Содержание
-
Эволюция биосферы и человек.
-
-
Организмы и окружающая среда. Эволюция биосферы.
Биосфера не является статичным, неизменным объектом; с течением времени она эволюционирует. Важным фактором этой эволюции являются сами живые организмы. С момента своего возникновения они расширяли границы биосферы, изменяли её состав. В результате их деятельности за миллиарды лет появились горные породы и полезные ископаемые органического происхождения, полностью преобразована атмосфера Земли (в то числе образован озоновый экран, защищающий всё живое на Земле от губительных ультрафиолетовых лучей), постоянно менялся рельеф местности.
-
Рисунок 12.3.3.1. Изменения в составе атмосферы Земли.
-
Значительные изменения биосфера претерпела с момента появления человека. Бурное развитие промышленности, науки и техники за несколько столетий – геологически ничтожный отрезок времени – способствовало значительному ускорению миграции атомов. Человек создал тысячи новых пород и сортов, истребил многие виды диких животных и растений, извлёк из земной коры миллиарды тонн полезных ископаемых; в результате его деятельности образовались новые озёра – водохранилища – и искусственные реки – каналы, на огромных площадях природные экосистемы сменились искусственными. Деятельность человечества, ничтожного по своей биомассе, оказывает влияние на состав земных океанов и атмосферы. Сейчас уже можно сказать, что человек, овладев громадной энергией, сам является мощнейшим фактором эволюции биосферы. Владимир Вернадский предполагал, что человечество должно создать новую оболочку Земли – ноосферу (греч. noos - «разум»), рассматриваемую в качестве некого мыслящего пласта над биосферой.
-
Человечество не всегда разумно использовало находящиеся в его распоряжении ресурсы. Не зная многих закономерностей природы, человек часто не представляет последствий своей «победы» над природой. Некоторые государства древнего мира исчезли с лица земли в результате хищнического отношения к природе: истощения почв и вырубки лесов. Вырубка лесов вызывает иссушение и эрозию почвы, приводит к увеличению количества наводнений и селевых потоков в горах, сказываются на местном и глобальном климате.
-
Деятельность человека приводит к сокращению запасов чистой воды. Промышленные предприятия сбрасывают сточные воды зачастую без должной очистки, загрязняя окружающие водоёмы токсичными химическими соединениями. Гидроэлектростанции и плотины мешают нормальной миграции речных рыб. Двигатели внутреннего сгорания в автотранспорте, заводы, тепловые электростанции выделяют в атмосферу вредные вещества. Появление новых городов и накопление промышленных отвалов уменьшает площадь лесов и лугов, поддерживающих концентрацию кислорода в атмосфере на необходимом для жизни уровне. Безответственное использование атомной энергии приводит к загрязнению окружающей среды радиоактивными веществами, вызывающими раковые заболевания.
-
Загрязнение промышленными предприятиями окружающей среды в настоящее время приобретает катастрофический характер.
-
Увенастоящее время на Земле проживает уже более шести миллиардов человек) может в ближайшее время привести к обострению продовольственной проблемы. В докладах Римского клуба – международной организации, занимающейся личение численности населения земного шара (в исследованием глобальных проблем, затрагивающих сами основы существования человека, – прогнозируется кризис энергетических и пищевых ресурсов уже в середине XXI века. Одна из задач биологии – обеспечить человечество питанием. В настоящее время для этого проводятся разнообразные исследования по увеличению продуктивности существующих агроценозов, выведению новых пород животных и сортов растений, использованию морских плантаций в сельском хозяйстве, применению последних достижений генной инженерии и микробиологии.
-
Полёты человека в космос привели к созданию новой отрасли биологии – космической биологии. Помимо исследования возможной жизни на других планетах и в открытом космосе перед этой наукой ставится много проблем прикладного характера: обеспечение человека условиями, необходимыми для жизни в космосе, защита от радиации, проблема приспособления человеческого организма к невесомости и малой подвижности. Многие из этих проблем уже решены. В настоящее время во всём мире возникла необходимость наладить разумное использование природных ресурсов. Нужна охрана атмосферы, водных ресурсов, почвы, живой природы. Во многих государствах уже приняты законы об охране природы; промышленные, строительные и сельскохозяйственные учреждения обязаны учитывать баланс природных ресурсов и возможные последствия нарушения равновесия природных явлений. Созданы так называемые «красные книги» – списки редких и исчезающих видов животных и растений. Во всём мире появилось большое количество экологических организаций, занимающихся охраной окружающей среды; наиболее известной среди них является «Greenpeace» («Гринпис»).
-
Рисунок 12.3.3.3. Охраняемые территории. Слева направо: Беловежская пуща (Белурусь), Йеллоустон (США), Нгоронгоро (Танзания), Галапагосские острова (Эквадор).
-
Важную роль в охране природы играют заповедники – территории (акватории), на которых в первозданном, естественном состоянии сохраняется весь их природный комплекс. На территории заповедников запрещена хозяйственная деятельность, доступ посторонних людей. В природных национальных парках, в отличие от заповедников, регулярно проводятся туристические экскурсии. Заповедники и национальные парки создаются, как правило, в местах с уникальными экологическими системами. В настоящее время в одной России больше 100 заповедников и национальных парков. Наиболее известные из них – Баргузинский, Ильменский, Астраханский, Лосиный остров, Кедровая Падь. Широко известны также Аскания-Нова на Украине, Беловежская Пуща в Беларуси. Количество национальных парков в мире превысило 1200; среди них Йеллоустонский, Гранд-Каньон, Маунт-Мак-Кинли (США), Олимп, Парнас (Греция), Комодо (Индонезия), Маунт-Кения (Кения), Серенгети, Килиманджаро (Танзания), Виктория-Фолс (Зимбабве), Крюгер (ЮАР), Тонгариро (Новая Зеландия) и многие другие.
-
Серьёзной проблемой являются глобальные климатические изменения в биосфере. Некоторые химические вещества (например, фреон), выбрасываемые в атмосферу, приводят к разрушению озонового слоя. В настоящее время над Антарктидой и некоторыми арктическими регионами постоянно существуют зоны, в которых озоновый слой либо значительно тоньше нормы, либо отсутствует вообще.
-
-то доля солнечной радиации достигает поверхности Земли; часть её переизлучается обратно в атмосферу уже в виде более длинноволнового инфракрасного излучения. Природный парниковый эффект обеспечивает поддержание температуры Земли примерно на 33° выше той, которая бы наблюдалась при его отсутствии. Выброс в атмосферу углекислоты и других газов, а также твёрдых частиц вызывает техногенный парниковый эффект, в результате чего повышается среднегодовая температура воздуха. Повышение температуры даже на несколько градусов может привести к таянию полярных льдов и затоплению океанических побережий, в том числе густонаселённых регионов Западной и Восточной Европы, Индостана, Южной Америки. Впрочем, 7 миллиардов тонн CO2 в год, выбрасываемых в воздух при сжигании топлива, – небольшая величина по сравнению с 200 миллиардами тонн диоксида углерода, образующегося естественным путём в процессах дыхания и гниения, а повышение средней температуры на 0,5 °C за последние сто лет можно объяснить и другими причинами (например, изменяющейся солнечной активностью). Тем не менее, глобальные климатические изменения, вызванные деятельностью человека, – это проблема, к исследованию которой необходимо подходить со всей ответственностью.
-
Рисунок 12.3.3.4. Динамика концентрации CO2 и среднегодовой температуры атмосферы Земли.
-
Происхождение и эволюция жизни на Земле. Уникальность Земли.
-
Когда рассматриваешь главные особенности развития Земли, становится ясным, что путь её эволюции в решающей мере был предопределён как местом Земли в Солнечной системе, светимостью Солнца, так её массой и химическим составом. Так, если бы наше Солнце принадлежало к типу переменных звёзд, то на Земле попеременно становилось бы нестерпимо жарко или невыносимо холодно. Если бы масса Солнца была существенно бoльшей, то оно уже через несколько десятков или сотен миллионов лет после своего образования взорвалось бы и превратилось в нейтронную звезду или даже в чёрную дыру. Нам и всему живому на Земле очень повезло, что Солнце — спокойная звезда со средней звёздной массой, относится к звёздам-карликам спектрального класса G2 и является стационарной звездой, слабо меняющей свою светимость в течение многих миллиардов лет. Последнее особенно важно, поскольку за последние 4 млрд лет оно позволило земной жизни пройти длительный путь эволюции от зарождения простой и примитивной жизни к её высшим формам.
-
Оптимальным оказалось и расстояние Земли от Солнца, поскольку при их более близком взаимном расположении на Земле было бы слишком жарко и мог бы возникнуть, как на Венере, необратимый парниковый эффект, а при более удалённом — Землю сковал бы мороз и она могла превратиться в „белую“ планету с устойчивым оледенением.
-
Повезло нам и с массивным спутником Земли — Луной. В гл. 3 было отмечено, что её возникновение на близкой околоземной орбите существенно ускорило тектоническое развитие Земли. Если бы у нашей планеты не было массивного спутника, то Земля, скорее всего, подобно Венере, медленно вращалась бы в обратную сторону и так же задержалась в своём тектоническом развитии на 2,5 — 3 млрд лет. В таком варианте сейчас на Земле господствовали бы условия позднего архея с плотной углекислотной атмосферой и высокими температурами, а вместо современной высокоорганизованной жизни Землю населяли бы только примитивные бактерии — одноклеточные прокариоты.
-
Рассматривая эволюцию Земли в тесном взаимодействии с Солнцем и Луной, поражаешься, насколько это оптимальная и тонко сбалансированная система, так удачно обеспечившая появление на нашей планете весьма комфортных условий для возникновения и развития высокоорганизованной жизни. При ближайшем рассмотрении этой системы обращает на себя внимание оптимальная масса Земли, способная удерживать на своей поверхности умеренно плотную атмосферу, а также исключительно удачный её химический состав. Действительно, даже сравнительно небольшие отклонения от исходных концентраций в земном веществе таких элементов и соединений, как Fe, FeO, CO2, H2O, N2 и др., могли привести к необратимым и катастрофическим для жизни последствиям. В частности, если бы в первичном земном веществе было меньше воды, то с меньшей интенсивностью поглощался бы углекислый газ (см. гл. 10) и он стал бы накапливаться в земной атмосфере.
-
В результате ещё в архее мог возникнуть необратимый парниковый эффект и наша Земля превратилась бы в „горячую“ планету типа Венеры. Если бы воды было заметно больше либо меньше свободного железа, то Земля превратилась бы в планету „Океан“ (см. гл. 9). Если бы в Земле было меньше азота, то ещё в раннем протерозое она превратилась бы в сплошь покрытую снегом „белую“ и холодную планету. При бoльшем количестве свободного (металлического) железа в первичном земном веществе в современной атмосфере, как и в протерозое, не смог бы накапливаться свободный кислород, а следовательно, на Земле не могло возникнуть царства животных (см. раздел 4.5). Наоборот, при меньшей исходной концентрации железа уже сейчас или даже раньше должно было начаться обильное выделение эндогенного (абиогенного) кислорода, и всё живое на Земле к настоящему времени уже „сгорело“ бы в такой атмосфере. Кроме того, процесс дегазации глубинного кислорода должен привести к сильнейшему парниковому эффекту, после чего Земля также превратилась бы в горячую планету типа Венеры
-
Грядущее развитие и гибель биосферы.
Начавшееся в кайнозое похолодание климата, вызванное поглощением атмосферного азота почвенными бактериями, продолжится и далее. Поэтому существенных потеплений климата в будущие 100–200 млн лет ожидать трудно. Современное потепление климата, о котором много говорится в последнее время, началось ещё в XVII в. (т. е. задолго до индустриальной революции), вероятнее всего оно является временным и связано с флуктуациями магнитной активности Солнца (см. рис. 10.11). Об этом, в частности, свидетельствуют измерения палеотемператур за последние 3000 лет по остаткам планктонных фораминифер Саргассова моря (см. рис. 10.12), по которым чётко видно, что современное локальное повышение средних температур развивается на фоне общего похолодания климата. Об этом же говорят и геологические данные. Действительно, приблизительно 100 млн лет назад на Земле полностью отсутствовали покровные ледники, а средние температуры достигали почти +17°C, тогда как к современному моменту они снизились до +15°С. В результате такого вроде бы незначительного похолодания произошло наступление новой ледниковой эпохи, и возникновение в середине кайнозоя покровного оледенения Антарктиды, а в четвертичное время — периодических оледенений на континентах Северной Америки, Европы и Азии.
-
-
Если наши предположения о постепенном изъятии азота из атмосферы Земли и его захоронении в земной коре справедливы, а принятое нами содержание органического азота в осадках отвечает действительности (см. раздел 10.1.1), то, несмотря даже на постепенное повышение солнечной активности, медленное похолодание климата продолжится и в будущем, до достижения нового равновесного состояния прохладного климата. Однако этот новый климатический уровень, определяемый метаболизмом азотпоглощающих микроорганизмов, может оказаться не очень благоприятным для процветания на Земле высших форм жизни. Отсюда следует, что новый ледниковый период, когда он наступит в северном полушарии, окажется наиболее суровым.
-
По нашим оценкам (см. рис. 10.16), через 200 млн лет средние температуры по Земле опустятся несколько ниже +12°С, одновременно с этим и уровень Мирового океана понизится приблизительно на 200 м (см. рис. 9.5), после чего обнажатся все современные шельфы, хотя и в этой ситуации на низких и средних широтах условия для развития высокоорганизованной жизни останутся вполне приемлемыми. Только приблизительно через 400 млн лет средние температуры на земной поверхности опустятся до температуры около +10°С, а уровень океана по сравнению с его современным положением в это время опустится более чем на 0,5 км (см. рис. 9.5). В этом случае все северные и южные материки даже на умеренных широтах окажутся скованными покровными ледниками, покроются льдом и возвышенные участки континентов на экваторе.
-
-
Но похолодание будет продолжаться не вечно. В промежутке около 200–300 млн лет должно будет наступить равновесие между снижением температуры за счёт бактериального удаления азота из атмосферы и её повышением благодаря увеличению светимости Солнца. Однако и это равновесное состояние приблизительно через 600 млн лет в будущем должно будет резко нарушиться дегазацией абиогенного кислорода, освобождающегося при формировании в мантии „ядерного“ вещества по реакции (4.6). После этого момента в мантии начнет генерироваться свободный кислород со скоростью около 2,1×1016 г/год, или 21 млрд т/год. Если бы весь этот кислород поступал в атмосферу, то его парциальное давление повышалось бы со скоростью, приблизительно равной 4 атм за каждый миллион лет. На самом деле скорость дегазации кислорода будет значительно меньшей, но всё же она может достигать скорости порядка 0,02 атм/млн лет. Это означает, что через 200 млн лет после начала дегазации кислорода из мантии парциальное давление этого газа достигнет почти 4 атм, тогда как средняя температура Земли за счёт парникового эффекта поднимется почти до 76°С. Ещё через 200 млн лет (через миллиард лет в будущем) давление кислорода превысит 14 атм, а приземные температуры поднимутся до 110°С.
-
При таких условиях вся наземная жизнь уже вскоре после начала дегазации эндогенного кислорода в буквальном смысле слова сгорит в такой атмосфере. Лишь в океанах из-за малой растворимости кислорода в воде ещё какое-то время смогут существовать высшие формы жизни, пока и они не „сварятся“ в его горячих водах. Но после вскипания океанов приблизительно через 1,5 млрд лет и возникновения необратимого парникового эффекта с температурами около 550°С не смогут выжить даже самые примитивные термофильные прокариоты (см. раздел 10.6). Из приведённого анализа благоприятных для жизни геодинамических условий на Земле видно, что они не бесконечны. Вероятнее всего общая продолжительность существования жизни приблизительно равна 5 млрд лет (от 4 млрд лет в прошлом до 1 млрд лет в будущем). Для развития высокоорганизованной жизни природа отвела ещё меньше времени — в океанах максимум 1,4 млрд лет (от 600 млн лет в прошлом до 800 млн лет в будущем), а на суше — не более 1 млрд лет (от –400 до +600 млн лет).
-
Нашему поколению можно не волноваться за своё будущее (если, конечно, не произойдёт какого-нибудь ядерного катаклизма), но трезво оценивать перспективу развития органического мира на Земле, по нашему мнению, не только интересно, но и важно в мировоззренческом плане. Поэтому мы и постарались не только дать здесь ретроспективное освещение развития жизни на нашей планете в прошлом, но и показать возможное, хоть и печальное, направление её дальнейшего развития. А пока мы должны только радоваться, что живём на нашей прекрасной и уникальной планете.
Нет комментариев для данной презентации
Помогите другим пользователям — будьте первым, кто поделится своим мнением об этой презентации.