Экология. Часть I

верхности Земли. Предполагается, что накопление кислорода шло скачкообразно и заняло не более 20 тыс. лет. Когда содержание кислорода в атмосфере достигло 10% от современного, начала формироваться озоносфера.

Примерно в середине палеозоя, около 400 млн. лет назад, продукция кислорода сравнялась с его потреблением, содержание кислорода в атмосфере достигло современного уровня, т.е. 20%. Эволюцию форм жизни обеспечило то, что в течение большей части геологического времени часть продуцируемого органического вещества не разлагалась, и преобладание органического синтеза вело к увеличению концентрации кислорода в атмосфере. В конце палеозоя произошло снижение содержания кислорода и повышение содержания углекислого газа, сопровождающееся изменениями климата и, по-видимому, послужившее толчком к обширному žавтотрофному цветению¡, создавшему запасы ископаемого топлива, на которых основана современная промышленная цивилизация. Веками накапливавшиеся остатки растений образовали в земной коре грандиозные энергетические запасы органических соединений (уголь, торф). Затем последовало постепенное возвращение к атмосфере с высоким уровнем кислорода и низким уровнем углекислого газа, после чего отношение кислорода к углекислому газу остается в состоянии, которое можно назвать осциллирующим стационарным состоянием. Антропогенное загрязнение атмосферы пылью и углекислым газом может сделать это ненадежное равновесие еще более žнестационарным¡.

В соответствии с данными палеонтологии, в протерозойскую геологическую эру появились бактерии, водоросли, примитивные беспозвоночные; в палеозойскую – наземные растения, амфибии; в мезозойскую – млекопитающие, птицы, хвойные растения; в кайнозойскую – современные группы.

Фотосинтезирующий žзеленый пояс¡ Земли и карбонатная система моря поддерживают постоянный уровень содержания углекислого газа в атмосфере. Но мы вырубаем леса, сжигаем полезные ископаемые. В Африке 99% населения используют древесину в качестве топлива. При сжигании полезных ископаемых žсвязанный¡ углерод превращается в углекислый газ. Стремительно возрастающее потребление горючих ископаемых вместе с

121

уменьшением поглотительной способности žзеленого пояса¡ вследствие сведения лесов начинают превосходить возможности природного контроля, так что содержание углекислого газа в атмосфере сейчас постепенно возрастает.

Если концентрация углекислого газа вдвое превысит доиндустриальный уровень, что может случиться к середине 21 века, вероятно потепление климата Земли, температура в среднем повысится на 1,5-4,5 С.

Считают, что в 21 веке установится новое, но ненадежное равновесие между увеличением содержания углекислого газа (способствующим разогреву Земли) и усилением загрязнения атмосферы пылью и другими частицами, отражающими излучение и этим охлаждающими Землю. Любое значительное результирующее изменение теплового бюджета Земли повлияет на климат.

Историю Земли принято делить на промежутки времени – эры и периоды, границами которых являются крупные геологические события, связанные с историей развития планеты как космического тела.

По причинам, пока еще не полностью понятным, части земной коры-платформы перемещаются по поверхности мантии Земли, вызывая горообразование, изменения очертаний материков, уровня океана. Обычно такие изменения совпадают с движением и разломами земной коры, усилением вулканической деятельности. При этом в атмосферу выбрасывается огромное количество газов и пепла, что влечет за собой понижение прозрачности атмосферы, уменьшение количества солнечной радиации, падающей на Землю, и является одной из причин оледенений. Обширные ледниковые щиты, покрывающие поверхность Земли, значительно изменяли растительный и животный мир. Одни группы организмов вымирали, другие сохранялись и в межледниковые эпохи достигали расцвета.

Архей – древнейшая геологическая эра Земли (3,5-2,6 млрд. лет назад). Ко времени архея относится возникновение первых прокариот (бактерий и сине-зеленых) – организмов, которые в отличие от эукариот не обладают оформленным клеточным ядром и типичным хромосомным аппаратом (наследственная информация

122

реализуется и передается через ДНК). В отложениях архея найдены также остатки нитчатых водорослей. В этот период появляются гетеротрофные организмы не только в море, но и на суше. Образуется почва. В атмосфере снижается содержание метана, аммиака, водорода, начинается накопление углекислого газа и кислорода.

Протерозой (с греч. žпервичная жизнь¡) – огромный по продолжительности этап исторического развития Земли (2,6 млрд. – 570 млн. лет назад. Возникновение многоклеточности – важный ароморфоз в эволюции жизни. Конец протерозоя иногда называют žвеком медуз¡ – очень распространенных в это время представителей кишечнополостных.

Палеозой (от греч. žдревняя жизнь¡) – геологическая эра (570-230 млн. лет) со следующими периодами:

–кембрий (570-500 млн. лет),

–ордовик (500-440 млн. лет),

–силур (440-410 млн. лет),

–девон (410-350 млн. лет),

–карбон (350-285 млн. лет),

–пермь (285-230 млн. лет).

Для развития жизни в раннем палеозое (кембрий, ордовик, силур) характерно интенсивное развитие наземных растений и выход на сушу животных.

Рис. 22. Развитие жизни на Земле. Фауна раннего палеозоя (кембрий, ордовик, силур):

1 – колония археоцит;2 – скелет силурийского коралла; 3 – обитатель мелководных заливов силурийских морей-гигантский ракоскорпион; 4 – головоногий моллюск;5 – морские лилии; 6, 7, 8 –

123

древнейшие позвоночные бесчелюстные панцирные §рыбы¨; 9 – одиночные кораллы; 10, 11 – трилобиты – примитивнейшие ракообразные; 12 – раковина силурийского головоногого моллюска

Наступивший в конце силура горообразовательный период изменил климат и условия существования организмов. В результате поднятия суши и сокращения морей климат девона был более континентальный, чем в силуре. В девоне появились пустынные и полупустынные области; на суше появляются первые леса из гигантских папоротников, хвощей и плаунов. Новые группы животных начинают завоевывать сушу, но их отрыв от водной среды не был еще окончательным. К концу карбона относится появление первых пресмыкающихся – полностью наземных представителей позвоночных. Они достигли значительного разнообразия в перми из-за засушливого климата и похолодания.

Так в палеозое произошло завоевание суши многоклеточными растениями и животными.

Мезозой (с греч. žсредняя жизнь¡) – это геологическая эра (230-67 млн. лет) со следующими периодами:

–триас (230-195 млн. лет),

–юра (195-137 млн. лет),

–мел (137-67 млн. лет).

Мезозой справедливо называют эрой пресмыкающихся. Их расцвет, широчайшая дивергенция и вымирание происходят именно в эту эру. В мезозое усиливается засушливость климата. Вымирает множество сухопутных организмов, у которых отдельные этапы жизни связаны с водой: большинство земноводных, папоротники, хвощи и плауны. Вместо них начинают преобладать наземные формы, в жизненном цикле которых нет стадий, связанных с водой.

В триасе среди растений сильного развития достигают голосеменные, среди животных – пресмыкающиеся. В триасе появляются растительноядные и хищные динозавры. Весьма разнообразны в эту эру морские пресмыкающиеся.

Помимо ихтиозавров, в морях юры появляются плезиозавры. В юре пресмыкающиеся начали осваивать и воздушную среду.

Летающие ящеры просуществовали до конца мела.

124

Рис. 23. Мезозойские пресмыкающиеся:

1 – водяной ящер; 2 – полуводный ящер; 3 – рогатый динозавр; 4 – летающий хвостатый ящер; 5 – летающий бесхвостый ящер; 6 – растительноядный динозавр-бронтозавр;7 – растительноядный динозавр-стегозавр

В юре от пресмыкающихся возникли и птицы. На суше в юре встречаются гигантские растительноядные динозавры. Во второй половине мела возникли сумчатые и плацентарные млекопитающие. Приобретение живорождения, теплокровности были теми ароморфозами, которые обеспечили прогресс млекопитающих.

Геологическая эра, в которую мы живем, называется кайнозой. Кайнозой (от греч. žновая жизнь¡) – это эра (67 млн. лет – наше время) расцвета цветковых растений, насекомых, птиц и

125

млекопитающих. Кайнозой делится на два неравных периода: третичный (67-3 млн. лет) и четвертичный (3 млн. лет – наше время).

В первой половине третичного периода широко распространены леса тропического и субтропического типа. В течение третичного периода от насекомоядных млекопитающих обособляется отряд приматов. К середине этого периода широкое распространение получают и общие предковые формы человекообразных обезьян и людей. К концу третичного периода встречаются представители всех современных семейств животных и растений и подавляющее большинство родов.

Рис. 24. Третичные млекопитающие:

1 – фенакодус; 2 – эогиппус; 3 – гиппарион; 4 – палеотранус; 5 – саблезубый тигр; 6 – оленеобразный жираф; 7 – гигантский носорог; 8 – меритерий; 9 – миоценовый слон

В это время начинается великий процесс остепнения суши, который привел к вымиранию одних древесных и лесных форм и к выходу других на открытое пространство. В результате сокращения лесных площадей одни из форм антропоидных обезьян отступали вглубь лесов, другие спустились с деревьев на землю и стали завоевывать открытые пространства. Потомками последних являются люди, возникшие в конце третичного периода. В течение четвертичного периода вымирают мамонты, саблезубые тигры, гигантские ленивцы, большерогие торфяные олени и другие

126

животные. Большую роль в вымирании крупных млекопитающих сыграли древние охотники.

Рис. 25. Млекопитающие четвертичного периода:

1 – широконосый носорог; 2 – носорог-эласмотерий; 3 – гигантский броненосец; 4 – гигантский ленивец; 6 – мамонт; 7 – древний слон; 8 – древний зубр; 9 – гигантский торфяной олень; 10 – современный индийский слон

Около 10 тыс. лет назад в умеренно теплых областях Земли наступила žнеолитическая революция¡, связанная с переходом человека от собирательства и охоты к земледелию и скотоводству. Это определило видовой состав органического мира, который существует в настоящее время.

5.4. Геологический и биологический круговороты веществ

Благодаря притоку солнечной энергии на Земле постоянно протекают два взаимосвязанных во времени процесса преобразования веществ – геологический и биологический (биотический)

круговороты.

Геологический круговорот – это обмен химических элементов между океаном и сушей в результате разрушения горных пород, растворения их в воде, физико-химических превращений и образования минералов.

127

Геологический круговорот длится миллионы лет. Вода океанов с содержащимися в ней некоторыми веществами испаряется и воздушными течениями разносится на большие расстояния. Выпадая в виде осадков, она способствует процессам выветривания и разрушения горных пород, делает их доступными для растений и микроорганизмов, размывает почву. Вода выносит растворенные в ней химические вещества и взвешенные частицы в моря, океаны. Здесь они оседают на дно, накапливаются в виде осадочных пород. Часть химических соединений растворяется в воде или потребляется живыми организмами. Крупные медленные геотектонические изменения, процессы, связанные с опусканием материков и поднятием морского дна, перемещение морей и океанов в течение длительного времени приводят к тому, что эти напластования возвращаются на сушу и процесс начинается вновь.

С появлением живого вещества на базе геологического круговорота возник круговорот органического вещества, или малый биологический круговорот.

Биологический круговорот – это циркуляция веществ между почвой, растениями, животными и микроорганизмами.

Биоценозы суши постоянно обмениваются веществами с атмосферой. Мировой океан и атмосфера, в свою очередь, связаны потоками энергии, газов, выпадением и испарением влаги. Экосистемы суши и Мирового океана связаны через многочисленные водные потоки и воздушную миграцию.

В отличие от простого переноса – перемещения минеральных элементов в большом круговороте – в малом круговороте самыми важными моментами являются синтез и разрушение органических соединений.

Живые организмы в процессе жизнедеятельности используют до 40 элементов таблицы Д.И. Менделеева.

Элементы, жизненно необходимые организмам, называют

биогенными элементами.

Такие элементы, как азот, кислород, фосфор, калий, кальций необходимы организмам в сравнительно больших количествах, их называют макроэлементами.

Те элементы, которые требуются организмам в незначительных (следовых) количествах, но необходимы для жизнедея-

128

тельности, так как входят в состав жизненно важных ферментов, называются микроэлементами.

Все химические элементы циркулируют в биосфере по определенным путям: из внешней среды в организмы и из них опять во внешнюю среду. Эти пути, в большей или меньшей степени замкнутые, называются биогеохимическими циклами.

Таким образом, химический элемент может в какой-то момент быть частью живого организма, а в какой-то - частью неживой природы. К примеру, одну из молекул кислорода, которую вы только что вдохнули, могли перед этим вдохнуть вы или ваша бабушка, фараон Тутанхамон тысячи или динозавр миллионы лет назад. Аналогично атомы углерода, входящие в состав кожи вашей правой руки, могли когда-то быть частью листа дерева, шкуры динозавра или глыбы известняка.

5.5. Биогеохимические циклы углерода, азота, фосфора, серы, воды. Вмешательство человека в круговорот химических элементов

5.5.1. Круговорот углерода

Углерод является постоянным компонентом, который находится во всех оболочках биосферы и повсюду в окружающей среде. Он входит в состав атмосферы в виде диоксида углерода. Углерод можно считать самым главным химическим элементом в биосфере, так как именно способность этого элемента образовывать прочные химические связи между атомами (С-С-связь) лежит в основе структуры всех органических соединений, известных на Земле. Углерод – основной žстроительный материал¡ молекул углеводов, жиров, белков и других органических соединений. Все живые существа на Земле имеют в своем составе углерод.

Большинство наземных растений получает необходимый им углерод, поглощая через поры в своих листьях углекислый газ из атмосферы. Фитопланктон получает углерод из атмосферного углекислого газа, растворенного в воде. Растения – продуценты в процессе фотосинтеза преобразуют углерод углекислого газа в углерод сложных органических соединений (глюкозы, крахмала,

129

целлюлозы). В клетках растений, животных, микроорганизмов происходит процесс клеточного дыхания, при котором глюкоза и другие сложные органические соединения расщепляются и углерод вновь входит в состав углекислого газа. Все живые организмы после смерти подвергаются разложению, органические вещества расщепляются на более простые фрагменты, в результате этих превращений углерод в виде углекислого газа снова поступает в круговорот. В водных экосистемах углерод, соединяясь с кислородом и кальцием, образует нерастворимый карбонат кальция, из которого состоят раковины моллюсков и минералы. Когда моллюски умирают, их раковины погружаются в слой донных осадков. Возврат углерода из осадочных отложений в активный круговорот происходит медленно на протяжении миллионов лет, путем растворения этих отложений в океанической воде и образования растворенного углекислого газа. Расплавление горных пород в ходе длительных геологических процессов и при вулканических извержениях также приводит к выбросу углекислого газа. Кроме того, вертикальные движения земной коры могут поднимать блоки осадочных пород выше уровня моря, что приводит к образованию островов и целых материков, а обнажившиеся карбонатные породы подвергаются активным химическим реакциям с выделением углекислого газа. Некоторая часть планетарного углерода žсвязана¡ в форме ископаемых видов топлива: каменного и бурого угля, нефти, природного газа, торфа, процесс образования которых длился миллионы лет. При добыче и сжигании минерального топлива углерод снова вводится в атмосферу в виде углекислого газа.

Другой важной частью круговорота углерода является анаэробное дыхание, происходящее без доступа кислорода. В ходе этого процесса различные виды анаэробных бактерий (например, метанобразующие бактерии рода Methanobacterium, Pseudomonas methanica) преобразуют органические соединения в газообразный метан (СН4) и другие вещества. Такой тип дыхания встречается в основном в болотных экосистемах. Он наблюдается также на свалках, где происходит захоронение промышленных и бытовых отходов. Метан окисляется в углекислый газ под воздействием бактерий-метилотрофов.

130