Эволюция, как экологический процесс

Существует несколько теорий появления жизни на Земле. Из них можно выделить три наиболее известные:

1) теория креационизма (от английского слова create - создавать) - жизнь создана высшим существом - Богом;

2) теория панспермии - жизнь принесена на Землю из космоса; так уже в метеоритах находят белковые соединения;

3) теория эволюции - жизнь на Земле народилась вследствие естественных законов усложнения форм организации материи.

У каждой теории есть свои плюсы и минусы, свои сильные и слабые стороны.

Высокая степень замкнутости биотического круговорота и биологическая регуляция окружающей среды - закономерный результат эволюции биосферы.

Эволюция биосферы состоит из добиотической фазы, в ходе которой химическая эволюция подготавливала возникновение жизни, и собственно биологической эволюции. Согласно сложившимся представлениям последовательность основных этапов такова:

Добиогическая эволюция:

1. Образование планеты и ее атмосферы (около 4,5 млрд лет назад). Первичная атмосфера имела высокую температуру, была резко восстановительной и содержала водород, азот, пары воды, метан, аммиак, инертные газы, возможно, окись углерода, цианистый водород, формальдегид и другие простые соединения.

2. Возникновение абиотического круговорота веществ в атмосфере за счет ее постепенного остывания и энергии солнечного излучения. Появляется жидкая вода, формируется гидросфера, круговорот воды, водная миграция элементов и многофазные химические реакции в растворах. Благодаря автокатализу происходит образование и рост молекул.

3. Образование органических соединений в процессах конденсации и полимеризации простых соединений углерода, азота, водорода, кислорода за счет энергии ультрафиолетового излучения Солнца, радиоактивности, электрических разрядов и других энергетических импульсов. Аккумуляция лучистой энергии в органических веществах в результате фотохимических реакций и образование макроэргических соединений.

4. Возникновение круговорота органических соединений углерода, включающего реакции аккумуляции солнечной энергии и окислительно-восстановительные реакции, - зародыш биотического круговорота биосферы. Дальнейшее усложнение органических веществ и появление устойчивых комплексов макромолекул, обладающих способностью к редупликации; возникновение молекулярных систем самовоспроизведения.

Биотическая эволюция:

5. Возникновение жизни (около 3,5 миллиардов лет назад). Структуризация белков и нуклеиновых кислот с участием биомембран приводит к появлению вирусоподобных тел и первичных клеток, способных к делению, - сперва хемоавтотрофных прокариот, затем - эукариот. Возникает биотический круговорот и формируются биосферные функции живого вещества.

6. Развитие фотосинтеза и обусловленное им изменение состава среды: биопродукция кислорода обусловливает постепенный переход к окислительной атмосфере. Ускоряется биогенная миграция элементов. Появление многоклеточных организмов, наземных растений и животных приводит к дальнейшему усложнению биотического круговорота. Возникают сложные экологические системы, содержащие все уровни трофической организации. Достигается высокая степень замкнутости биотического круговорота.

7. Увеличение биологического многообразия и усложнение строения и функциональной организации живых существ и биосферы в целом. Организмами заняты все экологические ниши на планете. Полностью сформировались средообразующая функция биосферы и биологический контроль ее гомеостаза. Преобразование среды вследствие деятельности организмов оказывает обратное действие на биоту и уравновешивается ее средорегулирующей функцией.

8. Появление человека - лидера эволюции. Возникновение и развитие человеческого общества, вовлечение в техногенез непропорционально больших (по мерам биосферы) потоков вещества и энергии нарушает замкнутость биотического круговорота, вызывает антропогенные экологические кризисы и становится негативным фактором эволюции.

Эволюция (от латинского evolutio – развертывание) – необратимый процесс исторического изменения живого. Из многочисленных ненаправленных мутаций как элементарного эволюционного материала естественный отбор формирует такие комбинации признаков и свойств, которые ведут к возникновению адаптаций организмов к условиям внешней среды. Помимо мутационного процесса и естественного отбора элементарными факторами эволюции являются колебания численности особей в популяциях и изоляция популяций.

Основные закономерности эволюции:

1. Эволюция происходит с разной скоростью в разные периоды;

2. Эволюция организмов различных типов происходит с разной скоростью;

3. Новые виды образуются из относительно простых неспециализированных форм;

4. Эволюция не всегда идет от простого к сложному. Существует много примеров «регрессивной» эволюции;

5. Эволюция затрагивает популяции, а не отдельные особи и происходит в результате процессов мутирования, дифференциального воспроизведения, естественного отбора и дрейфа генов.

С появлением надежного механизма воспроизведения генетической информации процесс возникновения жизни завершился (таблица 2). Эра химической эволюции закончилась, и наступила эра естественного отбора. Теперь уже недостаточно было просто выжить; отбор среди клеток велся на способность получать энергию более эффективным путем и обращать ее на создание потомства.

На протяжении примерно первых 2-х миллиардов лет органической эволюции произошло несколько крупных прогрессивных сдвигов в питании и структурной организации: возникли автотрофное питание, в частности фотосинтез, аэробное дыхание, эукариотическая клеточная организация, половое размножение. Каждой из указанных стадий органической эволюции соответствует своя биота: 1) простые гетеротрофные бактерии, 2) фотосинтезирующие или хемосинтезирующие прокариоты (сине-зеленые водоросли и автотрофные бактерии), 3) простые анаэробные эукариоты (одноклеточные водоросли и растительные жгутиковые), 4) простые многоклеточные организмы (например, нитчатые водоросли и низшие грибы).

Таблица 2 – Главные события в истории возникновения жизни (по П.Кемп, К.Армс, 1988)

Явления направленной эволюции выражаются не только в развитии в одном направлении, но и чаще всего в независимом приобретении организмами ряда общих признаков, отсутствовавших у их предков. Если при этом проявляется прямая зависимость специфики приобретаемого признака от функции (например, змеевидная форма тела у мурен, угря, червяги и удава), то мы говорим о конвергенциях.Если же наряду с функциональными моментами отчетливо проявляется зависимость приобретаемого признака от общих унаследованных особенностей организма, то говорят о параллелизмах.

Этапность развития органического мира, на которой в значительной мере основывается периодизация геологической истории, - твердо установленный факт. Эволюция жизни на Земле совершается неравномерно, и в геологической истории выделяются более или менее кратковременные интервалы, когда преобразуется весь органический мир – меняются господствующие формы жизни, появляются и достигают расцвета принципиально новые группы животных и растений, основывающие новые местообитания, полностью перестраиваются биоценозы и меняется их структура.

Смена этапов развития органического мира на Земле может быть обусловлена катастрофами, время от времени уничтожавшими животный и растительный мир различных регионов. Причины этих катастроф могут быть как земного, так и космического происхождения. Катастрофы земного происхождения могут быть вызваны оживлением вулканизма, геомагнитными инверсиями, горообразовательными процессами. Космические причины массовых вымираний:

1) катастрофическое повышение радиации, вызванное вспышками сверхновых звезд или колебаниями солнечной активности;

2) бомбардировки Земли кометами и гигантскими астероидами, вызванные, в частности, колебаниями положения Солнечной системы относительно плоскости Галактики, или прохождением крупного небесного тела через окружающую Солнечную систему Оортово кометное облако.

Вопросы для самоконтроля:

1. Дать определение эволюции. Что такое «эволюционный успех»?

2. Что является элементарными факторами эволюции?

3. Дать определение экологической катастрофы

4. Какие экологические катастрофы происходили в прошлом?

5. Почему история жизни на Земле может быть разделена на эры и периоды?

6. Привести доказательства эволюции.

ЛЕКЦИЯ № 3

Тема:Биосфера, как специфическая оболочка Земли

Цель лекции: Изучить сущность биосферы, ее роль в планетарном масштабе, ее функции и уникальные особенности живого вещества

Ключевые слова: характеристика, функция, граница, особенность, отличительные признаки и др

Основные вопросы (положения) и краткое содержание

1. Характеристика биосферы

2. Биомасса, продуктивность и основные функции биосферы

3. Свойства живого вещества