Эволюция биосферы
Эволюцию биосферы изучает раздел экологии, который называется эволюционной экологией. Следует отличать эволюционную экологию от экодинамики (динамической экологии). Последняя имеет дело с короткими интервалами развития биосферы и экосистем, в то время как первая рассматривает развитие биосферы на более длительном отрезке времени. Так, изучение биогеохимических круговоротов и сукцессии – задача экодинамики, а принципиальные изменения в механизмах круговорота веществ и входе сукцессии – задача эволюционной экологии. [1]
Одним из самых интересных является вопрос о происхождении биосферы. Резкие изменения, которые происходили в масштабе веков и охватывали целые геологические периоды, представлены сериями экосистем, сменяющих друг друга на протяжении столетий. Причиной их были изменения климата, рельефа местности и других факторов и характеристик поверхности Земли. [3]
Одним из важнейших направлений в изучении эволюции является изучение форм жизни. Здесь можно отметить несколько этапов.
Клетки без ядра, но имеющие нити ДНК, напоминают нынешние бактерии и сине-зеленые водоросли. Возраст таких самых древних организмов более 3-х млрд лет. Их свойства: 1) подвижность; 2) питание и способность запасать пищу и энергию; 3) защита от нежелательных воздействий; 4) размножение; 5) раздражимость; 6) приспособление к изменяющимся внешним условиям; 7) способность к росту.
На следующем этапе (приблизительно 2 млрд лет тому назад) в клетке появляется ядро. Одноклеточные организмы с ядром называются простейшими. Их 25-30 тысяч видов. Самые простые из них – амебы. Инфузории имеют еще и реснички. Ядро простейших окружено двухмембранной оболочкой с порами и содержит хромосомы и нуклеоли. Ископаемые простейшие – радиолярии и фораминиферы – основные части осадочных горных пород. Многие простейшие обладают сложным двигательным аппаратом.
Примерно 1 млрд лет тому назад появились многоклеточные организмы. В результате растительной деятельности – фотосинтеза – из углекислоты и воды при использовании солнечной энергии, улавливаемой хлорофиллом, создавалось органическое вещество. Возникновение и распространение растительности привело к коренному изменению состава атмосферы, первоначально имевшей очень мало свободного кислорода. Растения, ассимилирующие углерод из углекислого газа, создали атмосферу, содержащую свободный кислород, который не только активный химический агент, но и источник озона, преградившего путь коротким ультрафиолетовым лучам к поверхности Земли.
Л. Пастером выделены следующие две важные точки в эволюции биосферы: 1) момент, когда уровень содержания кислорода в атмосфере Земли достиг примерно 1% от современного. С этого времени стала возможной аэробная жизнь. Геохронологически это архей. Предполагается, что накопление кислорода шло скачкообразно и заняло не более 20 тысяч лет; 2) достижение содержания кислорода в атмосфере около 10% от современного. Это привело к возникновению предпосылок формирования озоносферы. В результате жизнь стала возможной на мелководье, а затем и на суше. [1]
Согласно наиболее распространенной теории происхождения жизни на Земле, первые экосистемы (3 млрд лет назад) были населены анаэробными гетеротрофными микроорганизмами – цианобактериями, существовавшими за счет органического вещества, которое синтезировалось в абиотических процессах. Затем возникли автотрофные водоросли, которые, по-видимому, сыграли одну из главных ролей в превращении восстановительной атмосферы в кислородную. С этого момента на протяжении длительного геологического времени эволюция организмов шла по пути создания все более сложных и разнообразных систем. Принято считать, что естественный отбор, который действовал на видовом или даже более низком уровне организации, сыграл главную роль в эволюции организмов.
Однако возможно, что естественный отбор на более высоких уровнях также оказался важным во взаимном отборе зависящих друг от друга автотрофов и гетеротрофов и в групповом отборе или отборе на уровне сообществ. Последний ведет к сохранению признаков, благоприятных для группы в целом даже тогда, когда это отрицательно сказывается на одной особи.
Смены флоры и фауны в геологическом масштабе времени отличаются от экологических сукцессий. Они начинаются не с заселения новых, не занятых мест, а с перестройки внутренних связей в уже сложившихся и функционирующих экосистемах. В этих случаях ряд видов теряет устойчивость и погибает; замещается другими видами, более адаптированными к условиям среды.
Палеонтологические данные показывают, что после крупных оледенений отступающие льды полностью нарушали почвенный покров, и в ряде случаев сукцессии шли по типу первичных. Описаны сукцессии от широколиственных мезофильных лесов к пустыням в северной части Средней Азии, которые связаны с вековым ходом аридизации климата. Исследования показали, что на территорию Туранской низменности в палеогене и миоцене вслед за отступающим морем Тетис проникли гигрофильные и мезофильные виды флоры и фауны. Позднее сюда внедрились более ксерофильные, галофильные и псаммофильные формы, которые впоследствии сформировали устойчивые экосистемы, адаптированные к условиям климата, повышению засоленности почв. Параллельно возникли виды, приспособленные к резкой сезонной смене условий обитания.
Аналогичные процессы идут в наше время в связи с усыханием Аральского моря, с той разницей, что основной причиной изменений является деятельность человека – антропогенный фактор. В целом в регионе Арала наблюдается процесс опустынивания, ведущими факторами которого являются поверхностное засоление почвы и ветровая деятельность, определяющая перенос солевых частиц. Падение уровня грунтовых вод влечет за собой расширение зоны сыпучих песков; возрастает степень аридизации. Все это сказывается на состоянии экосистем на прилежащих территориях Кызылкумов, Приаральских Каракумов, плато Усть-Юрт.
Палеонтологические данные свидетельствуют о том, что средняя продолжительность существования вида на Земле составляет величины порядка 3 млн лет. Можно предполагать, что эволюция вида Homo sapiens при сохранении генетических свойств имеет те же временные характеристики и подчиняется общебиологическим законам. [3]
Палеонтология, которая занимается изучением ископаемых остатков, подтверждает факт возрастания сложности организмов. В самых древних породах встречаются организмы немногих типов, имеющих простое строение. Постепенное разнообразие и сложность растут. Многие виды, появляющиеся на каком-либо стратиграфическом уровне, затем исчезают. Это истолковывают как возникновение и вымирание видов.
В соответствии с данными палеонтологии можно считать, что в протерозойскую геологическую эру (700 млн лет назад) появились бактерии, водоросли, примитивные беспозвоночные; в палеозойскую (365 млн лет назад) – наземные растения, амфибии; в мезозойскую (185 млн лет назад) – млекопитающие, птицы, хвойные растения; в кайнозойскую (70 млн лет назад) – современные группы. Конечно, следует иметь в виду, что палеонтологическая летопись неполна.
Веками накапливавшиеся остатки растений образовали в земной коре грандиозные энергетические запасы органических соединений (уголь, торф), а развитие жизни в Мировом океане привело к созданию осадочных горных пород, состоящих из скелетов и других остатков морских организмов. [1]