Лекции по биосфере. Учебнометодическое пособие дляспециальности 5В060800 Экология
 Скачать 0.7 Mb.
|
|
Министерство образования и науки Республики Казахстан Костанайский государственный университет имени А. Байтурсынова О.И. Салатова ПРОИСХОЖДЕНИЕ И ЭВОЛЮЦИЯ БИОСФЕРЫ Учебно-методическое пособие дляспециальности 5В060800 – «Экология» Костанай, 2016 2 ББК 20.1 Н 34 Автор: Салатова Ольга Ивановна, к.б.н., старший преподаватель кафедры экологии Рецензенты: Юнусова Гульнара Батырбековна, к.т.н.,доцент кафедры экологии Блисов Тилеубай Матайулы, к.с.-х..н., доцент кафедры экологии О.И. Салатова Н 34 ПРОИСХОЖДЕНИЕ И ЭВОЛЮЦИЯ БИОСФЕРЫ: Учебно-методическое пособие. - Костанай: КГУ им. А. Байтурсынова В учебно-методическом пособии представлены базовые понятия предмета и лекционный материал, задания для закрепления материала, а так же словарь терминов. Представлен список рекомендуемой литературы по изучению дисциплины. Предназначено для студентовспециальности 5В060800 – «Экология» ББК 20.1 Утверждено научно-методическим советом Костанайского государственного университета имени А. Байтурсынова, протокол от . . 2016 г. № © Костанайский государственный университет имени А. Байтурсынова 3 Содержание 1 Содержание 3 2 Введение 3 Лекция 1 Учение В.И. Вернадского о биосфере………………………. Вопрос 1 Формирование концепции биосферы и учение В.И. Вернадского о биосфере………………………………………………. 1.1 Краткая история формирования знаний о биосфере…………….. 1.2 Определение понятия биосферы как среды обитания живых организмов……………………………………………………………… Вопрос 2 Живое вещество, его средообразующие свойства………… 2.1 Свойства живого вещества…………………………………………. 2.2 Функции живого вещества………………………………………… 6 4 Лекция 2 Происхождение и эволюция биосферы…………………….. Вопрос 1 Проблема происхождения жизни…………………………… 1.1 Теории возникновения жизни……………………………………… 1.2 Этапы эволюции…………………………………………………….. Вопрос 2 Докембрийский период эволюции Земли………………….. 2.1 Геологическая временная шкала истории Земли…………………. 2.2 Характеристика эр, периодов и эпох докембрия…………………. 5 Лекция 3 Развитие биосферы в палеозойскую эру и мезозойский этап развития биосферы………………………………………………… Вопрос 1 Деление палеозойской эры на периоды…………………….. Вопрос 2 Флора и фауна палеозойской эры…………………………… Вопрос3 Особенности изменения климатических условий в мезозойскую эру………………………………………………………… Вопрос 4 Развитие растительного и животного мира в мезозое……... 6 Лекция 4 Развитие биосферы в кайнозое, палеогене, неогене и антропогене ……………………………………………………………... 1вопрос Климатические условия в разные периоды кайнозойской эры……………………………………………………………………….. 2 вопрос Эволюция органического мира в палеогене………………… 3 вопрос Флора и фауна неогенового периода………………………... 4 вопрос Характеристика четвертичного (антропогенового) периода. 7 Лекция 5 Механизмы устойчивости биосферы………………………. 1 вопрос Синергетика биосферы (теория открытых систем)………. 2 вопрос Динамика популяций………………………………………… 3 вопрос Жизненные стратегии………………………………………… 4 вопрос Реализация экологических ниш …………………………….. 5 вопрос Принцип экологической эквивалентности…………………. 8 Словарь терминов……………………………………………………… 9 Темы для самостоятельной работа студента 10 Литература 4 Введение Дисциплина «Происхождение и эволюция биосферы» является элективной базовой дисциплиной. «Происхождение и эволюция биосферы» излагает взаимосвязанность разных сообществ, обмен между ними веществом и энергией, что позволяет рассматривать все живые организмы Земли и среду их обитания как одну очень протяженную и разнообразную экосистему – биосферу. Данная дисциплина формирует профессиональные знания и умения при освоении специальности. Пререквизиты: биология, биологическая экология. Постреквизиты: глобальная экология, ландшафтная экология. Цель дисциплины: Всестороннее ознакомление студентов с основными закономерностями организации и функционирования биосферы как сферы обитания всех живых организмов, а также ее эволюции в условиях антропогенного пресса. Задачи дисциплины: изучение этапов становления биосферы; изучение основных концепций учения о биосфере; усвоение закономерностей круговорота материи, энергии и информации в биосфере; ознакомление с современными представлениями о принципах организации биосферы; приобретение знаний о биосферно-ноосферной общности; изучение роли человека в биосфере и проблема охраны окружающей среды. При изучении курса обучающиеся должны знать: - основные этапы эволюции биосферы; - закономерности развития и распространения жизни на Земле; - основные компоненты биосферы и их взаимодействие; - вещественный состав, строение и границы биосферы; - потоки энергии и продуктивность, накопление биосферы; - структура и основные циклы биохимических круговоротов химических элементов; - динамику и причину устойчивости биосферы; - влияние антропогенных факторов на функционирование биосферы; - условия устойчивого развития биосферы; - биосферные функции человечества и пути решения экологических проблем и сохранения биосферы; Обучающиеся должны уметь - раскрыть основные закономерности биосферы; - провести анализ круга проблем, связанных с воздействием антропогенных факторов на биосферу; - рассмотреть конкретные задачи и давать ценные заключения и 5 выводы по материалам исследований в природоохранных целях Обучающиеся должны владеть навыками - проведения всесторонний анализ полученных материалов биосферных исследований; - использования материалов исследований и результатов экспериментов для решения практических задач по охране биосферы Обучающиеся должны быть компетентными - знать теоретические основы биогеографии, экологии животных, растений и микроорганизмов; - владеть методами прикладной экологии, экологического картографирования, экологической экспертизы и мониторинга; владеть методами обработки, анализа и синтеза полевой и лабораторной экологической информации и использовать теоретические знания на практике. 6 Лекция 1 УЧЕНИЕ В.И. ВЕРНАДСКОГО О БИОСФЕРЕ План лекции: Вопрос 1 Формирование концепции биосферы и учение В.И. Вернадского о биосфере 1.1 Краткая история формирования знаний о биосфере 1.2 Определение понятия биосферы как среды обитания живых организмов Вопрос 2 Живое вещество, его средообразующие свойства 2.1 Свойства живого вещества 2.2 Функции живого вещества Вопрос 1 Формирование концепции биосферы и учение В.И. Вернадского о биосфере 1.1 Краткая история формирования знаний о биосфере Понятие «биосферы», по мнению В.И. Вернадского, было сформулировано (без употребления самого термина) Ж.Б. Ламарком в начале XIX в. (в труде по гидрогеологии Франции в 1803 г.). Он подошел к пониманию единства живого и неживого. А. Лавуазье высоко оценивал роль круговорота веществ в биосфере. Однако если Ламарк считал, что разрушение органического вещества – физический процесс, то Лавуазье понимал его как биологический процесс. Он предположил наличие особой группы организмов, которые возвращают элементы в окружающую среду. Об этом укладе Лавуазье в конце XIX в. вспоминал Л. Пастер. А. Гумбольдт выделял сферу жизни как неотъемлемую часть географической оболочки. Наконец, Э. Зюсс в 1875 г. при рассмотрении основных оболочек Земли: литосферы, атмосферы и гидросферы, - полагал, что в области взаимодействия верхних сфер и литосферы можно выделять самостоятельную оболочку - биосферу. Он понимал под биосферой тонкую пленку жизни на земной поверхности. Роль и значение биосферы для развития жизни на нашей планете оказалась настолько велика, что уже в первой трети XX в. возникло новое фундаментальное научное направление в естествознании - учение о биосфере. Особая роль в развитии учения о биосфере - оболочке Земли, строение и организованность которой обусловлены жизнедеятельностью организмов, - принадлежит Владимиру Ивановичу Вернадскому. По его утверждению, биосфера - планетарное явление космического характера. Мысль о жизни как о космическом явлении, пишет Вернадский, существовала уже давно. В конце XVII в. голландский ученый X. Гюйгенс в книге «Космотеорос», переведенной в России по инициативе Петра I, сделал следующее научное обобщение: «жизнь есть космическое явление, в чем-то 7 резко отличное от косной материи». Вернадский назвал это обобщение «принципом Гюйгенса». «Своеобразным, единственным в своем роде, отличным и неповторяемым в других небесных телах представляется нам лик Земли - ее изображение в космосе, вырисовывающееся извне, бесконечных небесных пространств», - так начинает Вернадский свою книгу «Биосфера». Она вышла в свет в 1926 г. Вся «Биосфера» Вернадского пронизана идеей взаимодействия не только земных, но и космических тел и явлений. И главную роль среди них играют живые организмы, «живое вещество» планеты. 1.2 Определение понятия биосферы как среды обитания живых организмов Биосфера (гр. bios - жизнь, sphaira - шар, сфера; «область жизни») – область планеты, в которой существует или когда-либо существовала жизнь, и которая постоянно подвергается или когда-либо подвергалась воздействию живых организмов. Биосфера, являясь глобальной экосистемой (экосферой), как и любая экосистема, состоит из абиотической и биотической части. Абиотическая часть представлена: 1) почвой и подстилающими ее породами до глубины, где в них еще есть живые организмы, вступающие в обмен с веществом этих пород и физической средой порового пространства; 2) атмосферным воздухом до высот, на которых возможны еще проявления жизни; 3) водной средой океанов, рек, озер и т. п. Биотическая часть состоит из живых организмов всех таксонов, осуществляющих важнейшую функцию биосферы, без которой не может существовать сама жизнь: биогенный ток атомов. Живые организмы осуществляют этот ток атомов благодаря своему дыханию, питанию и размножению, обеспечивая обмен веществом между всеми частями биосферы. В основе биогенной миграции атомов в биосфере лежат два биогеохимических принципа: - стремиться к максимальному проявлению, к «всюдности» жизни; - обеспечить выживание организмов, что увеличивает саму биогенную миграцию. Эти закономерности проявляются, прежде всего, в стремлении живых организмов «захватить» все мало-мальски приспособленные к их жизни пространства, создавая экосистему или ее часть. Но любая экосистема имеет границы, имеет свои границы в планетарном масштабе и биосфера. Вернадский четко обозначает верхний и нижний пределы распространения жизни: 8 Верхний - обусловливается лучистой энергией, приходящей из космоса, губительной для живых существ. Речь идет о жестком ультрафиолетовом излучении; оно задерживается озоновым экраном, нижняя граница которого проходит на высоте около 15-25 км. Это верхняя граница биосферы. Нижний предел жизни связан с повышением температуры в земных недрах. На глубине 3-15 км температура достигает 100 °С. Наибольшую мощность биосфера имеет в океане: от поверхности до максимальных глубин в нем обитают живые существа. Границы биосферы - от высот атмосферы, где царят холод и низкое давление, до глубин океана, где давление достигает 12 тыс. атм. Это стало возможным потому, что пределы толерантности температур у различных организмов - от абсолютного нуля до +180 °С, а некоторые бактерии могут существовать в вакууме. Для биосферы характерно не только присутствие живого вещества. Она обладает также следующими тремя особенностями: во-первых, в ней в значительном количестве содержится жидкая вода; во-вторых, на нее падает мощный поток солнечной энергии; в-третьих, в биосфере проходят поверхности раздела между веществами, находящимися в трех фазах - твердой, жидкой и газообразной. Все это служит предпосылкой для активного обмена веществом и энергией, в котором большую роль играют организмы. Вопрос 2 Живое вещество, его средообразующие свойства 2.1 Свойства живого вещества 2.2 Функции живого вещества 2.1 Свойства живого вещества При общем рассмотрении биосферы, как планетарной экосистемы, особое значение приобретает представление о ее живом веществе как о некой общей живой массе планеты. Этот термин введен в литературу В.И. Вернадским. Под ним он понимал совокупность всех живых организмов, выраженную как единое целое через массу, энергию и химический состав. Согласно В.И. Вернадскому, биосферу слагают три категории веществ: 1. живое вещество – совокупность всех живых организмов: микроорганизмы, растения и животные, их активная биомасса; 2. биогенное вещество – мертвая органика, все формы детрита, а также биогенные горные породы, включая часть ископаемого топлива; 3. биокосное вещество – смесь живого вещества и биогенных веществ с минеральными породами не биогенного происхождения (почва, ил, природные воды). Живое вещество - основа биосферы, хотя и составляет крайне незначительную ее часть. По подсчетам ученых, его масса составляет 2420 9 млрд. т, что более чем в две тысячи раз меньше массы самой легкой оболочки Земли - атмосферы. Если его выделить в чистом виде и распределить равномерно по поверхности Земли, то это будет слой около 2 см или крайне незначительная доля от объема всей биосферы, толща которой измеряется десятками километров. В чем же причина столь высокой химической активности и геологической роли живого вещества? Прежде всего, это связано с тем, что живые организмы, благодаря биологическим катализаторам (ферментам), совершают, по выражению академика Л.С. Берга, с физико-химической точки зрения что-то невероятное. Например, они способны фиксировать в своем теле молекулярный азот атмосферы при обычных для природной среды значениях температуры и давления. В промышленных условиях связывание атмосферного азота до аммиака требует температуры порядка 500°С и давления 300-500 атмосфер. В живых организмах на порядок или несколько порядков увели- чиваются скорости химических реакций в процессе обмена веществ. В.И. Вернадский в связи с этим живое вещество назвал чрезвычайно активизированной материей. К основным уникальным особенностям живого вещества, обусловливающим его крайне высокую средообразующую деятельность, можно отнести следующие: 1. Способность быстро занимать (осваивать) все свободное пространство. В.И. Вернадский назвал это всюдностью жизни. Способность быстрого освоения пространства связана как с интенсивным размножением (некоторые простейшие формы организмов могли бы освоить весь земной шар за несколько часов или дней, если бы не было факторов, сдерживающих их потенциальные возможности размножения), так и со способностью организмов интенсивно увеличивать поверхность своего тела или образуемых ими сообществ. Например, площадь листьев растений, произрастающих на 1 га, составляет 8-10 га и более. То же относится к корневым системам. 2. Движение не только пассивное (под действием силы тяжести, гравитационных сил и т.п.), но и активное. Например, против течения воды, силы тяжести, движения воздушных потоков и т.п. 3. Устойчивость при жизни и быстрое разложение после смерти (включение в круговороты), сохраняя при этом высокую физико-химическую активность. 4. Высокая приспособительная способность (адаптация) к различным условиям и в связи с этим освоение не только всех сред жизни (водной, наземно-воздушной, почвенной, организменной), но и крайне трудных по физико-химическим параметрам условий. Например, некоторые организмы выносят температуры, близкие к значениям абсолютного нуля - 273°С, микроорганизмы встречаются в термальных источниках с температурами до 140°С, в водах атомных реакторов, в бескислородной среде, в ледовых пан- цирях и т.п. 10 5. Феноменально высокая скорость протекания реакций. Она на несколько порядков (в сотни, тысячи раз) значительнее, чем в неживом веществе. Об этом свойстве можно судить по скорости переработки вещества организмами в процессе жизнедеятельности. Например, гусеницы некоторых насекомых потребляют за день количество пищи, которое в 100-200 раз больше веса их тела. Особенно активны организмы - грунтоеды. Дождевые черви (масса их тел примерно в 10 раз больше биомассы всего человечества) за 150-200 лет пропускают через свои организмы весь однометровый слой почвы. 6. Высокая скорость обновления живого вещества. Подсчитано, что в среднем для биосферы она составляет 8 лет, при этом для суши - 14 лет, а для океана, где преобладают организмы с коротким периодом жизни (например, планктон), - 33 дня. В результате высокой скорости обновления за всю историю существования жизни общая масса живого вещества, прошедшего через биосферу, примерно в 12 раз превышает массу Земли. Только небольшая часть его (доли процента) законсервирована в виде органических остатков (по выражению В.И. Вернадского, «ушла в геологию»), остальная же включилась в процессы круговорота. Все перечисленные и другие свойства живого вещества обусловливаются концентрацией в нем больших запасов энергии. Согласно В.И. Вернадскому, по энергетической насыщенности с живым веществом может соперничать только лава, образующаяся при извержении вулканов. Вернадский подчеркивает, что, используя солнечную энергию, живое вещество выполняет гигантскую химическую работу. Поскольку речь идет о преобразовании живыми организмами земных веществ, Вернадский назвал эти процессы биогеохимическими: «Жизнь захватывает значительную часть атомов, составляющих материю земной поверхности. Под ее влиянием эти атомы находятся в непрерывном, интенсивном движении. Из них все время создаются миллионы разнообразнейших соединений. И этот процесс длится без перерыва десятки миллионов лет...». 2.2 Функции живого вещества Всю деятельность живых организмов в биосфере можно, с определенной долей условности, свести к нескольким основополагающим функциям, которые позволяют значительно дополнить представление об их преобразующей биосферно-геологической роли. В.И. Вернадский выделял девять функций живого вещества: газовую, кислородную, окислительную, кальциевую, восстановительную, концентрационную и другие. В настоящее время название этих функций несколько изменено, некоторые из них объединены. Мы приводим их в соответствии с классификацией А.В. Лапо (1987). 1. Энергетическая - связана с запасанием энергии в процессе фотосинтеза, передачей ее по цепям питания, рассеиванием. Энергетическая функция живого вещества нашла отражение в двух биогеохимических 11 принципах, сформулированных В.И. Вернадским. В соответствии с первым из них геохимическая биогенная энергия стремится в биосфере к максимальному проявлению. Второй принцип гласит, что в процессе эволюции выживают те организмы, которые своей жизнью увеличивают геохимическую энергию. 2. Газовая - способность изменять и поддерживать определенный газовый состав среды обитания и атмосферы в целом. В частности, включение углерода в процессы фотосинтеза, а затем в цепи питания обусловливало аккумуляцию его в биогенном веществе (органические остатки, известняки и т.п.). В результате этого шло постепенное уменьшение содержания углерода и его соединений, прежде всего СО 2 в атмосфере с десятков процентов до современных 0,03%. Это же относится к накоплению в атмосфере кислорода, синтезу озона и другим процессам. 3.Окислительно-восстановительная. Связана с интенсификацией под влиянием живого вещества процессов как окисления, благодаря обогащению среды кислородом, так и восстановления прежде всего в тех случаях, когда идет разложение органических веществ при дефиците кислорода. Восстановительные процессы обычно сопровождаются образованием и накоплением сероводорода, а также метана. Это, в частности, делает практически безжизненными глубинные слои болот, а также значительные придонные толщи воды (например, в Черном море). Данный процесс в связи с деятельностью человека прогрессирует. 4. Концентрационная - способность организмов концентрировать в своем теле рассеянные химические элементы, повышая их содержание по сравнению с окружающей организмы средой на несколько порядков (по марганцу, например, в теле отдельных организмов - в миллионы раз). Результат концентрационной деятельности - залежи горючих ископаемых, известняки, рудные месторождения и т.п. Эту функцию живого вещества всесторонне изучает наука биоминералогия. Организмы-концентраторы используются для решения конкретных прикладных вопросов, например для обогащения руд интересующими человека химическими элементами или соединениями. 5. Деструктивная - разрушение организмами и продуктами их жизнедеятельности как самих остатков органического вещества, так и косных веществ. Основной механизм этой функции связан с круговоротом веществ. Наиболее существенную роль в этом отношении выполняют низшие формы жизни - грибы, бактерии (деструкторы, редуценты). 6. Транспортная - перенос вещества и энергии в результате активной формы движения организмов. Часто такой перенос осуществляется на колоссальные расстояния, например, при миграциях и кочевках животных. С транспортной функцией в значительной мере связана концентрационная роль сообществ организмов, например, в местах их скопления (птичьи базары и другие колониальные поселения). 7.Средообразующая. Эта функция является в значительной мере интегративной (результат совместного действия других функций). С ней, в 12 конечном счете, связано преобразование физико-химических параметров среды. Эту функцию можно рассматривать в широком и более узком планах. В широком понимании результатом данной функции является вся природная среда. Она создана живыми организмами, они же и поддерживают в относительно стабильном состоянии ее параметры практически во всех геосферах. 8. Наряду с концентрационной функцией живого вещества выделяется противоположная ей по результатам - рассеивающая. Она проявляется через трофическую (питательную) и транспортную деятельность организмов. Например, рассеивание вещества при выделении организмами экскрементов, гибели организмов, при разного рода перемещениях в пространстве, смене покровов. Железо гемоглобина крови рассеивается, например, кровососущими насекомыми и т. п. Важна также информационная функция живого вещества, выражающаяся в том, что живые организмы и их сообщества накапливают определенную информацию, закрепляют ее в наследственных структурах и затем передают последующим поколениям. В обобщающем виде роль живого вещества сформулирована гео- химиком А.И. Перельманом в виде закона биогенной миграции атомов (В. И. Вернадского): «Миграция химических элементов на земной поверхности и в биосфере в целом осуществляется или при непосредственном участии живого вещества, или же она протекает в среде, геохимические особенности которой обусловлены живым веществом...». В соответствии с этим законом понимание процессов, протекающих в биосфере, невозможно без учета биотических и биогенных факторов. Воздействуя на живое население Земли, люди тем самым изменяют условия миграции атомов, а следовательно, воздействуют на основополагающие геологические процессы. |