Эволюция биосферы и его структура

Масса живого вещества составляет всего 0,01—0,02% от косного вещества биосферы; если его равномерно распределить по поверхности Земли, оно покроет ее слоем всего в 2 см толщиной. Но при этом именно живое вещество играет ведущую роль в биогеохимических процессах благодаря энергетической функции. Ведь живые организмы способны черпать из окружающей среды вещества и энергию, необходимую им для обмена веществ и осуществления всех других своих функций[4].

3.1.Биоценозы

В процессе исторического развития и  естественного отбора под влиянием конкретных природных факторов сложились различные группы организмов - сообщества, взаимодействующие со своей средой обитания и находящиеся в органическом единстве, образуя целостную динамическую систему. Такие сообщества организмов получили название биоценозов. Таким образом, биоценоз - это совокупность растений, животных, грибов и микроорганизмов, населяющих участки суши или водоемов с более или менее однородными условиями существования, характеризующихся определенными взаимосвязями между собой, которую можно рассматривать как элементарную экологическую нишу.

Биоценоз представляет собой целостную с сильной связью между внутренними элементами, но открытую систему, находящуюся в условиях вдали от равновесия. На такую неустойчивую и самоорганизующуюся систему существенно влияют слабые воздействия, которые могут создавать в ней согласованное, кооперативное поведение подсистем различных типов - отдельных особей, видов, популяций. В результате согласованного взаимодействия подсистем происходят процессы упорядочения и возникновения из хаоса определенных структур, их изменение и усложнение. Как следует из синергетического метода изучения сложных самоорганизующихся систем, чем больше отклонение от равновесия, тем выше взаимосвязь и единство процессов, протекающих в отдаленных областях и не связанных друг с другом.

     Наличие неустойчивостей увеличивает роль внешних воздействий, и даже очень  малое воздействие может привести к значительным последствиям. Наглядный, хотя и несколько необычный пример такого слабого воздействия неустойчивости, возникшей при изменении начальных условий, приводит в своей отличной книге «Колебания и волны для гуманитариев», написанной в хорошем классическом научно-популярном жанре, академик Д.И. Трубецков, описывая ситуацию из фантастического рассказа Брэдбери «И грянул гром»: «Некая фирма организует сафари в прошлом. Там проложена тропа, с которой нельзя сходить, чтобы не изменить условий в прошлом, и которые являются начальными для настоящего. Однако один из охотников по трусости сходит с тропы и нечаянно раздавливает маленькую желтую бабочку. Начальные условия изменились... Экспедиция возвращается в настоящее, и ее члены видят, что изменился алфавит, избран другой президент, более того, у людей изменился цвет лица, разрез глаз, т.е. произошли изменения на генетическом уровне. Малое изменение начальных условий (раздавлена бабочка) привело к серьезным изменениям за конечное время».

     В связи с этими «путешествиями»  во времени можно заметить еще  раз, что в рамках синергетики имеются представления о том, что будущее состояние системы (среды) формирует и изменяет и ее настоящее. Будущее, по терминологии С.П. Курдюмова и Е.Н. Князевой, «временит» настоящее, организует его. Если мы знаем (или предполагаем), к чему придет система в будущем, то в настоящем должны быть ростки или условия этого будущего. И в этом также проявляется целевая функция живого и его память - факторы, которые не учитывала классическая физика [3].

3.2. Геоценозы и биогеоценозы. Экосистемы

Можно выделить также отдельно участки  земной поверхности с определенными  природно-климатическими условиями, которые  будут характеризовать географическую среду обитания живых организмов. Они называются геоценозами. Как биоценозы, так и геоценозы входят в качестве составных частей в более сложную, но также целостную систему, которую наш соотечественник академик В.Н. Сукачев назвал биогеоценозом.

Примерами биогеоценозов являются водоемы (океаны, моря, реки, озера) и лесные массивы со всеми их обитателями. С точки зрения уровней организации живого биогеоценоз является элементарной единицей биогеоценотического уровня организации жизни на Земле, а составной частью биоценоза как раз и будет популяция. В естественных условиях наблюдается закономерная последовательность преобразований биоценозов с переходом в новое устойчивое состояние, которое можно рассматривать как своеобразный фазовый неравновесный физический переход в результате эволюции.

     Примерами являются превращения озер в болота, смена форм растительности и т.д. Поскольку понятие биогеоценоза имеет, как мы видим, широкий смысл, иногда его называют экологической системой (экосистемой). Сам термин экология был введен немецким биологом Э. Гаккелем в 1866 г. и обозначал взаимоотношения между сообществами животных и растений. Сейчас круг вопросов, относящихся к проблемам экологии, значительно расширился, вплоть до представлений концепции устойчивого развития биосферы, ее коэволюции с человеком и вообще возможности существования жизни на Земле в условиях интенсивного роста техносферы.

    Таким образом, экосистема - это взаимообусловленный  комплекс живых и абиогенных  компонентов, связанных между собой  обменом вещества и энергии, продукт  совместного развития многих  живых организмов, в ходе которого они не только приспособились друг к другу, но и изменились в результате эволюции. Каждая экосистема содержит и сложные, и простые компоненты, поэтому низшие организмы являются составной ее частью. Выпадение одного или нескольких компонентов (вспомним бабочку Брэдбери!) может привести к потере целостности или даже гибели определенно[3].

3.3. Биологический круговорот веществ в природе

     Биологический круговорот играет огромную роль в  биосфере - он обеспечивает жизнь. Любая  форма жизни неизбежно включается в этот кругооборот. Общее количество протоплазмы всех живых организмов, населявших Землю в течение многих миллиардов лет, намного превосходит массу нашей планеты. Следовательно, материя использовалась многократно. Химические элементы извлекаются из окружающей среды, входят в состав живой протоплазмы и возвращаются в окружающую среду для повторного использования. Распад, деструкция сложных органических соединений служит источником энергии. Образуемые микроорганизмы, приспособленные практически к любым условиям, эту энергию извлекают.

     Важным  моментом существования биосферы и  круговорота веществ в ней  является получение и преобразование энергии в живых организмах. Рассмотрим здесь возможность получения и использования энергии в биосфере, а затем и роль энергии в эволюции[3].

3.4. Роль энергии в эволюции

     Основным  естественным внешним источником энергии, используемой для поддержания жизни, как мы уже отмечали, является лучистая энергия Солнца. Однако биосфера улавливает лишь небольшую часть всей солнечной энергии, поступающей на Землю. Ультрафиолетовая часть солнечного спектра, составляющая около 30% всей этой энергии, практически полностью задерживается озоновым слоем атмосферы. Половина достигающей Земли энергии превращается в тепло и затем рассеивается в космическое пространство. Около 20% расходуется на испарение воды с огромных пространств океанов и морей и образование облаков в атмосфере Земли, и лишь около 0,02% энергии Солнца используется биосферой.

     Зеленые растения усваивают эту энергию  непосредственно, поглощая ее молекулами хлорофилла в процессе фотосинтеза, преобразуют ее и запасают в виде энергии химической связи различных соединений в объектах живой природы. Это основной первичный процесс усваивания энергии Солнца и от него зависит все существование биосферы. Животные, поедая растения, а хищники - травоядных животных, получают эту энергию, сжигая сахара, другие биологические накопители энергии и питательные вещества с использованием кислорода. Сама переработка пищи в организме также сопровождается выделением энергии, часть ее запасается в форме энергии химических связей и затем может быть использована для совершения работы. Таким образом, животные не получают нужную им энергию непосредственно от Солнца.

     Удовлетворение  в целом энергетических потребностей живых организмов осуществляется в  условиях равновесия, которое возникает  между организмами в рамках возникающих  экосистем. В каждой экосистеме имеются и автотрофы, которые переваривают в пищу вещества из неживой окружающей среды, и гетеротрофы, которые не производят необходимую им пищу и, тем самым, зависят от остальных непосредственных производителей энергии. Заметим еще раз, что все элементы, из которых состоят живые организмы, многократно используются в биосфере, обеспечивая биотический круговорот органических веществ с участием всех образующих биосферу организмов.

     Каждый  вид, популяция, биогеоценоз являются лишь звеньями в этом биотическом круговороте. Непрерывность жизни обеспечивается синтезом и распадом веществ, при этом каждый живой организм выделяет то, что может быть использовано другими организмами. Важную роль в круговороте играют микроорганизмы, превращающие останки животных и растений в минеральные соли и простейшие органические соединения, которые затем снова используются растениями для синтеза новых органических веществ. Энергетический обмен в биосфере отличается от круговорота веществ в ней, поскольку энергия частично рассеивается при переходе от растений к травоядным, а затем и плотоядным животным и вследствие этого требуется постоянная подпитка биосферы солнечной энергией[2].

     Роль  энергии во всех проявлениях жизни  огромна и несомненна, можно даже сказать, что главным фактором эволюции является энергетический. За  все время человеческой истории  способность концентрировать и  целенаправленно высвобождать энергию  увеличилась (от каменного топора до ядерной боеголовки) на 12-13 порядков (в миллион миллионов раз!).

     Все биологические объекты и их эволюция тесно связаны с потоком энергии, пронизывающим все живое. По существу, он является той физической основой, на которой построена биологическая эволюция и которая создает предпосылки для естественного возникновения регуляторных механизмов. Наличие энергетического потока является определяющим в существовании биологических структур и их динамики. Поэтому неудивительно, что в процессе эволюции появляются организмы, выработавшие сложные механизмы превращения и запасания энергии. Огромную роль играют превращения, происходящие в химических связях фосфорных соединений, в которых принимают участие белки и нуклеотиды.

     Результатом появления многоклеточных форм жизни  является потребность живого существовать в условиях избытка энергии как фактора, предохраняющего живое от гибели. Эволюция от прокариотов до эукариотов может рассматриваться как возможная эволюция фосфогенов, поскольку для мышц необходимы легко доступные источники энергии, какими фосфаты и являются. Как отмечал Фокс, организм может легко перемещаться, если его ткани «насыщены» энергией, как раз для этого и нужны фосфогены. Естественный отбор в живых организмах, существующих за счет притока энергии, отдал предпочтение организмам, у которых сформировались ткани с более эффективным энергетическим обменом и способом утилизации энергии, более совершенной регуляцией этих процессов и накоплением энергии.

    Можно считать, что жизнь возникла благодаря  потокам энергии и особым веществам, преобразующим энергию в живом  организме. го биогеоценоза[6].

4. Эволюция биосферы.

Все компоненты биосферы тесно взаимодействуют между собой, составляя целостную, сложно организованную систему, развивающуюся по своим внутренним законам и под действием внешних сил, в том числе космических (солнечного излучения, гравитационных сил, магнитных полей Солнца, Луны и др. небесных тел)

По современным представлениям, развитие безжизненной геосферы, т.е. оболочки, образованной веществом Земли, происходило на ранних стадиях существования нашей планеты, миллиарды лет назад. Изменения облика Земли были связаны с геологическими процессами, происходившими в земной коре, на поверхности и в глубинных слоях планеты и находили проявление в извержениях вулканов, землетрясениях, подвижках земной коры, горообразовании. Такие процессы происходят и сейчас на безжизненных планетах солнечной системы и их спутниках - Марсе, Венере, Луне.

С возникновением жизни (устойчивых саморазвивающихся форм) сначала медленно и слабо, затем все быстрее и значительнее стало проявляться влияние живой материи на геологические процессы Земли.

Деятельность живого вещества, проникшего во все уголки планеты, привела к возникновению нового образования - биосферы - тесно взаимосвязанной единой системы геологических и биологических тел и процессов преобразования энергии и вещества. Размеры преобразований, осуществляемых живой материей, достигли планетарных масштабов, существенно видоизменив облик и эволюцию Земли[6].

Так, например, в результате процесса фотосинтеза - деятельности зеленых растений, образовался современный газовый состав атмосферы, в ней появился кислород. В свою очередь на активность фотосинтеза существенно влияет концентрация углекислого газа в атмосфере, наличие влаги и тепла.

Почва является целиком результатом деятельности живого вещества в косной (неживой) среде. Решающая роль в этом процессе принадлежит климату, топографии, деятельности микроорганизмов и растений и материнским породам. Биосфера, возникнув и сформировавшись 1-2 млрд. лет назад (к этому времени относятся первые обнаруженные остатки живых организмов), находится в постоянном динамическом равновесии и развитии.

В биосфере, как в любой экосистеме, происходит круговорот воды, планетарные перемещения воздушных масс, а также биологический круговорот, характеризующийся емкостью - количеством химических элементов, находящихся одновременно в составе живого вещества в данной экосистеме, и скоростью - количеством живого вещества, образующегося и разлагающегося в единицу времени. В результате на Земле поддерживается большой геологический круговорот веществ, где для каждого элемента характерна своя скорость миграции в больших и малых циклах. Скорости всех циклов отдельных элементов в биосфере теснейшим образом сопряжены между собой[2].