Биология. Учебное пособие для 10 класса учреждений общего среднего образования с русским языком обучения (с электронным приложением для повышенного уровня)
 Скачать 6.77 Mb.
|
|
§ 54. Понятие об эволюции и стабильности биосферы Вспомните, какова роль живого вещества планеты. Как вы думаете? Насколько важно сохранение видового разнообразия живых организмов на Земле? Вы узнаете об эволюции биосферы и роли человека в этом процессе. Современная биосфера возникла не сразу, а в результате длительной эволюции в процессе постоянного взаимодействия абиотических и био- тических факторов. Эволюция биосферы — это естественный процесс развития живой природы, сопровождающийся изменением генетического состава популяций, формированием адаптаций, видообразованием и вы- миранием видов, преобразованием экосистем и биосферы в целом. В. И. Вернадский выделял три этапа в эволюции биосферы. Первый этап — возникновение жизни и первичной биосферы. На этом этапе главенствующее положение занимали химические реакции, естественные геологические и климатические изменения. Второй этап — это появление новых разнообразных одно- и много- клеточных организмов. На этом этапе главную роль играла биологическая эволюция . Третий этап — появление человека и общества, которое начинает в своих интересах воздействовать на биосферу, превращая ее в ноосферу, или новое эволюционное состояние. Эволюция биосферы представляет историю жизни на Земле. Земля как геологическое тело образовалась приблизительно 4,54 млрд лет назад, когда на ее расплавленной поверхности появилась твердая, хотя очень тонкая и горячая земная кора. Расплавленный наружный слой Земли со временем охлаждался. Вул- каническая активность и выделение газов привели к возникновению пер- вичной атмосферы, а конденсация водяного пара при охлаждении — к возникновению океанов. В этой водной среде появились первые формы жизни. По мнению ученых, они были представлены гетеротрофными анаэробными бактериями (рис. 91). Эти организмы накапливали энер- гию в основном в результате процессов гликолиза и брожения. Однако созидательная и преобразующая роль живого вещества стала осущест- вляться лишь с появлением в биосфере фотосинтезирующих автотро- фов — цианобактерий. Деятельность этих организмов привела к нако- плению в атмосфере свободного кислорода, количество которого увели- чивалось, а содержание углекислого газа уменьшалось. Это дало толчок Правообладатель Народная асвета 245 интенсивному развитию аэробных ор- ганизмов. Предполагается, что около 1,5 млрд лет назад содержание кисло- рода в атмосфере достигло примерно 1 %. Это обеспечило организмы необ- ходимой для жизнедеятельности энер- гией и привело к образованию много- клеточных организмов, их дальнейше- му развитию и усложнению. Дальнейшее насыщение атмосферы кислородом способствовало тому, что в верхних слоях атмосферы на высоте 22—25 км под воздействием электро- химических процессов образовался озо- новый экран, который защищал живые организмы на Земле от губительного воздействия ультрафиолетовых солнеч- ных и космических лучей. Это имело решающее значение для формирования современной биосферы и рассматрива- ется как один из важнейших этапов эволюции. В создавшихся условиях происходило дальнейшее увеличение численности живых организмов. Озо- новый экран дал возможность живым организмам выйти из воды на сушу и распространиться по ней. Организмы, завоевав различные среды обитания, стали интенсивно развиваться. Около 475 млн лет назад появились первые наземные зеленые растения. Это способствовало дальней- шему обогащению атмосферы кисло- родом и более интенсивному процессу образования органического вещества. Параллельно развивались и гетеро- трофы (членистоногие, рыбы, амфи- бии), которые для дыхания потребляли кислород и выделяли в атмосферу угле- кислый газ. Они также поддерживали Рис. 91. Зарождение жизни на Земле § 54. Понятие об эволюции и стабильности биосферы Облик Земли 4,54 млрд лет назад Гетеротрофные анаэробные бактерии Первые наземные животные (ихтиостеги) Первые наземные растения (риниофиты) Правообладатель Народная асвета 246 Глава 6. Биосфера — живая оболочка Земли энергетический баланс в природе, регулируя численность растений и дру- гих организмов. Примерно 350—400 млн лет назад установилось равновесие между образованием и расходованием кислорода, содержание его в атмосфере достигло 21 % (по объему), и это равновесие сохраняется и сейчас. В результате уравновешивания деятельности автотрофов и гетеротро- фов, участвующих в круговороте веществ в биосфере, сформировалось состояние г о м е о с т а з и с а (постоянства, устойчивости). В целом эволюция живой природы сопровождалась постоянным разви- тием биосферы, увеличением многообразия живых организмов и услож- нением экосистем. Около 200 млн лет назад появились первые млекопитающие. Они освоили не только сушу, но также пресные и морские водоемы, почву, воз- душное пространство. Млекопитающие обеспечили необычайно широкое по сравнению с другими позвоночными использование пищевых ресурсов. Их спектр питания был разнообразнее рационов других наземных и вод- ных позвоночных. Это увеличило значение млекопитающих в биосфере. Род Человек появился 2,5 млн лет назад. По мнению ученых, при- мерно 50 тыс. лет назад человек приобрел современный вид и начал свою трудовую деятельность. Изготовление и применение орудий труда дали человеку возможность активно воздействовать на природу. Это привело к образованию очень мощного в истории биосферы фактора — антро- погенного, который по степени воздействия можно сравнить с крупным геологическим процессом. Этот фактор может стать причиной нарушения гомеостатического состояния биосферы. Сознательная деятельность человека в пределах биосферы способство- вала превращению ее в ноосферу. Понятие «ноосфера» (от греч. noos — разум, sphaira — шар) было впервые введено в науку в 1927 г. француз- ским геологом Э. Л е р у а. В. И. Вернадский истолковывал ноосферу как высшую стадию развития биосферы, при которой разумная деятельность человечества становится главной движущей силой ее развития. Человечество создает на Земле свою, интенсивно развивающуюся культурную среду, передавая от поколения к поколению трудовой и ду- ховный опыт. Масштабы взаимодействия современного общества с при- родойопределяются в основном потребностями человека. Они связаны с непрерывно нарастающим уровнем технического и социального развития. В результате производственной деятельности человека возник новый процесс обмена веществ и энергии между природой и обществом. Этот обмен носит уже техногенный характер и называется антропогенным об- Правообладатель Народная асвета 247 меном веществ и энергии. Он существенно изменяет общепланетарный круговорот веществ, резко ускоряя его, и отличается от биологического круговорота своей незамкнутостью, то есть носит открытый характер. На входе антропогенного обмена находятся природные ресурсы, а на вы- ходе — производственные и бытовые отходы. Отходы производства ухуд- шают природную среду, многие из них не разлагаются до природного состояния. В период научно-технического прогресса масштабы и скорость антропогенного обмена резко возрастают, вызывая заметные изменения в биосфере. Техническая мощь человека достигла масштабов, соизмеримых с биосферными. Поэтому человек должен правильно понимать законо- мерности эволюции биосферы и, исходя из этого, разумно регулировать ее экологическое развитие. Мы должны научиться осознанно управлять эволюцией биосферы и поддерживать ее стабильность. Стабильность биосферы — это ее способность сохранять равновесное состояние, прежде всего, в результате непрерывного поступления сол- нечной энергии, используемой фотоавтотрофными организмами и преоб- разуемой ими в первичное органическое вещество. Также стабильность биосферы основывается на высоком разнообразии живых организмов, их постоянном размножении и адаптации к жизни в разных условиях среды. Не менее важно для стабильности биосферы поддержание непрерывного биогенного круговорота веществ за счет различных типов и способов пи- тания живых организмов. Это интересно. Результатом миллиардов лет эволюции является совре- менная биосфера Земли, дифференцированная на множество экосистем и включающая более 2,5 млн ныне живущих видов живых организмов. За всю историю Земли, по приблизительным подсчетам, существовало примерно 500 млн видов. Однако стабильность биосферы имеет определенные пределы, и нару- шение ее регуляторных возможностей чревато серьезными последствия- ми. Некоторые процессы, вызванные техногенной деятельностью челове- ка, направлены противоположно их естественному ходу в биосфере. В настоящее время перед человечеством стоит ряд глобальных проблем по сохранению стабильности биосферы. Это, в частности, предотвраще- ние вырубки лесов, уменьшение химического загрязнения среды, объема бытовых отходов, сокращение выбросов парниковых газов, сохранение биологического разнообразия. Мировым сообществом предпринимаются попытки решения этих проблем в рамках международных конвенций § 54. Понятие об эволюции и стабильности биосферы Правообладатель Народная асвета 248 Глава 6. Биосфера — живая оболочка Земли и соглашений (Конвенция о трансграничном загрязнении атмосферного воздуха на большие расстояния, Рамочная конвенция ООН об изменении климата и Киотский протокол, Конвенция о биологическом разнообра- зии), что будет способствовать поддержанию стабильности биосферы. Повторим главное. Современная биосфера возникла в результате длительной эволюции. Выделяют три этапа в эволюции биосферы: возникновение жизни и первичной биосферы (химические реакции, естественные геологические и климатические изменения); появление биологического разнообразия — новых видов растений и животных (освоение новых сред жизни); появление человека и общества (воз- действие на биосферу антропогенного фактора, превращение ее в ноо- сферу). Главная задача человечества — научиться осознанно управ- лять эволюцией биосферы и поддерживать ее стабильность. Ключевые вопросы. 1. Какие этапы выделяют в эволюции биосферы? 2. Какие первые живые организмы появились на Земле? 3. Что послужило причиной освоения организ- мами суши? 4. Какие существенные изменения произошли в эволюции биосферы с по- явлением человека? Сложные вопросы. 1. Что способствует поддержанию стабильности биосферы? 2. Ка- кова роль человека в поддержании стабильности биосферы? Приведите конкретные примеры. Биосфера — это оболочка Земли, состав, структура и энергетика ко- торой определяются деятельностью живых организмов. Учение о биосфе- ре было создано русским ученым В. И. Вернадским. Границы биосферы определяются наличием необходимого для жизнедеятельности количества воды, минеральных веществ, кислорода, углекислого газа, благоприят- ного температурного режима. Все это оптимально сочетается в местах контакта трех оболочек Земли — атмосферы, литосферы и гидросферы. Верхней границей биосферы принято считать озоновый слой на высо- те 22—25 км. Нижняя граница биосферы в литосфере расположена на глубине 3—4 км, в гидросфере — 11 км. Лимитирующим фактором рас- пространения жизни в атмосфере является ультрафиолетовое излучение, в литосфере — высокая температура, гидросфера заселена практически полностью и ограничена дном Мирового океана. Проверим знания ПОДВЕДЕМ ИТОГИ Правообладатель Народная асвета 249 Основными компонентами биосферы являются: живое, косное, био- косное и биогенное вещества. Живое вещество выполняет ряд функ- ций (энергетическую, газовую, концентрационную, окислительно- восстановительную) и активно участвует в круговороте веществ. Круговорот веществ — цикличный, многократно повторяющийся про- цесс взаимосвязанного превращения и перемещения веществ в биосфере. На нашей планете протекают два круговорота веществ: большой — гео- логический и малый — биологический. Геологический круговорот — это процесс миграции твердых веществ и воды в результате воздействия абио- тических факторов.Биологический круговорот — процесс циркуляции веществ между растениями, животными, грибами, микроорганизмами и почвой. Сущность биологического круговорота заключается в образо- вании живого вещества из неорганических соединений в процессе фото- синтеза и превращении органического вещества в неорганические соеди- нения при разложении. Геологический и биологический круговороты в совокупности формируют общий биогеохимический круговорот веществ, основу которого составляют циклы воды, углерода и кислорода. Биосфера эволюционирует. Но, несмотря на это, характеризуется ста- бильностью, то есть способностью сохранять равновесное состояние за счет непрерывного поступления солнечной энергии, ее преобразования и осуществления круговоротов веществ. На современном этапе эволюции биосферы главным фактором, влияющим на ее состояние, является дея- тельность человека. Подведем итоги Правообладатель Народная асвета Вы узнаете: об экологических проблемах леса, сельского хозяйства и города; о специализированных охраняемых территориях; о роли человека в биосфере. Вы научитесь: использовать приобретенные знания для обоснования мер по рациональному ис- пользованию природных ресурсов, охране биологического разнообразия живых организмов и биосферы в целом; применять приобретенные знания о биосфере для участия в природоохранных мероприятиях. В данной главе вы узнаете об экологических проблемах леса, сельского хозяйства, города и о путях их решения. Одной из серьезных экологиче- ских проблем биосферы в целом является сокращение видов животных и растений. Изучая основные причины сокращения биологического раз- нообразия, вы узнаете о мерах, которые предпринимаются в Беларуси для сохранения видов. Также в этой главе вы более детально познакомитесь с Красной книгой Республики Беларусь и охраняемыми природными тер- риториями — заповедниками, национальными парками, заказниками, резерватами. § 55 . Экологические проблемы леса, сельского хозяйства и города Вспомните, какие факторы относятся к антропогенным. Как вы думаете? Существует ли связь между экологическим состоянием природы, здоровьем человека и степенью влияния антропогенных факторов на природу? Вы узнаете, какие экологические проблемы, связанные с деятельностью человека, характерны для леса, сельского хозяйства и города. Глава Человек и биосфера 7 Правообладатель Народная асвета 251 § 55. Экологические проблемы леса, сельского хозяйства и города Экологические проблемы современного мира представляют серьезную опасность для планеты Земля. Около 10—15 % поверхности суши распа- хано, 25 % представляют собой пастбища. Если к этому добавить 3—5 % поверхности, занятой транспортной сетью, промышленностью, зданиями и сооружениями, 1—2 % территории Земли, поврежденной разработками полезных ископаемых, то окажется, что почти половина поверхности суши видоизменена человеком. Нерациональная деятельность человека наносит серьезный ущерб при- родным экосистемам. Она привела к истощению почв и ресурсов прес- ных вод, сокращению площади лесов, исчезновению видов животных и растений, глобальному загрязнению окружающей среды, парниковому эффекту и изменению климата. Усугубление этих глобальных проблем сигнализирует о серьезном экологическом кризисе. Экологические проблемы леса. Лесные экосистемы обогащают атмос- феру кислородом, поэтому их по праву называют «зелеными легкими» планеты. Леса выполняют важнейшие функции в биологическом и геоло- гическом круговоротах веществ, благотворно влияют на климат, повышая влажность воздуха, защищают почвы от эрозии. Значение леса в жизни человека имеет экологическую, социальную и экономическую составляющие. Экологическая роль заключается в обеспе- чении всего живого кислородом и образовании большей части первичной продукции, а также в формировании среды обитания для животных, гри- бов и микроорганизмов. Экономическая роль леса — использование лес- ных ресурсов в хозяйственной деятельности. Из древесины изготавливают строительные материалы, бумагу, мебель, топливо. Хвоя и кора деревьев служат материалом для многих отраслей химической промышленности. Лес обеспечивает человека пищевыми и лекарственными продуктами. Со- циальная роль леса заключается в том, что он является местом отдыха и оздоровления людей, источником вдохновения для поэтов и художников. Лесные зоны — самые обширные на Земле. 1500 лет назад леса зани- мали 7 млрд га площади суши на планете, сегодня — не более 4 млрд га, что составляет примерно 30 % поверхности суши. Леса Беларуси в на- стоящее время занимают 8,7 млн га (42,3 % общей площади государства). Около 5,2 % лесного фонда принадлежит заповедникам и национальным паркам. В условиях Беларуси 1 га леса в среднем в год выделяет около 35 млн т кислорода. Исчезновение лесов является мировой экологической проблемой. За последние 25 лет отмечается резкое сокращение площади лесных угодий. Одна из причин — изменение погодных условий в связи с потеплением Правообладатель Народная асвета 252 Глава 7. Человек и биосфера климата. В Беларуси среднегодовая температура за последние два десятиле- тия повысилась примерно на 3 C. По- этому осадки выпадают в основном не в виде снега, а в виде дождя. В результате этого чаще стали наблюдаться засухи, деревья начали испытывать недостаток воды уже весной. В итоге — массовые усыхания, ветровалы и поражения дре- весины короедами. Ежегодно по всей стране теряется до 20 тыс. га еловых лесов. Также установлено, что смена хвойных лесов на лиственные наблю- дается в связи с изменением климата. Оставляют свой негативный след и пожары, которые связаны с засухами в летний период (рис. 92). Для Белару- си характерно повторение экстремаль- ных пожароопасных сезонов 2—3 раза за десятилетие. Ежегодно возникает в среднем 850 лесных пожаров, охваты- вающих площадь до 22 тыс. га. Отмечается рост нагрузок на лес- ные экосистемы со стороны человека. Основными факторами воздействия яв- ляются: вырубка, браконьерство, по- жары, использование лесных земель под сельскохозяйственные угодья, про- мышленное и гражданское строитель- ство, загрязнение лесных массивов про- мышленными (включая радионуклиды) и бытовыми отходами. В лесах Беларуси последние 50 лет ежегодно вырубается 28—30 тыс. га спелых древостоев (рис. 93). На вырубаемых площадях ежегодно выса- живается до 20—25 тыс. га древесных культур (рис. 94), а остальные площади подвергаются естественному зарастанию, как правило, со сме- ной главной лесообразующей породы. В результате происходят интенсив- ные процессы смены естественных лесных сообществ искусственными. Это ведет к нарушению экологической устойчивости лесных экосистем Рис. 94. Посадка леса Рис. 93. Вырубка леса Рис. 92. Лесные пожары Правообладатель Народная асвета 253 § 55. Экологические проблемы леса, сельского хозяйства и города и снижению биоразнообразия. В насто- ящее время естественные сообщества лесов составляют около 52 %, а искус- ственные — 48 %. Свыше 1,7 млн га лесов Беларуси (25 % лесного фонда) загрязнено ра- дионуклидами в результате аварии на Чернобыльской АЭС. Еще одна серьезная проблема лесов — загрязнение бытовыми отходами. Боль- шой урон лесу наносит мусор, который вывозят в лесные массивы жители го- родов, создавая тем самым свалки (рис. 95). За указанные нарушения законодательством Республики Беларусь предусмотрена ответственность. Экологические проблемы сельского хозяйства. Задачасельского хо- зяйства — обеспечить население продовольствием, сырьем для ряда отрас- лей промышленности, наладить экспорт. На сегодняшний день в сельско- хозяйственном природопользовании происходит нарастание экологиче- ских проблем, таких как химическое загрязнение почв и опустынивание. Основные пути загрязнения почв — применение минеральных удобре- ний и пестицидов. Небольшие дозы удобрений, используемых с учетом особенностей почв и климатических условий, способствуют повышению урожайности сельскохозяйственных культур. Но часто правила внесения удобрений нарушаются. Систематическое внесение удобрений в высоких дозах, потери во время транспортировки приводят к загрязнению среды и оказывают влияние на здоровье человека. Пестициды — собирательное название химических средств, использу- емых в сельском хозяйстве для борьбы с сорняками, вредителями и болез- нями сельскохозяйственных растений. При достижении определенной концен- трации в сельскохозяйственных куль- турах пестициды становятся опасными. Они могут накапливаться в тканях растений, животных и человека. Опас- ность отравления пестицидами через продукты питания и питьевую воду су- ществует для всего населения Земли. В настоящее время для Белару- си актуальна проблема опустынива- ния земель (рис. 96). Это происходит Рис. 95. Свалки мусора в лесу Рис. 96. Опустынивание земель |