Пять исторических этапов эволюции биосферы

Зарождение жизни

Говоря кратко о физико-химической эволюции в развитии биосферы, следует выделить несколько стадий:

• зарождение Солнечной системы как протопланетного (газового) облака;
• появление Солнца в результате взрыва сверхновой;
• формирование холодной Протоземли и других планет под действием гравитации Солнца;
• рост Земли и образование земной коры;
• формирование атмосферы за счёт разогревания поверхности Земли и выхода газов наружу (бескислородная атмосфера);
• появление Мирового океана в результате соединения углекислоты и водорода.

Рис. 3. Зарождение жизни на Земле.

Зарождению жизни предшествовали сложные химические реакции и физические процессы, происходящие в атмосфере и Мировом океане.

Первыми живыми существами на Земле были анаэробные гетеротрофные прокариоты. В ходе естественного отбора появились хемосинтезирующие и фотосинтезирующие бактерии, а затем – водоросли. В результате фотосинтеза атмосфера стала насыщаться кислородом, что способствовало появлению аэробных организмов.

Что мы узнали?

Из урока биологии 9 класса, посвящённому теме зарождению жизни на Земле, узнали о понятии биосферы и учении В.И. Вернадского. Естествоиспытатель выделил вещества, составляющие биосферу, а также стадии зарождения жизни на Земле. Значительную роль в появлении живых организмов сыграли физические явления и химические реакции, происходящие в период становления Земли.

1. /10

   Вопрос 1 из 10

Зарождение жизни

Эволюция не может протекать быстро. Весь процесс физико-химического развития биосферы можно разделить на несколько этапов. Наиболее значимыми среди них можно назвать:

• образование Солнечной системы в виде газового или протопланетного облака;
• зарождение центральной звезды (Солнца) в планетарной системе;
• формирование холодных планет, в том числе и Протоземли;
• развитие Земли и формирование земной коры;
• создание атмосферы (бескислородной) благодаря разогреву поверхности планеты и выхода различных газов наружу;
• формирование Мирового океана из-за соединения водорода с углекислым газом.

Это основные этапы эволюции биосферы.

Эпоха прокариотических организмов

Возникновению живых существ предшествовали сложнейшие физические процессы, а также химические реакции. Первыми на земле появились прокариотические клетки. Их отличительной чертой является отсутствие ядра, ограниченного оболочкой (мембраной). Так как они не использовали в процессе своей жизнедеятельности кислород, то не могли синтезировать органические вещества из неорганических.

Им удалось быстро приспособиться к окружающей среде и начать питаться ею. В XVII столетии итальянский ученый Реди сформулировал принцип, согласно которому в те далекие времена образовалась непреодолимая граница между неживым и живым, хотя они и взаимодействовали. Реди был уверен, что живое могло произойти только от живого. По мнению современных ученых, постепенно питательная среда прокариотов истощалась, и они были вынуждены эволюционировать.

Появление эукариотов

Эпоха прокариотов длилась около 2 миллиардов лет. Примерно 1,8 млрд лет назад во времена протерозоя возникли живые организмы, клетки которых имели ярко выраженное ядро — эукариоты. Еще спустя 800 миллионов лет они разделились на растительные и животные организмы. Первые продолжили с помощью фотосинтеза создавать кислородную атмосферу. Вторым же предстояло научиться перемещаться.

Около 900 миллионов лет назад началась эпоха полового размножения. Благодаря этому существенно улучшилось видовое разнообразие. Кроме этого, живые организмы получили возможность быстрее адаптироваться к условиям среды обитания. Ученые предполагают, что первые многоклеточные организмы на планете появились 100 миллионов лет назад. По их мнению, животный мир Земли был сформирован в первый период эпохи палеозоя — кембрий.

Это были морские обитатели:

• плеченогие;
• моллюски;
• трилобиты;
• иглокожие .

Около 500 миллионов лет назад появились первые крупные хищники и небольшие позвоночные. Им потребовалось 90 миллионов лет, чтобы выйти на сушу. При этом сначала они могли жить в двух стихиях и назывались двоякодышащие. Именно от них затем произошли земноводные и сухопутные животные. Одновременно с этим начинают появляться первые насекомые, которые через 110 миллионов лет научились летать.

Развитие жизни на планете после этого начинает протекать быстрее. Постепенно у растений появляются листья, корни и стебли. Изменяется и система их размножения — в новых условиях они начинают использовать для этого семена и споры. Одновременно с этим создаются запасы не переработанных органических отходов, что приводит к началу формирования залежей каменного угля. Этот процесс протекает с выделением дополнительного кислорода. Все эти события происходили во времена мезозоя.

Первые млекопитающие и птицы появились 195 миллионов лет назад. Еще через 100 миллионов лет мир флоры и фауны был огромным. Однако последующее похолодание внесло изменения в эволюционный процесс растительных организмов — господствующее положение заняли покрытосеменные. Примерно 8 миллионов лет назад появились первые приматы, что ознаменовало собой начало эпохи формирования современных живых существ

Особенности распределения биомассы на Земле

Состав и распределение биосферы – один из интереснейших вопросов в биологии. 

Биосфера включает в себя огромное количество растений, животных и других форм жизни нашей планеты. Термин «ноосфера», предложенный Вернадским в начале 20-го столетия, получил широкое распространение. 

Биогенные вещества — созданные в процессе жизнедеятельности организмов соединения, например, природный газ, нефть, известняк.

Изучение биомассы крайне важно для понимания климатических сдвигов, путей передачи и трансформации углерода и других элементов. Разнообразие живых и неживых организмов, взаимодействующих между собой, обменивающихся веществами, называется экосистемой

Приспособленность видов к условиям существования происходит непрерывно. Биосфера имеет четкую структурную организацию и является глобальной экосистемой планеты. В.И. Вернадский создал учение о роли живых организмов, о воздействии живого на преобразование земной коры. Состав биосферы и свойства зависят от взаимодействия её биотического и абиотического компонентов.  Основной объем массы живой материи приходится на растительный мир, он составляет 80% от биомассы планеты. На втором месте, после растений, идут бактерии. Ученые, с использованием углеродного метода, определили, что все живые организмы содержат суммарно 550 миллиардов тонн углерода.  Биомасса суши составляет почти 99,9%. Это объясняется большой массой продуцентов на поверхности Земли. Наибольшая плотность жизни отмечается в тех зонах, где виды специфически приспособились к совместному существованию. К структурообразующим факторам биосферы относят свет, как условия формирования и усовершенствования жизни. Под воздействием микроорганизмов, растений и животных сформировался почвенный слой.  В почве обитает больше редуцентов. К ним относятся бактерии и грибы, которые разлагают останки живых существ до неорганических веществ. В почве происходит особый газообмен. Ночью, при охлаждении и сжатии газов, в неё проникает некоторое количество воздуха, его поглощают и перерабатывают почвенные организмы.  Почвенные микроорганизмы играют важную роль в круговороте веществ, в почвообразовании и формировании плодородного слоя. Большая биомасса почвы, в сочетании с высоким видовым разнообразием, обеспечивает сложность экосистем. Почвенные организмы включают в круговорот веществ биосферы важнейшие химические соединения. В морской биомассе содержится больше консументов, чем продуцентов. В состав океанической и морской воды входят минеральные соли. Микроорганизмы, живущие в океанических термальных источниках, являются хемотрофами, основными продуцентами океанического дна. Несмотря на многообразие водных обитателей, их можно поделить на 3 группы, с учетом мест обитания в воде. Между каждой группой организмов существуют тесные связи, они обмениваются веществом и энергией. В современном мире воздействие человека на биомассу океана огромно. Бентосные организмы в океане живут на дне и в грунте. Фитобентос: зеленые, бурые, красные водоросли встречаются на глубине до 200 м. Зообентос представлен животными. Воздушная среда характеризуется значительным количеством кислорода, солнечной энергии, но в ней, зачастую, не хватает влаги. Поэтому, обитатели засушливых мест имеют специальные приспособления для добычи, запасания и экономной траты драгоценной влаги. Разнообразие этой среды представлено разнообразием жизни в ней. Каждому наземному биогеоценозу присущи свои черты. Так, в экваториальных биоценозах сильно развита конкуренция за обладание местом обитания, пищей, светом и кислородом.

В современном мире огромное влияние на биомассу оказывает человек. Сокращаются площади, производящие живую массу.

Смотри также:

• Изменения в экосистемах под влиянием деятельности человека
• Агроэкосистемы, основные отличия от природных экосистем.
• Биологический круговорот и превращение энергии в биосфере, роль в нем организмов разных царств. Эволюция биосферы

Учение В.И. Вернадского о биосфере

В.И. Вернадский – общепризнанный разработчик учение о биосфере. Он ввел понятие «живого вещества», как формирующего фактора биологической геосферы.

• Ученый выдвинул теорию о том, что границы биосферы обусловлены пространством существования живых организмов. В трудах В.И. Вернадского говорится о взаимосвязи живых организмов с неживой средой. Одним их этапов эволюции биосферы Вернадский считал её преобразование в стадию ноосферы, он доказал, что организмы являются определяющими в жизненной силе Земли. 
• Организмы и продукты их жизнедеятельности разрушали горные породы, способствовали вымыванию одних веществ и накоплению других.
• Постоянное образование живого вещества с дальнейшей его трансформацией — функция биосферы.

Функции живого вещества по учению Вернадского:

В.И. Вернадский смог выделить несколько основных функций биосферы. А именно:

Функции
Газовая функция	В результате фотосинтеза растения выделяют кислород. Данная функция осуществляется также благодаря животным, выделяющим углекислый газ в окружающую среду.
Концентрационная функция	Осуществляется в организмах различных животных, которые имеют способность накапливать в своих телах определенные химические элементы, такие как углерод и кальций.
Окислительно-восстановительная функция	Основывается на превращении веществ и энергии в процессе жизнедеятельности. В результате химических реакций получаются соли, окислы и разнообразные органические и неорганические соединения. Именно благодаря этой функции образовываются железные и марганцовые руды.
Функция образования среды	Подразумевает трансформацию  физических и химических характеристик среды обитания организмов, включая атмосферу, грунт, моря и океаны.
Функция накопления кальция	Преобразование химического элемента в углекислые, щавелевокислые, фосфорнокислые кальциевые соли.

Особенностью живого вещества является то, что компоненты, входящие в его состав проявляют устойчивость исключительно в живых организмах.

Структура биосферы

Согласно учению Вернадского биосфера являет собой организованную сферу планеты, которая находится в контакте с живыми организмами. 

В.И. Вернадский в составе биосферы выделял такие элементы:

• Живым веществом ученый считал всю совокупность организмов, живущих на Земле. В своих трудах ученый подчеркивал, что геохимическое состояние земной коры находится под влиянием живых организмов, определяется их деятельностью. Он выделял пять функций биологической сферы земли. По его учению, биосфера состоит из разнородных компонентов, важнейшим из которых есть живое вещество.
• К косному веществу ученый причислял химические соединения, в образовании которых живые организмы не принимали участия.
• Неживое биогенное вещество – это продукты жизнедеятельности организмов, которые разрушали горные породы, способствовали вымыванию одних веществ и накоплению других.
• Биокосное вещество являет собой продукт совместной работы живой и неживой природы, например грунт, глинозем. 

В.И. Вернадский подчеркивал, что история возникновения и эволюция биосферы — это история возникновения жизни на Земле. Длительное время эта концепция биосферы В. И. Вернадского замалчивалась. 

Круговорот вещества и энергии

Круговорот биогенных элементов, обусловленный синтезом и распадом органических веществ в экосистеме, называют биотическим круговоротом веществ.

Помимо этого в круговороте участвуют различные минеральные элементы, поэтому весь процесс химических превращений в биосфере принято именовать биогеохимическим круговоротом веществ в природе.

Остановимся подробнее на основных типах круговорота наиболее важных веществ в биосфере.

1. Для жизни на планете самым необходимым веществом является вода.Все организмы используют ее для процессов жизнедеятельности. Круговорот воды в природе в большей степени является физическим процессом, однако организмы принимают в нем значительное участие. Познакомимся с круговоротом воды на схеме.

Мировой круговорот воды начинается испарением влаги с поверхности водных объектов под воздействием солнечной энергии. Влага в атмосфере трансформируется в облака, которые переносятся ветром на значительные расстояния. Попадая в местность с низкими температурами, облака охлаждаются, что вызывает выпадение осадков. Влага в виде осадков поглощается почвой или стекает по ее поверхности, возвращаясь в моря и океаны. В круговороте воды следует учитывать и роль организмов. Ведь испарение влаги происходит и с поверхности листьев, а в процессах фотосинтеза принимает участие вода.

2. Главным участником биотического круговорота является углерод как основа органических веществ. Познакомимся с круговоротом углерода в природе на схеме.

Природным источником углерода является углекислый газ. Именно с него начинается круговорот углерода в биосфере. Он содержится в воздухе, а также в растворенном состоянии в воде. В атмосферу этот газ попадает при выдыхании всеми организмами, при извержении вулканов, сжигании ископаемого топлива и лесов. Осадки разрушают породы, вынося растворенный углерод в океан, где происходит поглощение его морскими организмами. В процессе фотосинтеза углекислота превращается в органические вещества, которые используются животными для питания. Органические останки затем разлагаются редуцентами и углерод остается в почве в виде полезных ископаемых или используется растениями при минеральном питании. По подсчетам ученых, время оборота углерода в круговороте веществ составляет около 10 лет.

3. Немаловажным элементом считается азот, который входит в структуру всех белков. Рассмотрим схему круговорота азота.

Круговорот азота в природе начинается с атмосферы, где его содержится до 80%. Частично азот поступает в экосистемы в виде оксида азота, образующегося под действием электрических разрядов во время грозы. Основная часть поступает в воду и почву в результате деятельности микроорганизмов – фиксаторов азота. К ним относятся бактерии и сине-зеленые водоросли. Эффективны бактерии, живущие в симбиозе с бобовыми растениями в клубеньках, развивающихся на корнях этих растений.

Азот из разных источников поступает к корням растений в форме нитратов, которые затем используются для минерального питания. Круговорот азота заканчивается деятельностью аммонифицирующих организмов или редуцентов. Они способствуют разложению продуктов жизнедеятельности живых существ и органических останков. В процессе их деятельности образуется аммиак и освобождается свободный азот.

4. Круговорот фосфора во многом отличается от других элементов, таких как, например, азот. Рассмотрим особенности круговорота фосфора в природе.

Фосфор совершает круговорот в наземных экосистемах в качестве составной части клеток живых организмов.Редуценты минерализуют органические соединения фосфора отмерших организмов в фосфаты, которые затем потребляются корнями растений. Большие запасы фосфора содержатся в горных породах, которые при разрушении отдают наземные фосфаты экосистемам. Часть фосфатов вовлекается в круговорот воды и уносится в воды Мирового океана.

Получается, что круговорот фосфора разомкнут, так как значительная часть континентального стока фосфатов остается в океане. Эта разомкнутость существенно усилена антропогенным вмешательством, поскольку человек нарушил многие естественные пути возврата фосфора в почву, а их замена применением фосфорных удобрений недостаточна.

Все рассмотренные вещества включаются в глобальный круговорот веществ и энергии в биосфере. Основой этого круговорота является энергия Солнца.

Обобщенно важнейшие круговороты веществ и энергии можно представить в виде схемы.

Состав и структурное строение биосферы

Состав биосферы отличается разнообразием веществ. Составные компоненты находятся в состоянии непрерывного движения. В. И. Вернадский классифицировал основные компоненты обитаемой биооболочки, выделив их в 4 группы. Химическая структура глобальной экосистемы включает следующие вещества:

• Живое вещество. К этой категории относятся флора, фауна, представители микромира, прочие живые организмы. Органика и углеродные формы жизни осуществляют геохимические процессы, формируя облик планеты. Общая масса живого вещества составляет 0,01-0,02 % от совокупной массы неживых веществ.
• Биогенное вещество. Категория включает все продукты переработки, которые изменяются во время циклов рождения, питания, размножения, смерти, разложения, других функциональных процессов биомассы. Масштабы биогенного вещества соответствуют нефтяным и угольным месторождениям, осадочным породам, другим следам былой жизнедеятельности организмов.
• Косное вещество. К этому классу относят горные породы, лаву, метеоритные глыбы, образовавшиеся без участия переработки биомассой.

Лава – пример косного вещества

Биокосное вещество. Класс веществ, образующихся из косной материи при участии органических форм жизни. Основные представители биокосного вещества – почва и донный осадок.

Помимо основных категорий, выделяют радиоактивное вещество, находящееся в процессе деградации и вещество космического происхождения. Учитывая строение биосферы, концентрация веществ неравномерна на разных участках земной поверхности.

Как биосфера связана с другими оболочками планеты?

Биосфера – это обитаемая оболочка на поверхности и частично под поверхностью Земли. Ее связь с другими оболочками заключается во взаимном проникновении и взаимодействии – границы области обитания жизненных форм включают:

• гидросферу (без подземных вод);
• верхнюю часть литосферы;
• нижнюю часть атмосферы.

Вся деятельность организмов сосредоточена в этом небольшом, с космической точки зрения, пространстве.

Жизненные формы напрямую связаны со всеми оболочками, поскольку именно они формируют в них средовые условия.

Конец эры динозавров

Эра динозавров, также известная как мезозойская эра, была геологическим периодом, который длился примерно 186 миллионов лет. Она началась с появления первых динозавров около 230 миллионов лет назад и закончилась их вымиранием около 65 миллионов лет назад.

Вымирание динозавров, известное как КТ-катастрофа, стало одним из самых значимых событий в истории Земли. Это был массовый вымирание, в результате которого примерно 75% видов на планете погибли, включая все наземные динозавры. Ученые предложили несколько гипотез о причинах вымирания, включая астероидный удар, изменение климата и вулканическую активность.

После вымирания динозавров началась эра млекопитающих, которая открыла путь к развитию современной фауны. Многие виды млекопитающих, включая предков современных животных, процветали и эволюционировали. Это включает в себя развитие приматов, которые впоследствии привели к появлению человека.

Эра динозавров продолжает оставаться одной из самых удивительных и увлекательных глав в истории биосферы нашей планеты. Изучение окаменелостей и других доказательств из прошлого позволяет ученым понять, как животные и растения эволюционировали со временем и какое влияние это оказало на развитие жизни на Земле.

Этапы истории эволюции

История эволюции биосферы можно разделить на несколько этапов, каждый из которых характеризуется определенными особенностями и событиями.

1. Прокариотическая эра (3,8-2,5 миллиарда лет назад)

На этом этапе в океанах появились первые бактерии – микроорганизмы без ядра и органелл. Они обитали в воде, осуществляли фотосинтез и делились путем деления. Прокариотическая эра длилась около 1,3 миллиарда лет.

2. Архейская эра (2,5-0,6 миллиарда лет назад)

На этом этапе на Земле появились археи – микроорганизмы, которые обладали сложной структурой, включая ядро и органеллы. Археи научились выживать в разнообразных условиях – от горячих источников до соленых озер. Архейская эра продолжалась около 1,9 миллиарда лет.

3. Палеозойская эра (541-252 миллионов лет назад)

В этот период появились первые животные, растения и грибы. На суше развились позвоночные, а в море появились первые кораллы и ракообразные. Палеозойская эра также характеризуется образованием гор, ледниковых покровов и изменением климата.

4. Мезозойская эра (252-66 миллионов лет назад)

На этом этапе произошло развитие рептилий, включая динозавров, а также появление первых птиц и млекопитающих. В море расцвели динозавры, аммониты и рыбы. В конце этой эры произошло массовое вымирание, которое уничтожило большую часть живых организмов на Земле.

5. Кайнозойская эра (66 миллионов лет назад — настоящее время)

Это настоящий период развития человеческой цивилизации. На этой стадии развития биосферы произошло разделение на длинную последовательность периодов и эпох. Кайнозойская эра характеризуется появлением и эволюцией человека, а также радикальными изменениями в распространении живых организмов.

Палеонтология

Ученые утверждают, что в процессе эволюции были существенные остановки развития. Чем является ее новая эра – эра социальной революции?

В развитии биосферы, биологическая эволюция определяется как процесс развития живой природы, проходящий естественным образом. При этом изменяются и преобразовываются как отдельные экосистемы, так и биосфера в целом. Доказательствами чего считают останки животных и растений, существовавших в прошлом, и следы их жизнедеятельности, найденные в процессе раскопок.  Обнаружением и изучением таких ископаемых останков и следов занимается наука палеонтология. Она также пытается воссоздать или реконструировать внешний вид, особенности питания, поведения и размножения живых организмов прошлого.

Человек с древних времен волей-неволей сталкивался с останками древних животных и растений. Об этом свидетельствуют записи античных авторов: Ксенофона, Геродота, Аристотеля. Ученых эпохи Возрождения: Леонардо да Винчи, Георгия Агрикола, Джироламо Фракасторо. В XIX веке – это, конечно, Чарльз Дарвин, Жорж Кювье, основатель палеонтологии, а в XX – Владимир Ковалевский, Тейар де Шардена и В.И. Вернадский.

Учение Вернадского

Живые существа распределились по всей поверхности планеты. Ученые установили, что в атмосфере обитает несколько миллионов микроорганизмов. Самая известная на сегодняшний день глубоководная рыба приспособилась к жизни на глубине свыше 6000 метров. Работа Вернадского об эволюции биосферы является фундаментальным учением. Согласно ему, биологическая оболочка планеты прошла 3 этапа развития, описанных в таблице:

Этап	Движущий фактор	События
Формирование биосферы	Изменения климата планеты и различные геохимические преобразования.	Появление живых существ.
Видоизменение	Биологическая революция.	Появление эукариотических и многоклеточных организмов.
Антропогенез	Появление человека.	Становление общества и переход биосферы в ноосферу — активное взаимодействие людей с природой.

Биосфера, по мнению Вернадского, является глобальной экосферой и состоит из двух частей — абиотической и биотической. Первая представлена следующими элементами:

• почвой и расположенными под ней породами, населенными живыми организмами;
• атмосферой до высот, на которых встречаются признаки жизни;
• водной средой.

Биотическую часть составляют живые существа. Вернадский ввел понятие «живое вещество» и установил, какова его роль в эволюции биосферы. Оно представляет собой совокупность всех живых организмов, рассматриваемое, как единое целое. В сравнении с размерами всех геологических сфер планеты, на долю живого вещества приходится очень низкий процент.

Возникновение примитивной формы жизни

Одной из таких гипотез является гипотеза о примитивной форме жизни. Согласно этой гипотезе, жизнь на Земле появилась ещё при раннем развитии планеты. Эта форма жизни была простой и неприметной, но она стала отправной точкой для всех последующих этапов развития биосферы.

Наиболее популярной теорией о возникновении примитивной жизни является теория о химическом происхождении жизни. Согласно этой теории, под воздействием различных физических и химических процессов на Земле образовались простые органические молекулы, такие как аминокислоты и нуклеотиды. Последующая комбинация и эволюция этих молекул могла привести к образованию примитивных клеток.

Однако точные механизмы возникновения примитивной жизни до сих пор остаются неизвестными. Исследователи продолжают проводить различные эксперименты и исследования, чтобы раскрыть эту тайну.

Возникновение примитивной жизни стало первым шагом в эволюции биосферы. От неё начался многомиллионный путь развития, который привел к появлению разнообразных форм жизни на планете Земля.