Организованность биосферы и ее усложнение эволюции жизни

Биота прошла огромный путь эволюции от простейших организмов до животных и растений и достигла видового разнообразия, которое исследователи оценивают 2-10 миллионами видов животных, растений и микроорганизмов, каждый из которых занял свою экологическую нишу.

Состояние биоты определяется в основном физико-химическими характеристиками окружающей среды. Совокупность среднемноголетних характеристик атмосферы, гидросферы и суши мы называем климатом. Основная климатическая характеристика – температура у поверхности Земли – изменялась за время эволюции биоты относительно мало (при современном значении средней глобальной температуры 288 0 К (шкала Кельвина отсчитывает градусы от абсолютного нуля, 288 0 = 15 0 ) изменения, с учетом ледниковых периодов, не превышали 10-20 0 .

Хотя на состояние экосистем  и биосферы в целом физико-химические процессы в окружающей среде оказывают  определенное влияние, сильно и обратное влияние биоты на окружающую среду. Причем воздействует она как на положительные, так и на отрицательные обратные связи, поэтому ее развитие иногда ускоряется, а иногда замедляется.

 

Но этот цикл не замкнут, не стационарен, как показали геологические  данные и теоретические модели, содержащие в атмосфере СО2 (и связанное с ним содержание О2) за последние 570 миллионов лет неоднократно колебалось, причем количество СО2 каждый раз уменьшалось или увеличивалось в несколько раз. В одних случаях это способствовало развитию биоты, а в других – мешало.

Не является замкнутым  и медленный геохимический цикл: СО2 поступает в атмосферу через вулканы, а расходуется на выветривание горных пород и на образование биоты. Часть атмосферного углерода откладывается, сохраняется надолго, создавая запасы ископаемого топлива, а освободившийся кислород поступает в атмосферу. В результате за 4 миллиарда лет концентрация СО2 в атмосфере уменьшилась в 100 – 1000 раз (из-за ослабления вулканизма, в результате расхода радиоактивных элементов в недрах Земли), что отрицательно повлияло на питание растений. В то же время накопление кислорода в атмосфере резко ускорило развитие биоты, но не было на пользу самым анаэробным (без кислородным) организмам, в результате жизнедеятельности которых появился кислород. Они были почти полностью вытеснены вновь возникшими аэробными организмами.

Большое влияние биоты на окружающую среду привело некоторых исследователей к выводу, что биота могла поддерживать в окружающей среде условия, благоприятные для ее жизнедеятельности. Но эта гипотеза противоречит ряду факторов (массовые вымирания, исчезновение миллиардов видов), а так же дарвиновской теории эволюции. Биота не поддерживала условия окружающей среды, оптимальные для живущих организмов, поэтому многие организмы и виды не могли пережить изменения географических и климатических условий. Есть оценки, что за время существования биосферы исчезло несколько миллиардов видов, тогда как сейчас существуют несколько миллионов. Но зато организмы, которые сумели пережить изменение условий, давали начало новым видам. Именно приспособление к изменяющимся условиям окружающей среды создало многочисленные и приспособленные виды, то есть двигало эволюцию, как это впервые показал Дарвин. Если бы было верным допущение о том, что существующая в определенный момент биота может поддерживать параметры окружающей среды в оптимальных для себя пределах, то сейчас могли бы существовать климат и богатейшая растительность каменноугольного периода, но эволюция биоты прекратилась бы.

Имеются данные о том, что  становлению человека как вида способствовали тяжелые условия окружающей среды, в которых жили наши предки. Когда  он научился поддерживать благоприятные  условия своего существования, его  эволюция как биологического вида прекратилась, сменившись эволюцией общества.

2.2 Эволюция биосферы

Эволюцию биосферы изучает  раздел экологии, который называется эволюционной экологией. Следует отличать эволюционную экологию от экодинамики. 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 в ходе сукцессии — задача эволюционной экологии.

Одно из важнейших направлений  в изучении эволюции — изучение развития форм жизни. Здесь можно  отметить несколько этапов.

1. Клетки без ядра, но  имеющие нити ДНК. Возраст таких  самых древних организмов более  3 млрд. лет. Их свойства: подвижность;  питание и способность запасать  пищу и энергию; защита от  нежелательных воздействий; размножение; раздражимость; приспособление к изменяющимся внешним условиям; способность к росту.

2. На следующем этапе  (приблизительно 2 млрд. лет тому  назад) в клетке появляется  ядро. Одноклеточные организмы с  ядром называются простейшими.  Их 25- 30 тыс. видов. Самые простые  их 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.

3. 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 — 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 тыс. 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.

Палеонтология, которая занимается изучением ископаемых остатков, подтверждает факт возрастания сложности организмов. В самых древних породах встречаются  организмы немногих типов, имеющих  простое строение. Постепенно разнообразие и сложность растут. Многие виды, появляющиеся на каком-либо стратиграфическом  уровне, затем исчезают. Это истолковывают  как возникновение и вымирание  видов.

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.

 

2.3.  Экологические  проблемы биосферы.

Экологические проблемы биосферы - это парниковый эффект, истощение  озонового слоя, массовое сведение лесов, которое нарушает процесс  круговорота кислорода и углерода в биосфере, отходы производства, сельского  хозяйства, производство энергии (ГЭС  наносят урон природе и людям - затопление огромных территорий под  водохранилища, непреодолимые препятствия  на путях миграций проходных и  полупроходных рыб, поднимающихся  на нерест в верховья рек, застой вод, замедление проточности, что сказывается  на жизни всех живых существ, обитающих в реке и у реки; местное повышение воды влияет на грунт водохранилища, приводит к подтоплению, заболачиванию, эрозии берегов и оползням; существует опасность от плотин в районах с высокой сейсмичностью). Все это ведет к глобальному экологическому кризису и требует незамедлительного перехода к рациональному природопользованию.

 

 

3. Природные ресурсы  и их использование.

Биологические, в том числе  пищевые, ресурсы планеты обуславливают  возможности жизни человека на Земле, а минеральные и энергетические служат основой материального производства человеческого общества. Среди природных  богатств планеты различают исчерпаемые и неисчерпаемые ресурсы.

 

Неисчерпаемые ресурсы подразделяются: космические, климатические и водные. Это энергия солнечной радиации, морских волн, ветра. С учетом огромной массы воздушной и водной среды планеты неисчерпаемыми считают атмосферный воздух и воду. Выделение это относительно. Например, пресную воду уже можно рассматривать как ресурс исчерпаемый, поскольку во многих регионах земного шара возник острый дефицит воды. Можно говорить и о неравномерности ее распределения, и невозможности ее использования из-за загрязнения. Условно считают и кислород атмосферы неисчерпаемым ресурсом.

Современные ученые-экологи  полагают, что при современном  уровне технологии использования атмосферного воздуха и воды этим ресурсы можно  рассматривать как неисчерпаемые  только при разработке и реализации крупномасштабных программ, направленных на восстановление их качества.

Исчерпаемые ресурсы.

Исчерпаемые ресурсы делятся: возобновляемые и невозобновляемые.

К возобновляемым относятся: растительный и животный мир, плодородие почв. Из числа восполняемых природных ресурсов большую роль в жизни человека играет лес. Лес имеет немаловажное значение как географический и экологический фактор. Леса предотвращают эрозию почвы, задерживают поверхностные воды, т.е. служат влагонакопителями, способствуют поддержанию уровня грунтовых вод. В лесах обитают животные, представляющие материальную и эстетическую ценность для человека: копытные, пушные звери и дичь. В нашей стране леса занимают около 30% всей ее суши и являются одним из природных богатств.

К невосполнимым ресурсам относятся полезные ископаемые. Их использование человеком началось в эпоху неолита. Первыми металлами, которые нашли применение, были самородные золото и медь. Добывать руды, содержащие медь, олово, серебро, свинец умели уже  за 4000 лет до н.э. В настоящее время  человек вовлек в сферу своей  промышленной деятельности преобладающую  часть известных минеральных  ресурсов. Если на заре цивилизации  человек использовал для своих  нужд всего около 20 химических элементов, в начале XX века - около 60, то сейчас более 100 - почти всю таблицу Менделеева. Ежегодно добывается (извлекается из геосферы) около 100 млрд. т руды, топлива, минеральных удобрений, что приводит к истощению этих ресурсов[2]. Из земных недр извлекается все больше различных  руд, каменного угля, нефти и газа. В современных условиях значительная часть поверхности Земли распахана  или представляет собой полностью  или частично окультуренные пастбища для домашних животных. Развитие промышленности и сельского хозяйства потребовало  больших площадей для строительства  городов, промышленных предприятий, разработки полезных ископаемых, сооружения коммуникаций. Таким образом, к настоящему времени  человеком преобразовано около 20% суши.

Значительные площади  поверхности суши исключены из хозяйственной  деятельности человека вследствие накопления на ней промышленных отходов и  невозможности использования районов, где ведется разработка и добыча полезных ископаемых.

 

Человек всегда использовал  окружающую среду в основном как  источник ресурсов, однако, в течение  очень длительного времени его  деятельность не оказывала заметного  влияния на биосферу. Лишь в конце  прошлого столетия изменения биосферы под влиянием хозяйственной деятельности обратили на себя внимание ученых. Эти  изменения нарастали и в настоящее  время обрушились на человеческую цивилизацию. Стремясь к улучшению условий  своей жизни, человечество постоянно  наращивает темпы материального  производства, не задумываясь о последствиях. При таком подходе большая  часть взятых от природы ресурсов возвращается ей в виде отходов, часто  ядовитых или не пригодных для  утилизации. Это приносит угрозу и  существованию биосферы, и самого человека.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4. Охрана природы.

Рациональное природопользование - единственный выход из ситуации.

Общая задача рационального  управления природными ресурсами состоит  в нахождении наилучших или оптимальных  способов эксплуатации естественных и  искусственных (например, в сельском хозяйстве) экосистем. Под эксплуатацией  понимается сбор урожая и воздействие  теми или иными видами хозяйственной  деятельности на условия существования  биогеоценозов.

Решение задачи по созданию оптимальной системы управления природными ресурсами существенно  осложняется наличием не одного, а  множества критериев оптимизации. К ним относятся: получение максимального  урожая, сокращение производственных затрат, сохранение природных ландшафтов, поддержание видового разнообразия сообществ, обеспечение чистоты  окружающей среды, сохранение нормального  функционирования экосистем и их комплексов.

Охрана окружающей среды  и задачи восстановления природных  ресурсов должны предусматривать:

-рациональную стратегию борьбы с вредителями, знание и соблюдение агротехнических приемов, дозировку минеральных удобрений, хорошее знание экологических агроценозов и процессов, происходящих в них, а также на их границах с природными системами;

-совершенствование технологии и добычи природных ресурсов;

-максимально полное и комплексное извлечение из месторождения всех полезных компонентов;

-рекультивацию земель после использования месторождений;

-экономичное и безотходное использование сырья в производстве;

-глубокую очистку и технологии использования отходов производства;

-вторичное использование материалов после выхода изделий из употребления;

-использование технологий, позволяющих извлечение рассеянных минеральных веществ;

-использование природных и ископаемых заменителей дефицитных минеральных соединений;

-замкнутые циклы производства (разработку и применение);

-применение энергосберегающих технологий;

-разработку и использование новых экологически чистых источников энергии.

В целом охрана окружающей среды и задачи восстановления природных  ресурсов должны предусматривать:

1)локальный и глобальный логический мониторинг, т.е. измерение и контроль состояния важнейших характеристик состояния окружающей среды, концентрации вредных веществ в атмосфере, воде, почве;

2)восстановление и сохранение лесов от пожаров, вредителей, болезней;

3)расширение и увеличение числа заповедников, зон эталонных экосистем, уникальных природных комплексов;

4)охрану и разведение редких видов растений и животных;

5)широкое просвещение и экологическое образование населения;