Возникновение и развитие биосферы

Одной из наиглавнейших особенностей планеты Земля есть существование на ней жизни. Область существования живых организмов на Земле называют биосферой (сферой жизни).

Сложный природный процесс, протекавший и протекающий на Земле, непосредственно связан c взаимодействием трех оболочек планеты: литосферы, гидросферы и атмосферы.

Именно эти oболочки и являются той сферой, той областью, где существуют живые организмы.

Впервые вплотную к понятию «биосфера» подошел французский естествоиспытатель Ж.Б. Ламарк в XVШ в.

Выводы, сделанные им, позволяют говорить o том, что они содержат в себе зачатки понятия o биосфере.

Работы Ламарка положили начало представлениям o существовании на нашей планете определенного пространства, заселенного живыми существами. Причем подчеркивалось, что это пространство организовано именно жизнедеятельностью организмов.

Австрийский гeoлoг Э.-Ф.Зюсс в 1875 г. ввел в науку понятие и определение биосферы.

Он писал: «В области взаимодействия верхних сфер и литосферы и на поверхности материков можно выделить самостоятельную биосферу. Она простирается теперь как над сухой, так и над влажной поверхностью, но ясно, что раньше она была ограничена только гидросферой».

Однако данные современной космохимии свидетельствуют о том, что в период своего образования наша планета в общем получила достаточное количество органических соединений, чтобы путем полимеризации аминокислот, сложных углеводородов и других соединений возникли саморегулирующиеся системы, необходимые для живого вещества.

 

По мнению целого ряда исследователей, на ранних этапах своего развития жизнь не была связана с отдельными живыми организмами, а выражалась в едином живом веществе. Согласно В. И. Вернадскому, происхождение жизни сводится к происхождению биосферы, которая с самого начала была сложной саморегулирующейся системой. Большое разнообразие геохимических функций живого вещества вытекало хотя бы из того, что любая, самая примитивная клетка, находясь в водной, морской среде, имела теснейший контакт со всеми химическими элементами таблицы Менделеева. Эти примитивные организмы, естественно, выбирали в процессе жизнедеятельности не все элементы, а в первую очередь те, которые благоприятствовали их росту и совершенствованию целого ряда физиологических процессов.

 

В этом отношении В. И. Вернадский [1940] отмечал: ''Вывод о необходимости одновременной чрезвычайно разнообразной геохимической функции в биосфере представителей жизни является основным условием ее появления. Каково бы это появление ни было, оно должно быть представлено не совокупностью неделимых одного вида, а совокупностью многих видов, морфологически принадлежащих к разным резко разделенным классам организмов, или же гипотетически особой, отличной от видов, неизвестной нам формой живого вещества. Возможность полного осуществления всех геохимических функций организмов в биосфере одноклеточными организмами делает вероятным, что таково было первое появление жизни...

 

Таким образом, первое появление жизни при создании биосферы должно было произойти не в виде появления какого-нибудь вида организма, а в виде совокупности, отвечающей геохимическим функциям жизни. Должны были сразу появиться биоценозы'' (с. 87).

 

Можно предположить, что химическая эволюция в космической туманности с возрастанием роли каталитических реакций могла привести к образованию молекул ДНК. Однако реализация ее функций оказалась возможной лишь в пределах Земли, где на основании развития живого вещества сформировалась ранняя биосфера как сочетание благоприятных условий для жизни со стороны биокосных систем и самого живого вещества. В остальных телах Солнечной системы химическая эволюция оказалась замороженной.

 

В настоящее время принято четкое подразделение организмов на автотрофшле и гетеротрофные по способу питания. Однако в ранней биосфере Земли соотношение гетеротрофных и автотрофньгх организмов было иным. Какое точно, мы еще не знаем. Единственное, что можно допустить, это то, что фотосинтезирующая автотрофная биосфера, отмеченная данными изотопной геохимии 4 млрд лет назад, была образованием вторичным и возникла на основе биосферы иного биогеохимического типа.

Исходя из вышеизложенного, можно заключить, что первичная биосфера нашей планеты, во-первых, ограничивалась водной средой, во-вторых, была насыщена гетеротрофными организмами, которые питались растворенными в воде органическими веществами, ранее возникшими преимущественно в космохимических условиях. Длительность существования подобной биосферы, скорее всего, занимала небольшой отрезок геологического времени.

Развитие биосферы Земли можно рассматривать как последовательную смену трех этапов (рис. 13). Первый этап - восстановительный - начался еще в космических условиях и завершился на Земле появлением гетеротрофной биосферы. Для первого этапа характерно появление малых сферических анаэробов (рис. 13, а). Присутствуют только следы свободного кислорода. Ранний способ фотосинтеза был, по существу, анаэробным. Развилась фиксация азота, поскольку часть ультрафиолетовой радиации проникала через атмосферу и быстро разлагала присутствующий аммиак.

Второй этап - слабоокислительный - отмечен появлением фотосинтеза. Он продолжался до завершения осад-конакопления полосчатых железистых формаций докем-брия. Аэробный фотосинтез начался предками цианобак-терий. Кислород производился организмами, строящими строматолиты (рис. 13, б). Но кислород мало накапливался в атмосфере, так как реагировал с железом, растворенным в воде. При этом окислы железа осаждались, образуя полосчатые железистые формации докембрия. Только когда океан освободился от железа и других поливалентных металлов, концентрация кислорода начала возрастать по направлению к современному уровню.

Третий этап характеризуется развитием окислительной фотоавтотрофной биосферы. Он начался с завершения отложений полосчатых железистых кварцитов около 1800 млн лет назад, в эпоху Карельско-Свекофенского орогенеза. Для этого этапа развития биосферы характерно наличие такого количества свободного кислорода, которого достаточно для появления и развития животных, потребляющих его при дыхании.

Последние два этапа в развитии биосферы фиксированы в каменной летописи геологической истории. Первый этап - наиболее далекий и загадочный, и расшифровка его истории связана с решением основных проблем органической космохимии.

Таким образом, современная биосфера включает в себя:

1) Живые организмы (растения, животные, микроорганизмы).

2) Тропосфера (нижний слой атмосферы до озонового слоя).

3) Гидросфера (океаны, моря, реки и т.д.).

4) Литосфера (верхняя часть земной коры).

Учение В.И Вернандского

Одним из выдающихся естествоиспытателей, который посвятил себя изучению процессов, протекающих в биосфере, был академик В. И. Вернадский. Он стал основоположником научного направления, названного им биогеохимией, которое легло в основу современного учения о биосфере.

В. И. Вернадский доказал, что, как бы слаб ни был каждый организм в отдельности, все они, вместе взятые, на протяжении длительного отрезка времени выступают как мощный геологический фактор, играющий существенную роль в жизни нашей планеты. Геологическая деятельность живых организмов проявляется как следствие следующих их особенностей: они теснейшим образом связаны с окружающей средой и взаимодействуют с ней в процессе обмена веществом и энергией; обмен веществ организмов со средой осуществляется в процессе биологического круговорота; суммарный эффект результатов деятельности организмов проявляется на протяжении очень длительных (сотен миллионов лет) отрезков времени. Таким образом, приоритет в разработке теоретических основ учения о биосфере принадлежит советским ученым.

В 1926 году опубликовал в Ленинграде книгу под названием «Биосфера», которая ознаменовала рождение новой науки о природе, о взаимосвязи с ней человека. В этой работе биосфера впервые показана как единая динамическая система, населенная и управляемая жизнью, живым веществом планеты. «Биосфера – организованная, определенная оболочка земной коры, сопряженная с жизнью». В работах по биосфере ученый показал, что взаимодействие живого вещества с веществом косным есть часть большого механизма земной коры, благодаря которому происходят разнообразные геохимические и биогенные процессы, миграции атомов, осуществляется их участие в геологических и биологических циклах.

Предлагается различать три основные формы биосферы планеты:

1) формы биологической систематики, включающие популяции, виды, роды, семейства и др., принятые в ботанике и зоологии;

2) биогеографические формы – территории, характеризующие географическое распространение и распределение растений и животных, специфику флоры и фауны.

3) экологические формы, известные под названием экосистем (биогеоценозов), экотопов, биотопов и др. биотоп – это участок с однородными экологическими условиями, занятый определенными биоценозами, экотоп – это место обитания сообщества.

 

Вещественный состав биосферы также разнообразен. В. И. Вернадский включает в него семь глубоко разнородных, но геологически не случайных частей:

 

· живое вещество;

 

· биогенное вещество – рождаемое и перерабатываемое живыми организмами (горючие ископаемые, известняки и т. д.);

 

· косное вещество, образуемое без участия живых организмов (твердое, жидкое и газообразное);

 

· биокосное вещество – косное вещество, преобразованное живыми организмами (вода, почва, кора выветривания, илы);

 

· вещество радиоактивного распада (элементы и изотопы уранового, ториевого и актиноуранового ряда);

 

· рассеянные атомы земного вещества и космических излучений;

 

· вещество космического происхождения в форме метеоритов, космической пыли и др.