Вопрос 4. Перечислите стадии эволюции Земли и биосферы.

Космические явления распространяются на Земле в виде всемирного тяготения, солнечной радиации и др. и в значительной мере определяют развитие жизни, имеют самое непосредственное отношение к происходящим на Земле процессам, к ее строению. Вместе с тем Земле свойственны и чисто земные процессы, которые тесно связаны с космическими процессами и в совокупности создали Землю такой, какой она есть, с бурно кипящей жизнью, с ее прошлым, теряющимся в необозримых просторах Вселенной, с ее будущим.

Многие сотни миллионов лет на Земле происходят процессы энергетического обмена, преобразования и накопления различных форм энергии. Земля со всеми ее оболочками – единый организм, в котором сохраняется определенное динамическое равновесие между отдельными частями, в том числе между живым и неживым веществом.

Рис. 1.6. Эволюция Земли на одной и той же временной шкале

На рис. 1.6 схематично представлены главные события эволюции Земли на одной и той же временной шкале. Согласно существующим представлениям, учеными рассматриваются три основные стадии структурных преобразований примитивной Земли. Первая, предшествовавшая формированию земного ядра, названа стадией горячих первичных вулканов, вторая – после ядерной стадией вулканов гавайского типа и третья, последняя, – биологической.

В ходе первой стадии внутренняя часть планеты подвергалась быстрым и значительным структурным перестройкам. Вулканическая деятельность, грозы, падения метеоритов, высокоэнергетическое ультрафиолетовое излучение Солнца были очень интенсивными. Это излучение было в высшей степени важно для возникновения и эволюции жизни в ходе первых 2,5 млрд. лет. Другими источниками энергии были электрические разряды, теплота, радиоактивность.

В атмосфере присутствовали главным образом азот, окись углерода, водород, водяной пар и сероводород.

Именно в этом периоде на Земле появилась вода. Считается, что первичная гидросфера возникла в результате выделения из мантии Земли жидких легкоподвижных растворов и газов. Выделяясь в виде паров, вода конденсировалась и выпадала чудовищными и почти непрерывными ливнями. На поверхности земной коры формировались мелкие озера пресной дождевой воды, содержащие вулканический пепел.

Сегодня водная оболочка Земли – гидросфера – включает в себя всю воду планеты, находящуюся в жидком, твердом (лед) и газообразном (водяной пар) состоянии.

Общий объем воды на планете остается практически неизменным и составляет порядка 1,5 млрд. км ³. Мировой океан – главная составная часть гидросферы. На его долю приходится около 94% объема вод. Далее следуют подземные воды, ледники, поверхностные воды (озера, реки, болота, почвенные воды).

Под воздействием солнечного излучения вода в природе совершает непрерывный круговорот. Испаряясь с поверхности рек, озер и морей, с влажной почвы, травы, листьев деревьев и кустарников, она поднимается вверх в виде водяного пара, сгущается

в облака, переносится ими, а затем выпадает на земную поверхность, стекает в реки и моря, впитывается почвой, поглощается растениями и снова испаряется. Система мирового круговорота воды, пространственная непрерывность Мирового океана, общность происхождения вод свидетельствуют, что гидросфера едина.

Для второй стадии характерно образование ядра Земли. Около 4000 млн. лет тому назад, после того как в результате распада короткоживущих радиоактивных элементов и гравитационного сжатия внутренняя температура Земли возросла, полурасплавленная внутренняя часть планеты подверглась резкой перестройке. Образование ее ядра, которое, как считает большинство исследователей, является в основном железоникелевым, произошло вследствие непрерывного плавления глубоких внутренних областей. После его формирования внутреннее строение нашей планеты оставалось по существу без изменений, а минеральный состав мантии и земной коры сохраняется одним и тем же вплоть до наших дней.

Вторая стадия эволюции Земли продолжалась примерно 1500–2000 млн. лет, завершившись биологическим образованием кислорода.

В ходе этого длительного периода физические условия постепенно изменялись: вулканическая активность снижалась, частота падений метеоритов уменьшалась, соленость океанов увеличивалась. Но продолжало поступать высокоэнергетическое ультрафиолетовое излучение Солнца. В таких условиях возникла жизнь.

К этому времени относятся древнейшие осадочные породы, что говорит о формировании постоянных океанов. Первые из известных осадочных пород, найденные в Исуа (Гренландия), имеют возраст около 3800 млн. лет. Более древние отложения представлены только кристаллическими породами.

Третья стадия эволюции планеты, называемая биологической, характеризуется образованием свободного кислорода в атмосфере около 2000 млн. лет тому назад, когда у фотосинтезирующих организмов развилась способность использовать видимый свет как источник энергии и воду как донора электронов.

Накопление свободного кислорода в атмосфере происходило до времени в 600 млн. лет тому назад, когда возникли сложные многоклеточные формы жизни. После того, как в атмосфере накопился свободный кислород фотосинтезного происхождения, он стал поглощать ультрафиолетовое излучение Солнца, образовав озоновый слой. В результате солнечное ультрафиолетовое излучение перестало достигать поверхности Земли. Формирование озонового экрана стало одним из самых значительных событий в истории природной среды, поскольку оно позволило развиться земным биологическим системам.

Кислород в земной атмосфере, составляющий 21%, находится в состоянии динамического равновесия благодаря постоянному пополнению за счет жизнедеятельности растений, т.е. за счет жизни на Земле. Этот феномен со всей наглядностью показывает, как развитие жизни на Земле приводит к космическим последствиям.

Эволюция Земли, процессы формирования ее атмосферы и биосферы происходили совместно в постоянной взаимосвязи.

Эти процессы шли в неразрывной связи с эволюцией континентальных массивов, которые в течение длительного времени земной истории составляли единый древний материк, называемый Пангеей. Примерно 200 млн. лет тому назад начался процесс образования современных континентов.

2. Основные этапы развития биосферы

Можно условно выделить следующие последовательные этапы эволюции биосферы: синтез простых органических соединений, биогенез, антропогенез, техногенез и ноогенез.

1) Синтез простых органических соединений (химическая эволюция) в геосферах Земли совершался под действием ультрафиолетовой радиации: метана, аммиака, водорода, паров воды. Начало этапа - 3,5-4,5 млрд. лет.

На этом этапе происходило образование низкомолекулярных органических соединений (аминокислот, спиртов, углеводов, органических кислот). Жизнь на Земле основана на углеродистых соединениях. Почему именно углерод стал основой жизни? Во-первых, потому, что углерод образует соединения в виде крупных молекулярных цепочек. Во-вторых, углеродистые соединения взаимодействуют медленно. В-третьих, углерод образует сложные соединения с особой структурой, существенной для протекания важнейших жизненных процессов.

Химическая эволюция началась задолго до возникновения Земли -- она началась в Космосе. В межзвездном пространстве обнаружено более 50 органических соединений. В Космосе обычен формальдегид, окись углерода, вода, аммиак, цианистый водород. Эти вещества, как показали эксперименты, могут быть предшественниками аминокислот и других органических соединений. Во внеземном пространстве обнаружены углеводороды, альдегиды, эфиры, аминокислоты, нуклеотиды, ароматические соединения. Обнаружено вещество, имеющее в своем составе 18 атомов углерода. Синтез примитивных углеводородов, начавшийся в Космосе, продолжался во время формирования Солнечной системы и Земли.

2) Биогенез - преобразование косного вещества геосферы земли в живое вещество биосферы (образование высокомолекулярных органических соединений из простых соединений под действием геофизических факторов). Начало этапа - 2,5-3,5 млрд. лет назад (появление живого вещества биосферы).

В основе представлений о биогенезе лежат противопоставление живого неживому и идея вечности жизни. Сторонники биогенеза предполагали, что зародыши живых существ были занесены на Землю с других, более древних небесных тел.

3) Антропогенез - появление человека и превращение его в социальное существо, формирование общественной организации человеческих сообществ в процессе производственной трудовой деятельности. Начало этапа - 1,5-3 млн. лет назад (появление человека).

Теория антропогенеза базируется на симиальной (от лат. «симиа» - обезьяна) гипотезе Ч. Дарвина о происхождении человека от древней человекообразной обезьяны. Процесс перехода от обезьяны к человеку - гоминизация (от лат. homo - человек) был длительным и сложным. Он включал развитие прямохождения и мозга, адаптацию руки к трудовой деятельности, появление членораздельной речи и др. Большую роль в очеловечивании обезьяны играло и изготовление орудий труда.

4) Техногенез - преобразование природных комплексов биосферы в процессе производственной деятельности человека и формирование техногенных и природно-технических комплексов, т.е. техносферы как составной части биосферы. Начало этапа - 10-15 тыс. лет назад (появление городских поселений).

Техногенез - развитие технических систем, обеспечивающих производственную деятельность человека. С расширением зон обитания человека, с ростом его численности и увеличением размерности пространства режимов, где могли бы проявлять себя логические информации, процесс техногенеза приобрел все более глобальный характер. Развивались глобальные технологии, охватывающие огромные пространства и включенные в единый технологический пул. На смену разрозненным информационным системам 2-го рода, характерным для предисторического развития человечества, приходит единая глобальная суперсистема, включающая в себя как планетарный информационный пул, так и кодируемые им технологии.

5) Ноогенез - процесс превращения биосферы в состояние разумно управляемой социально-природной системы (ноосферы). Ее можно характеризовать как состояние биосферы, при котором осуществляются: а) рациональное использование природы, т.е. рациональное природопользование; б) устойчивое развитие мирового человеческого сообщества. Это процесс становления и развития человеческого интеллекта, или, точнее, создаваемого им единого пула логической информации. Объем этой информации давно превзошел информационную емкость отдельного человеческого мозга, целиком вмещавшего информацию поведенческую. Для хранения логической информации постепенно возникали все новые виды искусственных, т.е. создаваемых человеком, носителей - от древних глиняных табличек до современных форм магнитной записи и пр. Передача и распространение такой информации также уже не могла обеспечиваться отдельными людьми - им в помощь, а затем и на смену им пришли различные технические системы связи. То же относится и к обработке информации и другим видам манипулирования с нею - бурно развивающееся племя компьютеров здесь все более заменяет человека. Прерогативой отдельных людей пока остается деятельность по производству, созданию новой информации, но и здесь человек становится все более зависимым от соответствующего технического обеспечения. Процесс ноогенеза, таким образом, постепенно порождает единую информационную сеть, охватывающую всю планету. Формируется ноосфера.

Важное воздействие на эволюцию биосферы оказал дрейф континентов, в результате которого эволюция разных групп организмов пошла различными путями. Согласно теории дрейфа континентов, выдвинутой Альфредом Вегенером в двадцатых годах ХХ века, современные континенты возникли из единого массива суши, получившего название Пангея и существовавшего на нашей планете еще в палеозое, как остров в Мировом океане. Примерно 200-250 млн. лет назад в конце палеозоя - начале мезозоя Пангея «раскололась» на два крупных массива суши, которые стали расходиться, дав возможность сформироваться новым океанам. Индия и континенты, находящиеся сейчас в Южном полушарии (Южная Америка, Африка, Антарктида, Австралия), составляли вместе единый материк Гондвана. Нынешняя Северная Америка, Европа и Азия образовали материк Лавразия.

В юрский период Гондвана и Лавразия отделились друг от друга. К тому времени эволюция динозавров достигла довольно высокой степени, хвойные леса существовали уже на протяжении миллионов лет, появились первые птицы и млекопитающие. Еще до того как началось разделение Гондваны на ныне существующие южные континенты и Индию, динозавры и хвойные леса заняли господствующее положение среди живых организмов. После разделения Гондваны эволюция видов на разных континентах пошла различными путями. Так, сумчатые млекопитающие достигли большого разнообразия в Австралии и Южной Америке, тогда как плацентарные млекопитающие заняли доминирующее положение на других континентах.

Приблизительно в это же время происходило разделение Лавразии, где уже существовали хищные, копытные грызуны, приматы и многие другие млекопитающие. Поэтому неудивительно, что североамериканские, азиатские и европейские виды млекопитающих связаны между собой более близким родством, чем с млекопитающими Австралии и Южной Америки. Нынешние континенты сформировались в основном в конце мезозоя, около 110 млн. лет назад, хотя Индия, перемещаясь к северу, соединилась с Азией только 20 - 30 млн. лет назад.