Еволюція біосфери і фактори її стійкості

Еволюція біосфери і фактори її стійкості.

1. За сучасними уявленнями, біосфера - це особлива оболонка Землі, що містить усю сукупність живих організмів і ту частину речовини планети, що знаходиться в безупинному обміні з цим організмами.

Ці уявлення базуються на вченні В. І. Вернадського (1863-1945) про біосферу, що є найбільшим з узагальнень в галузі природознавства в ХХ ст. Виняткова значимість його вчення на весь зріст виявилася лише в другій половині минулого століття. Цьому сприяло розвитку екології, і перш за все глобальної екології, де біосфера є основними поняттям.

Вчення В. І. Вернадського про біосферу - це цілісне фундаментальне вчення. Органічно пов'язане з найважливішими проблемами збереження і розвитку життя на Землі, що знаменує собою принципово новий підхід до вивчення планети як розвивається саморегульованої системи в минулому, сьогоденні і майбутньому.

За уявленнями В. І Вернадського, біосфера включає:

· Жива речовина (тобто всі живі організми),

· Биогенное (тобто вугілля, вапняки, нафта та ін.)

· Відстале (в його утворенні живе не бере, наприклад магнетичні гірські породи)

· Биокосное (створюється за допомогою живих організмів)

· Космічного походження (метеорити)

Всі ці сім різних типів речовин геологічно пов'язані між собою.

Найважливішою частиною в біосфері В. І. Вернадського є уявлення про її виникненні і розвитку. Сучасна біосфера виникла не відразу, а в результаті тривалої еволюції (табл. 8.1) в процесі постійної взаємодії абіотичних і біотичних факторів. Перші форми життя, по-видимому, були представлені анаеробними бактеріями. Однак творча і перетворююча роль живого речовини стала здійснюватися лише з появою в біосфері фотосинтезуючих автотрофів - ціанобактерій і синьо-зелених водоростей, а потім і справжніх водоростей і наземних рослин (еукаріотів), що мало вирішальне значення для формування сучасної біосфери. Діяльність цих організмів призвела до накопичення в біосфері вільного кисню, що розглядається як один з найважливіших етапів еволюції.

Паралельно розвивалися і гетеротрофи, і перш за все - тварини. Головне в їх розвитку є вихід на сушу і заселення материків і, нарешті, поява людини.

У жатом вигляді ідеї В.І. Вернадського про еволюцію біосфери можуть бути сформульовані наступним чином:

1. Спочатку сформувалася літосфера - провісник навколишнього середовища, а потім після появи життя на суші - біосфера.

2. Протягом усієї геологічної історії Землі ніколи не спостерігалися азойние геологічні епохи (тобто позбавлення життя). Отже, сучасне жива речовина генетично пов'язане з живою речовиною минулих геологічних епох.

3. Живі організми - головний фактор міграції хімічних елементів в земній корі, "принаймні, 90% за вагою маси її речовини в своїх істотних рисах обумовлено життям".

4. Грандіозний геологічний ефект діяльності організмів обумовлено тим, що їх кількість нескінченно велика і діють вони практично протягом нескінченно великого проміжку часу.

5. Основним рушійним чинником розвитку процесів в біосфері є біохімічна енергія живої речовини.

Вінцем творчості В.І. Вернадського стало вчення про ноосферу, тобто сферу розуму.

В цілому, вчення про біосферу В. І. Вернадського заклало основи сучасних уявлень про взаємозв'язок і взаємодію живої і неживої природи. Практичне значення вчення про біосферу величезне. В наші дні воно служить природничо основою раціонального природокористування і охорони навколишнього середовища.

Біорізноманіття біосфери як результат її еволюції.

Біорізноманіття - різноманітність життя у всіх її проявах. У більш вузькому сенсі, під біорізноманіттям розуміють різноманітність на трьох рівнях організації: генетична різноманітність (різноманітність генів і їх варіантів - алелей), різноманітність видів в екосистемах і, нарешті, різноманітність самих екосистем. А. В. Марковим і А. В. Коротаєва була показана застосовність гіперболічних моделей позитивного зворотного зв'язку для математичного опису макродинаміки біологічного різноманіття

Величина біорізноманіття як всередині виду, так і в рамках всієї біосфери визнана в біології одним з головних показників життєздатності (живучості) виду і екосистеми в цілому і отримала назву «Принцип біологічного різноманіття». Дійсно, при великому одноманітності характеристик особин всередині одного виду (від людини до рослин і мікробів) будь-яка суттєва зміна зовнішніх умов (погода, епідемія, зміна кормів та ін.) Більш критично позначиться на виживання виду, ніж в разі, коли останній має велику ступінь біологічного різноманіття. Те ж (на іншому рівні) відноситься і до багатства (біорізноманіття) видів в біосфері в цілому.

У відносно короткі проміжки розвитку екосистем (сукцесій), і в довготривалій еволюції таких екосистем, як біосфера, на що протікають в них процеси впливають:

· Алогенних (зовнішні) фактори - геологічні та кліматичні;

· Автогенні (внутрішні) процеси, обумовлені тільки живим компонентом. Завдяки дії і взаємодії цих факторів сформувалися біологічне різноманіття на внутривидовом, межвидовом і на біосферному рівнях. Основа стійкості біосфери (екосфери) - різноманітність складових її екосистем.

Найпростіші анаероби, з яких складалися перші на Землі екосистеми, утворилися з цих органічних речовин і, можливо, інших, синтезованих під впливом потужного ультрафіолетового випромінювання. Тоді ще не було кисню в атмосфері і, отже, озонового шару, який зараз є перешкодою для цього випромінювання.

Першими автотрофами стали прокаріоти - синьо-зелені водорості і, можливо, ціанобактерії. Потім 1,5-2 млрд. Років тому з'явилися перші одноклітинні еукаріоти і, в результаті початкового панування r-відбору, стався потужний популяційний вибух автотрофних водоростей, що призвело до надлишку у воді кисню і до його виділенню в атмосферу. Відбувся перехід відновної атмосфери в кисневу, що сприяло розвитку еукаріотичних організмів і появи багатоклітинних близько 1,4 млрд. Років тому.

З історії розвитку атмосфери ясно, що людина абсолютно залежний від інших організмів, що населяють середу, в якій він живе. Тільки від їх життєдіяльності і від їх різноманітності залежить стабільність атмосфери і, отже, біосфери.

Сполучена еволюція і груповий відбір підвищують біорізноманіття екосистем, встановлюють певні взаємовідносини між ними як між наземними, так і водними, і навіть між обома типами. Все це в цілому веде до підвищення стійкості біосфери як глобальної екосистеми.

2. Коеволюція - спільна еволюція біологічних видів, які взаємодіють в екосистемі. Зміни, що зачіпають будь-які ознаки особин одного виду, призводять до змін в іншого або інших видів. Першим концепцію коеволюції ввів Н. В. Тимофєєв-Ресовський в 1968 році.

Найбільш частим прикладом коеволюції є взаємодія в системі «хижак-жертва». Пристосування, що виробляються жертвами для протидії хижакам, сприяють виробленню у хижаків механізмів подолання цих пристосувань. Тривале спільне існування хижаків і жертв призводить до формування системи взаємодії, при якій обидві групи стійко зберігаються на досліджуваної території. Порушення такої системи часто призводить до негативних екологічних наслідків.

Прикладом коеволюції є взаємодія організмів при мутуалізм. В цьому випадку ефективність взаємодії організмів важлива для виживання особин обох видів.

Одним з яскравих випадків коеволюції видів при мутуалізм є спільна еволюція деяких квіткових рослин і їх запилювачів. Квітка цих рослин влаштований таким чином, що нектар з нього може дістати тільки певний вид комах або птахів колібрі.

Слід зазначити, що так як екосистеми формують мережу міжвидового взаємодії, то всі види, що входять в екосистему, повинні коеволюціоніровать.

Груповий відбір - це природний відбір в групах організмів, але не обов'язково пов'язаних тісними мутуалістіческіе зв'язками. Це досить складне і багато в чому спірне явище. Але в першому наближенні він являє собою подобу відбору генотипів в популяції, але вимирають непоодинокі генотипи, а цілі популяції і, з іншого боку, отримують розвиток нові популяції, для яких ці умови більш сприятливі.

Груповий відбір теж збільшує різноманітність і стійкість співтовариств.

Груповий відбір у вузькому сенсі - междемового відбір: діє на групи популяційної природи - деми, ценопопуляции, локальні популяції.

ДЕМ - група особин одного виду популяційної природи - метапопуляція, популяція, субпопуляційний групи.

Біотична регуляція навколишнього середовища - формування, регулювання і стабілізація биотой навколишнього середовища для її оптимізації в інтересах життя. В рамках концепції біотичної регуляції головним властивістю життя є здатність видів організмів до виконання роботи по підтриманню придатних для життя умов навколишнього середовища.

Біотична регуляція - дуже складна програма, інформація про яку повинна бути записана в геномах видів природного співтовариства. Ця програма спрямована на підтримку спільнотами конкретної, оптимальної навколишнього середовища. Інформація про характеристики цього середовища так само повинна бути записана в геномах видів. Якщо під впливом випадкових змін зовнішніх умов види мінятимуть свою генетичну програму, оптимальної для них може стати інша, нова навколишнє середовище, що і становить сутність адаптації. Однак випадкові зміни геному, пов'язані з адаптацією, не можуть привести до появи нової осмисленої програми, яка б підтримувала в стійкому стані нову навколишнє середовище. Якщо ж биота регулює навколишнє середовище, то ніяких неконтрольованих змін середовища статися не може, і потреби в адаптації не виникає. Таким чином, адаптація виключає биотическую регуляцію, і навпаки.

3. Ноосфера як нова стадія еволюції біосфери.

Ноосфера ( "мисляча оболонка", сфера розуму) - вища стадія розвитку біосфери. Це сфера взаємодії природи і суспільства, в межах якої розумна людська ставати головним, визначальним фактором розвитку.

Чому виникло поняття "ноосфера". Воно з'явилося в зв'язку з оцінкою ролі людини в еволюції біосфери. Нев'януча цінність вчення В. І. Вернадського про ноосферу саме в тому, що він виявив геологічну роль життя, живої речовини в планетарних процесах, у створенні і розвитку біосфери і всієї різноманітності живих істот в ній. Серед цих істот він виділив людину як потужну геологічну силу. Ця сила здатна впливати на хід біогеохімічних і інших процесів в охопленій її впливом середовищі Землі і навколоземному просторі. Вся ця середу має велике значення змінюється людиною завдяки його праці. Він здатний перебудувати її відповідно до своїх уявлень і потреб, змінити фактично ту біосферу, яка складалася протягом усієї геологічної історії Землі.

Людина, на думку В. І. Вернадського, є частиною біосфери, її <<определенной функцией>>. Підкреслюючи тісний зв'язок людини природи, він допускав, що передумови виникнення людського розуму мали місце ще за часів тварин, попередників Homo sapiens, і прояв його почалося багато років тому, в кінець третинного періоду. Але як нова геологічна сила зміг проявити себе тільки людина.

Вплив людського суспільства як єдиного цілого на природу за своїм характером різко відрізняється від впливів інших форм живої речовини. В. І. Вернадський писав: "Раніше організми впливали на історію тих атомів, які були потрібні їм для росту, розмноження, харчування, дихання. Людина розширив це коло, впливаючи на елементи, потрібні для техніки і створення цивілізованих форм життя "що і змінило" вічний біг геохімічних циклів ".

Ці геніальні думки В. І. Вернадського дозволили ряду вчених допустити в подальшому і такий хід подій в еволюції біосфери, як коеволюцію між людським суспільством і природою середовищем, в результаті чого і виникне ноосфера, але це буде відбуватися завдяки "новим формам дії живої речовини на обмін атомів живої речовини з відсталої матерією ".

Становлення ноосфери, за В. І. Вернадського, - процес тривалий, але ряд вчених вважають, що людство вже вступило в період ноосфери, хоча багато хто вважає, що поки про це говорити рано, тому що те, що зараз відбувається у взаємодії людини і природи , важко пов'язати з настанням епохи розуму. Проте прогрес людського розуму і наукової думки ноосфери в наявності: вони вже вийшли за межі біосфери Землі, в Космос і глибини літосфери. На думку багатьох вчених - ноосфера в майбутньому стане особливою областю Сонячної системи. <<Биосфера перейдет так или иначе, рано или поздно в ноосферу… На определенном этапе развития человек вынужден взять на себя ответственность за дальнейшую эволюцию планеты, иначе у него не будет будущего>>, - стверджував В. І. Вернадський.

У процесі дослідження коеволюції слід встановити залежність характеристик біосфери від активної природопреобразующей діяльності людини. Маючи детальну інформацію про характер впливу цієї діяльності на біосферу, можна буде сформулювати обмеження діяльності людини, необхідні для виживання цивілізації.

Біосфера є грандіозною нелінійної системою. Питання стабільності цієї системи, її здатності реагувати на зовнішні впливи так, щоб вони не виводили її з стану внутрішньої рівноваги, є одним з найважливіших. В останні десятиліття отримані результати, що показують дивовижні здібності біосфери протистояти зовнішнім збурень, проте ці здібності не безмежні; тому одним із найважливіших завдань науки є встановлення таких меж опірності біосфери зовнішніх впливів.

Біосфера - складна система, що саморозвивається, що має численні позитивні і негативні зворотні зв'язки. Позитивні відповідають за її розвиток, зростання складності і різноманітності елементів. Негативні зворотні зв'язки обумовлюють стабільність (гомеостаз) системи та збереження вже існуючого рівноваги. Інформація про позитивні і негативні зворотних зв'язках біосфери необхідна для створення комп'ютерних моделей, що імітують динаміку її розвитку.

Приблизно 20 років тому в Обчислювальному Центрі АН СРСР під керівництвом М.М. Моїсеєва була створена і досліджена принципово нову комп'ютерну модель, яка об'єднала моделі атмосферної та океанічної циркуляції з моделлю вуглецевого циклу (основного здійснюваного в біосфері кругообігу), що включає енергетику біосфери. Метою розробки такої моделі було з'ясування, як буде вести себе біосфера після того, як людина зробить на неї найрізноманітніші великомасштабні впливу.

Результати виявилися несподіваними. У всіх випадках, коли обурення перевершувало певний поріг (наприклад, енергія впливу перевищувала 2-3 тис. Мт), біосфера ніколи не поверталася в початкове стан: змінювалася циркуляція атмосфери, структура океанічних течій, розподіл температур і випадання опадів. Але найголовніше - змінювався характер біоти. Можливо, вона і збережеться, але стане зовсім інший, і, що має велике значення, з біосфери зникне людина.

Отримані результати означали, що стратегія виживання людства повинна бути узгоджена з еволюцією біосфери. На думку М.М. Моїсеєва, забезпечення коеволюції людини і біосфери (або реалізація стратегії сталого розвитку) вимагає створення на основі екології нової синтетичної наукової дисципліни, яка повинна бути незмірно ширше існуючих нині природничо-наукових і економічних програм. Створення такої науки ні в якому разі не можна відкладати, оскільки біосфера вже підійшла до межі своїх можливостей протистояти антропогенних впливів.

Відрадним є той факт, що з'явилися перші заборони, засновані на серйозних наукових дослідженнях: обмеження викидів фреонів, що руйнують озоновий шар; на черзі обмеження вуглецевих викидів, що обумовлюють парниковий ефект. Всі ці заборони виявляться вельми болючими для економіки, але людство буде змушене їх виконувати, щоб захистити себе від самознищення. Найважчим для багатьох країн, на думку М.М. Моїсеєва, буде обмеження народжуваності і перехід до сім'ї з одним-двома дітьми.

Альтернативою здійснення коеволюції, тобто стратегії сталого розвитку, вважає М.М. Моїсеєв, буде загальнопланетарній екологічна криза, боротьба за ресурси, яких свідомо не вистачить на всіх, деградація біосфери і зникнення людини як біологічного виду.

Якщо раніше основною метою існування будь-якої суспільної формації було створення максимального комфорту для життя людини, а панівною ідеєю був антропоцентризм (людина і його зручність в центрі всього), то тепер необхідною умовою існування людства є збереження біосфери, нашого спільного дому, місця існування, оскільки, загубивши біосферу, людина підпише собі смертний вирок.