла круговорота веществ, наиболее ярко проявляющегося в круговороте воды и в циркуляции газов атмосферы;

- формирующиеся трофические отношения в зарождающейся биосфере способствовали изыманию элементов из большого геологического круговорота и вовлечению их в новый, меньший, по сравнению с исходным, биотический круговорот;

- эти элементы начали вращаться «расширяющейся спиралью» в биотическом круговороте;

- постепенно биогенные циклы вещества и энергии приобрели общепланетарный характер, используя при этом особенности геологического цикла

Михаил Михайлович Камшилов (1910 – 1979) – советский биолог, выделил основные этапы в эволюции биотического круговорота (1974):

- круговорот, осуществляемый прокариотными формами;

- возникновение одноклеточных форм;

- усложнение циклической структуры жизни в результате надстройки трофических отношений из многоклеточных животных, растений и грибов;

- превращение биотического круговорота в общепланетарный процесс в связи с завоеванием жизнью суши;

- усложнение и расширение области действия биотического круговорота с завоеванием доминирующего положения в биосфере гомойотермными животными;

- возникновение человеческого общества и, наконец, переход к биотическому круговороту, сознательно регулируемому действиями людей.

- в конечном счете, человек выходит за пределы круговорота Земли, проникая в космическое пространство.

Характерной чертой в эволюции биотического круговорота является то, что:

- жизнь, извлекая из окружающей среды необходимые вещества и обогащая ее продуктами жизнедеятельности и свободной энергией, неизбежно изменяет свои условия существования;

- поэтому она должна постоянно приспосабливаться ко всем новым и новым созданным ею же условиям существования;

- и вместе с ней неизбежно должен меняться и биотический круговорот.

При этом:

- в силу самой природы жизни, биотический круговорот не может быть полностью замкнутым;

- последующие витки круговорота не совпадают с предыдущими;

- биотический круговорот оказывается спиралью – великой спиралью жизни

Стадии развития биосферы.
А – большой абиотический круговорот, Б – биосфера, Ч - человечество.

В основе современного биотического круговорота:

- лежит круговорот продуцентов и редуцентов из числа бактерий, низших грибов и других древних групп, над которыми надстроены этажи из многоклеточных растений и животных, связанных трофическими, средообразующими, конкурентными отношениями, а также отношениями взаимоблагоприятствования и кооперации.

Эволюция биотического круговорота предстает как:

- прогрессирующая дифференциация форм живого, где наряду со старыми формами постоянно возникают все новые и новые;

- это не только усложняет структуру биотического круговорота, но и повышает надежность его функционирования, при этом постоянно ускоряется темп эволюции.

Важными характеристиками сложившегося биотического круговорота являются:

- соотношения численности различных видов в биосфере (например: численность видов животных (1 млн.) почти в четыре раза превышает численность всех видов растений (265,5 тыс.)

- соотношения численности в пределах отдельных царств и таксонов (например: покрытосеменные, насчитывают 150 тыс. видов; грибы - 70 тыс., мхи -15 тыс., а водорослей всего 14 тыс. видов.

!!! Столь значительное преобладание наземных форм над водными явно свидетельствует о том, что завоевание жизнью суши привело к усложнению биотического круговорота.

5. Саморегуляция биосферы и биосферные адаптации

Саморегулирование биосферы Земли обеспечивается живыми организмами. Так Станисла́в Семёнович Шварц (1919— 1976) — советский зоолог и эколог, считал, что многообразие живых организмов повышает вероятность сохранения геохимических и энергетических функций биосферы в случае каких-то катастроф планетарного масштаба.

Примеры саморегуляции и адаптации биосферы:

1. Мировой океан. Реки ежегодно приносят в него 1,5 млн. т. карбоната кальция, а солевой состав воды существенно не меняется. Организмы используют карбонаты для построения своих скелетов, а после их смерти карбонаты опускаются на дно. Так, путем создания «кальциевых покровов» стабилизируется состав океанических вод. Этот механизм действует в биосфере уже многие миллионы лет и обеспечивается живыми организмами.

2. Преобразование суши в связи с выходом жизни из воды стало приспособлением к дальнейшему развитию жизни и биосферы.

3. Фотосинтез растений явился механизмом накопления активной биохимической энергии в массах органического вещества, в форме почвенного гумуса, в виде ископаемых горючих материалов, как бы гарантируя удовлетворение запросов организмов на случай стрессовых условий и неблагоприятных периодов.

4. Ограниченность ресурсов азотно-углеродного, водного, воздушного, минерального питания живое вещество преодолело путем создания почвенного покрова.

5. Характерной особенностью биосферы является мозаичность строения. Она функционирует в виде отдельных экосистем, представляющих собой комплекс взаимосвязанных организмов разных видов и изменяемой ими абиотической среды, обладающий способностью к саморегуляции и полному самовозобновлению биоты.

6. Неоднородность частей и элементов биосферы - обуславливает их неразрывное взаимодействие в рамках целого и исключительную степень зависимости частей друг от друга.

Семинар 6: Общие закономерности

Дата добавления: 2015-06-27