§ 26. Эволюция биосферы

Определения и обозначения

Биосфера — оболочка Земли, населённая живыми организмами и преобразуемая их жизнедеятельностью. Жизнь существует в нижней части атмосферы, во всей гидросфере и в верхней части литосферы. В биосферу входят не только сами организмы, но и среды их обитания, а также вещества, изменённые жизнью. Это понятие помогает рассматривать Землю как систему, где живые и неживые компоненты взаимосвязаны.

Живое вещество — совокупность всех организмов биосферы. Растения, животные, грибы и микроорганизмы поглощают, перемещают и возвращают в среду разные вещества. Благодаря этому они участвуют в круговоротах и меняют свойства воздуха, воды и почвы. Понятие показывает, что жизнь не только зависит от среды, но и сама активно её преобразует.

Биогенное вещество — вещество, образованное организмами или их остатками. К примерам относятся торф и уголь, возникшие из растительных остатков, а также известняк, связанный с накоплением скелетов организмов. В отличие от косного вещества, формирующегося без прямого участия жизни, биогенное имеет биологическое происхождение. Оно сохраняет следы работы организмов даже после их гибели.

Ноосфера — этап развития биосферы, при котором разумная деятельность человека становится значимым фактором её преобразования. Человек меняет ландшафты, перемещает вещества и влияет на условия существования других видов. Поэтому последствия хозяйственных решений затрагивают не только отдельные местности, но и природные процессы. Понятие ноосферы напоминает, что масштаб воздействия требует осознанной ответственности.

Как это устроено

Появление первых организмов стало началом биологического этапа развития биосферы: до него земная среда менялась преимущественно под действием физических и химических процессов. Даже простые клетки могли поглощать вещества из окружающей среды и выделять продукты обмена. Со временем такое взаимодействие изменяло состав вод и осадков. Значит, с возникновением жизни появился новый участник преобразования планеты — сами организмы.

Особое значение имело появление фотосинтеза — процесса, при котором организмы используют энергию света для образования органических веществ. Фотосинтезирующие организмы выделяли кислород, и он постепенно накапливался в атмосфере. Это изменяло химические условия среды и влияло на организмы, не приспособленные к кислороду. Одновременно запас органических веществ становился источником энергии и материала для других организмов.

Накопление кислорода сделало возможным широкое развитие аэробного дыхания: при нём клетки получают энергию с участием кислорода. Такой способ энергетического обмена позволяет извлекать из органических веществ больше энергии, чем многие бескислородные процессы. Это расширило возможности организмов и способствовало усложнению их жизнедеятельности. Таким образом, изменение атмосферы, вызванное жизнью, открыло новые возможности для дальнейшей эволюции.

Появление эукариот, клетки которых имеют оформленное ядро, а затем многоклеточных организмов усложнило строение и взаимодействие живых существ. В многоклеточном организме клетки могли специализироваться и выполнять разные функции. Это позволяло формировать более сложные структуры и осваивать новые способы питания и поведения. Разнообразие организмов увеличивалось, а связи между ними становились разветвлённее.

Выход организмов на сушу расширил пространство, пригодное для жизни, но потребовал новых приспособлений. На суше организмы столкнулись с риском высыхания, перепадами температуры и необходимостью удерживать тело без поддержки воды. Освоение наземной среды привело к появлению новых местообитаний и усложнению связей между организмами. Так жизнь распространилась за пределы водоёмов и охватила большую часть доступных областей планеты.

Основные этапы эволюции биосферы

Читайте таблицу сверху вниз: каждый этап создавал условия для последующих изменений, хотя эволюция не сводится к простой цепочке причин. Сравнивая строки, проследите, как событие влияло на среду и какие возможности оно открывало для жизни.

Разбор задач

Задача 1. Объясните, почему появление фотосинтезирующих организмов считают одним из важнейших событий в эволюции биосферы. Нужно показать не только само событие, но и его последствия для среды и других организмов.

1. Определите, что производят фотосинтезирующие организмы: используя свет, они образуют органические вещества и выделяют кислород.
2. Свяжите выделение кислорода с атмосферой: со временем его содержание стало возрастать, а условия среды изменились.
3. Укажите биологическое следствие: кислород позволил широко развиваться аэробному дыханию и поддержал новые возможности получения энергии.

Ответ: фотосинтез изменил состав атмосферы, способствовал накоплению кислорода и создал условия для распространения аэробной жизни. Поэтому его последствия повлияли не на одну группу организмов, а на развитие биосферы в целом.

Задача 2. В атмосфере древней Земли стало накапливаться больше кислорода. Назовите одно изменение условий среды и одно возможное биологическое последствие. Важно различить изменение среды и ответ живых организмов на него.

1. Назовите изменение среды: атмосфера стала содержать больше кислорода, то есть изменился её химический состав.
2. Выберите следствие для жизни: организмам, способным использовать кислород, стало доступно аэробное дыхание.
3. Проверьте, что ответ не смешивает уровни: накопление кислорода — условие среды, а возможность получать энергию с его участием — биологическое последствие.

Ответ: условие среды — повышение содержания кислорода в атмосфере; возможное биологическое последствие — развитие аэробного дыхания у организмов. Не следует называть само появление конкретной группы неизбежным прямым результатом изменения атмосферы.

Задача 3. Сравните расширение лесных вырубок и восстановление лесов. Объясните влияние каждого сценария на биосферу и почему человеческое воздействие связывают с новым этапом её эволюции. Сначала оцените изменения местообитаний и круговоротов, а затем сформулируйте общий вывод.

1. При расширении вырубок сокращаются лесные местообитания, меняются условия для видов и уменьшается участие леса в поглощении и возвращении веществ в круговорот.
2. Восстановление лесов возвращает часть местообитаний и поддерживает природные процессы, хотя результат зависит от места, масштаба и состояния леса.
3. Сопоставьте последствия: в обоих случаях деятельность людей целенаправленно меняет биосферу, но направление и масштаб изменений различаются.

Ответ: вырубки могут ухудшать условия для лесных организмов и нарушать круговороты, а восстановление лесов способно ослаблять часть этих последствий. Масштаб человеческого влияния делает его новым фактором эволюции биосферы; разумное управление этим влиянием связывают со становлением ноосферы.

Типичные ошибки

Ошибка: считать, что биосфера состоит только из организмов. Так думают, потому что слово связано с жизнью, но понятие охватывает и области Земли, где она существует, и преобразованные ею вещества. Проверьте себя: можете ли вы назвать части атмосферы, гидросферы и литосферы, в которых встречается жизнь? Если да, представление о биосфере не ограничивается перечнем видов.

Ошибка: отождествлять биогенное вещество с живыми организмами. Путаница возникает из-за слова «биогенное», однако оно указывает на происхождение вещества, а не на то, что оно живое. Остатки организмов и продукты их жизнедеятельности тоже могут быть биогенными. Проверка проста: спросите, образовано ли вещество организмами или из их остатков.

Ошибка: считать накопление кислорода процессом, не связанным с жизнью. Можно помнить о химических свойствах атмосферы, но забыть, что кислород выделяли фотосинтезирующие организмы. Чтобы проверить объяснение, проследите причинную связь: фотосинтез — выделение кислорода — изменение состава атмосферы. Если живые организмы выпали из этой цепочки, объяснение неполное.

Ошибка: считать, что ноосфера уже полностью сформировалась просто потому, что люди существуют. Понятие относится к значимому преобразующему влиянию разума, а не только к появлению человека. Проверьте себя: учитывает ли формулировка ответственность за последствия и необходимость разумно управлять воздействием? Если нет, речь идёт лишь о человеческой деятельности, а не о полном смысле ноосферы.

Связь с другими темами

Для понимания темы нужны знания об уровнях организации жизни, различиях прокариот и эукариот, фотосинтезе и круговороте веществ. Они помогают объяснить, как изменения на уровне клетки и организма приводят к преобразованиям среды. Учение В. И. Вернадского о биосфере связывает эти процессы в единую картину взаимодействия жизни и планеты. Эти представления пригодятся при изучении глобальных экологических проблем, последствий хозяйственной деятельности и устойчивого развития.

Что запомнить

• Эволюция биосферы связана с развитием жизни и изменением среды под её воздействием.
• Живое вещество участвует в круговоротах и преобразует вещества Земли.
• Фотосинтез способствовал накоплению кислорода в атмосфере.
• Кислородная атмосфера открыла новые возможности для развития жизни.
• Освоение суши расширило области распространения организмов.
• Деятельность человека стала мощным фактором изменения биосферы.
• Ноосфера обозначает этап, на котором разумная деятельность человека определяет преобразование биосферы.