§ 19. Биологическая эволюция в развитии биосферы

Определения и обозначения

Биологическая эволюция — направленный исторический процесс изменения живых систем, приводящий к появлению новых форм жизни и их разнообразию. Такие изменения происходят в популяциях на протяжении поколений, а не с отдельным организмом в течение его жизни. Понятие помогает объяснить, как наследственные особенности и отбор меняют живой мир.

Биосфера — оболочка Земли, заселённая живыми организмами и преобразуемая их жизнедеятельностью. К ней относят части атмосферы, гидросферы и верхней части земной коры, где существует жизнь. Это понятие нужно, чтобы рассматривать организмы не изолированно, а как участников единой планетарной системы.

Коэволюция — взаимосвязанное эволюционное изменение взаимодействующих организмов и их сообществ. Например, признаки растения и его опылителя могут меняться под влиянием их взаимодействия. Термин показывает, что эволюционные изменения одного участника способны создавать условия отбора для другого.

Биогеохимическая функция живого вещества — преобразование и перемещение химических элементов организмами в биосфере. Организмы поглощают элементы из среды, включают их в состав тела, а затем возвращают в почву, воду или воздух. Это понятие объясняет, почему жизнь участвует в круговоротах веществ и влияет на химические условия планеты.

Как это устроено

В популяциях возникают наследственные различия: часть из них появляется из-за мутаций и новых сочетаний генов. Если признак помогает выжить и оставить потомство в конкретной среде, его носители могут передавать его чаще. Так естественный отбор меняет распространённость признаков от поколения к поколению. Накопление таких изменений в течение длительного времени ведёт к историческому преобразованию популяций и появлению новых форм.

Первые фотосинтезирующие организмы использовали энергию света для образования органических веществ из неорганических. В ходе фотосинтеза некоторые из них выделяли кислород, который сначала связывался с веществами окружающей среды, а затем стал накапливаться в атмосфере. Изменение её состава создало новые условия: кислород стало возможно использовать для эффективного получения энергии при дыхании. В результате получили преимущества и распространились организмы, способные жить в такой среде.

Освоение новой среды возможно, когда у организмов появляются подходящие наследственные особенности. Для жизни на суше важны, например, защита от высыхания и способы опоры или передвижения; разные группы решали эти задачи по-разному. Сами переселенцы меняли условия: растения создавали органическое вещество и укрытия, а животные участвовали в пищевых связях и переносе веществ. Так заселение новых мест сопровождалось возникновением и перестройкой экосистем.

Среда влияет на то, какие признаки оказываются полезными, но она не остаётся неизменной. Организмы поглощают вещества, выделяют продукты обмена, разрушают породы, образуют почву и влияют на газовый состав атмосферы. Эти воздействия меняют условия отбора для них самих и для других видов. Поэтому живое вещество — не только потребитель ресурсов, но и фактор преобразования планеты.

Развитие биосферы складывается из множества таких взаимных влияний. Изменения климата или состава среды могут направлять эволюционные изменения, а новые формы жизни способны изменить круговороты веществ и условия обитания. Связанные изменения взаимодействующих видов называют коэволюцией, а обмен веществами между организмами и средой проявляет биогеохимическую функцию живого вещества. Вместе эти процессы связывают историю жизни с историей всей биосферы.

Этапы развития жизни и преобразование биосферы

Читайте таблицу слева направо: от события переходите к изменениям организмов, затем к последствиям для биосферы. Последний столбец помогает увидеть не просто последовательность фактов, а причинную связь между жизнью и преобразованием среды. Этапы показывают общую логику развития, а не мгновенные изменения всей планеты.

Разбор задач

Задача 1. Объясните, почему появление фотосинтезирующих организмов стало важным событием не только для жизни, но и для развития биосферы. Чтобы ответить, нужно связать деятельность организмов с изменением среды и показать, какие последствия имело это изменение.

1. Фотосинтез позволил организмам использовать свет для образования органических веществ из углекислого газа и воды.
2. При некоторых формах фотосинтеза выделялся кислород. Со временем он стал накапливаться в атмосфере и менять её состав.
3. Наличие кислорода создало условия для распространения организмов, использующих кислородное дыхание, и изменило дальнейшие пути развития жизни.

Ответ. Фотосинтез обеспечил образование органического вещества и изменил состав атмосферы благодаря выделению кислорода. Это преобразование создало новые условия для существования и распространения организмов.

Задача 2. Сопоставьте освоение суши растениями и животными с изменениями наземных экосистем. Не ограничивайтесь перечислением приспособлений: проследите, что изменилось в среде после заселения суши. В ответе важно показать взаимное влияние организмов и экосистем.

1. Растениям были необходимы особенности, позволяющие получать воду и минеральные вещества, удерживаться на суше и защищаться от высыхания.
2. Животным требовались способы передвижения и дыхания в наземной среде, а также защита от потери воды. Освоив сушу, они включились в новые пищевые связи.
3. Растения создавали органическое вещество и укрытия, а животные влияли на численность организмов и перенос веществ. Совместная деятельность формировала почвы и усложняла связи в экосистемах.

Ответ. Особенности растений и животных помогли им освоить сушу, а затем их жизнедеятельность изменила наземные условия. Так возникали экосистемы с новыми пищевыми и средовыми связями.

Задача 3. В экосистеме исчез вид, участвовавший в круговороте важного химического элемента. Объясните возможные последствия для сообщества и биосферы. Недостаточно сказать, что одного вида стало меньше: нужно учесть его связи и функцию в обмене веществ.

1. Сначала определите, какую роль выполнял исчезнувший вид: например, разлагал органические остатки, поглощал элемент или переносил его между средами.
2. Если преобразование элемента замедлится или изменит направление, его доступность для других организмов может уменьшиться. Это способно повлиять на пищевые связи и численность связанных с видом популяций.
3. При достаточно широком распространении такой функции нарушение может отразиться на круговороте вещества в более крупных экосистемах. Масштаб последствий зависит от того, есть ли виды, способные частично выполнять ту же роль.

Ответ. Исчезновение вида может нарушить обмен химического элемента, изменить доступность ресурсов и повлиять на связанные виды. Последствия распространяются по сообществу и могут затронуть биосферные процессы, но зависят от роли вида и наличия заменяющих его организмов.

Типичные ошибки

• Ошибка: считать, что эволюция означает только усложнение организмов. Так думают, потому что историю жизни часто представляют как движение от простого к сложному, но отбор сохраняет подходящие условиям признаки, а не «высшую ступень». Проверьте себя: спросите, стало ли организмам обязательно сложнее, или они просто приспособились иначе.
• Ошибка: представлять биосферу неизменной средой для жизни. Такое впечатление возникает, если учитывать только влияние климата и среды на организмы. Проверьте рассуждение обратным вопросом: каким образом деятельность этих организмов меняет атмосферу, почву или круговороты веществ?
• Ошибка: смешивать эволюцию организма в течение жизни с историческими изменениями популяций и видов. Отдельный организм растёт и меняется, но его приобретённые за жизнь особенности не означают эволюционного изменения всей популяции. Проверьте себя: происходит ли описанное изменение между поколениями и передаётся ли наследственная особенность?
• Ошибка: объяснять изменения биосферы только деятельностью организмов, забывая о неживой природе. Эту ошибку допускают, когда сводят все причины к биологическим процессам и не рассматривают температуру, воду или состав среды. Проверьте объяснение: учтены ли и влияние условий на жизнь, и ответное преобразование среды организмами?

Связь с другими темами

Для понимания эволюции нужны знания о наследственности, изменчивости и естественном отборе: они объясняют, как меняются популяции. Представления об уровнях организации помогают связать организм, сообщество и биосферу в единую картину. Тема продолжает изучение круговоротов веществ, устойчивости экосистем и роли организмов в их работе. Она также пригодится при обсуждении экологических проблем и влияния человека на природу.

Что запомнить

• Биологическая эволюция изменяет разнообразие и состав живого мира.
• Развитие жизни и развитие биосферы взаимосвязаны.
• Организмы зависят от условий среды и одновременно преобразуют её.
• Фотосинтез изменил условия существования жизни на Земле.
• Жизнедеятельность организмов участвует в круговороте химических элементов.
• Эволюционные изменения не имеют заранее заданной цели.