Развитие биосферы

Размещено на http://www.allbest.ru

ВОЗНИКНОВЕНИЕ БИОСФЕРЫ

Появление в древнем океане одного жизнеспособного организма могло привести к мгновенному в масштабе геологического времени распространению жизни на Земле. Ведь у живых организмов не было никаких соперников, а пищи в виде разнообразных органических веществ - целый океан. В связи с этим 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.

ПОЯВЛЕНИЕ АВТОТРОФОВ

Но вот 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 на глубине, превышающей несколько десятков метров.

ИЗМЕНЕНИЕ СОСТАВА АТМОСФЕРЫ

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 CO2.

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.

ЭВОЛЮЦИЯ ЖИВОГО ВЕЩЕСТВА И КЛИМАТ

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 CO2 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.

РАЗВИТИЕ БИОСФЕРЫ В ФАНЕРОЗОЕ

Развитие животных со скелетными образованиями

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

В общем 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.

С чем связано появление на границе докембрия и кембрия организмов с карбонатными и фосфатными скелетами, до сих пор точно не ясно, но главная причина - изменение содержания кислорода в атмосфере. 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.

Основные итоги развития биосферы

Итак, 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.

Появление наземных растений

По-видимому, 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. биосфера эволюция автотроф

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.

Можно полагать, что нематофиты произрастали в прилежащей к морю полосе суши. Остатки нематофитов встречены в отложениях позднего силура и девона.

В верхнесилурийских отложениях известны остатки и древнейших сосудистых растений - псилофитов. Это были очень своеобразные споровые растения, имевшие вид невысоких кустарников без листьев. Эти растения не могут быть названы деревьями, а их скопления - лесом, тем более, что у этих растений тело еще не было дифференцировано не только на листья, но и даже на стебель и корень. Был лишь многократно ветвящийся вверху и внизу ствол.

Псилофитовая флора может рассматриваться как следующий шаг, после появления нематофитов, эволюции растений. Появившиеся в дальнейшем новые типы споровых наземных растений ( плуановые, членистостебельные, папоротники ) уже более интенсивно наступали на сушу и постепенно захватывали ее.

В среднем девоне уменьшение содержания углекислого газа было значительно больше, чем увеличение кислорода.Животный мир девона характеризовался пышным расцветом брахиопод, кораллов, строматопороидей, мшанок. В общем 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) - неуклюжие, 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.

Третья фаза

Древняя биосфера. Эволюция прокариотической мира. Возникновение биологического круговорота веществ. Формирование кислородной атмосферы. Эта фаза эволюции нашей планеты началась примерно 3,8-4 млрд. лет назад. Остатки первых живых организмов (их возраст составляет 3,8 млрд. лет) дошли до нас в виде так называемых строматолитов - известняковых остатков сине-зеленых водорослей и актиномицетов, а также в виде осадочных пород; у которых слои двухвалентного железа чередуются со слоями окисленного трехвалентного, подобно тому, как это сейчас наблюдается в "микробных матах" на побережьях многих субтропических морей.

Первые живые организмы имели примитивную - прокариотическая - устройство, были анаэробами, т.е. организмами, которые существуют в бескислородной среде. Они жили в морях, "скрываясь" на глубине от губительного ультрафиолетового излучения Солнца, поскольку на планете еще не существовало защитного озонового слоя. Необходимые для жизни энергию и вещества первые жители Земли доставали, используя готовые органические соединения первичного бульона, т.е. были гетеротрофами. Такая "потребительская" стратегия жизни, основанной на использовании ограниченных запасов органических веществ, накопленных в течение длительного предбиологической истории, могла бы привести к полной переработки всего низькоентропийного и энергетически ценного материала в отходы и в конце концов - к гибели всего живого.

Однако кризис не наступил, потому что среди огромного разнообразия способов добывания энергии и питательных веществ, которые "испытывались" в древнем мире прокариот, быстро появился принципиально новый тип питания - автотрофный. Организмы-автотрофы для построения своих клеток не использовали готовые органические вещества, а сами синтезировали их из неорганических - углекислого газа, воды, азотсодержащих и фосфорсодержащих соединений. Такие процессы требовали значительных энергетических затрат. Необходимую энергию автотрофы доставали или за счет окислительных реакций - в процессе хемосинтеза, либо в результате прямого улавливания и преобразования лучистой энергии Солнца - фотосинтеза.

Первые автотрофные организмы, видимо, были Хемосинтезуючи и доставали нужную энергию, окисляя или серу в сероводороде к молекулярной серы, или двухвалентное железо до трехвалентного и т. п. Но настоящая революция в юной биосфере началась с появлением фотосинтезирующих бактерий - цианобактерий (синезеленых водорослей), которые "научились" использовать мощное и стабильное в планетарном масштабе источник энергии - солнечный свет.

С появлением автотрофов на планете замкнулся цикл биологического круговорота веществ, и на миллиарды лет отступила угроза энергетического и пищевого голода. Автотрофы, способные синтезировать органические вещества из неорганических, получили общее название - продуценты, а гетеротрофы, которые разлагают органические соединения до неорганических, - редуценты. Вместе возникла еще одна группа организмов, которые использовали готовые органические вещества, не разлагая их до минеральных, а трансформируя в другие органические вещества. Эту группу потребителей - трансформаторов готовой органики - называют консументами. Первыми консументами были бактерии, питались органикой погибших продуцентов (так называемый сапротрофных тип питания) или вели паразитический образ жизни внутри клеток продуцентов или консументов-сапротрофы.

С тех пор эстафету жизни начинали автотрофы-продуценты, которые из углекислого газа и воды с помощью солнечного света или энергии окислительно-восстановительных реакций создавали молекулы простых сахаров. Далее сахара полимеризувалися в полисахариды или трансформировались в аминокислоты, нуклеотиды, жирные кислоты, глицерин и т.п., из которых образовывались белки, нуклеиновые кислоты, жиры и другие необходимые для клетки компоненты. С точки зрения второго закона термодинамики, продуценты создавали низко-энтропийные соединения, используя для этого поглощенную лучистую энергию.

Эти низькоентропийни, а следовательно, высокоэнергетические соединения - органические вещества - в дальнейшем потреблялись консументами. Обычно консументы сначала поглощали сложные органические вещества, а затем частично раскладывали их на более простые, например, полисахариды - на простые сахара, освобождая энергию, необходимую для поддержания своей жизнедеятельности. Добытая энергия расходовалась на трансформацию остатков использованных сложных органических веществ в другие необходимые вещества и на поддержание процессов метаболизма организмов-потребителей.

И наконец, органическое вещество отмерших продуцентов и консументов потреблялась редуцентами. Древние редуценты, в отличие от консументов, выделяли во внешнюю среду ферменты (так называемые экзоферментов), что раскладывали сложные органические соединения на более простые, а затем поглощали эти простые соединения. Внутри клеток большую часть поглощенных простых органических соединений редуценты окиснювалы к минеральным веществам, получая необходимую энергию, а из остатков создавали нужные для себя сложные органические вещества.

Следовательно, живая, вещество (биота) - продуценты, консументы и редуценты - образовала цепь питания (трофическая цепь), который через неживую вещество - минеральные соединения - замкнулся в круг. С тех пор продуценты синтезировали органические вещества из неорганических, консументы их трансформировали, а редуценты раскладывали в минеральных соединений, которые затем снова потреблялись продуцентами для процессов синтеза. Из потока веществ в этом кругу образовался биологический круговорот веществ Геологический и биологический круговороты веществ вместе составили биогеохимический круговорот, соединив в нем одновременно огромную мощность первого и чрезвычайные скорость и активность другого.Биогеохимический круговорот "налаживался" примерно 1,5-2 млрд. лет, затем стабилизировался, существенно не изменяясь в течение более 2 млрд. лет - до сих пор.

Появление фотосинтезирующих продуцентов, кроме всего прочего, имела одно важное следствие - на Земле сформировалась кислородная атмосфера, которая определила дальнейшие этапы эволюции планеты и биосферы.

Почти все первичные прокариотическая организмы были анаэробами. Кислород, жизненно необходимый подавляющем большинстве видов, существующих ныне, для древних организмов был одним из сильнейших ядов. Чрезвычайно активный окислитель, свободный кислород, разрушал, дезактивував, "сжигал" большинство ферментов древних бактерий-анаэробов, поэтому они получали энергию только за счет бескислородных и низкоэффективных процессов брожения и расщепления простых сахаров - путем гликолиза. Однако именно кислород выделяли в процессе фотосинтеза первичные продуценты-фотоавтотрофы - синезеленые водоросли. Поскольку за высокой вулканической активности планеты древние моря были очень теплыми, то лишь незначительное количество этого кислорода растворялось в воде Мирового океана. Основная масса кислорода накапливалась в атмосфере, где наконец окисляла метан и аммиак в углекислый газ, свободный азот и его окислы. С дождями углекислый азот и азотные соединения попадали в океан и там потреблялись продуцентами. Постепенно кислород заместил в атмосфере метан и аммиак. Часть кислорода под воздействием солнечного света и электрических разрядов в атмосфере превращалась в озон. Молекулы озона, концентрируясь в верхних слоях атмосферы, прикрыли поверхность планеты от пагубного воздействия ультрафиолетового излучения, уходило от Солнца. В настоящее время в Мировом океане среди бактерий возникли виды, способные сначала только защищаться от растворенного в воде кислорода, а в дальнейшем "научились" использовать его для окисления глюкозы и получения дополнительной энергии. На смену низкоэффективным процессам брожения и гликолиза пришел энергетически гораздо выгоднее процесс кислородного расщепления простых сахаров. Организмы, доставали энергию этому пути, не только не травились кислородом, а наоборот, имели от него польза. Такие организмы назван аэробными. Поскольку слой озона защищал теперь клетки от ультрафиолетового излучения, аэробы начали колонизацию богатых кислородом поверхностных слоев Мирового океана и его мелководий - шельфа. Живое вещество заселила всю гидросферу.

Четвертая фаза

Возникновение эукариот. Заселение суши. Современная биоразнообразие органического мира. Эта важная фаза в развитии нашей планеты и ее биосферы ознаменовалась возникновением существ принципиально нового типа - построенных из эукариотических клеток. Эукариотические клетки значительно сложнее прокариотическая. Они дифференцированы на системы определенных органоидов (ядро, митохондрии, эндоплазматическая сеть, комплекс Гольджи, лизосомы, хлоропласты и др.), способные к митоза, мейоза и полового процесса, могут питаться путем фагоцитоза и пинозитозу и т. д. Благодаря способности к половому процессу эукариоты эволюционируют гораздо быстрее прокариот и имеют больший адаптивный потенциал, а следовательно, лучше приспосабливаются к изменениям условий существования. Считают, что эукариотическая клетка возникла примерно 1,2 млрд. лет назад в результате серии симбиозов различных прокариотических клеток, одни из которых дали начало клетке-хозяину, другие - трансформировались в митохондрии и хлоропласты. Первые эукариоты были гетеротрофними одноклеточными организмами. Они, путем привлечения к своей клетки прокариотических фото-автотрофов, положили начало эукариотических одноклеточным водорослям. В дальнейшем от автотрофных и гетеротрофных эукариот отделилось несколько групп грибов. Кроме того, одноклеточные гетеротрофные прокариоты являются родоначальниками многоклеточных беспозвоночных животных.

За сравнительно короткое время - несколько десятков миллионов лет - эукариоты "переоткрыты" багатоклитиннисть, "открыли" тканевую строение, и около 430-415 млн. лет назад первые растения - потомки водорослей, а вслед за ними и разнообразные животные и грибы вышли на сушу, завершая колонизацию всей поверхности нашей планеты.

С выходом живого вещества на сушу ускорились процессы выветривания горных пород. С тех пор не только колебания температуры, дожди и ветры разрушали горные массивы, но и огромная армия растений, бактерий, грибов и лишайников измельчали, разрыхляли, растворяла минералы. Консументы-животные, потребляя продуцентов, быстро переносили помещены в органическом веществе элементы на значительные расстояния, редуценты высвобождали, раскладывали, перевидкладалы органику консументов. Часть высвобожденных минеральных и напивперероблених органических веществ трансформировалась в гумус, образуя плодородные биокосные системы - почвы. То, что не возвращалось в биологический круговорот или не запасалось в почве, смывалось дождями в реки и выносилось в Мировой океан, где потреблялось, концентрировалось или пере откладывалось в виде осадочных пород жителями гидросферы. Тектонические перемещения земной коры медленно выносили осадочные породы на поверхность, делая накопленные в них вещества вновь доступными для живого вещества литосферы.

По оценкам, на протяжении всей истории существования биосферы в биогеохимический кругообизи участвовало не менее 1,5 млрд. видов живых существ, подавляющее большинство которых возникла в течение четвертой фазы истории Земли. При этом одни вилы постепенно, а иногда и внезапно, вымирать вследствие локальных или глобальных катаклизмов или постепенно вытеснялись новыми, более приспособленными к данным условиям существования. За мутации, разнообразные процессы, связанные с переносом генов и симбиоз, под действием естественного отбора виды менялись, порождая новые. Сегодня человеку известно более 1,7 млн. видов, существующих сейчас на нашей планете: около 30 тыс. видов прокариот, 450 тыс. видов растений, 100 тыс. видов грибов и 1 млн. 200 тыс. видов животных (из них более 1 млн. видов - насекомые). Однако даже по очень осторожным оценкам, это составляет менее 10% числа видов, которые действительно живут вместе с нами на Земле. Доля нашего вида - homo сапиенз - в общем генофонде планеты не превышает 0,00006%.

Размещено на Allbest.ru