Возникновение и эволюция биосферы

Возникновение биосферы теснейшим образом связано с появлением жизни на Земле.

Некоторые исследователи связывают появление жизни на Земле со временем ее остывания и оценивают возраст Земли по этому показателю. Эти вычисления в 1861г. сделал английский физик В. Томсон. Значительно позже, после открытия явления радиоактивности и разработки на ее основе метода измерения геологического времени, оказалось, что расчеты В. Томсона ошибочны. По современным представлениям, возраст Земли оценивается в 4.55 млрд. лет, а сохранившиеся древнейшие участки земной коры – в 4 млрд. лет.

Авторы большинства гипотез о происхождении жизни на Земле допускали, что наша планета в течение огромного промежутка времени была безжизненной и на ее поверхности происходила химическая эволюция, которая предшествовала биологической. На поверхности планеты происходил медленный абиогенный синтез органических соединений, который, в конечном счете, привел к появлению примитивных форм жизни. Анализ новых данных космохимии свидетельствует о раннем зарождении жизни в пределах Солнечной системы. Химическая эволюция вещества Земли и других планет, вероятно, предшествовала их образованию. Первичная атмосфера нашей планеты была представлена углекислым газом. Но это химическое соединение не может самопроизвольно образовывать более сложные органические соединения. В настоящее время существует много подтверждений в пользу того, что зарождение жизни, возможно, произошло в космических условиях.

Анализ существующего состава метеоритов показывает, что содержащееся в них органическое вещество имеет достаточно сложный состав. В органическом веществе метеоритов были обнаружены углеводороды, среди которых наиболее распространены соединения с 16 атомами углерода в молекуле, а также спирты, карбониловые соединения, аминокислоты и др. Характерной особенностью органических соединений, обнаруженных в метеоритах, является отсутствие оптической плотности. Это свидетельствует об их происхождении за пределами Земли.

Теоретические и экспериментальные данные, полученные в последнее время, позволяют сделать вывод: синтез относительно сложных органических соединений, предшествующих появлению живого вещества, - закономерный этап химической эволюции Солнечной системы. Эти органические вещества, образовавшиеся в космических условиях, вошли в состав многих тел, но на Земле реализовались возможности дальнейшей эволюции, что обеспечило возникновение саморегулирующихся высокомолекулярных систем -–непосредственных предков первых живых организмов.

Рассмотрим два варианта событий. Либо химическая эволюция, начавшаяся в космических условиях, продолжила свое развитие на Земле и в относительно короткое время привела к появлению первых живых организмов, либо образование молекул ДНК произошло в космических условиях, а реализация ее возможностей – в первых водоемах планеты, которые содержали некоторое количество органического вещества.

Дальше в ходе геологической истории эволюция биосферы происходила по пути разрешения противоречия между безграничной способностью организмов к размножению и ограниченностью ресурсов, доступных в определенную геологическую эпоху. Данное противоречие разрешается путем овладения организмами новыми источниками вещества и энергии за счет приобретения или новых качеств. В этом случае наследственная изменчивость является предпосылкой развития, а естественный отбор служит механизмом закрепления новых качеств.

Переломным этапом в эволюции древней биосферы был переход от гетеротрофного режима питания к автотрофному, основанному на фотосинтезе. С появлением фотосинтезирующих организмов началось образование свободного кислорода, что со временем стало предпосылкой для создания в атмосфере озонового экрана. Это произошло около 4 млрд. лет назад. Увеличения содержания кислорода в атмосфере способствовало выходу органического мира на поверхность континентов. О времени появления живых организмов на суше точных палеонтологических данных нет.

Эволюция растений длительное время происходила в водной среде. Далее по мере накопления кислорода создались предпосылки для появления озонового экрана, который защищает все живое от ультрафиолетового излучения. Это, в конечном счете, создало условия для выхода растений из водной среды на континенты. Считается, что первые растения, появившиеся на суше, были псилофиты – споровые низкорослые растения, напоминающие плауны. Потом псилофиты уступили место папоротникообразным растениям, которые, в свою очередь, сменились хвойными.

Развитие растений создало предпосылки для появления животных. Они так же, как и растения, произошли от одноклеточных организмов. В результате дифференциации функций отдельных клеток на определенном этапе эволюции образовались организмы, давшие затем начало многоклеточным.

На основании палеонтологических данных в ходе эволюции органического мира выделяют ряд закономерностей:

- необратимость эволюции – организм не может вернуться хотя бы частично к предшествующему состоянию, которое было в ряду его предков;

- ускорение биологической эволюции в ходе геологического времени;

- закономерность, впервые отмеченная В. О. Ковалевским в 1871г.: “…каждая следующая большая эпоха Земли короче предыдущей, и в это короткое время успевало народиться и вымереть больше разнообразных форм, чем в предыдущую эпоху…” (цит. по Г. В. Войткевичу, В.А. Вронскому, 1996г.);

- эволюция различных групп организмов протекала с разной скоростью;

- существуют консервативные группы организмов, которые почти не изменились в ходе геологического времени (микроорганизмы, папоротниковые, плауны, голосемянные), однако они составляют небольшую часть от общего числа видов;

- на фоне общей тенденции ускорения эволюции определенные эпохи отличались повышенным видообразованием. Вероятно, что связано с радиоактивностью. С.Г. Неручаев в геологической истории Земли выделил 30 эпох уранонакопления. Эти эпохи отличались значительным усилением мутационных процессов, видообразования и сменой фауны и флоры;

- среди животных в ходе геологического времени происходит направленное изменение нервной системы.

Таким образом, эволюцию биосферы Земли можно представить в виде трех последовательно сменяющихся этапов.

Первый этап – восстановительный. Он начался в космических условиях и завершился появлением на Земле первой гетеротрофной биосферы. На этом этапе протекали каталитические и радиохимические реакции синтеза сложных органических соединений, отсутствовал свободный кислород, основным источником живых организмов была радиация. Этот период, вероятно, был коротким по времени.

Второй этап – слабоокислительный – характеризовался появлением фотосинтеза. Он длился более 2 млрд. лет и закончился около 1.8 млрд. лет назад. Свободного кислорода образовывалось еще мало, и атмосфера состояла из углекислого газа.

Третий этап – окислительный – связан с появлением фотоавтотрофной биосферы. Он начался с медленного роста содержания кислорода в атмосфере и завершился значительным ускорением эволюции организмов. Увеличение продукции кислорода привело к появлению растительного покрова и животных на континентах, что резко увеличило продукцию фотосинтеза. Под воздействием живого вещества сформулировался современный химический состав атмосферы и растворенного вещества гидросферы.

Биологическая эволюция, будучи необратимым процессом, предопределила необратимость эволюции биосферы в целом и создала предпосылки для ее перехода в качественно новое состояние - ноосферу, или сферу разума, когда все происходящие в биосфере изменения контролируются человеком.