Эволюция биосферы

     Процесс застывания  и охлаждения земной коры около  4 млрд. лет назад продвинулся  настолько, что постепенно была  достигнута и в конце концов пройдена точка кипения воды — 100°С. Тогда началось осаждение водяного пара из праатмосферы в виде дождей, которые первое время с трудом достигали поверхности Земли вследствие все еще высокой ее температуры и тут же вновь испарялись. Однако после того как поверхность оказалась способной принимать воду, осадки стали выпадать с большей силой и в огромных количествах, при этом вода пропитывала высохшую поверхность. Началось формирование водной оболочки Земли — гидросферы, возникли первые моря. 

     Как атмосфера,  так и гидросфера ранней Земли  являются продуктами вулканизма  и сформировались в результате  дегазации Земли. Масса воды, осаждавшаяся  из атмосферы, вымывала значительную  часть кислот, поэтому первоначальные  моря приставляли собой кислотный раствор. Их преобразование в современный солевой раствор является опять-таки следствием взаимодействия с продуктами разрушения первичной вулканической коры Земли, подвергшимися выветриванию и перенесенными в море. 

     Однако и  восстановительная атмосфера, возникшая  в результате вулканической дегазации,  подверглась процессу постепенного  преобразования, существенное участие  в котором принимали древнейшие  растительные организмы. 

     Из всех  вулканов подводные их представители  должны рассматриваться в качестве  особо благоприятной среды для  образования более высокоорганизованных  молекул из упомянутых выше  газов, они могли сыграть решающую  роль в возникновении жизни  на Земле.

В то время атмосфера была  проницаема для космического излучения в несравненно большей степени, чем сейчас, поскольку основные компоненты современной атмосферы - азот и кислород  - не играли заметной роли, отсутствовал озоновый экран, меньше было паров воды. Можно предположить, что в таких условиях в древней атмосфере должны были постоянно образовываться   сложные органические молекулы   (при особых воздействиях  (ультрафиолетовое излучение, ионизирующее излучение) на смеси газов и паров воды, сходные с возможным первичным составом атмосферы, могут возникать разнообразные органические вещества, которые входят в состав биологических макромолекул). Но эти соединения под влиянием коротковолнового  излучения должны были подвергаться и постоянному разрушению. Ученые предполагают, что образовавшиеся  соединения сохранялись лишь в том случае, если они попадали в водоемы, в которых верхний слой воды был достаточен, чтобы задержать губительную коротковолновую  радиацию.

Таким образом, органические соединения постепенно  могли накапливаться в первичном океане и должны были служить не только  материалом  для создания первых организмов, но и необходимой питательной средой для них. 

 Предполагается, что органические соединения, рассеянные в воде, в результате  бесчисленных взаимодействий друг с другом, периодических образований   привели в конце концов к возникновению специфических скоплений органического вещества. Эти скопления могли не только длительно существовать, но и расти, а затем постепенно обмениваться веществом с окружающей средой, делиться на части себе подобные.  Это момент  был революционным скачком, в результате которого капля органического вещества превратилась в живое существо. Дальше все  было относительно проще, так как не требовалось радикального изменения состояния вещества, а шло лишь усовершенствование живой материи.

Описанная выше схема пути возникновения жизни на Земле  является одной из возможных, и на самом деле модно предположить что все могло быть иначе. Возможно жизнь на самом деле возникла не на Земле. Она могла быть принесена в виде каких-то простейших организмов с метеоритным веществом из космоса, в то время, когда еще не было плотной атмосферы, которая могла сильно разогреть или даже сжечь метеорит.

Принято полагать, что возникновение жизни на Земле и возникновение биосферы с геологической точки зрения явления синхронные. Кислород в небольших количества выделялся вследствие частичной диссоциации молекул вода и углекислого газа.

В процессе  эволюции простейших организмов какой-то организм за счет энергии Солнца  осуществил в своем теле синтез органического водорода, сопровождающийся разложением воды и выделением свободного кислорода. Появился первый автотрофный организм, родоначальник  фотосинтезирующих   растений.  Это событие ознаменовало величайшую революцию в развитии жизни, поскольку именно фотосинтез является двигателем органических процессов.

Эта революция сопровождалась практически уничтожением старого  органического мира. На смену примитивным, малоэффективным в энергетическом отношении организмам, использовавшим энергию брожения, получающуюся за счет уничтожения органических веществ, пришли более совершенные  организмы, которые использовали энергию солнечных лучей и сами создавали органические вещества.

Автотрофные организмы, как  и гетеротрофные, практически мгновенно, в смысле геологического времени, распространились на все пространство Земли.

Ограничивающими факторами  были, вероятно, лишь коротковолновое излучение, которое не давало возможности выйти организмам на сушу, но и делало непригодным для обитания самую поверхностную часть гидросферы, и недостаток  солнечного света в воде не глубине, превышающей несколько десятков метров.

Для первой половины архея  было характерно резкое преобладание  в воде и атмосфере углекислого газа, значительно количество аммиака, а так же вероятно, присутствие метана  и паров соляной, фтористой и серной кислот.

Во вторую половину архея  и в раннем протерозое в атмосфере  и гидросфере уже присутствовал  свободный кислород, увеличилось  содержание азота  и уменьшилось распространение углекислого газа.

Третий этап развития газовой оболочки Земли, начавшийся около 2 млрд. лет назад, качественно отличается от предшествующих ему этапов. Для него характерно полное отсутствие аммиака, преобладание свободного азота, значительное содержание свободного кислорода. Атмосфера имела уже состав, аналогичный ее современному составу.

Полагают, что очень большое воздействие на среднегодовую температуру воздуха на Земле оказывает содержание в атмосфере углекислого газа. Он  пропускает солнечные лучи, но  поглощает основную часть тепловых лучей, идущих от поверхности земли, что препятствует охлаждению Земли и повышает общую температуру на ее поверхности. Наличие углекислого газа  обуславливает так называемый оранжерейный эффект воздушной оболочки Земли.

По мере изменения состава  и массы атмосферы среднегодовая  температура должна была существенно  меняться. В архее она значительно превышала современную. Уже примерно около 2 млрд. лет назад температура должна была быть близкой к современной.

Великие оледенения, аналогичные известному оледенению Европы и Северной Америки и каменноугольному оледенению были в обоих полушариях и позднем протерозое.

Начало кембрийского периода, а следовательно и начало фанерозоя, ознаменовались очень важным событием в развитии органического мира. Впервые появились организмы, обладающие карбонатными, фосфатными  и хитиновыми скелетными образованиями.

Чрезвычайно большую геологическую  роль в кембрии играли археоциаты: морские беспозвоночные животные с  внутренним известковым скелетом очень сложного и тонкого строения, иногда напоминающие вазочки и кубики величиной от нескольких миллиметров до 40см.

Эти животные наподобие кораллов строили на дне  мелких участков морей своеобразные береговые и барьерные  известковые рифы. Они вероятно питались микроскопическим  фитопланктоном, спорами водорослей и бактериями. Археоциаты очень быстро распространились в морях, захватывая средние и небольшие глубины и вытесняя из них обитавшие там водоросли. Археоциаты появились в кембрийском периоде и в этом же периоде вымерли. 

Карбонатным или реже фосфатным  скелетным образованием (двустворчатая  раковина с неодинаковыми створками) обладали плеченогие, одиночные двусторонне-симметричные животные, ведущие прикрепленный образ жизни. Обитали они на морском дне. В кембрии появилась и большая группа древнейших членистоногих - трилобитов, имевших хитиновый панцирь. Это уже были преимущественно ползающие по дну животные

С начала кембрийского периода мир животных, несомненно, начал развиваться очень бурно, сложно, с вымиранием одних групп организмов и появлением других, более многочисленных. В результате к концу кембрия существовали представители почти всех типов животного мира, хотя наиболее распространенными были трилобиты и археоциаты.

Распространено представление, что именно к кембрийскому периоду содержание его в атмосфере достигло почти 1% от содержания его в современной атмосфере. Это привело к образованию у поверхности Земли озонового экрана, благодаря чему  жесткое излучение Солнца стало проникать в верхние слой гидросферы  и животный мир смог проникнуть в крайнее мелководье - наиболее благоприятную для обитания зону. Именно мелководье наиболее благоприятно для образования карбонатных и некоторых фосфатных материалов, поскольку в водах его содержится наименьшее количество углекислого газа, резко повышающего растворимость минералов. Появление у организма того или иного скелета давало им большое преимущество перед бесскелетными формами. Поэтому в процессе борьбы за существование у многочисленных форм организмов стали возникать скелетные образования.

Живые организмы создали свободный кислород на Земле. Увеличение его количества привело к образованию озонового экрана, что расширило границы распространения жизни в гидросфере. Фотосинтез растений стал идти более интенсивно. Увеличилась в связи с этим масса автотрофных организмов и количество выделяемого ими кислорода и поглощаемого углекислого газа. 

На границе криптозоя  и фанерозоя появился новый мощный фактор, повлиявший на эволюцию биосферы - образование осадочных пород вследствие накопления извести в результате жизнедеятельности многоклеточных животных. До этого карбонатные породы образовывались лишь в результате деятельности водорослей.

Этот фактор был полезен  для развития животного мира  в целом, поскольку постоянно приводило к изъятию из гидросферы значительной части углекислого газа. В связи с этим породообразующая роль живых организмов с ходом времени все увеличивалась, что сопровождалось параллельным уменьшением роли водорослей и бактерий в процессах образования биогенных карбонатных отложений.

В конце силурийского периода произошло событие первостепенной важности для всего дальнейшего развития биосферы - появление наземных растений. Это событие стало возможным благодаря тому, что к концу силура содержание кислорода в атмосфере достигло уровня в 10% от современного. Образование озона стало происходить на большой высоте, поэтому ультрафиолетовое излучение солнца уже не должно было оказывать губительное влияние  на организмы, находящиеся на поверхности суши.

 Первой растительностью, появившейся на суше, по мнению Давиташвили и ряда других ученых, была группа растений, которую иногда выделяют  в особый тип нематофитов, являющийся как бы промежуточным звеном между водорослями и сосудистыми растениями.

В среднем девоне уменьшение  содержания углекислого газа  было значительно больше,  чем увеличение кислорода. Животный мир девона  характеризовался пышным расцветом  брахиопод, кораллов, строматопороидей, мшанок. Фауна беспозвоночных в девоне достигла наибольшего расцвета.

Возможно, значительное увеличение содержания в девоне кислорода и уменьшение углекислого газа способствовали   появлению в девоне кистеперых рыб, способных не только поглощать кислород из воды, но и дышать воздухом. Поэтому они могли выползать на сушу и, вероятно являлись предками земноводных позвоночных, которые появились, в конце девонского периода.

Первыми земноводными были стегоцефалы (крышеголовые) - коротконогие, с волочившимся по земле туловищем животные, с головой, покрытой панцирем из массивных костных образований.

Представляется, что происшедшее в девоне увеличение содержания кислорода и уменьшение  концентрации углекислого газа в воздухе благоприятствовали и появлению на суше паукообразных, скорпионов, насекомых.

Наземная растительность этого периода была уже типично лесного типа. Крупные древовидные папоротники, плуановые и хвощовые нередко достигали  до 40 м и более. К концу периода разнообразие растительного мира еще более увеличилось и появились первые хвойные растения.

Нынешняя структура биосферы и границы обитания современных  организмов формировались постепенно, в результате долгой истории Земли, начиная с ее возникновения и  до настоящего времени. Эволюция биосферы диалектически связана с эволюцией  форм живого вещества (организмы и  их сообщества), усложнением его  биохимических функций, совершающихся  на фоне геологической истории Земли. Все компоненты биосферы тесно взаимодействуют  между собой, составляя целостную, сложно организованную систему, развивающуюся  по своим внутренним законам и  под действием внешних сил, в  том числе космических (солнечного излучения, гравитационных сил, магнитных  полей Солнца, Луны и др. небесных тел). Биосфера, возникнув и сформировавшись 1-2 млрд. лет назад (к этому времени  относятся первые обнаруженные остатки  живых организмов), находится в  постоянном динамическом равновесии и  развитии.

3. Итоги эволюции биосферы