Geum.ru

Происхождение жизни на Земле

5.3. Происхождение жизни на Земле

 

Существует несколько гипотез о происхождении жизни на Земле.

Креационизм
– земная жизнь была создана Творцом. Представления о Божественном сотворении мира придерживаются последователи почти всех наиболее распространенных религиозных учений. Ни доказать, ни опровергнуть креационистическую концепцию в настоящее время невозможно.

Гипотеза вечности жизни – жизнь, как и сама Вселенная, существовала всегда, и будет существовать вечно, не имея начала и конца. Вместе с тем отдельные тела и образования – галактики, звезды, планеты, организмы – возникают и погибают, т.е. существование во времени ограничено. Жизнь могла распространяться от одной галактики к другой и эта идея «заноса» на Землю жизни из Космоса называется панспермией. Идеи «вечности и безначальности» жизни придерживались многие ученые, среди них С.П. Костычев, В.И. Вернадский.

Гипотеза самопроизвольного зарождения жизни из неживой материи.
Идеи о самозарождении жизни высказывались еще со времен античности. На протяжении тысячелетий они верили в возможность постоянного самопроизвольного зарождения жизни, считая его обычным способом появления живых существ из неживой материи. По мнению многих ученых средневековья, рыбы могли зарождаться из ила, черви – из почвы, мыши – из тряпок, мухи – из гнилого мяса. В XVII в. итальянский ученый Ф. Реди экспериментально показал невозможность постоянного самозарождения живого. В нескольких стеклянных сосудах он поместил кусочки мяса. Часть из них он оставил открытыми, а часть прикрыл кисеей. Личинки мух появились только в открытых сосудах, в закрытых их не было. Принцип Реди: «живое – от живого».
Окончательно версия о постоянном самозарождении живых организмов была опровергнута в середине XIX в. Л. Пастером. Опыты убедительно показывали, что в современную эпоху живые организмы любого размера происходят от других живых организмов.

Гипотеза биохимической эволюции.
По представлениям, высказанным в 20-х гг. ХХ в. А.И.Опариным, а затем Дж. Холдейном, жизнь, а точнее, живое, возникло из неживой материи на Земле в результате биохимической эволюции.

 

 

5.3.1. Условия возникновения жизни при биохимической эволюции

 

В настоящее время учеными предложены более или менее вероятные объяснения, каким образом в первичных условиях Земли из неживой материи постепенно, шаг за шагом, развились разнообразные формы жизни. Возникновению жизни путем химической эволюции способствовали следующие условия:

- первоначальное отсутствие жизни;

- наличие в атмосфере соединений, обладающих восстановительными свойствами (при почти полном отсутствии кислорода О2);

- наличие воды и биогенных веществ;

- наличие источника энергии (относительно высокая температура, мощные электрические разряды, высокий уровень УФ-излучения).

 

5.3.2. Механизм возникновения жизни

 

Возраст Земли составляет около 4,6–4,7 млрд. лет. Жизнь имеет свою историю, начавшуюся, по палеонтологическим данным, 3–3,5 млрд. лет назад.

В 1924 г. русский академик А.И. Опарин выдвинул гипотезу о механизме зарождения жизни. В 1953 г. американские ученые С. Миллер и Г. Юри экспериментально подтвердили гипотезу образование органических веществ (мономеров) из газов, присутствующих в первичной атмосфере Земли.

В настоящее время имеется уже достаточно много неоспоримых доказательств того, что первичная атмосфера Земли была бескислородной и, вероятно, состояла главным образом из водяных паров H2O, водорода H2 и углекислого газа CO2 с небольшой примесью других газов (NH3, CH4, CO, H2S). Возникшая на Земле жизнь постепенно изменила эти условия и преобразовала химию верхних оболочек планеты.

Согласно биохимической теории А.И. Опарина в отсутствие кислорода и живых организмов, абиогено
синтезировались простейшие органические соединения – мономеров, предшественники биологических макромолекул живого вещества и ряда других органических соединений.

Возможными источниками энергии для образования органических веществ без участия живых организмов, видимо, являлись электрические разряды, ультрафиолетовое излучение, радиоактивные частицы, космические лучи, ударные волны от метеоритов, попадавших в земную атмосферу, теплота от интенсивной вулканической деятельности. В отсутствие кислорода, который мог бы их разрушить, а также живых организмов, которые использовали бы их в качестве пищи, абиогенно образовавшиеся органические вещества накапливались в Мировом океане – «первичном бульоне».

Следующим шагом было образование более крупных полимеров из малых органических мономеров, опять же без участия живых организмов. Американский ученый С. Фокс в результате нагревания смеси сухих аминокислот получил полипептиды различной длины. Они были названы протеиноидами, т.е. белковообразными веществами. Видимо, на первобытной Земле образование таких протеиноидов и полинуклеотидов со случайной последовательностью аминокислот или нуклеотидов могло происходить при испарении воды в водоемах, остававшихся после отлива. Если полимер образовался, он способен влиять на образование других полимеров. Некоторые протеиноиды способны, подобно ферментам, катализировать определенные химические реакции: именно эта способность, наверное, была главной чертой, определившей их последующую эволюцию. Эксперименты показывают, что один полинуклеотид, возникший из смеси нуклеотидов может служить матрицей для синтеза другого.

Полипептиды благодаря их амфотерности формировали коллоидные гидрофильные комплексы (т.е. молекулы воды, образуя вокруг белковых молекул оболочку, обособляли их от всей массы воды). При этом отдельные комплексы ассоциировались друг с другом, что приводило к образованию обособленных от первичной среды капель коацерватов, способных поглощать и избирательно накапливать различные соединения. Естественный отбор способствовал выживанию наиболее устойчивых коацерватных систем, способных к дальнейшему усложнению. Дальнейшая самоорганизация сложных молекул, происходившая за счет концентрирования на границе между коацерватами и внешней средой молекул липидов, привела к образованию перегородок мембранного типа. Во внутренних полостях коацерватов, куда уже только выборочно проникать молекулы, началась эволюцию от химических реакций к биохимическим. Одной из важнейших ступеней этой теории явилось объединение способности полинуклеотидов с каталитической активностью белков-ферментов.

Точка зрения Опарина и его сторонников по существу сформировала гипотезу голобиоза: структурную основу доклеточного предка (биоида) составляют жизнеподобные открытые (коацерватные) микросистемы, типа клеточной, способные к элементарному обмену веществ при участии ферментного механизма. Первичной белковая субстанция.

Гипотеза генобиоза: первичной была макромолекулярная система, подобная гену, способная к саморепродукции. Первичной признана молекула РНК.

5.3.3. Начальные этапы развития жизни на Земле

 

Как полагают, первые примитивные клетки появились в водной среде Земли 3,8 млрд. лет назад – анаэробные, гетеротрофные прокариоты, они питались синтезированными абиогенно органическими веществами или менее удачливыми своими собратьями; энергетические потребности удовлетворяли за счет брожения.

При увеличении численности гетеротрофных прокариотических клеток запас органических соединений в первичном океане истощался. В этих условиях значительное преимущество при отборе должны были приобрести организмы, способные к автотрофности, т.е. к синтезу органических орг. веществ из неорганических. Видимо, первыми автотрофными организмами были хемосинтезирующие бактерии. Следующим этапом было развитие реакций с использованием солнечного света – фотосинтез.

Для первых фотосинтезирующих бактерий источником электронов был сероводород. Значительно позже у цианобактерий (синезеленых водорослей) развился более сложный процесс получения электронов из воды. В качестве побочного продукта фотосинтеза в земной атмосфере начал накапливаться кислород. Это явилось предпосылкой для возникновения в ходе эволюции аэробного дыхания. Способность синтезировать при дыхании большее количество АТФ позволяла организмам расти и размножаться быстрее, а также усложнять свои структуры и обмен веществ.

Считают, что предками эукариот были прокариотические клетки. Согласно теории клеточного
симбиогенеза
эукариотическая клетка представляет сложную структуру, состоящую из нескольких прокариотических клеток, которые взаимодополняют друг друга. Целый ряд данных свидетельствует о происхождении митохондрий и хлоропластов, а возможно, и жгутиков от ранних прокариотических клеток, ставших внутренними симбионтами большей по размерам анаэробной клетки. Глубокие преобразования в строении и функционировании значительно увеличили эволюционные возможности эукариот, которые, появившись всего 0,9 млрд. лет назад, смогли достигнуть многоклеточного уровня и сформировать современную флору и фауну. Для сравнения следует сказать, что с момента появления первых прокариотических клеток (3,8 млрд. лет назад) до появления первых эукариотических клеток потребовалось 2,5 млрд. лет.

 

 

5.3.4. Основные этапы развития биосферы

 

Эон 

Эра 

Период 

Возраст (начало), млн. лет 

Органический мир

1 

2 

3 

4 

5 

Криптозой 

Архей 

  

4500±100 

Образование Земли. Возникновение прокариот и примитивных эукариот.

Протерозой 

  

2600±100 

Распространены водоросли, бактерии, все типы беспозвоночных.

Фанерозой 

Палеозой  

Кембрий  

570±10 

Процветание водорослей и водных беспозвоночных.

Ордовик  

495±20 

Силур  

418±15 

Появление наземных растений (псилофитов) и беспозвоночных.
   

Девон  

400±10 

Богатая флора псилофитов, появляются мхи, папоротниковидные, грибы, кистеперые и двоякодышащие рыбы.
   

Карбон

360±10 

Обилие древовидных папоротников, исчезновение псилофитов. Доминируют земноводные, моллюски, рыбы; появляются рептилии.

Пермь  

290±10 

Богатая флора травянистых и семенных папоротников, появление голосеменных; вымирание древовидных папоротниковидных. Господство морских беспозвоночных, акул; развитие рептилий; вымирают трилобиты.

 

Мезозой  

Триас  

245±10 

Преобладают древние голосемянные; вымирают семенные папоротники. Преобладают земноводные, рептилии; появляются костистые рыбы, млекопитающие.

Юра  

204±5 

Господствуют современные голосемянные; появляются первые покрытосемянные; вымирают древние голосемянные. Господствуют гигантские рептилии, костистые рыбы, насекомые.
   

Мел  

130±5 

Доминируют современные покрытосемянные; сокращаются папоротники и голосемянные. Преобладают костистые рыбы, первоптицы, мелкие млекопитающие; вымирают гигантские рептилии.

Кайнозой  

Палеоген  

65±3 

Широко распространены покрытосемянные, особенно травянистые. Доминируют млекопитающие, птицы, насекомые. Исчезают многие рептилии, головоногие моллюски.

Неоген  

23±1 

Антропоген (четвертич.) 

1,8 

Современный растительный и животный мир. Эволюция и господство человека.

 

 

 

5.4. Многообразие живых организмов – основа организации и

устойчивости биосферы

 

5.4.1. Система органического мира Земли

 

Современное биологическое разнообразие: на Земле от 5 до 30 млн. видов. Биологическое разнообразие – как результат взаимодействия двух процессов – видообразования и вымирания. Биологическое разнообразие – наиболее ценный «ресурс» планеты. Биологическое разнообразие включает два понятия: генетическое разнообразие или многообразие генетических свойств у особей одного вида и видовое разнообразие или число различных видов внутри сообщества или всей биосферы. Биоразнообразие обеспечивает новыми источниками питания, энергии, сырья, химических и лекарственных продуктов. Генетическое разнообразие позволяет видам совершенствоваться, приспосабливаться, использовать необходимые ресурсы, найти место в биогеохимическом круговороте Земли. Биоразнообразие – страховая политика природы против катастроф.

Структура биологического разнообразия. Единицы системы – демы и популяции. Генофонд популяции.

Эволюция биологического разнообразия. Сквозная эволюционная тенденция – увеличение разнообразия, прерываемое резкими спадами в результате массовых вымираний видов.

Воздействие человека на биологическое разнообразие. Прямой ущерб в результате человеческой деятельности. Косвенный ущерб от воздействий, нарушающих сбалансированные соотношения и процессы в экосистемах.

Сохранение биологического разнообразия. Инвентаризация и охрана биологического разнообразия. Сочетание прав человека с правами животных. Биоэтика. Сочетание этических принципов и экономических интересов. Сохранение и естественная эволюция биологического разнообразия.

Биологическое разнообразие как индикатор воздействий. Используются как отдельные компоненты биологического разнообразия, так и суммарные показатели. Нарушение структуры функции или сукцессионной последовательности развития экосистемы обычно выражается в сокращении биологического разнообразия.

В настоящее время на Земле описано около 3 млн. видов живых организмов. В современной систематике живых организмов существует следующая иерархия таксонов: царство, отдел (тип в систематике животных), класс, порядок (отряд в систематике животных), семейство, род, вид. Кроме того, выделяют промежуточные таксоны: над- и подцарства, над- и подотделы и т.д. Ниже приведены основные крупные таксоны живых организмов, расположенные в пределах царств в последовательности эволюционного развития.

Неклеточные формы

ЦАРСТВО ВИРУСЫ

Вирусы – внутриклеточные паразиты, проявляют свойства живых организмов только попав внутрь клетки. Обычно вирусы состоят из молекулы нуклеиновой кислоты и белковой оболочки – капсида.

Клеточные формы

Надцарство Прокариоты

ЦАРСТВО АРХЕБАКТЕРИИ

ЦАРСТВО ЭУБАКТЕРИИ

ЦАРСТВО ПРОКАРИОТИЧЕСКИЕ ВОДОРОСЛИ: отдел Цианобактерии, отдел Прохлорофиты

Прокариоты – одноклеточные организмы, не имеют ядра. По способу питания среди бактерий встречаются фототрофы, хемотрофы, сапрофиты, паразиты. Сапротрофные бактерии участвуют в разложении органических останков растений и животных и в их минерализации до СО2, Н2О, Н2S, NH3 и других неорганических веществ. Вместе с грибами они являются редуцентами.

Надцарство Эукариоты

Эукариоты – одноклеточные или многоклеточные организмы, имеющие оформленное ядро и различные органоиды.

ЦАРСТВО ГРИБЫ

– подцарство Слизевики

– подцарство Грибы: отдел Хитридиомицеты, отдел Оомицеты, отдел Зигомицеты, отдел Аскомицеты или Сумчатые грибы, отдел Базидиомицеты, отдел Дейтеромицеты или Несовершенные грибы

– Лишайники

Грибы – эукариотические гетеротрофные организмы. Встречаются сапротрофы и паразиты. Грибы-сапрофиты играют важную роль в круговороте веществ в природе, минерализуя органические остатки отмерших растений и животных. Вместе со многими бактериями они являются редуцентами.

ЦАРСТВО РАСТЕНИЯ

– подцарство Багрянки: отдел Красные водоросли

– подцарство Настоящие водоросли: отдел Зеленые водоросли, отдел Золотистые водоросли, отдел Желто-зеленые водоросли, отдел Диатомовые водоросли, отдел Бурые водоросли, отдел Пирофитовые водоросли, отдел Эвгленовые водоросли

– подцарство Высшие растения: отдел Моховидные, отдел Риниовидные, отдел Плауновидные, отдел Хвощевидные, отдел Папоротниковидные, отдел Голосемянные, отдел Покрытосемянные (класс Однодольные, класс Двудольные).

Растения – эукариотические автотрофные фотосинтезирующие организмы. Растения являются продуцентами органических веществ и основным источником энергии для других живых организмов. Любые пищевые цепи начинаются с зеленых растений или их остатков. Флора – совокупность видов растений, обитающих на определенной территории.

ЦАРСТВО ЖИВОТНЫЕ

– подцарство Одноклеточные: тип Саркомастигофоры (класс Жгутиконосцы, класс Саркодовые), тип Споровики, тип Инфузории

– подцарство Многоклеточные: тип Губки, тип Кишечнополостные (класс Гидроидные полипы, класс Сцифоидные полипы, класс Коралловые полипы), тип Гребневики, тип Плоские черви (класс Моногенетические сосальщики, класс Трематоды, класс Ленточные черви), тип Круглые черви (класс Нематоды, класс Волосатики, класс Скребни, класс Коловратки), тип Кольчатые черви (класс Многощетинковые, класс Малощетинковые, класс Пиявки), тип Членистоногие (класс Ракообразные, класс Мечехвосты, класс Паукообразные, класс Многоножки, класс Насекомые), тип Моллюски (класс Брюхоногие, класс Двустворчатые, класс Головоногие), тип Иглокожие (класс Морские лилии, класс Морские звезды, класс Морские ежи, класс Голотурии), тип Хордовые (подтип Оболочники, подтип Бесчерепные и подтип Позвоночные, включающий классы – Круглоротые, Хрящевые рыбы, Костные рыбы, Земноводные, Пресмыкающиеся, Птицы, Млекопитающие).

Животные – эукариотические гетеротрофные организмы. В пищевых цепях выполняют роль консументов. Фауна – совокупность видов животных, обитающих на определенной территории.

 

5.4.2. Экологические факторы.

Структура и функционирование экологических систем

 

Экологические факторы – это отдельные элементы среды обитания, которые воздействуют на организмы. Каждая из сред обитания отличается особенностями воздействия экологических факторов.

По природе экологические факторы делят на абиотические и биотические, природные и антропогенные.

Абиотические факторы – компоненты неживой природы, прямо или косвенно воздействующие на организм (свет, температура, влажность, ветер, атмосферное давление, землетрясения, извержения вулканов, движение ледников, радиоактивное излучение, крутизна местности и др.).

Биотические факторы – воздействие на организм других живых организмов (внутривидовые, межвидовые; по типу взаимодействия – протокооперацию, мутуализм, комменсализм, внутривидовую и межвидовую конкуренции, паразитизм, хищничество, аменсализм, нейтрализм.

Антропогенные факторы – деятельность человека, приводящая либо к прямому воздействию на живые организмы, либо к изменению среды их обитания (охота, промысел, сведение лесов, загрязнение, эрозия почв и др.).

Несмотря на большое разнообразие экологических факторов, в характере их воздействия на организмы и в ответных реакциях
живых существ можно выявить ряд общих закономерностей.

1. Закон толерантности (закон оптимума или закон В. Шелфорда)
– каждый фактор имеет определенные пределы положительного влияния на организмы. Как недостаточное, так и избыточное действие фактора отрицательно сказывается на жизнедеятельности особей (много «хорошо» – тоже «не хорошо»).
Факторы среды имеют количественное выражение. По отношению к каждому фактору можно выделить зону оптимума (зону нормальной жизнедеятельности), зону пессимума (зону угнетения) и пределы выносливости организма. Способность живых организмов переносить количественные колебания действия экологического фактора в той или иной степени называется
экологической валентностью или толерантностью.

2. Закон минимума (закон Ю. Либиха или правило ограничивающих факторов) –
возможности существования организмов в первую очередь ограничивают те факторы среды, которые наиболее удаляются от оптимума. Если хотя бы один из экологических факторов приближается или выходит за пределы критических величин, то, несмотря на оптимальное сочетание остальных условий, особям грозит гибель. Так, продвижение вида на север может лимитироваться (ограничивается) недостатком тепла, в аридные районы – недостатком влаги или слишком высокими температурами.

3. Гипотеза незаменимости фундаментальных факторов (В.Р. Вильямсон) – полное отсутствие в среде полное отсутствие в среде фундаментальных экологических факторов (физиологически необходимых; например, света, воды, углекислого газа, питательных веществ) не может быть компенсировано (заменено) другими факторами. Так, по данным «Книги рекордов Гиннеса» без воздуха человек может прожить до 10 мин., без воды – 10–15 суток, без пищи – до 100 дней.

Живые организмы находятся между собой и абиотическими условиями среды обитания в определенных отношениях, образуя тем самым, так называемые, экологические системы.

Биоценоз –
совокупность популяций разных видов, обитающих на определенной территории.

Биотоп –
определенная территория со свойственными ей абиотическими факторами среды обитания (климат, почва).

Биогеоценоз –
совокупность биоценоза и биотопа.

Экосистема (экологическая система) –
система совместно обитающих живых организмов и условий их существования, связанных потоком энергии и круговоротом веществ. Экосистема = биоценоз + биотоп.

При всем многообразии органический мир представляет собой единое целое». Все виды живых организмов представляют собой различные формы существования живой материи. Как бы ни отличались друг от друга отдельные виды животных, растений и микроорганизмов, всем им присуще определенное биохимическое единство, выражающееся в общности химического состава (белков, углеводов, жиров, ферментных и гормональных систем и др.) и близости типов реакций, лежащих в основе процессов ассимиляции и диссимиляции. Например, химическое сходство нуклеиновых кислот, основных ферментов, хлорофилла растений и гемоглобина животных. В то же время имеются и специфические особенности биохимизма, отличающие животных, растений, грибов, бактерий, вирусов и даже одну особь данного вида от другой.

Огромное видовое разнообразие живых организмов обеспечивает постоянный биогеохимические круговороты веществ. Каждый из организмов, вступает в специфические взаимоотношения со средой и играет свою роль в трансформации веществ и энергии. Живые организмы входят в тот или иной биоценоз – совокупность популяций разных видов, обитающих на определенной территории.

Важное экологическое правило состоит в том, что чем разнороднее и сложнее биоценоз, тем выше его устойчивость, способность противостоять различным внешним неблагоприятным воздействиям. Одни и них сохраняются в течение длительного времени, другие закономерно изменяются. Процесс смены одного сообщества другим называется сукцессией. В ходе сукцессии увеличивается разнообразие входящих в состав биоценоза видов организмов, вследствие чего повышается его устойчивость.

Повышение видового разнообразия обусловлено тем, что каждый новый компонент биоценоза открывает новые возможности для других. Например, появление деревьев позволяет проникнуть в экосистему видам, живущим в подсистеме дерева: на коре, под корой, строящим гнезда на ветвях, в дуплах.

Объединение разнородных индивидуумов в популяции создает преимущества в борьбе за существование и обеспечивает более активные отношения вида со средой обитания, поскольку возникают более активные сложные формы групповой жизнедеятельности. Морфологическое разнообразие внутри вида, существование географических рас (подвидов) и биологических форм расширяют использование видом среды и имеют важное значение в борьбе за существование с другими видами. В состав биоценоза входят 4 функциональных компонента, обеспечивающих круговорот веществ:

- Продуценты – автотрофные организмы, способные производить органические вещества из неорганических, используя фотосинтез или хемосинтез (растения и автотрофные бактерии).

-
Консументы (макроконсументы, фаготрофы) – гетеротрофные организмы, потребляющие органическое вещество продуцентов или других консументов (животные, гетеротрофные растения, некоторые микроорганизмы).

-
Редуценты (микроконсументы, деструкторы, сапротрофы, осмотрофы) – гетеротрофные организмы, питающиеся органическими остатками и разлагающие их до минеральных веществ (сапротрофные бактерии и грибы).

В экосистеме пищевые и энергетические связи идут в направлении: продуценты консументы редуценты. Питаясь друг другом, живые организмы образуют цепи питания. Каждое звено цепи называется трофическим уровнем. При передаче энергии в пищевой цепи с одного трофического уровня на другой большая часть энергии рассеивается в виде тепла (в соответствии со вторым законом термодинамики), и только около 10 % от первоначального количества передается по пищевой цепи.

Правило десяти процентов – на каждый следующий трофический уровень переходит примерно 10 % вещества и энергии предыдущего уровня.

Таким образом, биоценозы – целостные системы, где существование одних видов без других невозможно, так как их обмены веществ сопряжены и приспособлены друг к другу: одни виды используют продукты метаболизма других видов или их самих в качестве пищи. В биоценозе на основе взаимодействия составляющих их видов возникают новые формы отношений живых существ с неживой природой.

Энергия в разных формах связывает все организмы на Земле друг с другом и со средой их обитания. Почти вся энергия, за счет которой существует биосфера, поступает на Землю в виде солнечного излучения. Дополнительные источники, незначительные для биосферы в целом, но важные для некоторых организмов – это внутренней тепло Земли и притяжение Луны.

Порция солнечной энергии, поступающая в виде света, связывается фототрофами – организмами, способными преобразовывать световую энергию в энергию химических связей сложных органических веществ (растения используют 1 % солнечной энергии). Этот процесс называется фотосинтезом и является основой всей жизни на Земле. В результате фотосинтеза не только создается пища для всех животных, грибов и множества бактерий, использующих готовые органические вещества, но и выделяется в атмосферу кислород, необходимый для жизни большинства организмов.

Помимо энергии всем организмам необходимы элементы, входящие в состав неорганических веществ, в частности углерод, водород, кислород, азот. Они необходимы всем живым существам в больших количествах, в связи, с чем они получили название органогенных элементов. Всем организмам нужны также фосфор, сера, калий, кальций, железо, магний и другие элементы.

Все перечисленные элементы совершают в биосфере круговорота переходя от одних организмов к другим. Если какого-либо элемента организму не хватает, то он перестает расти и размножаться, несмотря на то, что все остальные необходимые элементы могут при этом присутствовать в достаточном количестве. Все это незаменимые ресурсы, поскольку каждый из них необходим для жизни.

В то же время биосфера Земли является ресурсом для жизни живых организмов. Например, разнообразные виды микробов (хемогетеротрофы, фотоавтотрофы и др.) в результате жизнедеятельности вырабатывают кислород, необходимый для жизни всех существ.

Бактерии, цианобактерии (сине-зеленые водоросли), микроскопические грибы, простейшие играют ведущую роль в жизни биосферы. Не будь микроорганизмов, круговорот веществ на планете не мог бы осуществляться. Условия, в которых ныне существуют высшие формы жизни (растения, животные), созданы микроорганизмами, прежде всего бактериями.

Мир бактерий разнообразен. Существуют сообщества микроорганизмов, образующие горные породы и называемые строматолитами. Древнейшие сообщества микроорганизмов, к которым относятся и строматолиты, создали ту биохимическую «машину» планеты, в которую затем встраивались растения и животные. Именно они создали первую на Земле пленку органического вещества и обогатили атмосферу кислородом.

Возникшие значительно позже растения и животные в свою очередь создали для бактерий новые экологические ниши. Так, особые сообщества микроорганизмов складываются в почве, прилегающей к корням растений. Или, например, некогда проглоченные с частицами органического вещества бактерии в ходе эволюции образовали сообщества в пищеварительном тракте млекопитающих.

Всюду на Земле можно встретить разнообразные формы жизни – от невидимых вирусов и бактерий до громадных китов и гигантских деревьев. Рост разнообразия живых организмов способствовал возрастанию устойчивости биосферы, ее развитию и совершенствованию, а также эволюционному развитию видов и сохранению энергии и ресурсов.

В ходе естественного отбора в составе биоценоза неизбежно сохраняются лишь те виды организмов, которые могут наиболее успешно размножаться именно в данном сообществе.

Таким образом, устойчивость биосферы в целом, ее способность эволюционировать определяется тем, что она представляет собой систему относительно независимых биоценозов. Взаимосвязь между ними ограничивается связями посредством неживых компонентов биосферы.

На всей земной поверхности и в глубинах Мирового океана условия жизни неоднородны. В различных регионах Земли степень видового разнообразия различна. В тундрах число видов высших сосудистых растений (т.е. без учета водорослей, мхов и лишайников) не превышает 200–300 на площади 100 км2, в тайге – 400–600, в степях – 800–900, в тропиках на 100 км2 приходится более чем 200 тыс. видов. Биологическое разнообразие животных увеличивается от полюсов к экватору и достигает своего пика в тропиках. Велико биологическое разнообразие в морях и океанах. Наиболее богаты прибрежные воды глубиной до 200 м. Жизнь существует даже на океаническом дне, откуда постоянно выбрасываются насыщенные солями жгучие растворы с температурой 300–450°С. Обладая разной толщиной, «пленка жизни» не прерывается нигде.

В истории Земли были катастрофы, когда биологическое разнообразие, как на суше, так и в океане резко сокращалось за короткие в геологическом масштабе сроки. Многие виды исчезали, земная кора опускалась или поднималась, менялись уровень моря, климат. Виды погибали, не приспособившись к новым условиям, но они сменялись новыми. Поэтому после их гибели происходило обновление менее приспособленных форм более приспособленными.

Биосфера Земли проявила свою устойчивость и способность развививаться, несмотря на серьезные изменения в облике Земли (например, в ледниковый период). Именно благодаря многообразию живым организмов, их способности выживать, приспосабливаться к изменяющимся условиям, размножаться биосфера Земли, хотя и изменяется, но не теряет своей устойчивости.

5.4.3. Глобальные экологические проблемы.

Концепции устойчивого развития

 

Появление на Земле около 40 тыс. лет назад человека разумного Вернадский рассматривал как естественную часть биосферы, а деятельность его – как важнейший геологический фактор. С появлением человека на биосферу Земли стало оказываться все возрастающее воздействие, как позитивное, но в большей мере – негативное.

Загрязнение – привнесение в окружающую среду или возникновение в ней новых (обычно не характерных для нее) вредных химических, физических, биологических агентов. Загрязнение окружающей среды может быть физическое (тепловое, радиоактивное, шумовое, электромагнитное, световое и др.), химическое (тяжелые металлы, пестициды, синтетические поверхностно активные вещества – СПАВ, пластмассы, аэрозоли, детергенты и др.) и биологическое (патогенные микроорганизмы и др.).

Ингредиентное загрязнение – совокупность веществ, количественно или качественно чуждых естественным биогеоценозам (бытовые стоки, ядохимикаты и удобрения, продукты сгорания и т.д.).

Параметрическое загрязнение – изменение качественных параметров окружающей природной среды (шумовое, тепловое, световое, радиационное, электромагнитное).

Биоценотическое загрязнение – воздействия, вызывающие нарушение в составе и структуре популяций живых организмов (перепромысел, направленная интродукция и акклиматизация видов и т.д.).

Стациально-деструкционное загрязнение (от слов стация – место обитания популяции, деструкция – разрушение) – воздействие, приводящее к нарушению и преобразованию ландшафтов и экосистем в процессе природопользования (вырубка лесов, эрозия почв, урбанизация и пр.).

Парниковый эффект – разогрев нижних слоев атмосферы, вследствие способности атмосферы пропускать коротковолновую солнечную радиацию, но задерживать длинноволновое тепловое излучение земной поверхности. Парниковому эффекту способствует поступление в атмосферу антропогенных примесей (диоксида углерода, пыли, метана, фреонов и т.д.). Отрицательные для человечества последствия парникового эффекта заключаются в повышении уровня Мирового океана в результате таяния материковых и морских льдов, теплового расширения океана и т.п. Это приведет к затоплению приморских равнин, усилению абразионных процессов, ухудшению водоснабжения приморских городов, деградации мангровой растительности и т.п. Увеличение сезонного протаивания грунтов в районах с вечной мерзлотой создаст угрозу дорогам, строениям, коммуникациям, активизирует процессы заболачивания и т.д.

Разрушение «озонового слоя». Слой атмосферы с наибольшей концентрацией озона на высоте 20–25 км называется озоносферой. «Озоновая дыра» – значительное пространство в озоносфере планеты с заметно пониженным (до 50% и более) содержанием озона. Основной причиной возникновения «озоновых дыр» является значительное содержание в атмосфере фреонов. Фреоны (хлорфторуглероды, или ФХУ) – высоколетучие, химически инертные у земной поверхности вещества, широко применяемые в производстве и быту в качестве хладагентов (холодильники, кондиционеры, рефрижераторы), пенообразователей и распылителей (аэрозольные упаковки). Истощение озонового слоя в атмосфере Земли приводит к увеличению потока ультрафиолетовых лучей на земную поверхность. Ультрафиолетовые лучи в небольших дозах необходимы живым организмам (стимуляция роста и развития клеток, бактерицидное действие, синтез витамина D и т.д.), в больших дозах губительны, из-за способности вызывать раковые заболевания и мутации.

Кислотные дожди – дождь, подкисленный до рН < 5,6 из-за растворения в атмосферной влаге антропогенных выбросов (диоксид серы, оксиды азота, хлороводород и пр.). Отрицательное воздействие кислотных дождей на растительность проявляется как в прямом биоцидном воздействии на растительность, так и в косвенном через снижение рН почв. Выпадение кислотных дождей приводит к ухудшению состояния и гибели целых лесных массивов, а также снижению урожайности многих сельскохозяйственных культур. Кроме того, отрицательное воздействие кислотных дождей проявляется в закислении пресноводных водоемов. Снижение рН воды вызывает сокращение запасов промысловой рыбы, деградацию многих видов организмов и всей водной экосистемы, а иногда и полную биологическую гибель водоема.

Деградация почвенного покрова. Деградация почв – ухудшение качества почвы в результате снижения плодородия. К явлениям деградации почв относятся: дегумификация почв (потеря почвами гумуса); промышленная эрозия почв (отчуждение почв городами, поселками, дорогами, линиями электропередач и связи, трубопроводами, карьерами, водохранилищами, свалками и т.д.); водная и воздушная эрозия (дефляция) почв (разрушение верхних слоев почвы под действием воды и ветра); вторичное засоление почв (результат неправильного орошения минерализованными или пресными водами); затопление, разрушение и засоление почв водами водохранилищ и др.

Деградация растительного покрова. К деградации растительного покрова ведут следующие антропогенные факторы: прямое уничтожение в ходе использования (рубка лесов, выкашивание, сбор с различными целями, стравливание домашними животными), при создании водохранилищ, в ходе открытых разработок ископаемых, при пожарах, в процессе распашки новых угодий; ухудшение условий жизни растений при орошении, осушении, засолении почв, изменении гидрологии водоемов, загрязнении среды токсичными химическими веществами и элементами, заносе вредных организмов (возбудителей болезней, конкурентов) и др.

Деградация животного мира. К сокращению или уничтожению видов животных ведут следующие антропогенные факторы: прямое уничтожение в результате промысла животных, добываемых ради меха, мяса, жира и пр., при применении химических веществ для борьбы с вредителями сельского хозяйства (при этом часто гибнут не только вредители, но и полезные для человека животные), ухудшение условий жизни животных в результате вырубки лесов, распашки степей, осушения болот, сооружения плотин, строительства городов, загрязнения атмосферы, воды, почвы и т.д. К числу вымерших животных относятся: тур, тарпан, морская (стеллерова) корова, бескрылая гагарка, лошадиная антилопа, нелетающий голубь дронт и др.

Демографическая проблема. Стремительный рост численности населения развивающихся стран часто называют «демографическим взрывом». Его начало приходится на вторую половину XX в. После Второй мировой войны большинство бывших колоний стало независимыми государствами. С помощью созданных в это же время международных организаций они предприняли энергичные усилия по улучшению жизни населения. Всемирной организации здравоохранения (ВОЗ) в короткие сроки, за одно-два десятилетия, удалось резко снизить детскую смертность, улучшить общее санитарное состояние жизненной среды населения этих стран (полнее обеспечить его питьевой водой, лекарствами, средствами гигиены и т. п.). О темпах ускорения наглядно свидетельствуют цифры: первый свой миллиард человечество отметило около 1830 г., второй – через 100 лет (1939 г.), третий – через 20 лет (1960 г.), четвертый – через 15 лет (1975 г.), пятый – через 12 лет (1987 г.), шестой – через 13 лет (2000 г.). В 2000 г. на Земле проживало 6 млрд. человек. Ежегодный чистый прирост составляет сейчас 78 млн. человек – почти столько живет в настоящее время во всей Германии. За сутки численность землян увеличивается почти на четверть миллиона человек, за час – на 10 тыс. Очевидные негативные следствия стихийного хода демографических процессов требуют его упорядоченности. Единственной приемлемой для этого формой является регулирование рождаемости.

Развивая цивилизацию, человек вырубает леса, распахивает степи, осушает болота, переселяет в новые места животных и пересаживает растения. Такое вмешательство в природу нарушает биологическое равновесие и в конечном итоге сокращает биологическое разнообразие. Если естественное вымирание животных в последние 100 млн. лет приводило к исчезновению в среднем одного вида за каждое тысячелетие, то с 1600 г. один вид исчезал каждые 10 лет, а с конце XX в. ежегодно с лица Земли безвозвратно исчезают по одному виду животных и растений. В настоящее время под угрозой исчезновения находятся почти 20 тыс. видов растений, свыше 1300 видов рептилий, около 1000 видов птиц и более 400 видов млекопитающих.

Исчезновение видов живых организмов нарушает тонкий баланс природы, который складывался миллионы лет. Обедневшие экологические системы (леса, луга, озера и т.д.) становятся неустойчивыми и подвергаются разрушению при любом изменении внешних условий. Это создает угрозу устойчивости биосферы, способствует ее разрушению, так как от одного исчезнувшего вида тянется скрытая цепочка последствий, подчас опасных не только для природы, но и для человечества.

Поэтому биологическое разнообразие планеты нуждается в охране. Для этого во всех странах мира создаются особо охраняемые природные территории (ООПТ): заповедники, заказники, национальные парки. Это участки нетронутой природы со всеми ее обитателями, они находятся под охраной государства. В настоящее время в России существует 101 заповедник (~1,5% территории страны) и 35 национальных парков (<0,5%), а, например, в Люксембурге и Коста-Рике более 1/4 всей территории занимают охраняемые природные зоны.

Охрана природы должна быть повсеместной. На территории заповедников и национальных парков запрещены любая хозяйственная деятельность. Однако надо не только расширять сеть заповедников, но одновременно добиваться, чтобы было меньше отходов, загрязняющих Землю.

В 1992 г. в Рио-де-Жанейро (Бразилия) была подписана Международная конвенция о биологическом разнообразии. В ней выражена решимость общими усилиями сохранять и поддерживать богатство и разнообразие всего живого. Благотворительный Всемирный фонд дикой природы собирает пожертвования частных лиц и организаций на финансирование научных исследований, направленных на сохранение биологического разнообразия на Земле.

Многообразие живых организмов – основа устойчивости биосферы. Биосфера, являясь целостной, согласованно функционирующей системой имеет пределы своей устойчивости, и проблемы изучения стабильности и устойчивого развития биосферы является одной из фундаментальных. При выходе за эти пределы система проходит через цепь бифуркаций, скачкообразно меняет свои свойства и может прекратить свое существование. Интенсивное развитие техносферы за последние 50 лет привело к антропогенным воздействиям невиданных ранее масштабов. И если «наступление на природу» будет продолжаться все возрастающими темпами, то в недалеком будущей может произойти переход биосферы за пределы устойчивости.

Индикаторами приближения биосферы к границе неустойчивости являются загрязнения окружающей среды, потепление климата, утоньшение озонового слоя, уменьшение биологического разнообразия, необратимое изменение связей в биогеоценозах и т.д. Главной особенностью жизни является то, что в силу сложности любой конкретный тип скоррелированности в биоте всегда неустойчив и непременно распадается с течением времени.

Современное энергопотребление человеческого общества на 90% основано на невозобновляемых ресурсах, что приводит к нарушению устойчивости природных систем и их загрязнению.

Каждый живой организм адаптирован к своей экологической нише, в которой он может устойчиво существовать и развиваться. В этом смысле биосферу можно рассматривать как экологическую нишу устойчивого существования и развития цивилизованного человека в условиях НТР только при сохранении естественной биоты на больших территориях Земли и сокращении общего энергопотребления и оптимизации роста населения.

В связи с проблемой устойчивости экосистем возникла необходимость разработки концепции устойчивого развития. По своему замыслу принятие этой концепции должно было стимулировать разработку общей стратегии развития человеческого общества на базе экологически целесообразного природопользования, сохранения благоприятного для людей состояния окружающей среды, обеспечивающее приемлемое качество жизни для нынешнего и последующих поколений людей. Эту концепцию можно рассматривать в конечном итоге, как переход общества к ноосфере.

Существующая в настоящее время идеология «общества потребления» губительна для биосферы, для составляющих ее экосистем, для сохранения видового и экосистемного биоразнообразия, для вида Homo sapiens, выживание которого зависит в первую очередь от устойчивости биосферы, а, в конечном счете – от ее биологического разнообразия.

Каждый из видов, населяющих нашу планету, есть результат много миллионнолетней эволюции, носитель неповторимых генетических особенностей. Мы обязаны сохранить и передать потомкам биологическое разнообразие, существующее на Земле и являющееся следствием неповторимости эволюционных путей, приведших к формированию каждого вида. То принципиально новое, что внес наш век в понимание проблемы органического многообразия, сводится к следующему: сохранение биологического разнообразия – непременное условие существования человека на Земле