Размещено на http://www.allbest.ru/

Карагандинская государственная медицинская академия

Специальность: 051101 «Лечебное дело», 051102 «Педиатрия»

051106 «Восточная медицина»

Кафедра гигиены № 1 (Общая гигиена с курсом гигиены питания)

Методические указания для студентов

Тема: Учение о биосфере

Составитель:

С.И. Рогова

Караганда 2005

Тема: Учение о биосфере

Количество учебных часов: 90 минут

Актуальность темы (мотивация изучения): Необходимость знания законов экологии неизмеримо увеличивается в современных условиях в связи с нарастающим воздействием человечества на природу, что ставит существование цивилизации в зависимость от решения экологических по своей сути задач рационального природопользования и охраны окружающей среды. В связи с этим экологическая образованность должна стать неотъемлемым компонентом в становлении и профессиональной деятельности медицинского работника любого профиля.

Цель занятия: формирование основ экологических знаний, являющихся теоретическим фундаментом всех природоохранных мероприятий, в том числе, мероприятий по обеспечению экологической безопасности человека, сохранению его здоровья.

Студент должен знать:

- состав, границы и структуру биосферы;

- средообразующие свойства и функции живого вещества в биосфере;

- основные свойства биосферы и механизмы, обеспечивающие ее потенциальное бессмертие;

- значение круговоротов веществ;

- эволюцию биосферы;

- фундаментальное значение учения В.И. Вернадского о биосфере и ноосфере.

Студент должен уметь:

- видеть возможную связь между внешними воздействиями и изменениями, происходящими в биосфере или отдельных звеньях;

- осознавать биосферные функции человека и действовать в рамках собственных возможностей в направлении повышения устойчивости биосферы;

- использовать знание закономерностей функционирования биосферы как один из подходов в решении профессиональных вопросов.

Вопросы для подготовки к занятию:

· По базисным знаниям

1. Роль концепции экосистемы в экологии.

2. Трофическая (функциональная) структура экосистем.

3. Свойства и функции экосистем.

4. Процессы образования и разложения органических веществ, их экологическое значение.

5. Энергетика и продуктивность экосистем.

6. Динамика экосистем.

· По теме настоящего занятия

1. Биосфера как глобальная экосистема.

2. Основные свойства биосферы.

3. Эволюция биосферы.

1. Информационно-дидактический блок

1.1 Определение и структура биосферы

Космический корабль Земля уникален среди планет Солнечной системы. В тонком слое, где встречаются и взаимодействуют воздух, вода и земля, обитают удивительные объекты -- живые существа, среди которых и мы с вами. Согласно современным представлениям, биосфера -- это своеобразная оболочка земли, содержащая всю совокупность живых организмов и ту часть вещества планеты, которая находится в непрерывном обмене с этими организмами.

По физическим природным условиям биосфера может быть подразделена натри среды: атмосферу, гидросферу и литосферу (рис. 1, рис. 2).

Рис. 1. Общая структура Земли

Рис. 2. Основные подразделения биосферы

Атмосфера -- газообразная оболочка планеты, состоящая из смеси различных газов, водяных паров и пыли. Через атмосферу осуществляется обмен вещества Земли с Космосом. Земля получает космическую пыль и метеоритный материал, теряет самые легкие газы: водород и гелий. Атмосфера земли насквозь пронизывается мощной радиацией Солнца, определяющей тепловой режим поверхности планеты, вызывающей диссоциацию молекул атмосферных газов и ионизацию атомов. Атмосферу делят на тропосферу, стратосферу, мезосферу, термосферу, экзосферу. Обширная область разряженной верхней атмосферы состоит преимущественно из ионов. Эта область обозначается как ионосфера. Большая часть массы атмосферы имеет относительно однородный азотно-кислородный состав. В тропосфере во взвешенном состоянии присутствуют также твердые и жидкие частицы, которые, как правило, называют аэрозолями. Принято выделять постоянные и переменные компоненты атмосферы в зависимости от длительности их пребывания в атмосфере. Таким примером является вода, находящаяся в атмосфере в разных формах и концентрациях. В то же время такое подразделение составных частей атмосферы является относительным, так как в течение длительных интервалов времени все компоненты атмосферы оказываются переменными.

Главными составными частями атмосферы являются азот, кислород, аргон и углекислый газ.

Одним из важнейших компонентов атмосферы является озон О3. Его образование и разложение связаны с поглощением ультрафиолетовой радиации Солнца, которая губительна для живых организмов. Для образования озона необходимы свободные атомы кислорода, которые возникают при разложении молекул О2 под воздействием квантов излучения в ультрафиолетовой области.

Озон образуется при столкновении:

О + О2 -О3

В то же время озон поглощает ультрафиолетовую радиацию, разлагаясь на молекулярный и атомарный кислород. Основная масса озона располагается на высотах 10-25 км с максимальной концентрацией на высотах 22-24 км. Озоновый слой (часто применяют термин «озоновый экран») имеет исключительно важное значение в сохранности жизни на Земле.

Гидросфера -- совокупность всех вод Земли: материковых (глубинных, почвенных, поверхностных), океанических, атмосферных. Как особая водная оболочка Земли, здесь рассматриваются лишь воды, находящиеся на поверхности планеты -- материковые и океанические. Вследствие высокой подвижности воды проникают повсеместно в различные природные образования. Они находятся в виде паров и облаков в земной атмосфере, формируют океаны и моря, существуют в замороженном состоянии в высокогорных районах континентов и в виде мощных ледяных панцирей покрывают полярные участки суши. Атмосферные осадки проникают в толщи осадочных пород, образуя подземные воды. Вода способна растворять в себе многие вещества, в связи с этим воды гидросферы можно рассматривать в качестве естественных растворов разной степени концентрации.

Гидросфера находится в тесной зависимости с литосферой (подземные воды), атмосферой (парообразная влага) и живым веществом биосферы, в которое она входит в качестве обязательного компонента.

Подавляющая часть массы природных вод (94%) - это воды Мирового океана, представляющего собой уникальную природную систему. Здесь происходит грандиозный процесс обмена и трансформации энергии и вещества нашей планеты. Различные физические, химические и биологические процессы объединяются, образуя единую природу океана - древнейшую область биосферы Земли. Со времени образования океана протекало изменение его природы под воздействием различных природных процессов: солнечного излучения, геологических и геохимических факторов и, что весьма важно, под влиянием биологических процессов. Биологические процессы проявлялись и проявляются в развитии живых организмов, в усвоении солнечной энергии и накоплении свободной энергии в самих телах организмов, в биологической продуктивности и осадкообразования на всей площади дна Мирового океана, в формировании различного рода органогенных илов.

Наиболее чистые атмосферные воды содержат 10-50 мг/л растворенных веществ. Морская (океаническая) вода представляет собой раствор, содержащий в среднем в 1 кг 35 г вещества. Можно считать, что в морской воде присутствуют все химические элементы таблицы Менделеева. Однако преобладающая часть растворенных веществ представлена немногими химическими элементами: натрием, магнием, кальцием, хлором, углеродом, серой. Они находятся в морской воде в виде ионов различного типа. Например, можно выделить катионы: Nа1+, Мg2+, Са2+, и анионы СL1-, S042-, НСО3'-, СО32-. Другие химические элементы присутствуют в морской воде в более низких концентрациях. Некоторые из элементов, несмотря на относительно низкую концентрацию, играют важную роль в химических процессах моря и жизнедеятельности морских организмов. Здесь ведущая роль принадлежит азоту, фосфору, кремнию, усваивающимся живыми организмами, а их концентрация в морской воде контролируется ростом и размножением морских животных и растений.

Литосфера - верхняя «твердая» оболочка Земли, постепенно переходящая с глубиной в сферы с меньшей прочностью вещества. Включает земную кору и верхнюю мантию Земли. Мощность литосферы - 50-100 км, в том числе земной коры - до 75 км на континентах и 10 км под дном океана.

Химический состав земной коры определяют немногие элементы. Всего лишь восемь элементов (кислород, кремний, алюминий, железо, кальций, магний, натрий, калий) слагают основную ее массу. Ведущим и наиболее распространенным элементом является кислород, составляющий едва ли не половину массы земной коры (? 47,3%) и 92% ее объема. Он прочно связан химически с другими элементами в главных породообразующих минералах. Земная кора сложена горными породами различного типа и различного происхождения. На осадочные породы приходится 9,2%, на метаморфические - 20% и на магматические - 70,8%. Поверхность континентов на 80% занята породами осадочными, а океаническое дно - почти полностью свежими осадками как продуктами сноса материала континентов и деятельности морских организмов. Земная кора первоначально возникла как продукт выплавления материала первичной мантии, который в дальнейшем был существенно переработан в биосфере под влиянием воздуха, воды и деятельности организмов. Континентальная часть земной коры в течение длительной геологической истории находилась в ту или другую эпоху в области биосферы, что наложило свой отпечаток на облик, состав и распространенность осадочных горных пород, и сосредоточенных в них месторождений полезных ископаемых в виде угля, нефти, горючих сланцев, кремнистых и карбонатных пород, связанных в прошлом с жизнедеятельностью организмов. Поэтому континентальная земная кора имела и имеет прямое и косвенное отношение к биосфере.

Пределы биосферы обусловлены прежде всего полем существования жизни (В. И. Вернадский, 1926). Всю совокупность организмов на планете В.И. Вернадский назвал живым веществом, рассматривая в качестве его основных характеристик суммарную массу, химический состав и энергию.

Косное вещество, по В. И. Вернадскому, совокупность тех веществ в биосфере, в образовании которых живые организмы не участвуют.

Биогенное вещество создается и перерабатывается жизнью, совокупностями живых организмов. Это источник чрезвычайно мощной потенциальной энергии (каменный уголь, битумы, известняки, нефть). После образования биогенного вещества живые организмы в нем малодеятельны.

Особой категорией является биокосное вещество. В. И. Вернадский (1926) писал, что оно «создается в биосфере одновременно живыми организмами и косными процессами, представляя системы динамического равновесия тех и других». Организмы в биокосном веществе играют ведущую роль. Биокосное вещество планеты, таким образом,- это почва, кора выветривания, все природные воды, свойства которых зависят от деятельности на Земле живого вещества. Следовательно, биосфера - это та область Земли, которая охвачена влиянием живого вещества. Жизнь на Земле - самый выдающийся процесс на ее поверхности, получающий живительную энергию Солнца и вводящий в движение едва ли не все химические элементы таблицы Менделеева.

Биосферу как место современного обитания организмов вместе с самими организмами можно разделить на три подсферы:

аэробиосфера, населенная аэробионтами, субстратом жизни которых служит влага воздуха;

гидробиосфера -- глобальный мир воды (водная оболочка земли без подземных вод), населенный гидробионтами;

геобиосфера -- верхняя часть земной коры (литосфера), населенная геобионтами.

Гидробиосфера распадается на мир континентальных, главным образом, пресных вод -- аквабиосфера (с аквабионтами) и область морей и океанов маринобиосфера (с маринобионтами).

Геобиосфера состоит из области жизни на поверхности суши - террабиосфера (с террабионтами), которая подразделяется на фитосферу (от поверхности земли до верхушек деревьев) и педосферу (почвы и лежащие под ними подпочвы, нередко сюда включают всю кору выветривания) с педобионтами; литобиосферу -- жизнь в глубинах земли (с литобионтами, живущими в порах горных пород). Литобиосфера распадается на два слоя: гипотеррабиосферу - слой, где возможна жизнь аэробов (или подтеррабиосфера) и теллуробиосферу - слой, где возможно обитание анаэробов (или глубинобиосфера). Жизнь в толще литосферы существует в основном в подземных водах.

Подобные слои существуют и в гидробиосфере, но они связаны главным образом с интенсивностью света. Выделяют три слоя: фотосферу -- относительно ярко освещенный, дисфотосферу -- всегда очень сумеречный (до 1% солнечной инсоляции), афотосферу -- абсолютной темноты, где невозможен фотосинтез.

Лимитирующим фактором развития жизни в аэробиосфере служит наличие капель воды и положительных температур, а так же твердых аэрозолей, поднимающихся с поверхности земли. От вершин деревьев до высоты наиболее частого расположения кучевых облаков простирается тропобиосфера (с тропобионтами). Пространство - это более тонкий слой, чем атмосферная тропосфера. Выше тропобиосферы лежит слой крайне разряженной микробиоты - альтобиосфера (с альтобионтами). Над ней простирается пространство, куда жизнь проникает лишь случайно и не часто, где организмы не размножаются, - парабиосфера.

На больших высотах в горах, там, где уже невозможна жизнь высших растений и вообще организмов-продуцентов, но куда ветры приносят с более низких вертикальных поясов органическое вещество и где при отрицательных температурах воздуха еще достаточно тепла от прямой солнечной инсоляции для существования жизни, там расположена высотная часть террабиосферы - эоловая зона. Это царство членистоногих и некоторых микроорганизмов - эолобионтов. Жизнь в океанах достигает их дна. Под ним, в базальтах, она едва ли возможна. В глубинах литосферы есть два теоретических уровня распространения жизни - изотерма 100°С, ниже которой при нормальном атмосферном давлении вода кипит, а белки свертываются, и изотерма 460°С, где при любом давлении вода превращается в пар, т. е. в жидком состоянии быть не может. Жизнь в глубинах Земли фактически не идет дальше 3-4, максимум 6-7 километров и лишь случайно в неактивных формах может проникнуть глубже - гипобиосферу («подбиосфера» - аналог парабиосферы в атмосфере). Следует отметить, что здесь залегают биогенные породы, образно выражаясь, следы былых сфер, расположена метабиосфера. Метабиосфера, начинаясь с поверхности Земли, простирается далеко вглубь литосферы, теряясь там, где процессы метаморфоза горных пород стирают признаки жизни.

Между верхней границей гипобиосферы и нижней парабиосферы лежит собственно биосфера - зубиосфера. Ее наиболее насыщенный жизнью слой называют биофильмом, или, по В. И. Вернадскому (1926), «пленкой жизни».

Выше парабиосферы расположена апобиосфера, или «надбиосфера», где сравнительно обильны биогенные вещества (ее верхняя граница трудноуловима). Под метабиосферой расположена абиосфера («небиосфера»).

Весь слой нынешнего или прошлого воздействия жизни на природу Земли называют мегабиосферой, а вместе с артебиосферой - пространством человеческой экспансии в околоземной космос - панбиосферой.

Таким образом, «поле существования жизни», особенно активной по новейшим данным, ограничено в вертикальном пределе вы сотой около 6 км над уровнем моря, до которой сохраняются положительные температуры в атмосфере и могут жить хлорофилло-носные растения (6,2 км в Гималаях). Выше, в эоловой зоне, обитают лишь жуки, ногохвостки и некоторые клещи, питающиеся зернами растительной пыльцы, спорами растений, микроорганизмами и другими органическими частицами, заносимыми ветром и т. д. Еще выше живые организмы попадают лишь случайно (микроорганизмы могут сохранять жизнь в виде спор). Нижний предел существования активной жизни традиционно ограничивают дном океана и изотермой 100°С в литосфере, расположенными соответственно на отметках около 11 км и, по данным сверхглубокого бурения на Кольском полуострове, около 6 км. Фактически жизнь в литосфере распространена до глубины 3--4 км. Таким образом, вертикальная мощность биосферы в океанической области Земли достигает более 17 км, в сухопутной -- 12 км.

Парабиосфера еще более асимметрична, поскольку верхнюю ее границу определяет озоновый экран. Более значительные колебания толщи мегабиосферы, охватывающей осадочные породы, но она не опускается на материках глубже отметок самых больших глубин океана, т. е. 11 км (здесь температура достигает 200°С), и не поднимается выше наибольших плотностей озонового экрана (22--24 км), следовательно, ее максимальная толщина 33--35 км.

Теоретически пределы биосферы шире, поскольку в гидротермах дна океана (их назвали «черными курильщиками» из-за темного цвета извергающихся вод) на глубинах около 3 км обнаружены организмы при температуре до 250°С (рис. 3).

Рис. 3. «Черный курильщик», его высота около 120 м (для сравнения приведен силуэт «Адмиралтейства» в Санкт-Петербурге)

При давлении около 300 атмосфер вода здесь не кипит (пределы жизни ограничены точками превращения воды в пар и денатурации белков). Перегретая жидкая вода обнаружена в литосфере до глубин 10,5 км. Глубже 25 км, по оценкам, должна существовать критическая температура в 460°С, когда при любом давлении вода превращается в пар и жизнь принципиально невозможна.

1.2 Живое вещество биосферы

Длительное время считалось, что живое отличается от неживого такими свойствами, как обмен веществ, подвижность, раздражаемость, рост, размножение, приспособляемость. Однако порознь все эти свойства встречаются и среди неживой природы, а, следовательно, не могут рассматриваться как специфические свойства живого.

Особенности живого Б. М. Медников (1982) сформулировал в виде аксиом теоретической биологии:

1. Все живые организмы оказываются единством фенотипа и программы для его построения (генотипа), передающейся по наследству из поколения в поколение (аксиома А. Вейсмана).

2. Генетическая программа образуется матричным путем. В качестве матрицы, на которой строится ген будущего поколения, используется ген предшествующего поколения (аксиома Н. К. Кольцова).

3. В процессе передачи из поколения в поколение генетические программы в результате различных причин изменяются случайно и ненаправленно, и лишь случайно такие изменения могут оказаться удачными в данной среде (1-я аксиома Ч. Дарвина).

4. Случайные изменения генетических программ при становлении фенотипа многократно усиливаются (аксиома Н. В. Тимофеева-Рясовского).

5. Многократно усиленные изменения генетических программ подвергаются отбору условиями внешней среды (2-я аксиома Ч. Дарвина).

Из данных аксиом можно вывести все основные свойства живой природы и в первую очередь такие, как дискретность и целостность - два фундаментальных свойства организации жизни на Земле. Среди живых систем нет двух одинаковых особей, популяций и видов. Эта уникальность проявления дискретности и целостности основана на явлении конвариантной редупликации.

Конвариантноя редупликация (самовоспроизведение с изменениями) осуществляется на основе матричного принципа (сумма трех первых аксиом). Это, вероятно, единственное специфическое для жизни, в известной для нас форме ее существования на Земле, свойство. В основе его лежит уникальная способность к самовоспроизведению основных управляющих систем (ДНК, хромосом, генов).

Редупликация определяется матричным принципом (аксиома Н. К. Кольцова) синтеза макромолекул.

Способность к самовоспроизведению по матричному принципу молекулы ДНК смогли выполнить роль носителя наследственности исходных управляющих систем (аксиома А. Вейсмана). Конвариантная редупликация означает возможность передачи по наследству дискретных отклонений от исходного состояния (мутаций), предпосылки эволюции жизни.

Живое вещество по своей массе занимает ничтожную долю по сравнению с любой из верхних оболочек земного шара. По современным оценкам, общее количество массы живого вещества в наше время равно 2420 млрд. тонн. Эту величину можно сравнить с массой оболочек Земли, в той или иной степени охваченных биосферой.

По своему активному воздействию на окружающую среду живое вещество занимает особое место и качественно отличается от других оболочек земного шара, так же, как живая материя отличается от мертвой.

В. И. Вернадский подчеркивал, что живое вещество - самая активная форма материи во Вселенной. Оно проводит гигантскую геохимическую работу в биосфере, полностью преобразовав верхние оболочки Земли за время своего существования. Все живое вещество нашей планеты составляет 1/11000000 часть массы всей земной коры. В качественном же отношении живое вещество представляет собой наиболее организованную часть материи Земли.

При оценке среднего химического состава живого вещества, поданным А.П. Виноградова (1975), В. Лархера (1978) и др., главные составные части живого вещества - это элементы, широко распространенные в природе (атмосфера, гидросфера, космос): водород, углерод, кислород, азот, фосфор и сера.

Живое вещество биосферы состоит из наиболее простых и наиболее распространенных в космосе атомов.

Средний элементарный состав живого вещества отличается от состава земной коры высоким содержанием углерода. По содержанию других элементов живые организмы не повторяют состава среды своего обитания. Они избирательно поглощают элементы, необходимые для построения их тканей. В процессе жизнедеятельности организмы используют наиболее доступные атомы, способные к образованию устойчивых химических связей. Как уже было отмечено, водород, углерод, кислород, азот, фосфор и сера являются главными химическими элементами земного вещества и их называют биофильными. Их атомы создают в живых организмах сложные молекулы в сочетании с водой и минеральными солями. Эти молекулярные образования представлены углеводами, липидами, белками и нуклеиновыми кислотами. Перечисленные виды живого вещества находятся в организмах в тесном взаимодействии. Окружающий нас мир живых организмов биосферы представляет собой сочетание различных биологических систем разной структурной упорядоченности и разного организационного уровня. В связи с этим выделяют разные уровни существования живого вещества:

1. Молекулярный - самый низкий уровень, на котором биологическая система проявляется в виде функционирования биологически активных крупных молекул - белков, липидов, нуклеиновых кислот, углеводов. С этого уровня наблюдаются свойства, характерные исключительно для живой материи: обмен веществ, протекающий при превращении лучистой и химической энергии, передача наследственности с помощью ДНК и РНК. Этому уровню свойственна устойчивость структур в поколениях.

2. Клеточный -уровень, на котором биологически активные молекулы сочетаются в единую систему. В отношении клеточной организации все организмы подразделяются на одноклеточные и многоклеточные.

3. Тканевый - уровень, на котором сочетание однородных клеток образует ткань. Он охватывает совокупность клеток, объединенных общностью происхождения и функций.

4. Органный - уровень, на котором несколько типов тканей функционально взаимодействуют и образуют определенный орган.

5. Организменный - уровень, на котором взаимодействие ряда органов сводится в единую систему индивидуального организма. Представлен определенными видами организмов.

6. Популяционно-видовой, где существует совокупность определенных однородных организмов, связанных единством происхождения, образом жизни и местом обитания. На этом уровне происходят элементарные эволюционные изменения в целом.

7. Биоценоз и биогеоценоз (экосистема) - более высокий уровень организации живой материи, объединяющий разные по видовому составу организмы. В биогеоценозе они взаимодействуют друг с другом на определенном участке земной поверхности с однородными абиотическими факторами.

8. Биосферный - уровень, на котором сформировалась природная система наиболее высокого ранга, охватывающая все проявления жизни в пределах нашей планеты. На этом уровне осуществляются все глобальные круговороты вещества и энергии, связанные с жизнедеятельностью организмов.

По способу питания живые организмы подразделяются на автотрофные и гетеротрофные (табл. 1).

Таблица 1. Классификация живого вещества по способу питания

Автотрофы	Гетеротрофы	Миксотрофы
Фотоавтотрофы	Биотрофы	-
Хемоавтотрофы	Сапротрофы	-

учение биосфера ноосфера Вернадский

Автотрофами называют организмы, берущие необходимые им для жизни химические элементы из окружающей их косной материи и не требующие для построения своего тела готовых органических соединений другого организма. Основной источник энергии, используемый автотрофами, - Солнце.

Автотрофы подразделяются на фотоавтотрофы и хемоавтотрофы. Фотоавтотрофы используют в качестве источника энергии солнечный свет, хемоавтотрофы используют энергию окисления неорганических веществ.

К автотрофным организмам относятся водоросли, наземные зеленые растения, бактерии, способные к фотосинтезу, а также некоторые бактерии, способные окислять неорганические вещества (хемоавтотрофы). Автотрофы являются первичными продуцентами органического вещества в биосфере.

Гетеротрофы - организмы, нуждающиеся для своего питания в органическом веществе, образованном другими организмами. Гетеротрофы способны разлагать все вещества, образуемые автотрофами, и многие из тех, что синтезирует человек.

Живое вещество устойчиво только в живых организмах, оно стремится заполнить собой все возможное пространство. «Давлением жизни» называл данное явление В. И. Вернадский.

На Земле из существующих живых организмов наибольшей силой размножения обладает гриб-дождевик гигантский. Каждый экземпляр данного гриба может дать до 7,5 млрд. спор. Если каждая спора послужила бы началом новому организму, то объем дождевиков уже во втором поколении в 800 раз превысил размеры нашей планеты.

Таким образом, наиболее общее и специфическое свойство живого - способность к самовоспроизведению, конвариантной редупликации на основе матричного принципа. Эта способность вместе с другими особенностями живых существ и определяет существование основных уровней организации живого. Все уровни организации жизни находятся в сложном взаимодействии как части единого целого. На каждом уровне действуют свои закономерности, определяющие особенности эволюции всех форм организации живого. Способность к эволюции выступает как атрибут жизни, непосредственно вытекающий из уникальной способности живого к самовоспроизведению дискретных биологических единиц. Специфические свойства жизни обеспечивают не только воспроизведение себе подобных (наследственности), но и необходимые для эволюции изменения самовоспроизводящих структур (изменчивость).

1.3 Эволюция биосферы

Ученые считают, что возраст нашей Галактики 10-12 млрд. лет, Солнца -5, Земли - 4,5 млрд. лет.

Аккреция вещества Земли привела к временному его разогреву и легких молекул первичной атмосферы, прежде всего водорода и гелия, рассеянных в космическом пространстве. Последующее понижение температуры в результате сильного излучения тепла привело к образованию твердой коры. Активный вулканизм мешал этому процессу, но в то же время поставлял большие количества газов, из которых образовалась вторичная атмосфера. В ней, кроме Н2 было много других газов, таких, как СН4, NН3 и Н2О.

Наряду с водяными парами уже существовал и древний океан, состоящий из жидкой воды. Углекислоты как Н2СО3 было мало, так как ее восстанавливали соединения Fe2+, содержавшиеся в земной коре. Примерно 1 млрд. лет атмосфера была восстановительной, имелись возможности для процессов абиогенного образования и накопления многих соединений.

По мере возрастающей потери Н2 в космическое пространство создавалась третичная атмосфера, содержащая большие количества N2 (из NН3) и СО2 (из вулканических газов и из СН4) и паров воды.

В атмосфере Земли кислород первоначально накапливался путем разложения воды и водяного пара под действием ультрафиолетовых лучей Солнца.

Появление около 3,5 млрд. лет назад хлорофиллоносных организмов, способных осуществлять фотосинтез, т.е. использовать экзогенный источник энергии (солнечную радиацию) для синтеза из углекислого газа, воды и минеральных элементов всех органических веществ, необходимых для жизни. Эти организмы оказались способны преобразовывать солнечную энергию в биохимическую.

«Изобретение» фотосинтеза способствовало повышению содержания кислорода в атмосфере и формированию современной, четвертичной атмосферы.

На восстановительную вторичную атмосферу воздействовали большие потоки энергии: коротковолновое ультрафиолетовое излучение, ионизирующее излучение Солнца (сейчас экранируется озоновым слоем), электрические разряды (грозы, коронные разряды), местные источники тепла вулканического происхождения. В этих условиях мог идти активный химический синтез, при котором из газов вторичной атмосферы через такие промежуточные продукты, как синильная кислота, этилен, этан, формальдегид и мочевина, образовались сначала мономеры, а затем и полимеры. Ввиду того, что окисление не происходило, водоемы обогащались такими соединениями, как аминокислоты, пуриновые и пиримидиновые основания, сахара, карбоновые кислоты, липиды. Образовался «первичный бульон». Происходили процессы осаждения, разделения и адсорбции, а на поверхностях минералов (глина, горячая лава) - дальнейшие синтетические процессы. Это подтверждается результатами анализа древних земных химических ископаемых и их сравнением с внеземным органическим веществом (метеориты), а также многочисленными модельными экспериментами, показавшими, что в смеси газов, воспроизводящей атмосферу, при достаточном притоке энергии действительно происходят процессы синтеза органических веществ. Среди продуктов этого синтеза найдены основные биологически важные соединения, в том числе 14 аминокислот, пурины и пиримидины, сахара, АМФ, АДФ, АТФ, жирные кислоты и порфирины. Удалось создать и модели абиотического образования биополимеров, например, полипептидов с длинной цепью - протеиноидов, имеющих форму шариков диаметром около 1 мкм (микросфер). Здесь можно усмотреть намеки на такой сложный процесс, как абиотическое образование нуклеиновых кислот, на их примитивную абиотическую репликацию, происходящую без участия ДНК-полимеразы.

Вероятно, очень рано начались и взаимодействия между протеиноидами и нуклеиновыми кислотами. При этом, например, Эйген (1971) считает, что, с одной стороны, подходящий протеиноид способствовал более быстрому и правильному размножению молекул нуклеиновой кислоты, а с другой - нуклеиновая кислота начинала кодировать преимущественно подходящие для нее белки. Начинался самообучающийся каталитический циклический процесс, который в конкуренции за строительные блоки, в отборе, на быстроту и точность репродукции приобретал все большие преимущества. Следовательно, белки и нуклеиновые кислоты нужны были одновременно. В этот период, носящий название пребиотической (химической) эволюции, уже действовал дарвиновский принцип отбора как оптимизирующий процесс.

Биотическая эволюция. В конце абиотической эволюции появились примитивные организмы - протобионты. Протобионты представляли собой организованные, отграниченные от окружающей среды, обособленные системы молекул, способные к репликации и трансляционному синтезу белка (генетическая гипотеза). Органические строительные блоки (абиотического происхождения) они получали из «первичного бульона», так что вначале им не нужны были ферменты для построения этих блоков. Около 4 млрд. лет назад уже определенно имелись разные типы протобионтов.

По мере того, как биологические явления начинали преобладать над пребиотическими, «первичный бульон» становился все беднее органическими веществами.

В этих условиях селективным преимуществом для протобионтов стало обладание плазматической мембраной, защищающей от потери этих веществ путем диффузии, и способность избирательно их накапливать, например, посредством переноса неорганического фосфата на нуклеозиддифосфат.

Мембраны могли возникнуть в ходе формирования коацерватов (капля или слой с большей концентрацией коллоида, чем в остальной части раствора), образующихся в воде при соприкосновении двух слабо взаимодействующих полимеров, или при адсорбции полимеров на поверхности глин.

Поглощение веществ привело к росту, а затем и делению, при этом выживали те продукты деления, которым доставался полный набор нуклеиновых кислот и белков. Селективное преимущество доставляли объединение отдельных геномов в единый геном, появление специальных механизмов разделения и перетяжки. Такое образование, снабженное все более расширявшимся набором ферментов, называют протобионтом (синоним понятия «эобионт»). Возможные остатки протобионтов - шаровидные образования - встречаются в отложениях Онфервахт в Южной Америке (возраст около 3,4 млрд. лет), известковые отложения (строматолиты) возрастом 2,7-3,1 млрд. лет, найденные в Родезии, образованные, по мнению ученых, прокариотами, напоминающими сине-зеленые водоросли.

С обеднением первичного бульона давление отбора стало благоприятствовать формам, способным к самостоятельному синтезу жизненно важных веществ. Основным способом получения энергии, несомненно, являлась первичная гетеротрофия. У более высокоразвитых протобионтов уже имелись различные процессы брожения. Примеры аналогичных процессов мы находим и у современных микроорганизмов. Третичная атмосфера, в которой количество СО2, продолжало возрастать (в том числе и благодаря брожению), позволяла частично покрывать потребность в углероде за счет ассимиляции СО2. Вырабатываются и биотические пути синтеза аминокислот, которые уже отсутствуют в первичном бульоне. Процессы анаэробного дыхания как способ получения энергии явились шагом вперед по сравнению с брожением. Источником кислорода, которого еще не было в атмосфере, служили сульфаты, нитриты, нитраты и т. д. Сформировался механизм переноса электронов по цепи дыхания. Необходимые для этого порфирины (цитохромы) могли синтезироваться синтетическим путем. Вторым, эволюционно самым важным, путем получения энергии стало использование света (фотоэргия). Первым шагом на этом пути была, по всей видимости, простая фотохимическая реакция. Вторым, более эффективным шагом было циклическое фотофосфорилирование, а третьим - нециклическое фосфорилирование, позволившее восстанавливать СО2 и строить органическое вещество. Организм, овладевший фотосинтезом, стал автотрофным. Необходимый для фотосинтеза хлорофилл мог образоваться абиотическим путем и затем включиться в богатые липидами мембраны. Фотосинтез привел к активному образованию органического вещества и свободного кислорода. На основе синтеза органического вещества смог возникнуть круговорот веществ между автотрофными и зависящими от них гетеротрофными организмами. Наличие кислорода явилось предпосылкой для развития аэробного хемосинтеза и эволюционно самого молодого из процессов получения энергии - дыхания. Возникла вторичная гетеротрофия, в которой процессы брожения заменены дыханием. На протяжении 2,8-1,8 млрд. лет кислорода в атмосфере все еще было, меньше 1%.

Эволюция прокариот. На уровне протобионтов уже были заложены основы для эволюции линий прокариот (бактерии и сине-зеленые водоросли) и эукариот (зеленые растения и все остальные водоросли), развившиеся, вероятнее всего, из одной группы протобионтов (монофилия современных живых организмов). Это подтверждают многочисленные общие черты: единство носителя генетической информации, генетического кода, основ обмена веществ и т. д. Вместе с тем современные прокариоты определенно не являются предками эукариот. Уровень прокариот был достигнут более 3 млрд. лет назад. К основным особенностям этого типа относятся:

- усовершенствование механизма размножения и генетического кода;

- разделение процессов репликации и транскрипции генов;

- образование кольцевого генома из обособленных вначале генных молекул;

- построение ферментных систем для синтеза АТФ;

- активный транспорт веществ и выработка механизмов собственного синтеза аминокислот, нуклеотидов, углеводов, липидов и др.

К прокариотам относятся грамположительные и грамотрицательные бактерии и сине-зеленые водоросли, называемые зачастую цианобактериями.

Эволюция эукариот. Эта линия, вероятно, отделилась от высокоразвитых протобионтов сравнительно рано, параллельно с развитием прокариот. Древнейшие остатки найдены в породах возрастом 1,4-2 млрд. лет. Переход к клеткам с хромосомами в отграниченном от цитоплазмы клеточном ядре, с митохондриями и хлоропластами, к половому размножению с диплоидией и рекомбинацией расширил эволюционные возможности и стал предпосылкой для многоклеточности и дифференциации.

Среди одноклеточных эукариот (протистов) есть и авто- и гетеротрофные группы, что является следствием раннего расхождения путей развития. Считается, что начальным пунктом их эволюции были жгутиковые (флагелляты). Для гетеротрофных простейших (протозол) исходными данными могли быть и амебоидные формы.

Таким образом, в органическом мире Земли можно выделить несколько крупных групп существ, имеющих общее происхождение, доказываемое наличием фундаментальных черт сходства в строении представителей. К таким чертам относятся: конвариантная редупликация, обмен веществ, способность к росту и развитию (онтогенез), общность механизмов реализации наследственной информации от гена до признака.

Надцарство эукариот очень рано, вероятно, более миллиона лет назад разделилось на царства животных, растений и грибов.

В последнее время произошел пересмотр классификации высших таксонов живого мира в связи с обнаружением среди бактерий группы организмов со специфической макромолекулярной организацией клеток и уникальными биохимическими процессами. Они были названы архебактериями в связи с тем, что их считают одной из самых древних групп существ на Земле. Прокариоты и эукариоты с появлением нового царства архебактерий стали разделять на уровне надцарств:

А. Надцарство. Прокариоты или доядерные организмы.

I. Царство Бактерий.

II. Царство Архебактерий.

Б. Надцарство. Эукариоты или ядерные организмы.

I. Царство Животных.

1.Подцарство Простейших.

2.Подцарство Многоклеточных.

II. Царство Грибы.

1. Низшие Грибы.

2. Высшие Грибы.

III. Царство Растения.

1.Подцарство Багрянки.

2. Подцарство Настоящие водоросли.

3. Подцарство Высшие растения.

Следовательно, первые этапы эволюции жизни на Земле связаны, с одной стороны, с переходом от первичной гетеротрофности (первые протобионты использовали в качестве пищи органические вещества «первичного бульона») к хемосинтезу (анаэробной хемоавтотрофии), далее - к возникновению автотрофного питания у растений (фотосинтезу) и, наконец, к вторичному гетеротрофному питанию у животных.

Возникновение фотосинтеза является важнейшим этапом эволюции жизни на Земле. Благодаря фотосинтезу в каждый последующий момент на поверхности Земли происходило накопление все больших количеств энергии солнечного света, аккулированной в органическом веществе, что способствовало ускорению биологического круговорота веществ и эволюции органического мира в целом. Относительно возможных путей происхождения основных царств живой природы одной из интересных является гипотеза симбиогенеза. Гипотеза симбиогенеза в последние десятилетия находит все больше и больше подтверждений.

Эволюция растений. Число видов ныне существующих растений достигает более 500 тысяч, из них высших - около 300 тысяч видов. У истоков таллофитов (низших растений) стоят примитивные жгутиковые. В отложениях возрастом около 2 млрд. лет встречаются колючки (колонии) одноклеточных и нитчатых форм (зеленые и золотистые водоросли). Переход через колониеобразные формы к водорослям (фикофита), по-видимому, совершался многократно. Совпадения в составе ассимиляционных пигментов, запасных веществ и в тонком строении хлоропластов указывают на то, что предками высших растений были зеленые водоросли. Переход произошел, возможно, в период 550-450 млн. лет назад, когда растения начали заселять сушу, для чего потребовались опорные элементы (лигнин), защита от высыхания (кутин), транспортные системы для воды и ассимилянтов, а также устойчивые споры. Первыми наземными растениями считаются псилофиты, жившие 420-350 млн. лет назад.

Связующим звеном между папоротниками и семенными растениями служат ископаемые семенные папоротники. Нежный гематофит перемещается на спорофитное материнское растение, а с развитием пыльцы (микроспор) перед оплодотворением появляется опыление. В каменноугольном периоде представлено уже большинство групп растений, но самые высокоразвитые растения - покрытосеменные - появляются в конце мелового периода. Таким образом, растительность нашей планеты постоянно менялась, приобретая все более современные черты.

Основные черты эволюции царства растений следующие:

1. Переход от гаплоидности к диплоидности. У многих водорослей все клетки (кроме зиготы) гаплоидны. У более высокоорганизованных водорослей, например, бурые, наряду с гаплоидными существуют и диплоидные особи. У мхов преобладает гаплоидное поколение при сравнительно слабом развитии диплоидного. У папоротников преобладает диплоидное поколение, однако и у них гаплоидное поколение (гаметофит) еще представлено самостоятельным образованием. У голосеменных и покрытосеменных наблюдается полная редукция гематофита и переход к диплоидной фазе.

2. Освобождение процесса полового размножения от наличия капельно-жидкой воды, потеря подвижности мужских гамет, редукция гаметофита и сильное развитие спорофита, переход от наружного оплодотворения к внутреннему, возникновение двойного оплодотворения.

3. Дифференциация тела с переходом к наземным условиям: деление на корень, стебель и лист, развитие сети проводящей системы, совершенствование покровных, механических и других тканей.

4. Специализация опыления (с помощью насекомых) и распространение семян и плодов животными. Усиление защиты зародыша от неблагоприятных условий: обеспечение пищей, образование покровов и т. д.

Эволюция грибов. Грибы (фунги) - гетеротрофная, не имеющая хлоропластов группа с сапрофитным, паразитическим или симбиотическим образом жизни - определенно произошли от гетеротрофных примитивных эукариот, стоявших близко к истокам главной линии царства животных. Грибы рассматривают, как правило, третьей крупной группой многоклеточных наряду с многоклеточными растениями и животными.

Эволюция многоклеточных животных. Царство животных не менее разнообразно, чем царство растений, а по числу видов животные превосходят растения. В настоящее время описано более 1,5 миллиона видов животных.

Животные - вторичные гетеротрофы и облигатные аэробы. Для них необходимы автотрофные организмы как первоисточник пищи и требуется достаточное снабжение кислородом (по Пастеру, 0,2% О2). Достоверные остатки животных находят в морских отложениях протерозоя, возраст которых превышает 800 млн. лет. Первые многоклеточные животные представлены сразу несколькими типами: губки, кишечнополостные, плеченогие, членистоногие. Согласно разным теориям о происхождении многоклеточных животных, исходной группой могли быть амебы, жгутиковые или инфузории.

А. Теория гастреи: колония жгутиконосцев > бластея (полый шар) > двуслойная гастрея.

Б. Теория билатогастреи: уплощенная однослойная колония жгутиконосцев > двуслойная ползающая плакула > билатогастрея, обладающая двусторонней симметрией.

В. Ацельная теория: от предков-инфузорий путем целлюляризации произошел многоклеточный организм, и их «рот» стал его дефинитивным ротовым отверстием; в дальнейшем этот организм стал напоминать примитивную бескишечную турбеллярию (верхний ряд), затем этот путь привел к бескишечным турбелляриям. По амебоидной теории (нижний ряд), за исходные формы принимаются амебы, которые образовали клеточный агрегат.

Г. Галлертоидная теория: ресничное одноклеточное > возникновение внешнего слоя, служащего для передвижения, со студнеобразным веществом внутри > образование желобовидных, выстланных эпителием каналов, служащих для получения и переработки пищи.

Из гастреи можно вывести губок и стрекающих кишечно-полостных, а из последних - всех остальных многоклеточных животных.

В эволюции животных можно наметить несколько основных направлений развития:

1. Возникновение многоклеточности и все большее дифференцирование всех систем органов.

2. Возникновение твердого скелета (наружного - у членистоногих, внутреннего - у позвоночных).

3. Развитие центральной нервной системы. Два принципиально разных и чрезвычайно эффективных эволюционных «решения»: у позвоночных - развитие головного мозга и поведения, основанного на обучении и условных рефлексах; у насекомых - развитие нервной системы, связанной с наследственным закреплением любого типа реакций по типу инстинктов.

4. Развитие социальности в ряде ветвей древа животных, с разных сторон подходящих к рубежу, отделяющему биологическую форму движения материи от социальной формы движения. Перешагнуть этот рубеж смогла лишь одна ветвь приматов - род Человек.

В целом результаты разнообразных исследований позволяют уточнить и обобщить знания путей возникновения и развития основных групп живых организмов на Земле. Царства живой природы - бактерии, архебактерии, растения, грибы и животные - имеют общее происхождение, связанное с жизнью в первичном океане, в дальнейшем же пути развития этих стволов древа жизни совершенно различны как по направлениям, так и по результатам.

По мере развития все новых групп организмов происходит многократное усложнение среды жизни - биосферы. Эволюция одних групп оказывается тесно связанной с эволюцией других. Увеличивающееся разнообразие жизни становится причиной дальнейшего увеличения многообразия форм.

2. Содержание занятия

· Самостоятельная работа студентов:

1. Решение тестовых заданий для определения исходного уровня знаний

2. Решение тестовых заданий для определения заключительного уровня знаний

3. Контрольная работа по данной теме.

· Работа с преподавателем по теме занятия:

1. Оценка исходного уровня знаний по исходным вопросам.

2. Совместная работа с преподавателем по теме занятия:

- Биосфера как глобальная экосистема.

- Основные свойства биосферы.

- Эволюция биосферы.

3. Оценка заключительного уровня знаний студентов (контрольные вопросы)

4. Обсуждение результатов СРС

5. Подведение итогов занятия

· Контроль исходного и итогового уровня знаний:

Тестовые задания для определения исходного уровня знаний студентов:

1. Скорость, с которой лучистая энергия солнца используется в процессе фотосинтеза и превращается в потенциальную энергию химических связей образующихся органических веществ, называется:

А). первичная продуктивность экосистемы

Б). валовая первичная продуктивность

В). чистая первичная продуктивность

Г). вторичная продуктивность

Д). чистая продуктивность сообщества

2. Скорость накопления в процессе фотосинтеза органических веществ, в том числе и той их части, которая за указанное время будет израсходована на дыхание называется:

А). первичная продуктивность экосистемы

Б). валовая первичная продуктивность

В). чистая первичная продуктивность

Г). вторичная продуктивность

Д). чистая продуктивность сообщества

3. Скорость накопления органического вещества в растительных тканях за вычетом той его части (примерно 20%), которая используется на дыхание растений в течение изучаемого времени называется:

А). первичная продуктивность экосистемы

Б). валовая первичная продуктивность

В). чистая первичная продуктивность

Г). вторичная продуктивность

Д). чистая продуктивность сообщества

4. Скорость накопления органических веществ консументами на каждом из трофических уровней называется:

А). первичная продуктивность экосистемы

Б). валовая первичная продуктивность

В). чистая первичная продуктивность

Г). вторичная продуктивность

Д). чистая продуктивность сообщества

5. Скорость накопления органического вещества, не потребленного гетеротрофами называется:

А). первичная продуктивность экосистемы

Б). валовая первичная продуктивность

В). чистая первичная продуктивность

Г). вторичная продуктивность

Д). чистая продуктивность сообщества

6. Каким из нижеперечисленных ученых в 1935 году введен термин «экосистема»:

А). Т. Миллером

Б). Д. Андерсеном

В). Э. Геккелем

Г). К. Рулье

Д). А. Тенсли

7. Как называется комплекс сообщества совместно обитающих организмов и условий их существования, объединенных общим круговоротом

веществ, потоком энергии и обменом информации?

А). экологическая система

Б). биоценоз

В). биогеохимическая провинция

Г). биотоп

Д). экологическая ниша

8. Как называется процесс последовательной смены во времени одних биогеоценозов другими?

А). сукцессия

Б). климакс

В). флюктуация

Г). энтропия

Д). динамика

9. Автотрофными организмами, синтезирующими органические соединения из простых неорганических веществ, называют:

А). продуцентами

Б). консументами

В). редуцентами

10. Гетеротрофными организмами, потребляющими готовые органические соединения путем поедания других живых организмов или частиц органического вещества называют:

А). продуцентами

Б). консументами

В). редуцентами

11. Гетеротрофы, которые разрушают использованные ими отмершие остатки биомассы называют:

А). продуцентами

Б). консументами

В). редуцентами

12. Первый трофический уровень составляют:

А). первичные консументы

Б). автотрофы

13. Второй трофический уровень составляют:

А). первичные консументы

Б). автотрофы

14. Третий трофический уровень составляют:

А). растительноядные животные

Б). плотоядные животные

В). автотрофы

15. Может ли циркулировать энергия в экосистемах по замкнутому кругу?

А). да

Б). нет

Контрольные вопросы для определения исходного уровня знаний:

1. Роль концепции экосистемы в экологии.

2. Трофическая (функциональная) структура экосистем.

3. Свойства и функции экосистем.

4. Процессы образования и разложения органических веществ, их экологическое значение.

5. Энергетика и продуктивность экосистем.

6. Динамика экосистем.

Тестовые задания для определения заключительного уровня знаний студентов:

1. Одна из оболочек Земли, состав и энергетика которой в существенных своих чертах определены работой живого вещества называется…

2. Этап эволюции биосферы, который характеризуется ведущей ролью разумной и сознательной деятельности человеческого общества в развитии биосферы называется…

3. Газообразная оболочка планеты, состоящая из смеси различных газов, водяных паров и пыли называется:

А). гидросфера

Б). литосфера

В). атмосфера

Г). биосфера

4. Атмосферу делят на:

А). тропосферу

Б). стратосферу

В). экзосферу

Г). термосферу

Д). все перечисленное верно

5. Атмосферу делят на:

А). стратосферу

Б). стратосферу

В). мезосферу

Г). термосферу

Д). все перечисленное верно