Роль організмів в еволюції біосфери

Размещено на http://www.allbest.ru/

Роль організмів в еволюції біосфери

1. Еволюція біосфери

Біосфера -- це не тільки сфера поширення життя, але й результат його діяльності. Починаючи з моменту зародження, життя постійно розвивається й ускладнюється, впливаючи на навколишнє середовище, змінюючи його. Отже, еволюція біосфери протікає паралельно з історичним розвитком органічного життя.

Біосфера перебуває в постійній динамічній рівновазі й розвитку. На початковому етапі розвитку біосфери живі організми використовували органічні сполуки первісного океану. Вуглекислий газ, як побічний продукт обміну речовин, виділявся в атмосферу.

Живі організми досить швидко використовували запаси органічних речовин первісного океану. Перевагу отримали й широко розмножилися мікроорганізми, наприклад метанові бактерії, здатні синтезувати органічні сполуки з вуглекислого газу та наявного в атмосфері водню. У результаті утворювався метан і вивільнялася енергія, що використовувалася для процесів життєдіяльності мікроорганізмів. Метан надходив в атмосферу й під дією ультрафіолетового випромінювання перетворювався на водорозчинні органічні сполуки, які знову повертались у воду.

У той час, на думку вчених, у складі атмосфери концентрація метану, що визначалася життєдіяльністю організмів, залишалася приблизно на одному рівні.

Такий стан міг зберігатися доти, доки в земній атмосфері була значна кількість водню. Коли ж запаси газоподібного водню виснажилися, метанові бактерії вже не могли переробляти вуглекислий газ на метан і в такий спосіб втратили джерела енергії для синтезу власних поживних речовин.

Необхідно було знайти джерело отримання енергії. Ним став фотосинтез. У перших фотосинтезуючих мікроорганізмів, як і в сучасних ціанобактерій, фотосинтез протікав без виділення кисню. На наступному етапі еволюції з'явилися організми з більш досконалим механізмом фотосинтезу, у результаті якого як побічний продукт в атмосферу почав виділятися кисень. Це призвело до зміни складу атмосфери Землі, у ній ставало все більше й більше кисню.

Кисень -- сильний окиснювач і згубний для анаеробних (тих, що живуть у безкисневому середовищі) організмів. Тому для живих організмів того часу він був сильною отрутою. Практично кисень став забруднювачем атмосфери, що призвело до екологічної кризи. Живі організми повинні були загинути або пристосуватися до нових умов середовища. У них почали з'являтися різні механізми знешкодження отрут. Деякі з них виконують у сучасних живих організмів зовсім інші функції. Наприклад, учені вважають, що біохімічний механізм, за допомогою якого світлячок виробляє світлову енергію, з'явився в давніх організмів як засіб знешкодження згубного впливу кисню. Урешті-решт природа шукає найбільш раціональний шлях розв'язання цієї проблеми. Живі організми вже не боролися проти кисню, а використовували його для отримання енергії. З'явився процес дихання.

Фотосинтез відіграв величезну роль у розвитку органічного світу та еволюції біосфери.

Перші живі організми розвивалися у воді, яка захищала їх від згубного впливу ультрафіолетових променів. Кисень, що виділявся в процесі фотосинтезу, у верхніх шарах атмосфери під дією ультрафіолетових променів перетворювався на озон (його молекула містить три атоми кисню ). У міру накопичення озону відбулося утворення озонового шару, що, як екран, надійно захистив поверхню Землі від згубної для живих організмів ультрафіолетової сонячної радіації. Це дозволило живим організмам вийти на сушу й заселити її.

Для підтримання життєдіяльності одній клітині необхідно відносно мало енергії. Але чим складніший організм, тим більше енергії він потребує. З появою дихання ця проблема була розв'язана. Процес дихання забезпечив організми енергією, що дало поштовх до виникнення багатоклітинних організмів, їхнього подальшого розвитку та ускладнення.

У процесі дихання організми споживали кисень і виділяли відповідну кількість вуглекислого газу, що використовувався для синтезу органічних речовин під час фотосинтезу. Поступово між фотосинтезуючими організмами й гетеротрофами встановилася рівновага, що призвело до стабілізації нового складу атмосфери. Сформувалися сучасні кругообіги вуглецю й кисню. Таким чином, завдяки життєдіяльності організмів у біосфері безупинно протікають процеси синтезу й розпаду органічних речовин і відбуваються кругообіги речовин, що забезпечують стабільність функціонування біосфери. На різних етапах розвитку біосфери співвідношення процесів синтезу й розпаду змінювалося. У початковий період розвитку біосфери процеси синтезу переважали над руйнуванням. Це призвело до того, що з первісної атмосфери у великій кількості були вилучені метан, сірководень, вуглекислий газ, а концентрація вільного кисню, якого колись у ній не було, досягла сучасного рівня -- 21 %.

Наприкінці мезозою -- початку кайнозою між цими процесами в біосфері встановилася відносна рівновага.

Близько 2,5 млн років тому з'явилися перші люди -- далекі предки сучасної людини. Спочатку люди були мисливцями й збирачами. Однак унаслідок удосконалення знарядь полювання людство досить швидко, мабуть, усього за два-три тисячолітя, винищило великих копитних, печерних ведмедів і мамонтів -- основу свого харчового раціону того часу. Полювання не могло вже забезпечити їжею людей. Людина опинилася на межі голодної смерті й була приречена на вимирання. Вона могла б і зовсім зникнути з лиця планети, як зникло багато біологічних видів, наприклад шаблезубі тигри.

Однак доля людини виявилася інакшою. Людина почала займатися землеробством, а трохи пізніше й скотарством, тобто вона здолала екологічну кризу, створивши штучний кругообіг речовин у природі.

Людство почало створювати фактично штучне середовище свого існування (поселення, житла, одяг, продукти харчування, машини тощо). Із цього часу еволюція біосфери вступила в нову фазу, де людський фактор став потужною рушійною силою.

З появою промисловості процеси руйнування в атмосфері почали переважати над процесами творення, причому ці тенденції стають усе більш виразними. Біосфера перебуває на межі нової екологічної кризи. Її наслідки можуть бути катастрофічними для людства. Щоб запобігти лиху, необхідно не тільки змінити промислові технології, але й -- у першу чергу -- перебудувати власну свідомість.

2. Роль живих організмів в утворенні осадових порід

Важливим фактором цієї еволюції є самі живі організми. З моменту свого виникнення вони розширювали межі біосфери, змінювали її склад. У результаті їхньої діяльності за мільярди років з'явилися гірські породи й корисні копалини органічного походження, повністю перетворена атмосфера Землі (зокрема утворений озоновий екран, що захищає все живе на Землі від згубних ультрафіолетових променів), постійно змінювався рельєф місцевості.

3. Стабільність біосфери

Стабільність біосфери -- це здатність біосфери протистояти зовнішнім (космічним) і внутрішнім збурюванням, включаючи будь-які антропогенні впливи.

Біосфера є величезною, надзвичайно складною екологічною системою, що функціонує в стаціонарному режимі на основі регуляції всіх її частин і процесів. Стабільність біосфери ґрунтується на високій різноманітності живих організмів, окремі групи яких виконують різні функції в підтриманні загального потоку речовини й розподілі енергії; на щонайтіснішому переплетенні й взаємозв'язку біогенних та абіогенних процесів, на узгодженості циклів окремих елементів. У біосфері діють складні системи зворотних зв'язків і залежностей.

У кожній екосистемі відбувається кругообіг речовини як результат екофізіологічного взаємозв'язку автотрофів і гетеротрофів.

Вуглець, водень, азот, сірка, фосфор та ще близько 30 простих речовин, необхідних для забезпечення життя клітини, безупинно перетворюються на органічні або поглинаються у вигляді неорганічних йонів автотрофними організмами, згодом використовуються гетеротрофними, а потім -- мікроорганізмами-деструкторами. Ті у свою чергу розкладають виділення, тваринні й рослинні рештки на розчинні мінеральні елементи або газоподібні сполуки, які повертаються в ґрунт, воду та атмосферу.

Основою самопідтримання життя на Землі є біогеохімічні кругообіги. Процеси творення органічної речовини, що акумулює енергію, і протилежні процеси її розкладання з вивільненням цієї енергії однаково необхідні для існування життя. Усі доступні для живих організмів хімічні сполуки в біосфері мають межу. Вичерпування придатних для засвоєння хімічних речовин часто гальмує розвиток тих чи інших груп організмів у локальних ділянках суші або океану. Всі хімічні елементи, що використовуються в процесах життєдіяльності організмів, постійно переміщуються, переходячи із живих тіл у сполуки неживої природи й назад. Можливість багаторазового використання одних і тих самих атомів робить життя на Землі майже вічним за умови постійного припливу необхідної кількості енергії.

Глобальний біогеохімічний кругообіг речовини на планеті являє собою систему складно переплетених циклів окремих елементів, пов'язаних один з одним за аналогією до деталей годинникового механізму. Об'єднуючись у різних пропорціях у складних органічних молекулах, синтезованих у живих тілах, атоми різних елементів поза живою речовиною містяться у певній кількості в атмосфері, гідросфері й літосфері. Кругообіги планетарного масштабу створюються з незліченних локальних циклічних переміщень атомів, рух яких зумовлений життєдіяльністю організмів в окремих екосистемах, і тих переміщень, що виникають під впливом ландшафтних та геологічних причин (поверхневий і підземний стік, вітрова ерозія, рух морського дна, вулканізм, горотворення тощо).

З огляду на це, розрізняють малий (біотичний) і великий (геологічний) кругообіг згідно з обсягом розглядуваних екосистем: локальні біологічні кругообіги, біогеохімічні цикли материків та океанів і, нарешті, загальнопланетарний біогеохімічний кругообіг.

4. Малий (біотичний) і великий (геологічний) кругообіг

біосфера організм атом геологічний

Малий кругообіг (частина великого) відбувається на рівні екосистеми й полягає в тому, що поживні речовини, вода й вуглець акумулюються в речовині рослин, витрачаються на побудову тіла й на життєві процеси як самих цих рослин, так і інших організмів (як правило, тварин), які поїдають ці рослини (консументи). Продукти розпаду органічної речовини під дією деструкторів знову розкладаються до мінеральних компонентів, які доступні рослинам і залучені ними в потік речовини.

Кругообіг хімічних речовин з неорганічного середовища через рослинні й тваринні організми знову в неорганічне середовище з використанням сонячної енергії та енергії хімічних реакцій називають біогеохімічним циклом. У такі цикли залучені майже всі хімічні елементи й насамперед ті, що беруть участь у побудові живої клітини.

Великий кругообіг, який триває мільйони років, полягає в тому, що гірські породи руйнуються, а продукти вивітрювання (зокрема розчинні у воді поживні речовини) зносяться потоками води у світовий океан, де вони утворюють морські нашарування й лише частково повертаються на сушу з опадами. Геотектонічні зміни, процеси опускання материків і підняття морського дна, переміщення морів та океанів упродовж тривалого часу призводять до того, що ці нашарування повертаються на сушу й процес починається знову.

5. Закон біогенної міграції атомів (В. І. Вернадського)

Міграція хімічних елементів на земній поверхні й у біосфері в цілому здійснюється або з особистою участю живої речовини (біогенна міграція), або протікає в середовищі, геохімічні особливості якого (, , тощо) зумовлені живою речовиною -- як тією, що в цей час населяє біосферу, так і тією, що була на Землі упродовж усієї геологічної історії.

Згідно із цим законом, що має важливе теоретичне й практичне значення, розуміння загальних хімічних процесів, які протікали й протікають на поверхні суші, в атмосфері й у заселених організмами глибинах літосфери та вод, а також геологічних шарах, сформованих минулою діяльністю організмів, неможливе без урахування біотичних та біогенних факторів, зокрема еволюційних. Оскільки люди впливають насамперед на біосферу та її живе населення, вони тим самим змінюють умови біогенної міграції атомів, створюючи передумови для ще більш глибоких хімічних змін в історичній перспективі. Таким чином, процес може стати саморозвивальним, незалежним від бажання людини й практично, при глобальному розмаху, некерованим. Звідси постає одна з найбільш насущних потреб -- збереження живого покриву Землі у відносно незмінному стані. Цей закон визначає також необхідність урахування впливів на біоту при будь-яких проектах перетворення природи. У цих випадках відбуваються регіональні й локальні зміни в хімічних процесах, що призводять при будь-яких великих помилках до деградації середовища -- опустелювання.

6. Кругообіг речовин

Біологічний кругообіг -- це обмін речовин та енергії між різними компонентами біосфери, що зумовлений життєдіяльністю живих організмів і має циклічний характер.

Із безлічі пов'язаних один з одним кругообігів окремих біогеоценозів складається усталений за багато мільйонів років глобальний біогеохімічний кругообіг речовин біосфери, що підтримує стійкість життя на планеті.

Розрізняють два типи біогеохімічних кругообігів: кругообіги газів (вуглець, кисень, азот тощо) та осадові кругообіги (сірка, фосфор, кальцій тощо).

Кругообіг води (знайти самостійно)

Кругообіг кисню + підручник «Кругообіг кисню»

Цикл кисню займає на Землі близько 2000 років, води -- близько 2 млн років. Це означає, що атоми цих речовин за історію Землі багаторазово проходили через живу речовину, побувавши в тілах давніх бактерій, водоростей, деревоподібних папоротей, динозаврів та мамонтів.

Біосфера пройшла тривалий період розвитку, протягом якого життя змінювало форми, поширилося з води на сушу, змінило систему кругообігів. Уміст кисню в атмосфері поступово зростав.

За останні 600 млн років швидкість і характер кругообігів наблизилися до сучасних. Біосфера функціонує як гігантська злагоджена екосистема, де організми не тільки пристосовуються до середовища, але й самі створюють і підтримують на Землі умови, сприятливі для життя.

Кругообіг Карбону+ підручник

Джерелом вуглецю для фотосинтезу служить вуглекислий газ (карбон(IV) оксид), що перебуває в атмосфері або розчинений у воді. Вуглець, зв'язаний у гірських породах, залучається в кругообіг значно повільніше. У складі синтезованих рослиною органічних речовин вуглець надходить у ланцюги живлення через живі або мертві тканини рослин і повертається в атмосферу знову у формі вуглекислого газу в результаті дихання, бродіння або згоряння палива (деревини, нафти, вугілля тощо). Тривалість циклу вуглецю дорівнює трьом-чотирьом століттям.

Кругообіг Нітрогену+ підручник

Рослини отримують азот переважно з мертвої органічної речовини, що розкладається, за допомогою діяльності бактерій, які перетворюють азот білків на засвоювану рослинами форму. Інше джерело -- вільний азот атмосфери -- рослинам безпосередньо недоступний. Але його зв'язують, тобто переводять в інші хімічні форми, деякі групи бактерій та синьозелені водорості, вони збагачують ним ґрунт. Багато рослин перебувають у симбіозі з азотфіксуючими бактеріями, що утворюють бульбочки на їхніх коренях. З відмерлих рослин або трупів тварин частина азоту, завдяки діяльності інших груп бактерій, перетворюється на вільну форму й знову надходить в атмосферу.

Кругообіг фосфору й сірки+ підручник

Фосфор і сірка містяться в гірських породах. При їхньому руйнуванні та ерозії вони потрапляють у ґрунт, і їх використовують рослини. Діяльність організмів-редуцентів знову повертає фосфор і сірку в ґрунт. Частина сполук сірки й фосфору змивається дощами в ріки, а звідти -- у моря та океани, де їх використовують водорості. Але врешті-решт у складі мертвої органічної речовини вони осідають на дно й знову потрапляють у гірські породи.

5. Роль біоценозів у концентрації й перерозподілі хімічних елементів у біосфері

Живі організми беруть активну участь у перерозподілі хімічних елементів у земній корі. Мінерали, природні хімічні сполуки утворюються в біосфері в різних кількостях завдяки життєдіяльності різних організмів (так званої живої речовини). Прикладом геохімічної функції живої речовини є кальцієва функція, характерна для всіх організмів, що мають кальцієвий скелет. Концентруючи кальцій у своїх тілах, живі організми енергійно здобувають його з навколишнього середовища. Коли ж організм відмирає, основним мінеральним складником залишку виявляється кальцієвий скелет, що, у свою чергу, повертається в навколишнє «неживе» середовище.

Характерною рисою біологічних кругообігів є їхня неповна замкнутість. Частина хімічних елементів та їхніх сполук постійно випадає із загальної циркуляції і накопичується поза організмами, створюючи своєрідні запаси біогенних речовин. Так були накопичені кисень та азот в атмосфері, горючі копалини та інші породи земної кори. У масштабах геологічного часу навіть незначна нерівновага у створенні та руйнуванні органічних речовин призводить до спрямованого перетворення поверхневих шарів Землі.

Запаси біогенних речовин, що є малодоступними для живих організмів і внаслідок цього повільно залучаються в біологічний кругообіг, становлять так званий резервний фонд того чи іншого хімічного елемента в біосфері (наприклад, кальцію в карбонатних породах). Іншу частину, що інтенсивно циркулює між тілами організмів і навколишнім середовищем, називають рухливим, або обмінним, фондом. Співвідношення між резервним та обмінним фондами в біосфері у всіх біогенних елементів різні.

З погляду існування біосфери, біогеохімічні цикли поділяють:

* на кругообіг газоподібних речовин з резервним фондом в атмосфері або гідросфері;

* осадовий цикл із резервним фондом у земній корі.

7. Кругообіг речовин у біосфері як умова її існування

Закон внутрішньої динамічної рівноваги. Речовина, енергія, інформація й динамічні якості окремих природних систем та їхня ієрархія взаємопов'язані настільки, що будь-яка зміна одного із цих показників викликає супутні функціональні структурні якісні й кількісні зміни, що зберігають загальну суму матеріально-енергетичних, інформаційних і динамічних якостей систем, де ці зміни відбуваються, або в їхній ієрархії.

Емпіричним шляхом установлено ряд наслідків дії цього закону:

а) будь-яка зміна середовища (речовин, енергії, інформації, динамічних якостей екосистем) неминуче призводить до розвитку природних ланцюгових реакцій, спрямованих у бік нейтралізації зробленої зміни, або до формування нових природних систем, утворення яких при значних змінах середовища може набути незворотного характеру;

б) взаємодія матеріально-енергетичних екологічних компонентів (енергії, газів, рідин тощо), інформації та динамічних якостей природних систем кількісно не є лінійною, тобто слабкий вплив або зміна одного з показників може викликати істотні відхилення в інших (і у всій системі в цілому);

в) зміни у великих екосистемах відносно незворотні. Проходячи за ієрархією знизу вгору -- від місця впливу до біосфери в цілому, вони змінюють глобальні процеси й тим самим переводять їх на новий еволюційний рівень;

г) будь-яке місцеве перетворення природи викликає в глобальній сукупності біосфери та у її найбільших підрозділах відповідні реакції, що призводять до відносної незмінності еколого-економічного потенціалу («правило охрімової свити»), збільшення якого можливе лише шляхом значного зростання енергетичних вкладень (див. закон зниження енергетичної ефективності природокористування).

Размещено на Allbest.ru