1 Биогеоценозы как основные структурные элементы биосферы
реклама
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ имени ШАКАРИМА г. СЕМЕЙ Документ СМК 3 уровня УМКД УМКД 042-18УМКД 25.1.79/03-2015 Учебно-методические материаРедакция № 2 от лы по дисциплине «Происхож- 11.06.2015 г., взамен ред. дение и эволюция биосферы» № 1 от 18.09.2013 г. УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКИЙ КОМПЛЕКС ДИСЦИПЛИНЫ «ПРОИСХОЖДЕНИЕ И ЭВОЛЮЦИЯ БИОСФЕРЫ» для специальности 5В060800 – «Экология» УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ Семей 2015 УМКД 042-18-25.1.79/02-2015 Ред. № 2 от 11.06.2015 г. Страница 2 из 81 Содержание 1 Глоссарий 3 2 Лекции 6 3 Практические занятия 50 4 Самостоятельная работа студента 61 УМКД 042-18-25.1.79/02-2015 Ред. № 2 от 11.06.2015 г. Страница 3 из 81 1 Глоссарий Абиосфера – слои литосферы, не испытывающие и ранее никогда не подвергавшиеся какому бы ни было влиянию живых организмов или биогенных веществ. Афотобиосфера – часть биосферы, куда не проникают солнечные лучи. Аэросфера – земная оболочка, составленная надземной атмосферой и подземной тропосферой, включая почвенный воздух. Аэросфера - среда обитания аэробов. Биогенное вещество – мертвая органика, все формы детрита, а также биогенные горные породы, включая часть ископаемого топлива; Биогеосфера – часть биосферы; оболочка земного шара, в которой сконцентрирована основная масса живого вещества планеты. Биогеосфера расположена на контакте поверхности литосферы, приземного слоя атмосферы и мелководий или верхнего слоя гидросферы. Биокосное вещество – смесь живого вещества и биогенных веществ с минеральными породами небиогенного происхождения (почва, ил, природные воды). Биологический круговорот веществ – единство двух процессов: аккумуляции элементов в живых организмах и минерализации в результате разложения мертвых организмов. Биосфера – область существования и функционирования ныне живущих организмов, охватывающая нижнюю часть атмосферы, всю гидросферу, поверхность суши и верхние слои литосферы. Биохор – крупное подразделение биосферы, охватывающее группу пространственно объединенных биотопов, расположенных в однотипных климатических условиях и характеризующихся специфическим составом живого населения. Биохоры объединяют в биоциклы. Биоцикл – жизненная область, высшая единица экологического подразделения наземной и водной частей биосферы: суша, океан и континентальные водоемы. Биоцикл не включает атмосферу и литосферу как места обитания живого. Буферность биосферы – способность биосферы противостоять и нейтрализовывать негативные антропогенные и техногенные воздействия. Генофонд биосферы – вся совокупность видов живых организмов с их проявившимися и потенциальными задатками. Геобиосфера – слои биосферы в пределах суши. Геосферы – концентрические, сплошные или прерывистые оболочки Земли, различающиеся между собой по химическому составу, агрегатному состоянию и физическим свойствам, возникшие в результате дифференциации вещества Земли под действием ее гравитационного поля в условиях разогрева земных недр: ядро Земли, мантия Земли, земная кора, гидросфера, атмосфера, магнитосфера, биосфера. УМКД 042-18-25.1.79/02-2015 Ред. № 2 от 11.06.2015 г. Страница 4 из 81 Геохронологическая шкала – геологическая временная шкала истории Земли, применяемая в геологии и палеонтологии, своеобразный календарь для промежутков времени в сотни тысяч и миллионы лет. Гидробиосфера – слой биосферы, вся совокупность живого, населяющего поверхностные воды Земли. Гидробиосфера делится на аквабиосферу континентальных вод и океанобиосферу Мирового океана. Диссипативная система – открытая система, в которой наблюдается прирост энтропии. Живое вещество – совокупность всех живых организмов: микроорганизмы, растения и животные, их активная биомасса. Коацерваты – это сгустки подобно водным растворам желатина, образующиеся в концентрированных растворах белков и нуклеиновых кислот, способные адсорбировать различные вещества. К. имеют важное значение в ряде гипотез о происхождении жизни на Земле, выступая как некие праорганизмы (протоорганизмы). Коэволюция – совместная эволюция биологических видов, взаимодействующих в экосистеме. Ксенобиотик – условная категория для обозначения чужеродных для живых организмов химических веществ, естественно не входящих в биотический круговорот Метабиосфера – слой литосферы; часть мегабиосферы, преобразованная жизнью, в которой однако живые организмы ныне не присутствуют. Ноосфера – высшая стадия развития биосферы, связанная с возникновением и становлением в ней цивилизованного человечества, когда его разумная деятельность становится главным определяющим фактором целесообразного развития. Окружающая среда – среда обитания и деятельности человечества; окружающий человека природный и созданный им материальный мир. Организм – живое существо, реальный носитель жизни, характеризующийся всеми ее свойствами. Организм происходит от одного зачатка. Организм индивидуально подвержен факторам эволюции и экологическим воздействиям. Педосфера – часть биосферы; почвенный покров Земли. Период – это участок геохронологической шкалы, подинтервал геологической эры. Почва - особое природное образование, возникшее в результате преобразования поверхностных слоев литосферы под совместным воздействием воды, воздуха, климатических факторов и живых организмов. Остатки живых организмов разлагаются в почве редуцентами. Синергетика – теория термодинамики открытых систем. Строматолиты – кораллоподобные осадочные образования (карбонатные, реже кремниевые), представляющие собой продукты жизнедеятельности древнейших автотрофов. УМКД 042-18-25.1.79/02-2015 Ред. № 2 от 11.06.2015 г. Страница 5 из 81 Фотобиосфера – слой биосферы, освещаемый солнечными лучами. Эволюция – естественный процесс развития живой природы, сопровождающийся изменением генетического состава популяций, формированием адаптаций, видообразованием и вымиранием видов, преобразованием экосистем и биосферы в целом. Экологическая ниша – место, занимаемое видом в биоценозе, включающее комплекс его биоценотических связей и требований к факторам среды. Экологическая система – единый природный или природно-антропогенный комплекс, образованный живыми организмами и средой их обитания, в котором живые и косные экологические компоненты соединены между собой причинноследственными связями, обменом веществ и распределением потока энергии. Экосфера – биотоп биосферы; совокупность свойств Земли как планеты, создающих условия для развития жизни. Пространственно экосфера включает тропосферу, всю гидросферу и верхнюю часть литосферы. Эон – в геологии длительный период времени, состоящий из нескольких эр. Эра – это участок геохронологической шкалы, подинтервал эона, например: кайнозой (кайнозойская эра). Большинство геологических эр разделяются на меньшие единицы, которые называются геологическими периодами. Эубиосфера – биосфера как таковая. Над и под эубиосферой лежат парабиосфера и метабиосфера, куда живое попадает лишь случайно, далее - апобиосфера и абиосфера, куда живое уже не попадает даже случайно. Общая толща эубиосферы оценивается в 12-17 км. УМКД 042-18-25.1.79/02-2015 Ред. № 2 от 11.06.2015 г. Страница 6 из 81 2 Лекции МОДУЛЬ 1 ПРОИСХОЖДЕНИЕ, ОСОБЕННОСТИ БИОСФЕРЫ Лекция 1 Формирование концепции биосферы План лекции: 1 Определение понятия биосферы 2 Краткая история формирования знаний о биосфере Краткий конспект лекции 1 Определение понятия биосферы Биосфера (гр. bios - жизнь, sphaira - шар, сфера; «область жизни») – область планеты, в которой существует или когда-либо существовала жизнь, и которая постоянно подвергается или когда-либо подвергалась воздействию живых организмов. Биосфера, являясь глобальной экосистемой (экосферой), как и любая экосистема, состоит из абиотической и биотической части. Абиотическая часть представлена: 1) почвой и подстилающими ее породами до глубины, где в них еще есть живые организмы, вступающие в обмен с веществом этих пород и физической средой порового пространства; 2) атмосферным воздухом до высот, на которых возможны еще проявления жизни; 3) водной средой океанов, рек, озер и т. п. Биотическая часть состоит из живых организмов всех таксонов, осуществляющих важнейшую функцию биосферы, без которой не может существовать сама жизнь: биогенный ток атомов. Живые организмы осуществляют этот ток атомов благодаря своему дыханию, питанию и размножению, обеспечивая обмен веществом между всеми частями биосферы. В основе биогенной миграции атомов в биосфере лежат два биогеохимических принципа: - стремиться к максимальному проявлению, к «всюдности» жизни; - обеспечить выживание организмов, что увеличивает саму биогенную миграцию. Эти закономерности проявляются прежде всего в стремлении живых организмов «захватить» все мало-мальски приспособленные к их жизни пространства, создавая экосистему или ее часть. Но любая экосистема имеет границы, имеет свои границы в планетарном масштабе и биосфера. Вернадский четко обозначает верхний и нижний пределы распространения жизни. Верхний - обусловливается лучистой энергией, приходящей из космоса, губительной для живых существ. Речь идет о жестком ультрафиолетовом излучении; оно задерживается озоновым экраном, нижняя граница которого проходит на высоте около 15-25 км. Это верхняя граница биосферы. Нижний предел жизни связан с повышением температуры в земных недрах. На глубине 3-15 км температура достигает 100 °С. Наибольшую мощ- УМКД 042-18-25.1.79/02-2015 Ред. № 2 от 11.06.2015 г. Страница 7 из 81 ность биосфера имеет в океане: от поверхности до максимальных глубин в нем обитают живые существа. Границы биосферы - от высот атмосферы, где царят холод и низкое давление, до глубин океана, где давление достигает 12 тыс. атм. Это стало возможным потому, что пределы толерантности температур у различных организмов от абсолютного нуля до +180 °С, а некоторые бактерии могут существовать в вакууме. Для биосферы характерно не только присутствие живого вещества. Она обладает также следующими тремя особенностями: во-первых, в ней в значительном количестве содержится жидкая вода; во-вторых, на нее падает мощный поток солнечной энергии; в-третьих, в биосфере проходят поверхности раздела между веществами, находящимися в трех фазах - твердой, жидкой и газообразной. Все это служит предпосылкой для активного обмена веществом и энергией, в котором большую роль играют организмы. 2 Краткая история формирования знаний о биосфере Понятие «биосферы», по мнению В.И. Вернадского, было сформулировано (без употребления самого термина) Ж.Б. Ламарком в начале XIX в. (в труде по гидрогеологии Франции в 1803 г.). Он подошел к пониманию единства живого и неживого. А. Лавуазье высоко оценивал роль круговорота веществ в биосфере. Однако, если Ламарк считал, что разрушение органического вещества – физический процесс, то Лавуазье понимал его как биологический процесс. Он предположил наличие особой группы организмов, которые возвращают элементы в окружающую среду. Об этом укладе Лавуазье в конце XIX в. вспоминал Л. Пастер. А. Гумбольдт выделял сферу жизни как неотъемлемую часть географической оболочки. Наконец, Э. Зюсс в 1875 г. при рассмотрении основных оболочек Земли: литосферы, атмосферы и гидросферы, - полагал, что в области взаимодействия верхних сфер и литосферы можно выделять самостоятельную оболочку - биосферу. Он понимал под биосферой тонкую пленку жизни на земной поверхности. Роль и значение биосферы для развития жизни на нашей планете оказалась настолько велика, что уже в первой трети XX в. возникло новое фундаментальное научное направление в естествознании - учение о биосфере. Особая роль в развитии учения о биосфере - оболочке Земли, строение и организованность которой обусловлены жизнедеятельностью организмов, - принадлежит Владимиру Ивановичу Вернадскому. По его утверждению, биосфера - планетарное явление космического характера. Мысль о жизни как о космическом явлении, пишет Вернадский, существовала уже давно. В конце XVII в. голландский ученый X. Гюйгенс в книге «Космотеорос», переведенной в России по инициативе Петра I, сделал следующее научное обобщение: «жизнь есть космическое явление, в чем-то резко отличное от косной материи». Вернадский назвал это обобщение «принципом Гюйгенса». УМКД 042-18-25.1.79/02-2015 Ред. № 2 от 11.06.2015 г. Страница 8 из 81 «Своеобразным, единственным в своем роде, отличным и неповторяемым в других небесных телах представляется нам лик Земли - ее изображение в космосе, вырисовывающееся извне, … бесконечных небесных пространств», - так начинает Вернадский свою книгу «Биосфера», которая вышла в свет в 1926 г. Вся «Биосфера» Вернадского пронизана идеей взаимодействия не только земных, но и космических тел и явлений. И главную роль среди них играют живые организмы, «живое вещество» планеты. Основные понятия: биосфера, абиотическая часть, биотическая часть, атмосфера, гидросфера, литосфера, почва, подстилающие породы, биогенный ток атомов, нижний предел жизни, верхняя граница биосферы, биогеохимические принципы. Вопросы для самоконтроля: 1 Что такое «биосфера»? 2 Кто является автором термина «биосфера»? 3 Какова роль В.И. Вернадского в разработке учения о биосфере? 4 Сформулируйте три биогеохимических принципа. 5 Что является верхней и нижней границей биосферы? Чем они обусловлены? 6 Перечислите основные свойства биосферы. Рекомендуемая литература: 1 Артамонова Е.Н. Учение о биосфере и ноосфере: Учебное пособие. – Семей: Семипалат. гос. пед. ин-т, 2010. – С. 3-6. 2 Вернадский В.И. Биосфера и ноосфера // Библиотека трудов акад. В.И. Вернадского. Живое вещество и биосфера. - М., 1994. – С.3-15. 3 Панин М.С. Химическая экология. – Семипалатинск, 2002. – С. 14-21. 4 Петров К.М. Общая экология: взаимодействие общества и природы. - С-Пб: Химия, 1997. – С. 114-119. Лекция 2 Сущность живого и проблема происхождения жизни План лекции: 1 Свойства живого вещества 2 Теории возникновения жизни 3 Этапы эволюции Краткий конспект лекции 1 Свойства живого вещества При общем рассмотрении биосферы, как планетарной экосистемы, особое значение приобретает представление о ее живом веществе как о некой общей живой массе планеты. Этот термин введен в литературу В.И. Вернадским. Под УМКД 042-18-25.1.79/02-2015 Ред. № 2 от 11.06.2015 г. Страница 9 из 81 ним он понимал совокупность всех живых организмов, выраженную как единое целое через массу, энергию и химический состав. Согласно В.И. Вернадскому, биосферу слагают три категории веществ: 1. живое вещество – совокупность всех живых организмов: микроорганизмы, растения и животные, их активная биомасса; 2. биогенное вещество – мертвая органика, все формы детрита, а также биогенные горные породы, включая часть ископаемого топлива; 3. биокосное вещество – смесь живого вещества и биогенных веществ с минеральными породами небиогенного происхождения (почва, ил, природные воды). Живое вещество - основа биосферы, хотя и составляет крайне незначительную ее часть. По подсчетам ученых, его масса составляет 2420 млрд. т, что более чем в две тысячи раз меньше массы самой легкой оболочки Земли - атмосферы. Если его выделить в чистом виде и распределить равномерно по поверхности Земли, то это будет слой около 2 см или крайне незначительная доля от объема всей биосферы, толща которой измеряется десятками километров. В чем же причина столь высокой химической активности и геологической роли живого вещества? Прежде всего, это связано с тем, что живые организмы, благодаря биологическим катализаторам (ферментам), совершают, по выражению академика Л.С. Берга, с физико-химической точки зрения что-то невероятное. Например, они способны фиксировать в своем теле молекулярный азот атмосферы при обычных для природной среды значениях температуры и давления. В промышленных условиях связывание атмосферного азота до аммиака требует температуры порядка 500°С и давления 300-500 атмосфер. В живых организмах на порядок или несколько порядков увеличиваются скорости химических реакций в процессе обмена веществ. В.И. Вернадский в связи с этим живое вещество назвал чрезвычайно активизированной материей. К основным уникальным особенностям живого вещества, обусловливающим его крайне высокую средообразующую деятельность, можно отнести следующие: 1. Способность быстро занимать (осваивать) все свободное пространство. В.И. Вернадский назвал это всюдностью жизни. Способность быстрого освоения пространства связана как с интенсивным размножением (некоторые простейшие формы организмов могли бы освоить весь земной шар за несколько часов или дней, если бы не было факторов, сдерживающих их потенциальные возможности размножения), так и со способностью организмов интенсивно увеличивать поверхность своего тела или образуемых ими сообществ. Например, площадь листьев растений, произрастающих на 1 га, составляет 8-10 га и более. То же относится к корневым системам. УМКД 042-18-25.1.79/02-2015 Ред. № 2 от 11.06.2015 г. Страница 10 из 81 2. Движение не только пассивное (под действием силы тяжести, гравитационных сил и т.п.), но и активное. Например, против течения воды, силы тяжести, движения воздушных потоков и т.п. 3. Устойчивость при жизни и быстрое разложение после смерти (включение в круговороты), сохраняя при этом высокую физико-химическую активность. 4. Высокая приспособительная способность (адаптация) к различным условиям и в связи с этим освоение не только всех сред жизни (водной, наземно-воздушной, почвенной, организменной), но и крайне трудных по физикохимическим параметрам условий. Например, некоторые организмы выносят температуры, близкие к значениям абсолютного нуля - 273°С, микроорганизмы встречаются в термальных источниках с температурами до 140°С, в водах атомных реакторов, в бескислородной среде, в ледовых панцирях и т.п. 5. Феноменально высокая скорость протекания реакций. Она на несколько порядков (в сотни, тысячи раз) значительнее, чем в неживом веществе. Об этом свойстве можно судить по скорости переработки вещества организмами в процессе жизнедеятельности. Например, гусеницы некоторых насекомых потребляют за день количество пищи, которое в 100-200 раз больше веса их тела. Особенно активны организмы-грунтоеды. Дождевые черви (масса их тел примерно в 10 раз больше биомассы всего человечества) за 150-200 лет пропускают через свои организмы весь однометровый слой почвы. 6. Высокая скорость обновления живого вещества. Подсчитано, что в среднем для биосферы она составляет 8 лет, при этом для суши - 14 лет, а для океана, где преобладают организмы с коротким периодом жизни (например, планктон), - 33 дня. В результате высокой скорости обновления за всю историю существования жизни общая масса живого вещества, прошедшего через биосферу, примерно в 12 раз превышает массу Земли. Только небольшая часть его (доли процента) законсервирована в виде органических остатков (по выражению В.И. Вернадского, «ушла в геологию»), остальная же включилась в процессы круговорота. Все перечисленные и другие свойства живого вещества обусловливаются концентрацией в нем больших запасов энергии. Согласно В.И. Вернадскому, по энергетической насыщенности с живым веществом может соперничать только лава, образующаяся при извержении вулканов. Вернадский подчеркивает, что, используя солнечную энергию, живое вещество выполняет гигантскую химическую работу. Поскольку речь идет о преобразовании живыми организмами земных веществ, Вернадский назвал эти процессы биогеохимическими: «Жизнь захватывает значительную часть атомов, составляющих материю земной поверхности. Под ее влиянием эти атомы находятся в непрерывном, интенсивном движении. Из них все время создаются миллионы разнообразнейших соединений. И этот процесс длится без перерыва десятки миллионов лет...». УМКД 042-18-25.1.79/02-2015 Ред. № 2 от 11.06.2015 г. Страница 11 из 81 2 Теории возникновения жизни Как началась жизнь? Этот вопрос беспокоил человека с давних времен. «Даже сформулировать данную проблему одному ученому не по силам, так как для этого ему нужно быть одновременно математиком, физиком, квалифицированным химиком-органиком, обладать широкими познаниями в геологии, геофизике, геохимии и, кроме всего прочего, свободно ориентироваться во всех областях биологии», - так высказался об этой проблеме профессор Джон Бернал. В течение многих веков выдвигалось немало различных теорий, призванных объяснить происхождение жизни. Среди основных следует упомянуть следующие: 1. креационизм – жизнь была создана сверхъестественным существом в определенное время, 2. самопроизвольное зарождение – жизнь возникала неоднократно из неживого вещества, 3. стационарное состояние – жизнь существовала всегда, 4. панспермия – жизнь занесена на нашу планету извне, 5. биохимическая эволюция – жизнь возникла в результате процессов, подчиняющихся химическим и физическим законам, 6. современная теория – теория биопоэза Дж. Бернала. Согласно теории креационизма, жизнь возникла в результате какого-то сверхъестественного события в прошлом. Этой теории придерживаются последователи почти всех религий. В 1650 г. архиепископ Ашер из г. Арма (Ирландия) вычислил, что Бог сотворил мир в октябре 4004 г. до н.э. и закончил свой труд 23 октября в 9 часов утра, создав человека. Ашер получил эту дату, сложив возраст всех людей, упоминающихся в библейской генеалогии, - от Адама до Христа по принципу «кто кого родил». Согласно христианской религии, мир и все населяющие его организмы были созданы за 6 дней. Процесс божественного сотворения мира мыслится как имевший место лишь единожды и потому недоступный для наблюдения. Этого уже достаточно для того, чтобы вынести всю концепцию божественного сотворения за рамки научного исследования, поскольку вера признает вещи, которым нет доказательства в научном смысле слова. Согласно теории стационарного состояния, Земля никогда не возникала, а существовала вечно, виды также существовали всегда. Теория панспермии, основанная Г.Э. Рихтером, также не предлагает никакого механизма для объяснения первичного возникновения жизни, а выдвигает идею о ее внеземном происхождении. Она не отвечает на прямой вопрос, а переносит проблему в другое место во Вселенной. В основе теории лежало представление о повсеместном распространении зародышей микроорганизмов во Вселенной. Они способны прикрепляться к носящимся в мировом пространстве маленьким частицам твердого вещества (космозои), отделившимся от небесных тел. Таким образом, они переносятся с одной, заселенной организма- УМКД 042-18-25.1.79/02-2015 Ред. № 2 от 11.06.2015 г. Страница 12 из 81 ми планеты на другую, где жизни еще нет. Найдя на планете подходящие условия, т.е. подходящую температуру и влажность, зародыши начинают прорастать и эволюционировать; они являются впоследствии родоначальниками всего органического мира данной планеты. Эта теория приобрела в научном мире много сторонников. Даже такие выдающиеся ученые, как Гельмгольц и В. Томсон поддерживали ее. Настоящий переворот во взглядах на происхождение живой материи произошел после появления работы молодого биохимика А.И. Опарина. Небольшая книга «Происхождение жизни», вышедшая в 1924 г. в издании «Московского рабочего» и оказавшая столь сильное влияние на развитие современной науки, состоит из пяти частей. Идеи, высказанные в этой книге, легли в основу почти всех современных теорий возникновения жизни. Первые две части посвящены истории проблемы происхождения жизни. В третьей главе «Мир живого и неживого» Опарин впервые высказывает мысль о том, что жизнь тесно связана и, более того, схожа с коллоидным и студнеобразным состоянием вещества. Именно это предположение нашло затем дальнейшее развитие в изучении знаменитых коацерватных капель. В этой же главе Опарин вводит несколько критериев, отличающих живое от неживого: раздражимость, обмен веществ, воспроизведение себе подобных. В конце главы автор делает необычный для своего времени вывод, состоящий в том, что «жизнь характеризуется не какими-либо определенными свойствами, а особенной специфической комбинацией этих свойств». Но основной вклад Опарина в науку сделан в двух последних разделах книги: «От разрозненных элементов к органическим соединениям» и «От органического вещества к живому существу». Именно в этих главах впервые была сделана попытка объяснить возникновение органических соединений на изначально «стерильной», безжизненной Земле естественным путем, например, при взаимодействии карбидов металлов с водой при высокой температуре поверхности ранней Земли. Эта конкретная схема Опарина претерпела значительные изменения за последующие десятки лет. Но сама идея непрерывного усложнения органических соединений, приведшего в конце концов к возникновению жизни, послужила основой современной науки о происхождении жизни. Эта идея получила название принципа непрерывности. В последней главе Опарин предлагает считать первыми живыми организмами маленькие обособленные кусочки органического геля. Проблемы передачи наследственной информации в работах Опарина затронуты не были. Пять лет спустя, в 1929 г. английский биохимик Д. Холдейн опубликовал короткую статью «Возникновение жизни». В этой статье ученый обрисовал все важнейшие аспекты проблемы происхождения жизни. УМКД 042-18-25.1.79/02-2015 Ред. № 2 от 11.06.2015 г. Страница 13 из 81 Холдейн впервые подчеркнул важность задачи переноса генетической информации при рассмотрении вопроса о происхождении жизни. Впервые также он указал на ультрафиолетовое излучение Солнца как источник образования органических соединений из атмосферных газов. С работой Опарина Холдейн не был знаком, и поэтому его также с полным основанием можно считать основателем принципа непрерывности. Новая гипотеза, состояла в том, что условия, в которых возникла жизнь, отличались от условий, в которых жизнь существует сейчас. Эти отличия касались главным образом состава атмосферы. Земля единственная среди планет нашей солнечной системы имеет атмосферу, в которой преобладающую роль играет кислород. Опарину и Холдейну давно было ясно, насколько это обстоятельство важно для всей постановки вопроса о возникновении жизни. Нынешняя земная жизнь делится на две большие категории: животные, дышащие кислородом, и растения, способные к выработке кислорода путем фотосинтеза. Животные могут жить в темноте, но для дыхания им просто необходим или свободный воздух, или кислород, растворенный в воде. Растениям не нужен кислород, они сами образуют его на свету, но они не способны подолгу жить и расти в темноте. Какая из этих форм жизни возникла первой? Может обеим этим формам предшествовала какая-то третья? Последнее предположение в настоящее время кажется почти очевидным. Подробное изучение животных и растений приводит к выводу, что они являются потомками общих прародителей, зоофитов. Зоофиты, по-видимому, напоминали современных бактерий, которые способы одновременно выполнять как животные, так и растительные функции, т.е. осуществлять и окисление, и фотосинтез. Еще в середине XIX в. Л. Пастер в своих исследованиях по брожению показал, что жизнь возможна и без кислорода. У организмов, живущих в анаэробных, т.е. бескислородных, условиях, обмен веществ основан на процессах брожения, а не окисления. Холдейн высказал предположение, что жизнь возникла на планете, в атмосфере которой не было кислорода: поскольку в примитивной атмосфере было очень мало кислорода, а может быть, и не было вовсе, первоначальные формы жизни добывали необходимую им для роста энергию не за счет окисления, а за счет брожения. Ибо, как говорил Пастер, брожение - это жизнь без кислорода. В таком случае следовало бы ожидать, что высшие организмы, подобные человеку, должны начинать жизнь как анаэробные существа, подобно тому, как они начинают свое развитие с одной клетки. В своей книге «Происхождение жизни» Опарин не придерживался этой мысли. Но позднее, в 1936 г., он уже писал: «И в настоящее время присутствие свободного кислорода в первоначальной земной атмосфере считается очень маловероятным». Не подлежит никакому сомнению, что молекулярный кислород, который мы наблюдаем в современной нам атмосфере, образовался вторично, УМКД 042-18-25.1.79/02-2015 Ред. № 2 от 11.06.2015 г. Страница 14 из 81 значительно позднее разбираемой нами эпохи благодаря жизнедеятельности организмов. Эти взгляды получили мощную поддержку со стороны астрономии и химии. Бескислородная атмосфера, состоящая из метана и аммиака, была обнаружена спектральными методами на Юпитере и Сатурне. Если Земля когда-то имела атмосферу такого состава, то более сложные соединения должны были образовываться из этих двух газов (т.е. из метана и аммиака). Источником энергии служило ультрафиолетовое излучение Солнца, проходящее через эти газы, прозрачные для коротковолнового излучения. Современная атмосфера Земли задерживает коротковолновую часть солнечного спектра, так как присутствующий в атмосфере кислород под действием ультрафиолетовых лучей превращается в озон, эффективно поглощающий ультрафиолетовые лучи. Теперь можно ответить на вопрос, почему жизнь в настоящее время не зарождается на Земле самопроизвольно. Дело здесь в отсутствии необходимых для этого ультрафиолетовых лучей. Возможность повторного возникновения жизни на Земле исключена. Большое количество данных говорит о том, что средой возникновения жизни могли быть прибрежные районы океанов и морей. Именно здесь, на стыке моря, воздуха и суши создавались хорошие условия для образования сложных органических соединений. Например, растворы некоторых органических веществ (спиртов, сахаров) могут существовать неограниченно долгое время. В концентрированных растворах белков, нуклеиновых кислот могут образовываться так называемые коацерваты или коацерватные капли – сгустки, похожие на водные растворы желатина. Коацерваты способны поглощать различные вещества. Из раствора в них поступают химические соединения, которые преобразуются в результате реакций, происходящих в коацерватных каплях, и выделяются в окружающую среду. Коацерваты проявляют внешнее сходство с такими признаками живых организмов, как рост и обмен веществ с окружающей средой, однако это еще не живые существа. Поэтому возникновение коацерватов рассматривают как стадию развития преджизни. Коацерваты претерпели длительный отбор на устойчивость структуры, которая была достигнута вследствие создания ферментов, контролирующих синтез тех или иных соединений. Наиболее важным этапом в происхождении жизни было возникновение механизма воспроизведения себе подобных и наследования свойств предыдущих поколений. Это стало возможным благодаря образованию сложных комплексов нуклеиновых кислот и белков. Нуклеиновые кислоты, способные к самовоспроизведению, стали контролировать синтез белков, определяя в них порядок аминокислот. А белки-ферменты осуществляли процесс создания новых копий нуклеиновых кислот. УМКД 042-18-25.1.79/02-2015 Ред. № 2 от 11.06.2015 г. Страница 15 из 81 Так возникло главное свойство, характерное для жизни, - способность к воспроизводству подобных себе молекул. Хотя эту гипотезу происхождения жизни признают очень многие ученые, астроном Ф. Хойл недавно высказал мнение, что мысль о возникновении живого в результате описанных выше случайных взаимодействий молекул «столь же нелепа и неправдоподобна, как утверждение, что ураган, пронесшийся над мусорной свалкой, может привести к сборке Боинга-747». Один из классических экспериментов по доказательству данной теории был проведен в Чикагском университете в 1953 г. С. Миллером совместно с Г. Юри. Они пропускали электрическую искру через смесь метана, аммиака, водорода и паров воды, представлявших собой компоненты первичной атмосферы Земли. В пятилитровый сосуд были помещены электроды, а разряд вызывался с помощью небольших трансформаторов Тесла. Поток пара от кипящей воды обеспечивал в системе циркуляцию газовой смеси. Эксперимент продолжался в течение недели, после чего воду, в которой образовались органические вещества, подвергли анализу. Результаты превзошли все ожидания. Оказалось, что таким образом был синтезирован ряд веществ, имеющих отношение к жизни. Среди них были найдены четыре аминокислоты, свойственные обычно белкам: глицин, аланин, аспарагиновая и глутаминовая кислоты. Найдены некоторые простейшие жирные кислоты, а также муравьиная, уксусная. Кроме того, обнаружена мочевина – вещество, играющее важную роль в биологических процессах. Современная теория возникновения жизни на Земле, называемая теорией биопоэза, была сформулирована в 1947 г. английским ученым Дж. Берналом. Он выделил три стадии биопоэза. Первая стадия соответствует возрастанию сложности молекул и молекулярных систем, которым суждено было в конечном счете включиться в живые системы. На первой стадии произошло формирование предорганизменных молекул из метана, аммиака и воды. Эти газы обнаруживаются в молекулярной форме в космическом пространстве (в более холодных частях Вселенной) и сейчас. Первая стадия могла осуществиться во многих местах, из них нам достоверно известны только Земля и метеориты астероидного происхождения. Таким местом могло быть и первичное пылевое облако. На второй стадии из компонентов опаринского «первичного бульона», состоявшего главным образом из только что упомянутых молекул, а также из более сложных молекул, образовывались полимеры путем соединения в линейном порядке сходных или идентичных мономеров. На какой-то решающей стадии в процессе эволюции таких полимеров, являющихся, по-видимому, более простыми аналогами существующих ныне нуклеиновых кислот и белков, должен был возникнуть механизм строгой репродукции и репликации, который рассматривается многими биологами как важная отличительная особенность самой жизни. Пока что ученые могут лишь логически реконструировать те УМКД 042-18-25.1.79/02-2015 Ред. № 2 от 11.06.2015 г. Страница 16 из 81 процессы, которые могли бы привести к этому в условиях, по-видимому, существовавших в то время на Земле, т.е. в присутствии воды в свободном состоянии, а также молекул газов и ионов металлов в растворе. Трудно представить себе, чтобы все это могло происходить на таких безводных небесных телах, как Луна, или тем более на метеоритах астероидного происхождения, содержащих воду лишь в виде льда. На третьей стадии, которая, по-видимому, связана со второй стадией постепенными переходами, происходит образование из описанных выше элементов (путем биохимических и структурных превращений) самых простых, какие только можно себе представить, организмов. Это предполагает образование таких специализированных компонентов клетки, как митохондрии, рибосомы, различные мембраны, органеллы, ответственные за форму, структуру и функционирование клетки. Из этих элементов и были построены самые первые примитивные клетки - самые простые самостоятельные формы жизни. Еще более мелкие и простые современные организмы - вирусы - способны только к паразитическому существованию; весьма вероятно, что эта форма жизни – лишь результат дегенерации клетки. Согласно теории биопоэза, космос – химически весьма благоприятная среда для возникновения сложных органических соединений. Весьма вероятно, как предположил Дж. Бернал, поверхностные свойства твердых тел, соприкасавшихся с водой, имели немаловажное значение для возникновения жизни на Земле и для ее развития на ранних стадиях. Еще ранее эта мысль была четко сформулирована и развита микробиологом Н.Г. Холодным. Общеизвестно, что организмам гораздо легче жить на поверхности раздела сред, особенно если одна из сред твердая. Но и на границе воздух – вода (в стоячих лужах и болотах) довольно обильно развиваются микроорганизмы. Позже В. Флоровская и ее сотрудники пришли к выводу: самые сложные соединения добиологической эволюции материи должны создаваться на твердой поверхности в тонкой пленке воды, насыщенной органическим веществом, при быстром падении температуры. И еще одно условие: внезапное облучение на конечной стадии синтеза ультрафиолетовыми лучами. В этот момент могут образоваться не только порфирины - родственники гемоглобина и хлорофилла, но и белок. А на самой конечной стадии – сополимер, гигантская молекула, объединяющая в себе белок и порфирин. Флоровская назвала сополимер «эмбрино». Таким образом, гипотез о возникновении жизни на Земле выдвинуто очень много, однако большинство из них порождают больше вопросов, чем ответов. Многие из них основаны на домыслах. Знания в данной области с каждым днем обновляются и так же быстро успевают устаревать. 3 Этапы эволюции Эволюция состоит из добиотической фазы, в ходе которой химическая эволюция подготавливала возникновение жизни, и собственно биологической УМКД 042-18-25.1.79/02-2015 Ред. № 2 от 11.06.2015 г. Страница 17 из 81 эволюции. Согласно сложившимся представлениям (Кальвин, 1971; Камшилов, 1979; Грант, 1980) последовательность основных этапов такова: Добиотическая эволюция: 1. Образование планеты и ее атмосферы. Первичная атмосфера имела высокую температуру, была резко восстановительной и содержала водород, азот, пары воды, метан, аммиак, инертные газы, возможно, окись углерода, цианистый водород, формальдегид и другие простые соединения. 2. Возникновение абиотического круговорота веществ в атмосфере за счет ее постепенного остывания и энергии солнечного излучения. Появляется жидкая вода, формируется гидросфера, круговорот воды, водная миграция элементов и многофазные химические реакции в растворах. Благодаря явлению автокатализа происходят отбор и рост молекул. 3. Образование органических соединений в процессах конденсации и полимеризации простых соединений C, H, О, N за счет энергии ультрафиолетового излучения Солнца, радиоактивности, электрических разрядов и других энергетических импульсов. Аккумуляция лучистой энергии в органических веществах в результате фотохимических реакций и образование макроэргических соединений. 4. Возникновение круговорота органических соединений углерода, включающего реакции аккумуляции солнечной энергии и окислительновосстановительные реакции, зародыш биотического круговорота биосферы. Дальнейшее усложнение органических веществ и появление устойчивых комплексов макромолекул, обладающих способностью к редупликации; возникновение молекулярных систем самовоспроизведения. Биотическая эволюция: 5. Возникновение жизни. Структуризация белков и нуклеиновых кислот с участием биомембран приводит к появлению вирусоподобных тел и первичных клеток, способных к делению, - сперва хемоавтотрофных прокариот, затем эукариот. Возникает биотический круговорот и формируются биосферные функции живого вещества. 6. Развитие фотосинтеза и обусловленное им изменение состава среды: биопродукция кислорода обусловливает постепенный переход к окислительной атмосфере. Ускоряется биогенная миграция элементов. Появление многоклеточных организмов, наземных растений и животных приводит к дальнейшему усложнению биотического круговорота. Возникают сложные экологические системы, содержащие все уровни трофической организации. Достигается высокая степень замкнутости биотического круговорота. 7. Увеличение биологического многообразия и усложнение строения и функциональной организации живых существ и биосферы в целом. Организмами заняты все экологические ниши на планете. Полностью сформировались средообразующая функция биосферы и биологический контроль ее гомеостаза. УМКД 042-18-25.1.79/02-2015 Ред. № 2 от 11.06.2015 г. Страница 18 из 81 Преобразование среды вследствие деятельности организмов оказывает обратное действие на биоту и уравновешивается ее средорегулирующей функцией. 8. Появление человека – лидера эволюции. Возникновение и развитие человеческого общества, вовлечение в техногенез непропорционально больших (по мерам биосферы) потоков вещества и энергии нарушают замкнутость биотического круговорота, вызывают антропогенные экологические кризисы и становятся негативным фактором эволюции биосферы. Основные понятия: живое вещество, биогенное вещество, биокосное вещество, креационизм, самопроизвольное зарождение, стационарное состояние, панспермия, биохимическая эволюция, коацерваты, теория биопоэза, добиотическая эволюция, биотическая эволюция. Вопросы для самоконтроля: 1 Что такое живое, биогенное и биокосное вещество? 2 В чем заключается коренное отличие живого вещества от косного? 3 Перечислите основные уникальные особенности живого вещества. 4 Перечислите основные теории происхождения жизни. 5 Какой теории происхождения жизни придерживался В.И. Вернадский? 6 Основные положения теории биохимической эволюции по А.И. Опарину. 7 Охарактеризуйте этапы добиотической и биотической эволюции. Рекомендуемая литература: 1 Артамонова Е.Н. Учение о биосфере и ноосфере: Учебное пособие. – Семей: Семипалат. гос. пед. ин-т, 2010. – С. 11-30. 2 Вернадский В.И. Биосфера и ноосфера // Библиотека трудов акад. В.И. Вернадского. Живое вещество и биосфера. - М., 1994. – С. 46-52. 3 Панин М.С. Химическая экология. – Семипалатинск, 2002. – С. 21-27. 4 Петров К.М. Общая экология: взаимодействие общества и природы. - С-Пб: Химия, 1997. – С. 119-123. Лекции 3-4 Эволюция биосферы План лекции: 1 Геологическая временная шкала истории Земли 2 Характеристика эр, периодов и эпох докембрия 3 Развитие биосферы в палеозойскую эру 4 Мезозойский этап развития биосферы 5 Развитие биосферы в кайнозое Краткий конспект лекции 1 Геологическая временная шкала истории Земли УМКД 042-18-25.1.79/02-2015 Ред. № 2 от 11.06.2015 г. Страница 19 из 81 Геохронологическая шкала – геологическая временная шкала истории Земли, применяемая в геологии и палеонтологии, своеобразный календарь для промежутков времени в сотни тысяч и миллионы лет (табл.). Во второй половине XIX века на II-VIII сессиях Международного геологического конгресса (МГК) в 1881-1900 гг. были приняты иерархия и номенклатура большинства современных геохронологических подразделений. В последующем Международная геохронологическая шкала постоянно уточнялась. Конкретные названия периодам давали по разным признакам. Чаще всего использовали географические названия. Так, название кембрийского периода происходит от лат. Cambria – названия Уэльса, когда он был в составе Римской империи, девонского – от графства Девоншир в Англии, пермского – от г. Перми, юрского – от гор Юра́ в Европе. В честь древних племён названы вендский (венды – нем. название славянского народа лужицких сербов),ордовикский и силурийский (племена кельтов ордовики и силуры) периоды. Реже использовались названия, связанные с составом пород. Каменноугольный период назван из-за большого количества угольных пластов, а меловой — из-за широкого распространения писчего мела. Согласно современным общепринятым представлениям, возраст Земли оценивается в 4,5-4,6 млрд лет. Последующее время в истории Земли было разделено на различные временные интервалы. Их границы проведены по важнейшим событиям, которые тогда происходили. Время существования Земли разделено на два главных интервала: фанерозой и докембрий (криптозой) по появлению в осадочных породах ископаемых остатков. Криптозой – время скрытой жизни, в нём существовали только мягкотелые организмы, не оставляющие следов в осадочных породах. Фанерозой начался с появлением на границе эдиакария (венд) и кембрия множества видов моллюсков и других организмов, позволяющих палеонтологии расчленять толщи по находкам ископаемой флоры и фауны. Граница между эрами фанерозоя проходит по крупнейшим эволюционным событиям – глобальным вымираниям. Палеозой отделён от мезозоя крупнейшим за историю Земли пермо-триасовым вымиранием видов. Мезозой отделён от кайнозоя мел-палеогеновым вымиранием. Таблица – геохронологическая шкала Эон Эра Период Четвертичный (антропогеновый) Фанерозой Кайнозой Неогеновый Палеогеновый Эпоха Начало, лет назад Голоцен 11,7 тыс. Плейстоцен 2,588 млн Плиоцен 5,333 млн Миоцен 23,03 млн Олигоцен 33,9 млн УМКД 042-18-25.1.79/02-2015 Мезозой Палеозой Ред. № 2 от 11.06.2015 г. Докембрий Катархей 56,0 Палеоцен 66,0 145,0 Юрский 201,3 ± 0,2 млн Триасовый 252,17 млн Пермский 298,9 ± 0,15 млн Каменноугольный 358,9 ± 0,4 млн Девонский 419,2 ± 3,2 млн Силурийский 443,4 ± 1,5 млн Ордовикский 485,4 ± 1,9 млн Кембрийский 541,0 ± 1,0 млн Мезопротерозой Палеопротерозой Архей Эоцен Меловой Неопротерозой Протерозой Страница 20 из 81 ± Эдиакарий ~635 млн Криогений 850 млн Тоний 1,0 млрд Стений 1,2 млрд Эктазий 1,4 млрд Калимий 1,6 млрд Статерий 1,8 млрд Орозирий 2,05 млрд Риасий 2,3 млрд Сидерий 2,5 млрд Неоархей 2,8 млрд Мезоархей 3,2 млрд Палеоархей 3,6 млрд Эоархей 4 млрд 0,06 ~4,6 млрд 2 Характеристика эр, периодов и эпох докембрия Самая древняя – архейская эра. Архейский эон, или архей, охватывает период от 3900 до 2600 млн. лет тому назад. Архей делится на ранний архей и поздний архей. Ранним археем датируются первые ископаемые остатки бактерий и цианобактерий. Палеонтологические данные древнейших осадочных пластов свидетельствуют, что доорганизменный этап эволюции продолжался 1,51,6 млрд. лет после образования Земли как планеты. Катархей был "спектаклем без зрителей". Жизнь возникла на грани катархея и архея. УМКД 042-18-25.1.79/02-2015 Ред. № 2 от 11.06.2015 г. Страница 21 из 81 К этому времени относится возникновение древнейших осадочных пород, часть которых сохранилась в районах Лимпопо (Африка), Исуа (Гренландия), Варавууна (Австралия), Алдана (Азия). Эти породы содержат либо биогенный углерод, связанный в своем происхождении с жизнедеятельностью организмов, либо строматолиты и микрофоссилии. Строматолиты – кораллоподобные осадочные образования (карбонатные, реже кремниевые), представляющие собой продукты жизнедеятельности древнейших автотрофов. В протерозое они всегда связаны с цианобактериями, но их происхождение в архее не вполне ясно. Микрофоссилии – микроскопические включения в осадочные породы ископаемых микроорганизмов. В архее все организмы относились к прокариотам. Получение энергии у большинства архейских организмов осуществлялось путем брожения или специфического анаэробного дыхания, при котором источником кислорода, отсутствующего в атмосфере, служили сульфаты, нитриты, нитраты и т.д. На стадии аноксигенного фотосинтеза остались современные пурпурные, серые и зелёные серный фотобактерии. Донором электронов в процессе фотосинтеза у них служил главным образом H2, а не Н2О. Микроорганизмы-продуценты уже могли фиксировать атмосферный азот. Древнейшие бактериальные биоценозы, т. е. сообщества живых организмов, включавшие только продуцентов и деструкторов, были похожи на плёнки плесени, располагавшиеся на дне водоемов или в их прибрежной зоне. Оазисами жизни часто служили вулканические области, где на поверхность из литосферы поступали водород, сера и сероводород – основные доноры электронов. Геохимический цикл (круговорот веществ), существовавший на планете до возникновения жизни и наиболее ярко проявлявшийся, очевидно, в циркуляции атмосферы, пополнился биогеохимическим циклом. В конце архея земная кора приросла на треть. Почти вся Африка, Северная Америка, Сибирь, Индия, Северный Китай и восточная часть Европы сложились в то время. С увеличением площади материков расширялась и площадь суши. В конце архея был пройден критический рубеж, когда суша расширилась настолько, чтобы повлиять на земное альбедо. Тогда же кислорода стало достаточно, чтобы разложить почти весь атмосферный метан. Всё это вместе и возвестило начало первой ледниковой эры. Белоснежный покров усилил альбедо ещё больше. По мере перехода Земли в режим самооттаивающего холодильника (из-за парникового эффекта) ухудшалось положение строматолитостроителей. И повышение уровня кислорода, и понижение температуры океана мешали их нормальному развитию. Размеры строматолитовых построек и площадь их распространения стали сокращаться. Приближалось время эукариот. Протерозойская эра – эра ранней жизни. Начало 2600 ± 100 млн. назад, продолжительность 2000 млн. лет. На ранний и начало позднего протерозоя (2,5-1,5 млрд. лет назад) пришёлся своеобразный застой. Практически не меняясь внешне, организмы совершенствовались изнутри. Окремнелые остатки жи- УМКД 042-18-25.1.79/02-2015 Ред. № 2 от 11.06.2015 г. Страница 22 из 81 вых существ обнаружены более, чем в тысяче местонахождений этого возраста. Среди этих остатков особенно много попадается простых округлых телец до 0,025, реже до 0,04 мм в поперечнике. Встречаются тонкие нити с перегородками, трубки и ветвящиеся нити. Многие из них напоминают современных цианобактерий. В отдалении от бактериальных сообществ селились первые эукариоты. Тогда это были очень незатейливые шаровидные клетки. Время соперничества с бактериями за лучшие местообитания для них ещё не наступило. Первыми из известных в настоящее время групп существ в протерозойских морях были, по видимому, жгутиковые, находящиеся на грани между растительным и животным миром. От них произошли водоросли, грибы и все группы животного мира. В протерозойскую эру от колониальных одноклеточных организмов, клетки которых стали выполнять различные функции, произошли первые многоклеточные организмы. Ими были губки, археоциаты (похожие на губок животные). Жизнь в то время была тесно связана с морем. На суше никаких организмов не было, кроме, возможно, бактерий, которые могли приспособляться к самым разнообразным условиям. На основании того, что в отложениях этого времени находят остатки даже высоко развитых беспозвоночных (например, членистоногих и иглокожих), можно сделать вывод, что в протерозое животный мир уже проделал бесконечно длинный путь развития и что сегодня мы имеем возможность видеть только незначительную часть последнего акта этого развития. О разнообразии и богатстве фауны протерозоя свидетельствует также и то обстоятельство, что уже в самом начале следующей геологической эры – палеозойской, а именно в морях кембрия мы встречаемся со всеми ранее указанными типами животного царства в таком разнообразии, что можно предположить его длительное развитие в предшествующее время. 3 Развитие биосферы в палеозойскую эру Палеозойская эра – наиболее ранняя геологическая эра, входящая в состав фанерозойского эона. Согласно современным представлениям нижней границей палеозоя является время 542 млн. лет назад. За верхнюю границу принимается время 251-248 млн. лет – период самого массового вымирания живых организмов в истории Земли (пермско-триасовое вымирание видов). Длительность палеозоя около 290 млн. лет. Палеозойская эра включает 6 геологических периодов: кембрий, ордовик, силур, девон, карбон, пермь. Деление палеозойской эры на периоды основано на данных стратиграфии. Например, во время кембрийского периода возникли трилобиты и множество животных с минеральным скелетом. Ордовик, следующий за кембрием – время масштабной трансгрессии моря. Силур примечателен возникновением псилофитов – первых растений, которые вышли на сушу, а девон – возникновением первых наземных лесов, почвы и многочисленных рыб, из-за чего его ещё называют "веком рыб". Каменноугольный период, предпоследний из периодов УМКД 042-18-25.1.79/02-2015 Ред. № 2 от 11.06.2015 г. Страница 23 из 81 палеозойской эры, получил своё название в связи с массовым угленакоплением, в результате широкого распространения голосеменных растений. В это же время происходило слияние древних континентов Лавразии и Гондваны в единый суперконтинент – Пангею. Наконец с последним из геологических периодов палеозоя – пермью, связано широкое распространение красноцветных континентальных отложений и отложений соленосных лагун. В самом начале палеозойской эры произошло внезапное появление и быстрое расселение форм с твёрдым минеральным скелетом: фосфатным, известковым, кремниевым. К ним относятся хиолиты, акритархи, хиолительминты, строматопороидеи, гастроподы, мшанки, пелециподы (двустворки), брахиоподы (плеченогие) и археоциаты – древнейшие рифостроящие организмы, вымершие к концу раннего кембрия. В нижнем палеозое широко распространены древнейшие членистоногие – трилобиты. Они составляли значительную часть органического мира кембрийских и ордовикских морей, менее многочисленны они были в силуре и вымерли в конце палеозойской эры. К беспозвоночным палеозойской эры, свободно плававшим на поверхности моря, относятся граптолиты, время существования которых в основном ограничено ордовиком и силуром, и головоногие моллюски из группы наутилоидов, особенно богато представленные в ордовике. В девонском периоде они отходят на второй план, но быстро развиваются гониатиты с более сложно построенной раковиной; наконец, в верхнем палеозое широко распространились одноклеточные животные – фораминиферы, среди которых особенно важны фузулиниды, имевшие раковины необычайно сложного строения. Изменения раковин фузулинид в сравнительно короткие отрезки времени позволяют с большей детальностью сопоставлять одновозрастные отложения, заключающие их остатки в разных районах. Поверхность суши в палеозойскую эру заселяли многоножки, появившиеся ещё в кембрии, скорпионы, пауки, клещи, насекомые. В карбоне, в связи со значительным расцветом наземной флоры, появились брюхоногие моллюски с лёгочным дыханием, первые летающие насекомые; возросло разнообразие пауков и скорпионов. Среди насекомых было много довольно крупных форм. Например, у древней стрекозы меганевры размах крыльев достигал одного метра. Даже многоножки достигали в длину более 2-х м. Как считают учёные, гигантизм насекомых был вызван более высоким уровнем кислорода в атмосфере того времени. Растительный мир палеозойской эры развивался так же быстро, как и животный. В кембрии и ордовике растения были представлены главным образом водорослями. Вопрос о существовании высших наземных растений в это же время остаётся открытым: известны немногочисленные остатки спор и отпечатков, видовая принадлежность которых неясна. УМКД 042-18-25.1.79/02-2015 Ред. № 2 от 11.06.2015 г. Страница 24 из 81 В отложениях силура встречаются остатки спор, а в породах нижнего девона повсеместно имеются отпечатки примитивных низкорослых растений – риниофитов, по-видимому, населявших прибрежные районы. В среднем и верхнем девоне растительность становится значительно разнообразнее: распространены древовидные плауновые, первые членистостебельные (в том числе клинолисты), прапапоротники, прогимноспермы и первые голосеменные. Образуется почвенный покров. Следующий за девоном карбон – время расцвета наземной флоры, представленной хвощеподобными каламитами, древовидными плауновыми (лепидодендроны, сигилярии и др.), различными папоротниками, папоротникообразными семенными (птеридоспермами) и кордаитами. Густая лесная растительность этого времени послужила материалом для образования многочисленных пластов каменного угля. Начиная с карбона отмечается появление палеофлористических областей: Еврамерийской, Ангарской и Гондванской. В пределах последней, видимо, уже существовала так называемая глоссоптериевая флора, особенно характерная для следующего, пермского периода. 4 Мезозойский этап развития биосферы Мезозой – эра средней жизни. Начало эры – 230±10 млн. лет, конец – 66±3 млн. лет назад. Мезозойская эра включает в себя 3 периода: триасовый (40±5 млн. лет); юрский (60 млн. лет); меловой (70 млн. лет). В начале мезозойской эры появляются горы: Урал, Тянь-Шань, Алтай. На большей части земного шара устанавливается тёплый климат, близкий к современному тропическому. В триасе происходит ослабление климатической зональности, сглаживание температурных различий, начинается движения материков. 250 млн. лет назад вся суша Земли была объединена в суперконтинент Пангею, располагавшийся в одном полушарии. Климат в это время везде был практически одинаков, без таких колебаний температуры, как в современном мире. Область суши, которая в наше время стала Африкой, окружали обе Америки (с запада), Европа (с севера) и Антарктида (с юга). Современный азиатский полуостров Индостан составлял единое целое с Африкой, отделенной от Азии огромным заливом. Континенты все еще были слиты в единый суперконтинент Пангею, животные, включая амфибий, могли мигрировать на большие расстояния, и животный мир был одинаков по всей суше. В отличие от современного, климат на протяжении большей части триасового периода был теплым, со слабо выраженной зональностью от полюсов к экватору. Ледовых полярных шапок не было, поскольку и Северный, и Южный полюс в то время находились в океане. Климат становится все более жарким и засушливым: начинают пересыхать озера и реки, а во внутренних областях – образовываться обширные пустыни. Ближе к концу триасового периода произошло похолодание, совпавшее с еще одним массовым вымиранием, расчистившим путь для распространения в кон- УМКД 042-18-25.1.79/02-2015 Ред. № 2 от 11.06.2015 г. Страница 25 из 81 це триаса динозавров, хотя, как ни странно, климат во время похолодания стал еще более засушливым. В юрском периоде климат, вначале влажный, в конце – засушливый. Происходит движение континентов, формирование Атлантического океана. В меловом периоде прохладный климат, увеличение площади Мирового океана и новое поднятие суши. Идут интенсивные горообразовательные процессы (Альпы, Анды, Гималаи). В эту эру продолжалось усложнение организмов и темпы эволюции возрастали. В течение почти всей эры на суше господствовали голосеменные растения и пресмыкающиеся. В триасе вымирают гигантские папоротники, древовидные хвощи, плауны. Достигают расцвета голосеменные растения. Возникновение первых костных рыб. В триасе началась великая война двух сухопутных племён – рептилий и звероподобных. В мелководных лагунах триасовых морей обитало множество морских рептилий, в число которых входил Askeptosaurus, напоминающий сегодняшних крокодилов, и Placodus, достигавший 2,5 м в длину и питавшийся моллюсками. Растения, преобладавшие в ландшафтах триасового периода, включали древовидные папоротники, саговник и хвощи, возникшие в палеозойскую эру. Окаменелые папоротники были найдены в породах Антарктиды. 220 млн. лет назад в ландшафте преобладали кустарники с вкраплениями хвойных деревьев, напоминающих современные, и огромных гинкговых растений. Первые голосеменные растения появились еще в конце палеозоя. В мезозое они сменили древовидные папоротники и хвощи, чему во многом способствовал более засушливый климат. В юрский период появились новые группы моллюсков. Вымирают семенные папоротники и появляются первые покрытосеменные растения. Достигают расцвета насекомые и рептилии. В конце периода появление первоптиц – археоптерикса. Останки археоптерикса были найдены в мелкозернистых известняках юга Германии, которые в XIX в. широко использовались в печатании литографий. Когда в 1860 г. рабочие карьера раскололи одну из известняковых плит, то обнаружили в толще пластов скелет существа, напоминавшего птицу. Эти останки были исследованы и описаны немецким палеонтологом Германом Майером в 1861 г., назвавшим найденное существо Archaeopteryx lithographica. На юрский период (208-144 миллиона лет назад) приходится расцвет динозавров. Некоторые динозавры этого периода были внушительных размеров, вооруженные пластинами и шипами. Среди них встречаются: аллозавр, археоптерикс, брахиозавр, диплодок, стегозавр и др. Динозавры господствовали на суше, в воде и в воздухе. УМКД 042-18-25.1.79/02-2015 Ред. № 2 от 11.06.2015 г. Страница 26 из 81 В меловом периоде начинается параллельная эволюция цветковых растений и насекомых-опылителей. Вымирают хищные динозавры и крупные рептилии. В морях вымирают многие формы беспозвоночных и морские ящеры. Наиболее приспособленными оказываются птицы и млекопитающие. Возрастало количество и видовое разнообразие млекопитающих, появились животные, потомки которых ассоциируются прежде всего с одним континентом – Австралией. Это сумчатые, самые примитивные из ныне живущих живородящих млекопитающих и однопроходные (клоачные), или яйцекладущие млекопитающие. При переходе от раннего к среднему меловому периоду появились первые цветковые растения. В это же время продолжалась эволюция огромных травоядных динозавров. Одно из самых значительных событий за всю историю Земли произошло ок. 65 млн. лет назад. В это время вымерли несколько больших групп позвоночных, включая динозавров, а также морских (мозазавров, плезиозавров, плиозавров и ихтиозавров) и летающих (птерозавров) рептилий. Другие позвоночные: лягушки, ящерицы, крокодилы, змеи, черепахи, млекопитающие пережили катастрофу. 5 Развитие биосферы в кайнозое Кайнозойская эра – это новый этап геологической истории Земли, который продолжается поныне. Длительность эры 65 млн. лет. В течение кайнозоя развился новый цикл геологических процессов, изменивший и усложнивший структуры земной коры и создавший современную физико-географическую обстановку. В кайнозое сложился своеобразный органический мир, в котором млекопитающие играют ведущую роль; появился человек, и его деятельность стала одним из факторов преобразования географического лика Земли. Первоначально кайнозой делили на два периода – третичный и четвертичный. В третичный период включали палеоген и неоген. В настоящее время в кайнозое выделяют три периода: К а й н о з о й (65,5 млн. лет назад-настоящее время) Палеоген (65,5-23,03) Палеоцен (65,555,8) Эоцен (55,833,9) Олигоцен (33,923,03) Неоген (23,032,588) Миоцен (23,035,332) Плиоцен (5,3322,588) Четвертичный (2,588-) Плейстоцен (2,588-12 тыс.) Голоцен (12 тыс.-) В начале палеогена в Северном полушарии находилось два огромных материка, соединявшихся в районе Берингова пролива, – Евразия и Северная Америка. УМКД 042-18-25.1.79/02-2015 Ред. № 2 от 11.06.2015 г. Страница 27 из 81 В Южном полушарии было несколько материков – частей бывшей Гондваны: Африка, Индостан, Южная Америка. Полное отделение Антарктиды от Австралии и Южной Америки, вероятно, произошло во второй половине палеогена. Между всеми материками существовали все современные океаны. Между северными и южными материками располагалось море Тетис. Палеоген – время проявления альпийской складчатости, начавшейся еще в самом конце мела. В первой половине палеогена климат на планете был значительно мягче современного. В раннем и среднем эоцене среднегодовая температура в Европе составляла +27°С (самая высокая за весь мезозой и кайнозой), но уже к концу эоцена она понизилась до +(7–10)°С (как в настоящее время), а в олигоцене была всего +(5–7)°С. Кратковременная регрессия конца мела, времени великого вымирания, сменилась в палеогене трансгрессией, которая достигла своего максимума в эоцене (Р2). Это была последняя большая трансгрессия в истории Земли. В конце палеогена море покидает почти все континенты. В палеоцене несколько расширился, по сравнению с поздним мелом, Атлантический океан. Контуры Индийского океана заметно отличались от современных: восточную часть океана занимал обширный устойчивый глубоководный бассейн; в центральной части океана находились срединно-океанический хребет и обширная зона небольших глубин: на западе – вдоль побережья Африки располагались небольшие глубоководные впадины, заполнявшиеся продуктами размыва континента. В эоцене появились проливы между Австралией и Антарктидой, между Антарктидой и Южной Америкой. В олигоцене начинается глобальное похолодание, рост климатических контрастов, регрессия океанов. Возрастает гидроизоляция Антарктиды, где быстро развивается покровное оледенение. Где-то около 38 млн. лет назад ледники достигли океана и появились первые айсберги. На территории Тетиса идет формирование внутренних морей – Средиземноморского, Черного и Каспийского. Палеогеографическая зональность в течение неогена постепенно приближалась к современной. В конце неогена в основном завершается геосинклинальный процесс. Однако земная кора в пределах альпийских складчатых поясов и в настоящее время сохраняет значительную подвижность: поднятия (Гималаи, Анды, Кордильеры) и опускания (южная часть Каспия, Черное, Эгейское и Мраморное моря, Мексиканский залив — во всех этих впадинах еще идет интенсивное осадконакопление), проявляется современный вулканизм и сейсмичность. Характерно чередование похолоданий и потеплений. В Европе в конце нижнечетвертичного века главными центрами оледенения являлись Скандинавия и Альпы. В это время развивается так называемое Миндельское (Окское) оледенение. В Альпах ледники достигают подножий гор. Ледники со Сканди- УМКД 042-18-25.1.79/02-2015 Ред. № 2 от 11.06.2015 г. Страница 28 из 81 навии достигают северных границ Белоруссии и района Москвы (р. Ока). Ледники устанавливаются на Северном и Полярном Урале, в горных районах Южной и Восточной Сибири, в Северной Америке. Начало среднего плейстоцена является временем длительного, почти повсеместного, потепления, когда климат был даже теплее современного. На рубеже 300 тыс. лет это потепление сменяется наиболее долгим (продолжавшимся 130–180 тыс. лет) значительным похолоданием плейстоцена – русским (среднерусским), которое привело к самому обширному оледенению Северного полушария. На территории России это днепровское (самаровское) и московское (тазовское) оледенения. Последнее заметно уступает днепровскому по своим масштабам. Днепровский ледниковый щит двигался со Скандинавского полуострова двумя языками: первый язык он спускался по долине Днепра и дошел до современного Днепропетровска, второй – по Дону-Волге, достиг г. Волгограда. Ледник московского времени сумел достигнуть только г. Москвы. Синхронно с оледенениями происходили и трансгрессии моря на континенты. В этот период море затапливало всю северную часть ЗападноСибирской низменности, проникало далеко на юг по Восточно-Европейской равнине, в междуречье Енисея и Лены и в др. места. Начало позднего плейстоцена характеризуется мощным потеплением – межледниковьем. В это время Балтийское море широким проливом соединялось с Белым морем. Каспийское и Азовское моря были заметно крупнее современных, а Крым был островом. Это потепление 70–90 тыс. лет назад сменяется опять похолоданием, известным под названием валдайского (зырянского) оледенения. Этот ледник в Европе доходил из Скандинавии до Валдайской возвышенности, а в Сибири он был горным или горно-долинным. Голоцен начавшийся 10 тыс. лет назад характеризуется природными условиями, весьма близкими к современным. Из множества гипотез, объясняющих оледенения, заслуживает внимание две основные их группы — это астрономические и теллурические. Первые гипотезы все оледенения объясняют космическими причинами: перемещением полюсов Земли; взрывом вблизи солнечной галактики сверхновых звезд, которые якобы своими осколками (газово-пылевидными туманностями или «облаками») как бы заслоняют Землю от Солнца. Правда, изменение солнечной радиации может быть вызвано и другим способом – изменением наклона эклиптики и эксцентриситета земной орбиты (гипотеза югославского ученого Миланковича), в результате чего меняется расстояние Земли от Солнца. Из гипотез теллурического характера следует упомянуть гипотезу русского ученого И. Д. Лукашевича, который все изменения климата объясняет изменениями земной поверхности в связи с колебательными и орогеническими движениями земной коры. УМКД 042-18-25.1.79/02-2015 Ред. № 2 от 11.06.2015 г. Страница 29 из 81 Межледниковые эпохи характеризуются в Европе широколиственными лесами (дубравами), ледниковые эпохи – степями. Современное межледниковье началось примерно 10 000 лет назад и судя по тому, что ни одна межледниковая эпоха не держалась более 10–12 тыс. лет, мы живем с вами в конце межледникового периода перед очередными ледниковым периодом, который наступит в ближайшие 1–2 тысячелетия. При этом, проведя всевозможные расчеты, ученые-гляциологи установили следующий сценарий ближайшего оледенения: первое тысячелетие продлится на Земле потепление, за ним последует 22 000-летний промежуток направленного похолодания. Правда этот прогноз совершенно не учитывает спонтанного развития природы и возможные воздействия антропогенного фактора, т.к. углекислый газ от сжигания все более и более укутывает нашу планету. Начался 65 млн. лет назад и закончился 23 млн. лет назад. Впервые палеоген К. Науманном в 1866 г. Из простейших были широко развиты фораминиферы, представленные мелкими планктонными и относительно более крупными бентосными формами. Из последних наиболее характерны нуммулиты, которые образовывали пласты до десятков метров, поэтому изредка появляются проекты переименования палеогена в нуммулитовый период. Из кораллов продолжают существовать гексакораллы. Большую роль играют разнообразные радиолярии, губки, спикулы которых также формируют целые пласты – спонголит. На втором месте по распространенности среди простейших занимали двустворчатые и брюхоногие моллюски. Последние, кроме того, начали осваивать сушу. Многочисленны были мшанки и морские ежи, насекомые (в янтаре из Прибалтики их нашли уже более 3000 видов). В водных бассейнах многочисленны были рыбы. Среди позвоночных господствующее положение заняли млекопитающие и беззубые птицы, как летающие, так и нелетающие. В палеогене быстро эволюционировали млекопитающие от примитивных до развитых. Они быстро приспособились к жизни на суше, в воздухе и в воде, увеличились их размеры. Появились даже такие гиганты как индриктерий, достигавший в высоту 5 метров, мастодонт и динотерий. Наиболее многочисленными были представители архаичных непарнокопытных, затем шли парнокопытные, примитивные грызуны, хищники, насекомоядные и зайцеобразные. В растительном мире господствовали покрытосеменные (цветковые). Из голосеменных были многочисленны только хвойные. В качестве самостоятельного стратиграфического подразделения неоген австралийским геологом М. Гернесом в 1853 г. Общий состав фауны и флоры постепенно приближается к современному. В морях нормальной солености развиваются те же группы, что и в палеогене. УМКД 042-18-25.1.79/02-2015 Ред. № 2 от 11.06.2015 г. Страница 30 из 81 Среди наземных млекопитающих в начале периода вымирают примитивные формы: древние хищники, титанотерии (крупные непарнокопытные). Господствующее положение начинают занимать ныне живущие семейства и роды, появляются медведи, антилопы, быки, жирафы, слоны, овцы, козы. В конце миоцена и в раннем плиоцене появляются человекообразные обезьяны, гиппопотамы, олени, первые настоящие лошади. В начале позднего плиоцена широко распространяются слоны, мастодонты, саблезубые тигры. Характерная особенность позднего плиоцена – появление представителей рода Homo – человека. В неогене достигла своего максимума альпийская складчатость, начавшаяся еще в самом конце позднего мела, продолжалась в течение кайнозоя. Другая особенность неогенового и следующего за ним четвертичного периода – активизация вертикальных тектонических движений в областях древних складчатостей (докембрийских, каледонской, герцинской, киммерийской), получившая название «эпиплатформенный орогенез». Следствием альпийской складчатости, эпиплатформенного орогенеза и углубления океанических впадин явилась обширная регрессия, обусловившая экстремальный геократический период в истории Земли. Регрессия вызвала рост Антарктического ледника и оледенение в Северном полушарии. К концу неогена завершилось оформление контуров материков в границах, близких к современным. Антропогеновый период – это ныне продолжающийся период и был выделен в 1829 г. бельгийским геологом Ж. Денуайэ. От более древних периодов геологической истории его отличают следующие признаки: 1) необычайно малая длительность (3,3–0,7 млн. лет по разным данным); 2) появление и развитие человека и его материальной культуры; 3) резкие и многократные колебания климата, что привело к многократным оледенениям в арктических и антарктических зонах; 4) неоднократные крупные планетарные изменения уровня Мирового океана. В основу подразделения антропогенового периода положен климатостратиграфический принцип – чередование похолоданий (ледниковий) и потеплений (межледниковий). Наземная растительность современного облика начала формироваться еще в неогене. В антропогене постепенно вымирают или резко сокращают свои ареалы теплолюбивые формы; сокращаются площади лесов и расширяются травянистые степные пространства; возникают тундровые и арктические ассоциации. Животный мир тоже испытывает крупные эволюционные изменения. Особенно ярко это проявляется среди млекопитающих и человека. В морях широко распространены моллюски, фораминиферы, остракоды и диатомовые водоросли. УМКД 042-18-25.1.79/02-2015 Ред. № 2 от 11.06.2015 г. Страница 31 из 81 В нижнечетвертичном веке появляются холодовыносливые формы: овцебык, северный олень. В южных зонах обитают многочисленные слоны, лошади, ослы, носороги, бизоны. Для верхнечетвертичного века характерны, кроме мамонта, шерстистый носорог, северный олень, лось, овцебык, песец. Для голоцена характерно отсутствие мамонта, шерстистого носорога. К этому времени относится приручение животных человеком. Появление человека – наиболее важная особенность четвертичного периода. Австралопитеки являются предшественниками древних людей. Их остатки найдены в слоях, возраст которых от 5,5 до 0,9 млн лет. Объем их мозга составлял 530–550 куб. см. Человек умелый (Homo habilis) отличался от австралопитеков несколько большим объемом мозга (700–800 куб. см) и использовал в качестве орудий труда уже не палки и камни, а самодельные примитивные каменные орудия, получившие наименование культуры галек (олдувай). Архантропы (питекантроп, гендельбергский человек и синантроп) уже умели изготовлять каменные орудия. Объем мозга синатропа уже 1050 куб. см, его остатки найдены в слое золы вместе с каменными орудиями и костями животных. Возраст этих слоев составлял 200–250 тыс. лет. Находки остатков неандертальцев, их стоянок и орудий достаточно высокой степени обработки сделаны в слоях с возрастом от 200–170 до 35–30 тыс. лет. Они умели добывать огонь и жили охотой и собирательством. Появившиеся 45–40 тыс. лет назад неантропы, по своему физическому типу не отличались от современных представителей человека. Они с высоким совершенством умели изготовлять каменные топоры и молотки, в которых могли просверливать отверстия, вырезали статуэтки из кости и камня, рисовали на стенах пещер. Люди современного типа появились 10 тыс. лет назад. Основные понятия: геохронологическая шкала, эон, эра, период, фанерозой, докембрий (криптозой), архей, протерозой, прокариоты, эукариоты, цианобактерии, строматолиты; палеозойская эра, кембрий, ордовик, силур, девон, карбон, пермь, трилобиты, кордаиты; мезозой, триас, юра, мел, археоптерикс, параллельная эволюция; кайнозой, палеоген, неоген, антропоген, нуммулиты, австралопитек, питекантроп, гендельбергский человек, синантроп, неантроп. Вопросы для самоконтроля: 1 Что такое геохронологическая шкала? 2 Какие два главных интервала выделяют в истории Земли? 3 Как развивалась жизнь в архейскую эру? 4 Охарактеризуйте многообразие жизни в протерозое. 5 Каковы временные рамки палеозойской эры? 6 На какие периоды делится палеозойская эра? УМКД 042-18-25.1.79/02-2015 Ред. № 2 от 11.06.2015 г. Страница 32 из 81 7 Какими были условия для жизни животных и растений в ранний палеозой? 8 Какие животные и растения жили в палеозойский период? 9 Чем был вызван гигантизм насекомых того времени? 10 Каковы временные рамки мезозойской эры? 11 На какие периоды делится мезозой? 12 Какими были условия для жизни животных и растений в мезозойскую эру? 13 Какие животные и растения жили в мезозое? 14 Чем была вызвана мезозойская катастрофа? 15 Дайте характеристику органическому миру палеогена. 16 Составьте геохронологическую шкалу кайнозойской эры. 17 Почему эпохи и отделы в четвертичном периоде называются разделами? 18 Кратко осветите историю возникновения современного типа человека. 19 Чем обусловлены оледенения четвертичного периода? Рекомендуемая литература: 1 Артамонова Е.Н. Учение о биосфере и ноосфере: Учебное пособие. – Семей: Семипалат. гос. пед. ин-т, 2010. – С. 30-33. МОДУЛЬ 2 УЧЕНИЕ В.И. ВЕРНАДСКОГО О БИОСФЕРЕ Лекции 5-6 В.И. Вернадский – основоположник учения о биосфере План лекции: 1 Жизнедеятельность В.И. Вернадского 2 Значение основных трудов В.И. Вернадского в развитии естествознания 3 Функции живого вещества Краткий конспект лекции 1 Жизнедеятельность В.И. Вернадского В.И. Вернадский отличался разнообразием и широтой научных интересов и открытий, талантом научного предвидения. Темы его работ касаются времени и пространства, жизни и смерти, почвы и воды, животных, растений и человечества. Он не просто интересовался всем этим, но исследовал, осмысливал и постигал. В творчестве Вернадского сплелись в один узел химия, геология и биология. Он стал основоположником целого ряда смежных наук – геохимии и биогеохимии, радиогеологии и учения о биосфере. Его исследования начались с минералогии. Однако ученый скоро понял, что интересуют его не столько предметы, сколько процессы. Как мог образоваться состав земной коры, каким является охваченное жизнью вещество биосферы? «Мне суждено сказать новое в учении о живом веществе. Это учение может оказать такое же влияние, как книга Дарвина», писал В.И. Вернадский. До него понятие «биосфера» отождествлялось с пленкой жизни, а она УМКД 042-18-25.1.79/02-2015 Ред. № 2 от 11.06.2015 г. Страница 33 из 81 ускользала от внимания геологов из-за своей ничтожности по сравнению с атмосферой, гидросферой или литосферой. Учение Вернадского произвело переворот во взглядах на глобальные природные явления, в том числе геологические процессы, причины явлений, их эволюцию. До трудов Вернадского эти процессы связывались, прежде всего, с действием физико-химических сил, объединяемых термином «выветривание». В.И. Вернадский же показал первостепенную, преобразующую роль живых организмов и обусловливаемых ими механизмов образования и разрушения геологических структур, круговорота веществ и изменения всех внешних оболочек Земли. Основные даты жизнедеятельности В.И. Вернадского представлены в таблице 1. Таблица 1 – Основные даты жизни и деятельности В.И. Вернадского Дата Событие 12 марта В Петербурге родился Владимир Иванович Вернадский 1863 г. 1881 г. Окончание курса гимназии и поступление на физико-математический факультет Петербургского университета 1884 г. Участие в экспедиции профессора В.В. Докучаева по обследованию земель Нижегородской губернии. Смерть отца 1885 г. Окончание курса университета с оставлением при университете для подготовки к профессорскому званию. Женитьба на Наталье Егоровне Старицкой. Рождение сына Георгия 1890 г. Назначение профессором минералогии и кристаллографии Московского университета. Защита магистерской диссертации при Петербургском университете 1892 г. Назначение заведующим минералогическим кабинетом Московского университета. Создание «Теории строения силикатов» и публикация «Курса минералогии». Рождение дочери Нины 1902 г. Вступительная лекция «О научном мировоззрении» к курсу истории естествознания. Избрание адъюнктом по минералогии в Академию наук. Избрание в Государственный совет от Академии наук. Избрание экстраординарным академиком 1911 г. Уход из Московского университета в знак протеста против политики правительства и переезд в Петербург 1912 г. Избрание ординарным академиком. Организация минералогической лаборатории 1915 г. Организация Комиссии по изучению естественных производительных сил России 1918 г. Организация Украинской Академии наук, первым президентом которой избирается В.И. Вернадский. Чтение курса «Геохимии» в Киевском университете и первые экспериментальные работы по УМКД 042-18-25.1.79/02-2015 Ред. № 2 от 11.06.2015 г. Страница 34 из 81 исследованию живого вещества. Избрание ректором Таврического университета. Возвращение в Петроград. Командировка во Францию по приглашению Сорбонны для чтения курса лекций по геохимии 1926 г. Возвращение в Ленинград, издание «Биосферы», возобновление работы в отделе живого вещества 1935 г. Переезд в Москву 1941 г. Эвакуация в Боровое 1943 г. Смерть жены. Возвращение из эвакуации в Москву 1944 г. Публикация последней работы «Несколько слов о ноосфере» 5 часов дня Умер от кровоизлияния в мозг на 82-м году жизни 6 января 1945 г. 2 Значение основных трудов В.И. Вернадского в развитии естествознания Владимир Иванович оставил после себя огромное число фундаментальных научных работ, среди них в первую очередь необходимо отметить такие, как «Биосфера», «Живое вещество», «Несколько слов о ноосфере», а также «Биогеохимические очерки», «Очерки геохимии», «Химическое строение биосферы Земли и ее окружения» и др. Значение трудов Вернадского состоит в том, что он изучал биосферу в разных аспектах: пространственно-временном (эволюцию жизни на Земле); информационном (принципы организации и управления, осуществляемые в живой природе); энергетическом (связь жизни с эндо- и экзогенными источниками энергии); ноосферном (человек – геологическая сила). Современное учение о биосфере как активной оболочке Земли, в которой совокупная деятельность живых организмов и человека проявляется в качестве геохимического фактора, получило свое начало только в 1926 г. в работах В.И. Вернадского. В своей книге «Биосфера» ученый впервые показал, что биосфера – закономерный результат развития нашей планеты, ее верхней области – земной коры. Живые организмы в биосфере – не случайные гости, а часть закономерной организованности. В.И. Вернадский конкретизировал и очертил границы жизни в биосфере, но, самое главное, всесторонне раскрыл роль живых организмов в процессах планетарного масштаба. Живые организму не только осуществляют геохимический круговорот элементов, они создают для себя и условия существования. Вместе с тем, сами живые существа претерпели необычный в истории формирования Земли, пожалуй, и всей Солнечной системы качественный, поступательный процесс развития. Он отмечал, что биосферу можно и нужно рассматривать как весьма УМКД 042-18-25.1.79/02-2015 Ред. № 2 от 11.06.2015 г. Страница 35 из 81 сложную саморегулирующуюся природную систему, состоящую из живого вещества и неживой материи. Основное внимание Вернадский уделял высшей форме развития материи на Земле – жизни, которая определяет и подчиняет себе другие планетарные процессы. По его представлению, химическое состояние наружной коры нашей планеты (биосферы) всецело находится под влиянием жизни. А энергия, придающая биосфере обычный облик, имеет космическое происхождение. Источником ее являются лучи Солнца. Но именно живые организмы, совокупность жизни, по мнению В.И. Вернадского, превращают эту космическую энергию в земную, химическую, и создают бесконечное разнообразие нашего мира. Этот великий планетарный процесс, пишет ученый, есть миграция химических элементов в биосфере. В.И. Вернадский впервые доказал наличие динамического равновесия между веществом и энергией в мироздании. Он утверждал, что живое вещество, не превышающее по весу и десятой доли процента биосферы, совершает огромные биогеохимические процессы на планете. Он рассматривал органическое вещество живых организмов в качестве носителя свободной энергии в биосфере. В последние годы жизни ученый пришел к выдающемуся философскому открытию – идее перехода биосферы в ноосферу. Среди живой материи ведущую роль ученый отводил человечеству. Он акцентировал внимание на том обстоятельстве, что человечество, взятое в целом, становится мощной геологической силой и способно превратить биосферу в ноосферу, т.е. сферу разумного гармонического взаимоотношения природы и общества. Учение о биосфере и ноосфере в наше время стало основой новой экологической стратегии выживания человечества – концепции устойчивого развития. Обращает на себя внимание и смелое предвидение ученого планетарного, геохимического значения общественной производительной деятельности человека, которая во все возрастающих масштабах воздействует на судьбу химических элементов планеты. В.И. Вернадский прогнозировал влияние на природу в эпоху ноосферы результатов деятельности человека, ее масштабов. Он писал об удивительной быстроте роста геохимической работы человека, о все более ярком влиянии сознания и коллективного разума на геохимические процессы, которые могут и изменят не только геохимический состав, но и структурную организацию биосферы. Более того, он даже предвидел выход человека за пределы планеты. Ученый считал возможным говорить об автотрофной роли человечества, понимая под этим все возрастающие масштабы искусственного синтеза органических материалов, различных полимеров и других веществ, часто даже не имеющих аналогов в живой природе. Он отмечал: «Я смотрю на все с точки зрения ноосферы и думаю, что в буре и грозе, в ужасе и страданиях стихийно родится новое, прекрасное буду- УМКД 042-18-25.1.79/02-2015 Ред. № 2 от 11.06.2015 г. Страница 36 из 81 щее человечества». К сожалению, натуралист ошибся в своих прогнозах. Он слишком идеализировал отношение будущего человека к природе, считал, что оно обязательно будет добрым, мудрым, и не мог, конечно, предположить масштабов и темпов потребительских, варварских действий человека по отношению к природе и окружающей среде. 3 Функции живого вещества Всю деятельность живых организмов в биосфере можно, с определенной долей условности, свести к нескольким основополагающим функциям, которые позволяют значительно дополнить представление об их преобразующей биосферно-геологической роли. В.И. Вернадский выделял девять функций живого вещества: газовую, кислородную, окислительную, кальциевую, восстановительную, концентрационную и другие. В настоящее время название этих функций несколько изменено, некоторые из них объединены. Мы приводим их в соответствии с классификацией А.В. Лапо (1987). 1. Энергетическая. Связана с запасанием энергии в процессе фотосинтеза, передачей ее по цепям питания, рассеиванием. Энергетическая функция живого вещества нашла отражение в двух биогеохимических принципах, сформулированных В.И. Вернадским. В соответствии с первым из них геохимическая биогенная энергия стремится в биосфере к максимальному проявлению. Второй принцип гласит, что в процессе эволюции выживают те организмы, которые своей жизнью увеличивают геохимическую энергию. 2. Газовая - способность изменять и поддерживать определенный газовый состав среды обитания и атмосферы в целом. В частности, включение углерода в процессы фотосинтеза, а затем в цепи питания обусловливало аккумуляцию его в биогенном веществе (органические остатки, известняки и т.п.). В результате этого шло постепенное уменьшение содержания углерода и его соединений, прежде всего СО2 в атмосфере с десятков процентов до современных 0,03%. Это же относится к накоплению в атмосфере кислорода, синтезу озона и другим процессам. 3. Окислительно-восстановительная. Связана с интенсификацией под влиянием живого вещества процессов как окисления, благодаря обогащению среды кислородом, так и восстановления прежде всего в тех случаях, когда идет разложение органических веществ при дефиците кислорода. Восстановительные процессы обычно сопровождаются образованием и накоплением сероводорода, а также метана. Это, в частности, делает практически безжизненными глубинные слои болот, а также значительные придонные толщи воды (например, в Черном море). Данный процесс в связи с деятельностью человека прогрессирует. 4. Концентрационная - способность организмов концентрировать в своем теле рассеянные химические элементы, повышая их содержание по сравнению с окружающей организмы средой на несколько порядков (по марганцу, напри- УМКД 042-18-25.1.79/02-2015 Ред. № 2 от 11.06.2015 г. Страница 37 из 81 мер, в теле отдельных организмов - в миллионы раз). Результат концентрационной деятельности - залежи горючих ископаемых, известняки, рудные месторождения и т.п. Эту функцию живого вещества всесторонне изучает наука биоминералогия. Организмы-концентраторы используются для решения конкретных прикладных вопросов, например для обогащения руд интересующими человека химическими элементами или соединениями. 5. Деструктивная - разрушение организмами и продуктами их жизнедеятельности как самих остатков органического вещества, так и косных веществ. Основной механизм этой функции связан с круговоротом веществ. Наиболее существенную роль в этом отношении выполняют низшие формы жизни - грибы, бактерии (деструкторы, редуценты). 6. Транспортная - перенос вещества и энергии в результате активной формы движения организмов. Часто такой перенос осуществляется на колоссальные расстояния, например, при миграциях и кочевках животных. С транспортной функцией в значительной мере связана концентрационная роль сообществ организмов, например, в местах их скопления (птичьи базары и другие колониальные поселения). 7. Средообразующая. Эта функция является в значительной мере интегративной (результат совместного действия других функций). С ней в конечном счете связано преобразование физико-химических параметров среды. Эту функцию можно рассматривать в широком и более узком планах. В широком понимании результатом данной функции является вся природная среда. Она создана живыми организмами, они же и поддерживают в относительно стабильном состоянии ее параметры практически во всех геосферах. 8. Наряду с концентрационной функцией живого вещества выделяется противоположная ей по результатам - рассеивающая. Она проявляется через трофическую (питательную) и транспортную деятельность организмов. Например, рассеивание вещества при выделении организмами экскрементов, гибели организмов, при разного рода перемещениях в пространстве, смене покровов. Железо гемоглобина крови рассеивается, например, кровососущими насекомыми и т. п. Важна также информационная функция живого вещества, выражающаяся в том, что живые организмы и их сообщества накапливают определенную информацию, закрепляют ее в наследственных структурах и затем передают последующим поколениям. В обобщающем виде роль живого вещества сформулирована геохимиком А.И. Перельманом в виде закона биогенной миграции атомов (В. И. Вернадского): «Миграция химических элементов на земной поверхности и в биосфере в целом осуществляется или при непосредственном участии живого вещества, или же она протекает в среде, геохимические особенности которой обусловлены живым веществом...». В соответствии с этим законом понимание процессов, протекающих в биосфере, невозможно без учета биотических и биогенных УМКД 042-18-25.1.79/02-2015 Ред. № 2 от 11.06.2015 г. Страница 38 из 81 факторов. Воздействуя на живое население Земли, люди тем самым изменяют условия миграции атомов, а следовательно, воздействуют на основополагающие геологические процессы. Основные понятия: геохимия, биогеохимия, радиогеология, минералогия, земная кора, пленка жизни, выветривание, ноосфера, функции живого вещества. Вопросы для самоконтроля: 1 Охарактеризуйте основные этапы жизнедеятельности В.И. Вернадского. 2 Каков вклад ученого в развитие геохимии, биогеохимии, радиогеологии? 3 Перечислите основные фундаментальные труды В.И. Вернадского. В чем состоит их значение? 4 Какую роль среди живой материи отводил ученый человечеству? 5 Каковы основополагающие функции живого вещества в биосфере? 6 Сформулируйте закон биогенной миграции атомов. Рекомендуемая литература: 1 Артамонова Е.Н. Учение о биосфере и ноосфере: Учебное пособие. – Семей: Семипалат. гос. пед. ин-т, 2010. – С. 7-10. Лекции 7-9 Закономерности функционирования биосферы План лекции: 1 Биогеоценозы как основные структурные элементы биосферы 2 Глобальные биогеохимические циклы 3 Глобальный биологический круговорот Краткий конспект лекции 1 Биогеоценозы как основные структурные элементы биосферы Экосистема – это функциональное единство живых организмов и среды их обитания. Основные характерные особенности экосистемы – ее безразмерность и безранговость. Замещение одних биоценозов другими в течение длительного периода времени называется сукцессией. Сукцессия, протекающая на вновь образовавшемся субстрате, называется первичной. Сукцессия на территории, уже занятой растительностью, называется вторичной. Единицей классификации экосистем является биом — природная зона или область с определенными климатическими условиями и соответствующим набором доминирующих видов растений и животных. Особая экосистема – биогеоценоз – участок земной поверхности с однородными природными явлениями. Составными частями биогеоценоза являются климатоп, эдафотоп, гидротоп (биотоп), а также фитоценоз, зооценоз и микробоценоз (биоценоз). УМКД 042-18-25.1.79/02-2015 Ред. № 2 от 11.06.2015 г. Страница 39 из 81 Экологическая система, или экосистема, – основная функциональная единица в экологии, так как в нее входят организмы и неживая среда – компоненты, взаимно влияющие на свойства друг друга, и необходимые условия для поддержания жизни в той ее форме, которая существует на Земле. Термин экосистема впервые был предложен в 1935 г. английским экологом А. Тенсли. Таким образом, под экосистемой понимается совокупность живых организмов (сообществ) и среды их обитания, образующих благодаря круговороту веществ, устойчивую систему жизни. Сообщества организмов связаны с неорганической средой теснейшими материально- энергетическими связями. Растения могут существовать только за счет постоянного поступления в них углекислого газа, воды, кислорода, минеральных солей. Гетеротрофы живут за счет автотрофов, но нуждаются в поступлении таких неорганических соединений, как кислород и вода. В любом конкретном месте обитания запасов неорганических соединений, необходимых для поддержания жизнедеятельности населяющих его организмов, хватило бы ненадолго, если бы эти запасы не возобновлялись. Возврат биогенных элементов в среду происходит как в течение жизни организмов (в результате дыхания, экскреции, дефекации), так и после их смерти, в результате разложения трупов и растительных остатков. Следовательно, сообщество образует с неорганической средой определенную систему, в которой поток атомов, вызываемый жизнедеятельностью организмов, имеет тенденцию замыкаться в круговорот. В отечественной литературе широко применяется термин «биогеоценоз», предложенный в 1940 г. B.Н. Сукачевым. По его определению, биогеоценоз — «совокупность на известном протяжении земной поверхности однородных природных явлений (атмосферы, горной породы, почвы и гидрологических условий), имеющая особую специфику взаимодействий этих слагающих ее компонентов и определенный тип обмена веществом и энергией их между собой и другими явлениями природы и представляющая собой внутренне противоречивое диалектическое единство, находящееся в постоянном движении, развитии». В биогеоценозе В.Н. Сукачев выделял два блока: экотоп – совокупность условий абиотической среды и биоценоз – совокупность всех живых организмов. Экотоп часто рассматривают как абиотическую среду, не преобразованную растениями (первичный комплекс факторов физико-географической среды), а биотоп — как совокупность элементов абиотической среды, видоизмененных средообразующей деятельностью живых организмов. Существует мнение, что термин «биогеоценоз» в значительно большей степени отражает структурные характеристики изучаемой макросистемы, тогда как в понятие «экосистема» вкладывается, прежде всего, ее функциональная сущность. Фактически же между этими терминами различий нет. УМКД 042-18-25.1.79/02-2015 Ред. № 2 от 11.06.2015 г. Страница 40 из 81 Следует указать, что совокупность специфического физико-хи- мического окружения (биотопа) с сообществом живых организмов (биоценозом) и образует экосистему: Экосистема = Биотоп + Биоценоз. Равновесное (устойчивое) состояние экосистемы обеспечивается на основе круговоротов веществ. В этих круговоротах непосредственно участвуют все составные части экосистем. Для поддержания круговорота веществ в экосистеме необходимо наличие запаса неорганических веществ в усвояемой форме и трех функционально различных экологических групп организмов: продуцентов, консументов и редуцентов. Продуцентами выступают автотрофные организмы, способные строить свои тела за счет неорганических соединений. Консументы - гетеротрофные организмы, потребляющие органическое вещество продуцентов или других консументов и трансформирующие его в новые формы. Редуценты живут за счет мертвого органического вещества, переводя его вновь в неорганические соединения. Классификация эта относительная, так как и консументы, и сами продуценты выступают частично в роли редуцентов в течение жизни, выделяя в окружающую среду минеральные продукты обмена веществ. В принципе круговорот атомов может поддерживаться в системе и без промежуточного звена – консументов, за счет деятельности двух других групп. Однако такие экосистемы встречаются скорее как исключения, например на тех участках, где функционируют сообщества, сформированные только из микроорганизмов. Роль консументов выполняют в природе в основном животные, их деятельность по поддержанию и ускорению циклической миграции атомов в экосистемах сложна и многообразна. Масштабы экосистемы в природе весьма различны. Неодинакова также степень замкнутости поддерживаемых в них круговоротов вещества, т.е. многократность вовлечения одних и тех же элементов в циклы. В качестве отдельных экосистем можно рассматривать, например, и подушку лишайников на стволе дерева, и разрушающийся пень с его населением, и небольшой временный водоем, луг, лес, степь, пустыню, весь океан и, наконец, всю поверхность Земли, занятую жизнью. В некоторых типах экосистем вынос вещества за их пределы настолько велик, что их стабильность поддерживается в основном за счет притока такого же количества вещества извне, тогда как внутренний круговорот малоэффективен. Таковы проточные водоемы, реки, ручьи, участки на крутых склонах гор. Другие экосистемы имеют значительно более полный круговорот веществ и относительно автономны (леса, луга, озера и т.п.). Экосистема – практически замкнутая система. В этом состоит принципиальное отличие экосистем от сообществ и популяций, являющиеся открытыми УМКД 042-18-25.1.79/02-2015 Ред. № 2 от 11.06.2015 г. Страница 41 из 81 системами, обменивающимися со средой обитания энергией, веществом и информацией. Однако ни одна экосистема Земли не имеет полностью замкнутого круговорота, поскольку минимальный обмен массой со средой обитания все-таки происходит. Экосистема является совокупностью взаимосвязанных энергопотребителей, совершающих работу по поддержанию ее неравновесного состояния относительно среды обитания за счет использования потока солнечной энергии. В соответствии с иерархией сообществ жизнь на Земле проявляется и в иерархичности соответствующих экосистем. Экосистемная организация жизни является одним из необходимых условий ее существования. Как уже отмечалось, запасы биогенных элементов, необходимых для жизни организмов на Земле в целом и на каждом конкретном участке на ее поверхности, небезграничны. Лишь система круговоротов могла придать этим запасам свойство бесконечности, необходимое для продолжения жизни. Поддерживать и осуществлять круговорот могут только функционально различные группы организмов. Функционально-экологическое разнообразие живых существ и организация потока извлекаемых из окружающей среды веществ в циклы — древнейшее свойство жизни. С этой точки зрения устойчивое существование многих видов в экосистеме достигается за счет постоянно происходящих в ней естественных нарушений местообитаний, позволяющих новым поколениям занимать вновь освободившееся пространство. Основным объектом изучения экологии являются экологические системы, или экосистемы. Экосистема занимает следующее после биоценоза место в системе уровней живой природы. Говоря о биоценозе, мы имели в виду только живые организмы. Если же рассматривать живые организмы (биоценоз) в совокупности с факторами окружающей среды, то это уже экосистема. Таким образом, экосистема – природный комплекс (биокосная система), образованный живыми организмами (биоценоз) и средой их обитания (например, атмосфера – косной, почва, водоем – биокосной и т.д.), связанными между собой обменом веществ и энергии. Общепринятый в экологии термин «экосистема» ввел в 1935 г. английский ботаник А. Тенсли. Он считал, что экосистемы, «с точки зрения эколога представляют собой основные природные единицы на поверхности земли», в которые входит «не только комплекс организмов, но и весь комплекс физических факторов, образующих то, что мы называем средой биома, – факторы местообитания в самом широком смысле». Тенсли подчеркивал, что для экосистем характерен разного рода обмен веществ не только между организмами, но и между органическим и неорганическим веществом. Это не только комплекс живых организмов, но и сочетание физических факторов. УМКД 042-18-25.1.79/02-2015 Ред. № 2 от 11.06.2015 г. Страница 42 из 81 Экосистема (экологическая система) – основная функциональная единица экологии, представляющая собой единство живых организмов и среды их обитания, организованное потоками энергии и биологическим круговоротом веществ. Это фундаментальная общность живого и среды его обитания, любая совокупность совместно обитающих живых организмов и условий их существования. Понятие «экосистема» можно применить к объектам различной степени сложности и величины. Примером экосистемы может служить тропический лес в определенном месте и в конкретный момент времени, населенный тысячами видов живущих вместе растений, животных и микробов и связанный происходящими между ними взаимодействиями. Экосистемами являются такие природные образования, как океан, море, озеро, луг, болото. Экосистемой может быть кочка на болоте и гниющее дерево в лесу с живущими на них и в них организмами, муравейник с муравьями. Самой большой экосистемой является планета Земля. Каждая экосистема может характеризоваться определенными границами (экосистема елового леса, экосистема низинного болота). Однако само понятие «экосистема» безранговое. Она обладает признаком безразмерности, ей не свойственны территориальные ограничения. Обычно экосистемы разграничиваются элементами абиотической среды, например рельефом, видовым разнообразием, физико-химическими и трофическими условиями и т.н. Размер экосистем не может быть выражен в физических единицах измерения (площадь, длина, объем и т.д.). Он выражается системной мерой, учитывающей процессы обмена веществ и энергии. Поэтому под экосистемой обычно понимают совокупность компонентов биотической (живые организмы) и абиотической среды, при взаимодействии которых происходит более или менее полный биотический круговорот, в котором участвуют продуценты, консументы и редуценты. Термин «экосистема» применяется и по отношению к искусственным образованиям, например экосистема парка, сельскохозяйственная экосистема (агроэкосистема). Экосистемы можно разделить на микроэкосистемы (дерево в лесу, прибрежные заросли водных растений), мезоэкосистемы (болото, сосновый лес, ржаное поле) и макроэкосистемы (океан, море, пустыня). Равновесными называются такие экосистемы, которые «контролируют» концентрации биогенов, поддерживая их равновесие с твердыми фазами. Твердые же фазы (остатками живых организмов) являются продуктами жизнедеятельности биоты. Равновесными будут и те сообщества и популяции, которые входят в равновесную экосистему. Такой вид биологического равновесия называется подвижным, поскольку процессы отмирания непрерывно компенсируются появлением новых организмов. Равновесные экосистемы подчиняются принципу устойчивости Лe Шателье. Следовательно, эти экосистемы обладают гомеостазом, – иными словами, УМКД 042-18-25.1.79/02-2015 Ред. № 2 от 11.06.2015 г. Страница 43 из 81 способны минимизировать внешнее воздействие при сохранении внутреннего равновесия. Устойчивость экосистем достигается не смещением химических равновесий, а путем изменения скоростей синтеза и разложения биогенов. Особый интерес представляет способ поддержания устойчивости экосистем, основанный на вовлечении в биологический круговорот органического веществ, ранее произведенного экосистемой и отложенного «про запас» — древесины и мортмассы (торф, гумус, подстилка). В этом случае древесина служит как бы индивидуальным материальным богатством, а мортмасса — коллективным, принадлежащим экосистеме в целом. Это «материальное богатство» увеличивает запас устойчивости экосистем, обеспечивая их выживание при неблагоприятных изменениях климата, стихийных бедствиях и др. Устойчивость экосистемы тем больше, чем больше она по размеру и чем богаче и разнообразнее ее видовой и популяционный состав. Экосистемы разного типа используют различные варианты индивидуальных и коллективных способов запасания устойчивости при различном соотношении индивидуального и коллективного материального богатства. Таким образом, основная функция совокупности живых существ (сообщества), входящих в экосистему, – обеспечить равновесное (устойчивое) состояние экосистемы на основе замкнутого круговорота веществ. 2 Глобальные биогеохимические циклы Как известно, все структурные компоненты биосферы тесно взаимосвязаны между собой сложными биогеохимическими циклами миграции веществ и энергии. Процессы взаимообмена и взаимодействия протекают на разных уровнях: между геосферами (атмо, гидро, литосферой), между природными зонами, отдельными ландшафтами, их морфологическими частями и т.д. Биогеохимические циклы – биогеохимический круговорот веществ, обмен веществом и энергией между различными компонентами биосферы, обусловленный жизнедеятельностью организмов и носящий циклический характер. Термин «биогеохимические циклы» введен в 10-х гг. ХХ века В.И. Вернадским, разработавшим теоретические основы биогеохимической цикличности в учении о биосфере и трудах по биогеохимии. Все биогеохимические циклы в природе взаимосвязаны, составляют динамическую основу существованию жизни, а некоторые из них (циклы С, О, Н, N, S, Р, Са, К. Si и др. биогенных элементов) являются ключевыми для понимания эволюции и современного состояния биосферы. Движущими силами биогеохимических циклов служат потоки Солнца (более широко – Космоса) и деятельность живого вещества, приводящие к перемещению огромных масс химических элементов, концентрированию и перераспределению аккумулированной в процессе фотосинтеза энергии. Благодаря фотосинтезу и непрерывно действующим циклическим круговоротам биогенных элементов создается устойчивая организованности биосферы Земли, осуществляется ее нормальное функционирование. УМКД 042-18-25.1.79/02-2015 Ред. № 2 от 11.06.2015 г. Страница 44 из 81 Нормальные (ненарушенные) биогеохимические циклы в биосфере не являются замкнутыми, хотя степень обратимости годичных циклов важнейших биогенных элементов достигает 95-98 %. Неполная обратимость (незамкнутость) – одно из важнейших свойств биогеохимических циклов, имеющее планетарное значение. Элементарный пример частичного круговорота представляет собой вода, которая, испарившись с поверхности океана, частично снова попадает туда. За всю историю развития биосферы (3,5-3,8 млрд. лет) доля вещества, выходящая из биосферного цикла (длительность от десятков и сотен до нескольких тысяч лет) в геологический цикл (длительностью в миллионы лет), обусловила биогенное накопление кислорода и азота в атмосфере, различных химических элементов и соединений в земной коре Особенно показателен биогеохимический цикл углерода. Ежегодно из биосферного биогеохимического цикла в геологический цикл «сбрасывается» около 130 т углерода, сто составляет всего 10-18 % от запасов углерода, находящихся в обращении в современной биосфере. В течение фанерозоя (около 600 млн. лет назад) за счет неполной обратимости цикла углерода в ископаемых осадках накопились огромные запасы углеродистых отложений (известняков, битумов, углей, нефтей и др.), оцениваемые в 1016-1017 т. Многие элементы, пройдя цепь биологических и химических превращений, возвращаются в состав тех же самых химических соединений, в которых они находились в начальный момент. При этом главной движущей силой в функционировании как глобального, так и малых (а также локальных) круговоротов, являются сами живые организмы. Роль биогеохимических круговоротов в развитии биосферы исключительно велика, поскольку они обеспечивают многократность одних и тех же органических форм при ограниченном объеме исходного вещества, участвующего в круговоротах. Остается лишь поражаться тому, как мудро устроена природа, которая сама же организует так называемое безотходное производство. Между отдельными малыми круговоротами существуют сложные взаимосвязи, что в конечном итоге приводит к постоянному перераспределению вещества и энергии между ними, к устранению своего рода асимметричных явлений в развитии круговоротов. Так, в литосфере в избытке оказались в связанном состоянии кислород и кремний, в атмосфере в свободном состоянии – азот и кислород, в биосфере – водород, кислород и углерод. Нельзя не отметить также, что основная масса углерода сконцентрировалась в осадочных породах литосферы, где карбонаты аккумулировали основную массу углекислого газа, поступившего в атмосферу с вулканическими извержениями. Нельзя забывать и о том, что между Космосом и Землей существует теснейшая связь, которую с известной долей условности следует рассматривать в рамках глобального круговорота (поскольку, как уже отмечалось, он не являет- УМКД 042-18-25.1.79/02-2015 Ред. № 2 от 11.06.2015 г. Страница 45 из 81 ся замкнутым). Из Космоса на нашу планету попадает лучистая энергия (солнечные и космические лучи), корпускулы Солнца и других звезд, метеоритная пыль и т. д. Особенно важна роль солнечной энергии. В свою очередь, Земля отдает обратно часть энергии, рассеивает в космос водород и т. д. Многие ученые, начиная с В. И. Вернадского, рассматривая глобальный биогеохимический круговорот элементов в природе как один из важнейших факторов поддержания динамических равновесий в природе, различали в процессе его эволюции две стадии: древнюю и современную. Есть основания полагать, что на древней стадии круговорот был иным, однако из-за отсутствия многих неизвестных (названий элементов, их массы, энергии и т. д.) смоделировать круговороты прошлых геологических эпох («былые биосферы») практически невозможно. К этому следует добавить, что основную часть живого вещества составляют С, О, Н, N, главными источниками питания растений являются СО2, Н2О и другие минеральные вещества. Глобальный характер хозяйственной деятельности человека приводит к качественным изменениям в естественной биогеохимической цикличности природных процессов биосферы. По ряду параметров масштабы антропогенных воздействий сопоставимы с количеством веществ, вовлеченных в нормальные биогеохимические циклы. Техногенные продукты, поступающие в биосферу, перегружают нормальное ее функционирование и выпадают частично или полностью из системы устойчивых биогеохимических циклов. Возникает новый тип техногенных геохимических аномалий, называемых «неоаномалии» или «антропоаномалии». Для ряда соединений биогеохимические циклы становятся природно-антропогенными (циклы тяжелых металлов, азота, серы, фосфора, калия и др.). Некоторые, создаваемые человеком, материалы (пластмассы, детергенты и другие продукты химического синтеза, так называемые ксенобиотики) не включаются в природные циклы и не перерабатываются в биосфере. Меры борьбы с нарушением биогеохимических циклов связаны с природоохранной деятельностью, созданием малоотходных технологий, широкой реутилизацией продуктов промышленного и сельскохозяйственного производства, с поисками путей оптимизации основных характеристик биогеохимических циклов и возможностью разумного управления ими. 3 Глобальный биологический круговорот Солнечная энергия обеспечивает на Земле два круговорота веществ: большой, или геологический (абиотический) и малый, или биологический (биотический). Большой круговорот наиболее четко проявляется в циркуляции воздушных масс и воды. В основе большого (геологического) круговорота лежит процесс переноса веществ, в основном минеральных соединений, из одного места в другое в масштабе планеты. УМКД 042-18-25.1.79/02-2015 Ред. № 2 от 11.06.2015 г. Страница 46 из 81 Около 30% падающей на Землю солнечной энергии расходуется на перемещение воздуха, испарение воды, выветривание горных пород, растворение минералов и т.п. Движение воды и ветра, в свою очередь, приводит к эрозии почв и горных пород, транспорту, перераспределению, осаждению и накоплению механических и химических осадков на суше и в океане. В течение длительного времени образующиеся морские отложения могут возвращаться на поверхность суши, и процессы возобновляются. К этим циклам подключаются вулканическая деятельность, землетрясения и движение океанических плит в земной коре. Круговорот воды, включающий ее переход из жидкого в газообразное и твердое состояния и обратно, - один из главных компонентов абиотической циркуляции веществ. В процессе гидрологического цикла происходят значительное перераспределение и существенная очистка планетарных запасов воды. При этом следует отметить, что наибольшей скоростью обновления обладают наиболее важные для существования живой среды суши – пресные воды. Период их оборота составляет в среднем около 11 суток. На базе большого геологического круговорота возникает круговорот органических веществ, или малый, биологический (биотический) круговорот. В основе малого круговорота веществ лежат процессы синтеза и разрушения органических соединений. Эти два процесса обеспечивают жизнь и составляют одну из главных ее особенностей. В отличие от геологического, биологический круговорот характеризуется ничтожным количеством энергии. На создание органического вещества затрачивается всего около 1% падающей на Землю лучистой энергии. Однако эта энергия, вовлеченная в биологический круговорот, совершает огромную работу по созиданию живого вещества. Чтобы жизнь продолжала существовать, химические элементы должны постоянно циркулировать из внешней среды в живые организмы и обратно, переходя из протоплазмы одних организмов в усвояемую форму для других. Все абиотические и биотические планетарные циркуляции веществ тесно переплетены и образуют глобальный системно существующий круговорот, с перераспределением энергии Солнца, с отсутствием противоречий между его отдельными ветвями и практически с нулевым вещественным балансом. В круговороте элементов различают две части: резервный (недоступный) фонд - большая небиологическая часть медленно движущихся веществ и обменный (доступный) фонд - меньшая, но более подвижная часть, которая быстро обменивается между организмами и окружающей их средой. Биогеохимические циклы делятся на два типа: газообразные циклы с резервным фондом малоподвижного химического элемента в атмосфере и гидросфере и осадочные циклы с резервным фондом в земной коре. Главными биогеохимическими циклами, обеспечивающими жизнь на планете (кроме круго- УМКД 042-18-25.1.79/02-2015 Ред. № 2 от 11.06.2015 г. Страница 47 из 81 ворота воды), являются циркуляции углерода, кислорода, азота, фосфора, серы и других биогенных макроэлементов. Биологический круговорот веществ – последовательная, беспрерывная циркуляция химических элементов, которая происходит за счет солнечного излучения и поддерживается совокупностью организмов, объединенных посредством цепей питания. Биологический круговорот веществ состоит из процессов образования органических веществ из элементов, которые содержатся в воздухе, почвах, воде и последующего разложения этих веществ, в результате которого элементы переходят в минеральную форму. Биологический круговорот веществ обеспечивает необходимые элементы внешней и внутренней среды живых организмов и поддерживает ее устойчивость. Это, прежде всего, круговорот углерода, кислорода азота, фосфора и т.д. Круговорот веществ – многократное участие веществ в процессах, протекающих в атмосфере, гидросфере и литосфере, в т.ч. в тех их слоях, которые входят в биосферу планеты. Особое значение имеет круговорот биофильных элементов – азота, фосфора серы. Круговорот биологический – явление непрерывного, циклического, но неравномерного во времени и пространстве и сопровождающегося более или менее значительными потерями закономерного перераспределения вещества, энергии и информации в пределах экосистем различного иерархического уровня организации от биогеоценоза до биосферы. Полного круговорота веществ в пределах биогеоценоза не происходит т.к. часть веществ всегда уходит за его пределы. Круг биотического обмена большой (биосферный) - безостановочный, планетарный процесс закономерного циклического неравномерного во времени и пространстве перераспределения вещества, энергии, информации многократно входящих (кроме однонаправленного потока энергии) в непрерывно обновляющееся экологические системы биосферы. И здесь главный параметр – коэффициент экологической эффективности. Отношение биомассы организмов к количеству потребляемого ими органического вещества иногда называют коэффициентом экологической эффективности. Этот коэффициент, как правило, не превосходит 10-20. Интенсивность процессов обмена (метаболизм) на единицу веса живого организма обычно тем больше, чем меньше этот организм. Причина этой закономерности – существенная зависимость процесса обмена от скорости диффузии газов через поверхность организмов, которая увеличивается на единицу их биомассы по мере уменьшения размера. Общая величина биомассы для Земли по оценкам В.А. Ковды (1969) составляет 310, причем свыше 95% этой величины относится к растениям и 5% к животным. Из всего этого основная масса приходится на леса континентов. Считая, что суммарная продуктивность растений на континентах составляет 14010 тонн, заключим, что время одного цикла кругооборота органического УМКД 042-18-25.1.79/02-2015 Ред. № 2 от 11.06.2015 г. Страница 48 из 81 вещества на континентах составляет около 20 лет (вероятно это относится к лесам). Для других этот цикл короче, еще меньше – для океанов, для фитопланктона – несколько дней). Продолжительность одного цикла кругооборота оргвещества животных составляет несколько лет (общая биомасса животных равна около 10(11) тонн и они осваивают 10% от итоговой продуктивности растений). Согласно данных Хаксли (Нихley,1962) в африканских саваннах биомасса крупных диких животных может достигать 15-25 т./км.кв., в лесах умеренных широт - 1 т/км.кв., в тундре - 0,8 т/км.кв, в полупустыне - 0,35т /км.кв. Оценка биологической массы людей и расчет потребляемой энергии в ходе их питания рассчитывается точнее. Сейчас (при более 4 млрд.чел, биомасса людей составляет около 0,2.10^19 тонн. Человек ежедневно потребляет 2,5.10^3 ккал энергии, тогда суммарное потребление энергии людьми составляет 1,8.10^15ккал/год. Эта величина приблизительно соответствует современной продуктивности сельскохозяйственного производства, т.е. в современную эпоху человек потребляет около 0,2% первичной продукции органического мира. Несколько тысяч лет назад эта цифра была значительно ниже 0,01%, а еще будет расти. Поскольку в основе процесса создания органического вещества лежит поглощение автотрофными растениями углекислого газа, часто называемого углекислотой, из атмосферы и гидросферы, то его в первую очередь необходимо анализировать в глобальном биологическом круговороте. Его в атмосфере около 2,3.10^12, т.е. 0,032% всего атмосферного воздуха (объемные %). В гидросфере его больше 130.10^12 тонн. Он мало изменяется в различных географических районах и с высотой. Причина - независимость содержания углекислоты от температуры. Главные компоненты круговорота углекислоты определяются биологическими процессами, и немного - геологическими. Расход на фотосинтез за год 3.10^17 (это карбонатные). Среднее время возобновления углекислоты в атмосфере составляло около 10 лет. Основные понятия: экосистема, биогеоценоз, экотоп, биоценоз, продуценты, консументы, редуценты, биогеохимические циклы, большой, или геологический (абиотический), малый, или биологический (биотический) круговорот. Вопросы для самоконтроля: 1 Охарактеризуйте биогеоценозы как основные структурные элементы биосферы. 2 Покажите взаимосвязь между основными биогеохимическими функциями биосферы и химическими элементами. 3 Укажите основные звенья биологического круговорота. Рекомендуемая литература: УМКД 042-18-25.1.79/02-2015 Ред. № 2 от 11.06.2015 г. Страница 49 из 81 1 Панин М.С. Химическая экология. – Семипалатинск, 2002. – С. 503-545. Лекции 10-12 Механизмы устойчивости биосферы План лекции: 1 Синергетика биосферы (теория открытых систем) 2 Динамика популяций 3 Жизненные стратегии 4 Реализация экологических ниш 5 Принцип экологической эквивалентности Краткий конспект лекции 1 Синергетика биосферы (теория открытых систем) Все виды гомеостаза, наблюдаемого в живых организмах и экосистемах, не являются статическими, а достигаются за счет непрерывно протекающих процессов, активно препятствующих любой тенденции к нарушению этого постоянства. Законы развития живой и косной материи описываются двумя противоположными теориями - это классическая термодинамика и эволюционное учение Ч. Дарвина. Обе теории отражают единую физическую реальность, но соответствуют различным ее проявлениям. Согласно второму началу термодинамики, если рассматривать Вселенную как закрытую систему, она идет к своей неизбежной дезинтеграции, так как запас полезной энергии, приводящей мировую машину в движение, рано или поздно будет исчерпан. Если запас полезной энергии в системе тает, то ее способность поддерживать организованные структуры ослабевает. Высокоорганизованные структуры распадаются на менее организованные, которые в большей мере наделены случайными элементами. Мера внутренней неупорядоченности системы - энтропия - растет. Второе начало термодинамики предсказывает все более однородное будущее окружающего мира. Теория эволюции органического мира рассматривает биосферу как открытую систему, находящуюся в неравновесном состоянии и обменивающуюся веществом, энергией и информацией с окружающей средой. Временной ход развития биосферы отнюдь не приводит к понижению уровня организации и обеднению разнообразия форм организмов и образуемых ими сообществ; развитие живой материи идет от низших форм к высшим. Обоснование совместимости второго начала термодинамики со способностью открытых систем к самоорганизации - одно из крупнейших достижений современной физики. Теория термодинамики открытых систем переживает бурное развитие. Г. Хакен (1994) предложил назвать эту область исследований синергетикой (от греч. sinergos - совместный, согласованно действующий). Термодинамика открытых систем изучает существенно неравновесные процессы. В их описании ключевую роль играет понятие возрастания энтропии систе- УМКД 042-18-25.1.79/02-2015 Ред. № 2 от 11.06.2015 г. Страница 50 из 81 мы за счет процессов, происходящих внутри нее. Открытые системы, в которых наблюдается прирост энтропии, получили название диссипативных. Выдающаяся роль в развитии данного направления принадлежит И.Р. Пригожину (1986, 1994). Применению синергетики в развитии концепции биосферы и ноосферы посвящена статья В.И. Короткова (1996). Пригожин отмечает, что открытые системы непрерывно флуктуируют. Иногда отдельная флуктуация или их комбинация может стать (в результате положительной обратной связи) настолько сильной, что существовавшая прежде организация не выдерживает и разрушается. В этот переломный момент, в точке бифуркации, принципиально невозможно предсказать, в каком направлении будет происходить дальнейшее развитие: станет ли состояние системы хаотическим или она перейдет на новый, более высокий уровень организации. Диссипативные системы для поддержания своего функционирования требуют больше энергии, чем более простые структуры, на смену которым они приходят. При этом Пригожин подчеркивает возможность спонтанного возникновения порядка и организованности из беспорядка и хаоса в результате процесса самоорганизации. Рассмотрим движущие силы, которые поддерживают биосферу в устойчивом состоянии, - это динамика популяций, реализация разных жизненных стратегий организмов и занимаемых ими экологических ниш, сукцессии сообществ, соблюдение принципа экологической эквивалентности, а также рассмотренные нами функции живого вещества и биотические круговороты. 2 Динамика популяций Сохранность того или иного вида в сообществе основана на постоянной борьбе жизни и смерти. Популяция вида жизнестойка, если существует равномерный поток особей, протекающий через все возрастные классы данной популяции от рождения до биологической старости. Если смертность будет превышать численность приходящих на смену старым молодых видов, популяция деградирует; если количество молодых видов будет превышать смертность - популяция будет распространяться и вытеснять другие виды (Уиттекер, 1980). Во всех организмах заложена потенция размножения, выражающаяся геометрической прогрессией, графическим изображением которой является экспонента. Устойчивость биосферы основана на постоянной экспансии живого вещества, борьбе за существование и вытекающем из нее естественном отборе, охватывающем не только отдельные организмы, но и целые популяции, сообщества, а в конечном счете биогеоценотический покров всей Земли. При ухудшении биотических и абиотических условий среды в популяции могут сохраниться только те особи, которые генетически лучше приспособлены к суровому природному окружению. Иными словами, начинает действовать классический механизм естественного отбора по Дарвину. Неограниченный экспоненциальный рост популяции подобен взрыву, он приводит к истощению и полному разрушению ресурсов среды. В основе суще- УМКД 042-18-25.1.79/02-2015 Ред. № 2 от 11.06.2015 г. Страница 51 из 81 ствования любой популяции, подчеркивает Р. Уиттекер, лежит конфликт между свойственной организму тенденцией увеличивать свою численность и разнообразными ограничениями, которые препятствуют такому увеличению. Если система не получает постоянной подпитки необходимыми ресурсами извне, устойчивое состояние может быть достигнуто только при условии равных значений рождаемости и смертности особей. Р. Уиттекер указывает на существование приспособлений, благодаря которым потери популяции сокращаются, когда ее численность и ресурсы среды входят в конфликт. Он называет этот феномен буферностью популяции. Например, как только вид становится редким, хищничество по отношению к нему может уменьшиться. Хищники могут забыть способ поиска подобных жертв и не считать их пищей. Многие организмы (растения, членистоногие и др.) переносят неблагоприятный период в форме покоящихся спор. Последние могут оставаться в почве до тех пор, пока условия среды не станут благоприятными, тогда из них вновь появляются и размножаются активные особи. Так пустынные эфемеры в виде семян переживают неблагоприятные сезоны или, если это потребуется, даже периоды неблагоприятных лет. 3 Жизненные стратегии К механизмам устойчивости сообществ относится также и то, что популяции представлены видами с различной жизненной стратегией, т.е. с особыми приспособлениями, обеспечивающими им возможность обитать совместно с другими организмами и занимать определенную экологическую нишу в соответствующем биоценозе (Работнов, 1980). Л. Г. Раменский (1938) первым выделил три фитоценотипа: 1) виоленты - львы - сильные конкуренты, способные захватывать место и удерживать его за собой благодаря энергии жизнедеятельности и полноте использования среды; 2) патиенты - верблюды - виды, способные довольствоваться незначительным количеством ресурсов и быть устойчивыми к суровым условиям среды; 3) эксплеренты - шакалы - слабые конкуренты, способные временами взрывообразно резко повышать свое участие в ценозах, но доминирующие относительно непродолжительное время. Система эколого-ценотических стратегий растений Э. Пианки (1981), получившая широкое распространение в экологии, включает два типа стратегий, сформировавшихся под давлением К- и r -отборов. К-стратегия определяется энергетическими затратами на поддержание жизнедеятельности взрослых особей; r-стратегия - затратами на размножение. R-стратеги приурочены к более или менее стабильным условиям среды, обладают равновесными популяциями и приспособлены к условиям острой конкуренции. Это многолетние растения с медленным развитием и жизненной формой от трав до деревьев. r-стратеги, напротив, предпочитают нестабильные местообитания и характеризуются неравновесными популяциями. Это, как правило, одно-, малолетние травянистые растения с высокой репродуктивной активностью. УМКД 042-18-25.1.79/02-2015 Ред. № 2 от 11.06.2015 г. Страница 52 из 81 Э. Пианка отмечает относительность разделения всех видов растений на два типа стратегий, подчеркивая, что «мир не окрашен только в черное и белое и крайние варианты, как правило, связаны гаммой переходов» (1981). Если, скажем, положение однолетних рудералов как типичных г-стратегов не вызывает сомнений, то белая полынь, несмотря на то, что является соэдификатором зональных типов полупустынных сообществ Северо-Западного Прикаспия, занимает переходное положение, так как наряду с признаками К-стратега она обладает несомненными свойствами г-стратега. 4 Реализация экологических ниш Экологическая ниша - основной структурный элемент биогеоценоза. Каждая видовая популяция в сообществе реализует определенную экологическую нишу, границы которой контролируются условиями среды во времени, пространстве и в градиентах абиогенных факторов. Отсюда следует, что новый вид не может образоваться, если нет свободной ниши или если образующийся вид не может ее «отобрать» у какого-нибудь другого вида, участвующего в экосистеме (Левченко, 1995). Вхождение новых видов в устойчивую экосистему осуществляется главным образом путем открытия новых ниш, что создает тенденцию к структурному усложнению, отождествляемому с морфологическим прогрессом (Красилов, 1995). Экологические ниши, объединяемые определенными типами связей, образуют функциональные подсистемы (блоки) сообщества. В качестве таких блоков, например, выступают синузии автотрофов, гильдии гетеротрофов, консорции - вся совокупность ниш, связанных прямыми связями с крупным организмом, вмещающим массу ниш мелких организмов. Каждая ниша может входить одновременно в несколько функциональных блоков, а в пределах одного блока они могут перекрываться. Выделяются также ниши доминирующих (ядерных) и подчиненных (сателлитных) ценопопуляций. Описание связей между растениями и животными в экологических нишах возможно в рамках классификации В. Н. Беклемишева (1970), в которой все многообразие связей сведено к четырем фундаментальным типам: 1) трофические (по питанию), 2) топические (по местоположению), 3) форические (по переносу, например, между растением и его опылителем), 4) фабрические (по материалу, используемому животными для обустройства гнезд, укрытий и т.п.). Эта система является исчерпывающей и позволяет описать любые типы взаимоотношений между экологическими нишами. Р. Уиттекер (1980) подвергает сомнению гипотезу о том, что стабильность сообщества - это результат наличия большого числа взаимно приспособленных друг к другу видов. Представление о том, что сложность ведет к стабильности, пишет Уиттекер, более привлекательно, чем верно. На самом деле увеличение числа видов и сложности взаимоотношений, скорее, является причиной уязвимости сообществ при их нарушении. Этот эффект особенно ярко проявляется при антропогенном воздействии на древние сложные по составу и УМКД 042-18-25.1.79/02-2015 Ред. № 2 от 11.06.2015 г. Страница 53 из 81 структуре сообщества, например, дождевых тропических лесов или коралловых рифов. Сложные сообщества оказываются более уязвимыми в условиях, когда их среда резко нарушается; они могут развиваться только в стабильных условиях. 5 Принцип экологической эквивалентности А.М. Алпатьев (1978) предложил оценивать состояние природы, исходя из принципа экологической эквивалентности: возникающие в результате антропогенного воздействия динамические равновесия должны быть эквивалентны средообразующим функциям естественных экосистем. Следует признать, что эволюция биосферы в фанерозое происходила именно согласно этому принципу: леса лепидофитов каменноугольного периода уступили место лесам голосеменных и покрытосеменных растений мезозоя и кайнозоя, формациям травянистой растительности. Несмотря на смену сообществ, все они исправно выполняли свои средообразующие функции. Принцип эквивалентности расширяет трактовку понятия устойчивости биосферы: она может считаться устойчивой, если возникающие в ней экосистемы будут по основным средообразующим функциям эквивалентны старым. Сформулируем некоторые выводы из изложенного: биосфера служит не просто источником ресурсов для человека и приемником отходов его производства и жизнедеятельности - это гораздо более сложная система, фундамент жизни, в которой сама биота обеспечивает стабильность окружающей среды; биосфера обладает предельной хозяйственной емкостью; существует верхний порог этой емкости, превышение которого нарушает устойчивость биоты и окружающей среды; в пределах хозяйственной емкости биосфера и земные экосистемы выполняют принцип Ле-Шателье, быстро восстанавливают все нарушения окружающей среды, и последняя остается устойчивой; способность восстановления в абсолютных величинах, как и предел хозяйственной емкости, меняются от ландшафта к ландшафту в зависимости от продуктивности биоты: в пустынях эта способность наименьшая, а в лесах - наибольшая; превышение хозяйственной емкости приводит к прекращению выполнения принципа Ле-Шателье биотой, быстрому и все большему размыканию биотического круговорота веществ, искажению геохимических балансов в экосистемах, что в конечном счете ведет к загрязнению окружающей среды; нарушения окружающей среды ведут к трансформации экологических ниш и, как следствие, гибели многих видов организмов; главной задачей человека является сохранение и восстановление естественных сообществ организмов в таких масштабах, чтобы вернуться в пределы хозяйственной емкости биосферы в целом; только при этом условии прекратится трансформация окружающей среды, будет обеспечена ее стабильность. УМКД 042-18-25.1.79/02-2015 Ред. № 2 от 11.06.2015 г. Страница 54 из 81 Основные понятия: синергетика, диссипативная система, точка бифуркации, виоленты, патиенты, эксплеренты, К-стратегия, r-стратегия, экологическая ниша, принцип экологической эквивалентности. Вопросы для самоконтроля: 1 Что такое синергетика? Какую роль она играет в понимании законов развития природы? 2 Перечислите основные механизмы, обеспечивающие устойчивость биосферы. 3 В чем разница между экспоненциальной и логистической кривыми роста популяции? 4 Дайте сравнительную характеристику типов стратегий растений. 5 Назовите характерные особенности r- и К-видов. 6 Каким образом реализация экологических ниш обеспечивает стабильность биосферы? 7 В чем заключается принцип экологической эквивалентности? Рекомендуемая литература: 1 Артамонова Е.Н. Учение о биосфере и ноосфере: Учебное пособие. – Семей: Семипалат. гос. пед. ин-т, 2010. – С. 34-45. 2 Петров К.М. Общая экология: взаимодействие общества и природы. - С-Пб: Химия, 1997. – С. 126-137. МОДУЛЬ 3 НООСФЕРА И АКТУАЛЬНЫЕ ПРОБЛЕМЫ БИОСФЕРЫ Лекция 13 Глобальные биосферные процессы План лекции: 1 Учение В.И. Вернадского о ноосфере 2 Условия ноосферной организации 3 Концепция устойчивого развития 1 Учение В.И. Вернадского о ноосфере Ноосфера (гр. noos – разум и sphaira –шар, буквально «мыслящая оболочка») – сфера разума, высшая стадия развития (по В.И. Вернадскому) биосферы, связанная с возникновением и становлением в ней цивилизованного человечества, с периодом, когда разумная человеческая деятельность становится главным определяющим фактором развития на Земле. Понятие ноосфера введено французскими учеными Э. Леруа (1927) и П. Тейяром де Шарденом (1930) и использовано В.И. Вернадским в статье «Несколько слов о ноосфере» (1944). В этой же статье В.И. Вернадский писал: «В общежитии обычно говорят о человеке как о свободно живущем и передвигающемся на нашей планете индивидууме, который свободно строит свою историю. До сих пор историки, вообще ученые гуманитарных наук, а в известной УМКД 042-18-25.1.79/02-2015 Ред. № 2 от 11.06.2015 г. Страница 55 из 81 мере и биологи, сознательно не считаются с законами природы биосферы – той земной оболочки, где может только существовать жизнь. Стихийно человек от нее неотделим». Это означает, что человек должен следовать законам биосферы и учитывать ограничения, налагаемые этими законами на развитие цивилизации. При анализе наследия В.И. Вернадского этому важному положению уделяется все еще недостаточно внимания. Идеи о ноосфере разбросаны по многим сочинениям В.И. Вернадского, но нет законченного труда, в котором представления о ноосфере были бы изложены с такой же полнотой, как о биосфере. Переход в эпоху ноосферы В.И. Вернадский рассматривал как один из актов «приспособления» человечества. Все живые организмы приспосабливаются, но человек включает в этот процесс разум. В книге «Происхождение человечества и эволюция разума» Э. Леруа писал: «Начиная с человека, эволюция осуществляется новыми, чисто психологическими средствами: через промышленность, общество, язык, интеллект и т.д., и, таким образом, биосфера переходит в ноосферу». Здесь впервые был предложен термин «ноосфера». Он широко использовался в главной работе П. Тейяра де Шардена «Феномен человека». В.И. Вернадский позже отмечал: «Я принимаю идею Леруа о ноосфере. Он развил глубже мою биосферу». Наряду с термином «ноосфера» для обозначения всей совокупности процессов, связанных с разумной деятельностью человека на планете, предлагались также термины «интеллектосфера» (А. Гумбольдт), «техносфера» (А.И. Ферсман), «пневматосфера» (П.В. Флоренский), «семиосфера» (Ю.М. Лотман). Однако именно термин «ноосфера» оказался наиболее содержательным и перспективным. Прежде всего аналогично биосфере ноосферу определяют как географическую оболочку земного шара, в которой основную роль играют превращения вещества, энергии и информации, связанные с деятельностью человека. В этом смысле ноосфера появилась одновременно с возникновением вида человек разумный. Другой смысл связан с пониманием ноосферы как идеала такой организации деятельность человека на планете, которая была бы в полном смысле слова разумной, обеспечивала оптимальную «коэволюцию» (Н.Н. Моисеев) биосферы и человечества, опирающуюся на гармоничное существование различных культур, «цветущее многообразие» (К.Н. Леонтьев) которых не менее важно для устойчивости ноосферы, чем разнообразие видов для биосферы. Особый интерес к ноосфере стал расти в 1970-х годах, после осознания необходимости выхода из глобального экологического кризиса, созданного деятельностью человека. 2 Условия ноосферной организации УМКД 042-18-25.1.79/02-2015 Ред. № 2 от 11.06.2015 г. Страница 56 из 81 Ф.Т. Яншина, глубокий исследователь трудов В.И. Вернадского, выявила в его работах ряд положений, характеризующих условия ноосферной организации процессов на Земле: заселение человеком всей планеты; резкое преобразование средств связи и обмена информацией; усиление связей, в том числе политических, между странами; начало преобладания геологической роли человека над другими геологическими процессами, протекающими в биосфере; расширение границ биосферы и выход в космос; открытие новых источников энергии; повышение роли народных масс в решении вопросов внешней и внутренней политики; свобода научной мысли и научного поиска от давления религиозных, философских и политических суждений; эффективная система народного образования и жизнеобеспечения; ликвидация голода и нищеты, сведение к минимуму болезней; разумное преобразование природы Земли, способной удовлетворить материальные, эстетические и духовные потребности численно возрастающего населения; исключение войн из жизни общества. Первые несколько условий можно считать уже выполненными. На Земле не осталось мест, недоступных для человека. Появилась общепланетная сеть независимых коммуникаций: Интернет, новые средства переработки информации и усиления интеллектуальных возможностей человека – компьютеры. Объем горных пород извлекаемых из глубин Земли всеми шахтами и карьерами мира, почти в 2 раза превышает средний объем лав и пеплов, выносимых ежегодно всеми вулканами Земли; космос стал привычной ареной серьезных проектов; возникают мощные международные общественные и политические структуры, способствующие объединению человечества. Человеку стали доступны совершенно новые источники энергии. Остальные условия пока еще далеки от осуществления. Именно в этих областях будут протекать основные процессы, связанные с формированием ноосферы, в первую очередь появление человека «действительно разумного», осознавшего свое место и назначение во Вселенной. Серьезное научное исследование структуры и динамики ноосферы фактически только начинается в 21 веке, хотя предпосылки для этой работы созданы в трудах многих выдающихся ученых и мыслителей. Учение о ноосфере получило развитие в работах русских ученых М.М. Камшилова, В.П. Казначеева, Н.Н. Моисеева и др. Большой вклад в ноосферологию сделал Н.Н. Моисеев, посвятивший данной теме множество статей и монографий. Академик Моисеев активно развивал идею о «коэволюции человека и биосферы», которую высказал замечательный русский ученый Н.В. Тимофеев-Ресовский в 60-е годы. Менее УМКД 042-18-25.1.79/02-2015 Ред. № 2 от 11.06.2015 г. Страница 57 из 81 известен, но не менее значим вклад в ноосферологию одного из «русских энциклопедистов» П.Г. Кузнецова, воодушевившего также идеей ноосферы и учением В.И. Вернадского крупного американского мыслителя и общественного деятеля, физика и экономиста Л. Ларуша, опубликовавшего в 2000 г. книгу, посвященную экономике ноосферы «Экономика ноосферы». Ноосферное мировоззрение исходит из представлений об особой роли человека во Вселенной как единственного носителя разума и стремится выработать диалог между людьми разных культурных традиций, национальностей, религиозных конфессий и поколений. Оно основывается: - во-первых, на науке, которая опирается на требования ответственности человека за планету; - во-вторых, на религиозных убеждениях, не противоречащих данным науки в пределах их доказанности, определяющих общие представления человека и смысле его существования во Вселенной; - в-третьих, на философии, требующей подвергать сомнению все ради установления истины. 3 Концепция устойчивого развития Введенный в широкое обращение докладом Комиссии Брундтланд (Наше общее будущее, 1987) и затем канонизированный в Рио-де-Жанейро на Конференции ООН по окружающей среде и развитию в 1992 г. термин устойчивое развитие широко обсуждается в научной и публицистической литературе и прочно укоренился в коммуникационной системе мирового сообщества. В российскую информационную среду он вошел с переводом книги «Наше общее будущее» в 1989 г. В этом издании английский термин был переведен на русский язык как УР. В конце 1960-х годов в Канаде был впервые использован термин для обозначения максимальных уловов рыбы, которые могут производиться в водоемах на протяжении десятилетий. В середине 1970-х годов его сменил термин «sustainable», который подразумевал, в отличие от предыдущего, не максимальное, а оптимальное использование доступных ресурсов при обязательном условии сохранения (при необходимости – восстановления) соответствующей популяции. Сам термин устойчивое развитие приписывается Барбаре Уорд, которая использовала его в середине 1970-х годов, а концепция была сформулирована во «Всемирной стратегии охраны окружающей среды» (1980), представленной Международным союзом охраны природы и природных ресурсов. В данном исследовании было показано, что развитие нельзя обеспечить без сохранения окружающей среды, однако эту работу справедливо критиковали за слабость анализа социальных аспектов. Л. Браун в 1981 г. начал применять термин «sustainable development» вне рамок экологии, хотя и в связи с ней, к развитию городов, сельского хозяйства, промышленности и других сфер человеческой деятельности. Глобальное рас- УМКД 042-18-25.1.79/02-2015 Ред. № 2 от 11.06.2015 г. Страница 58 из 81 пространение термин получил после публикации доклада Комиссии Брундтланд «Наше общее будущее». В эту комиссию входил и Л. Браун. Таким образом, устойчивое развитие – не новая концепция, так как и в 1960-е, и в 1970-е годы обсуждались проблемы такой модификации экономики, при которой на основе рационального использования всех видов ресурсов, применения новых технологий и организационных мер будет обеспечено сохранение природы и условий для развития общества. Но именно в докладе Комиссии Брундтланд идее устойчивого развития было придано политическое звучание, а конференция в Рио-де-Жанейро подчеркнула ее международную и экономическую составляющие, особенно акцентируя внимание на социальном аспекте развития. Именно ее выводы и составили теоретико-методологическую и концептуальную основу решений, принятых в рамках Рио-92, о необходимости для цивилизации выхода на уровень устойчивого развития. В результате устойчивое развитие стало наиболее важной парадигмой конца XX века. Цели Комиссии Брундтланд: предложить долгосрочные стратегии в области окружающей среды, которые позволили бы обеспечить устойчивое развитие к 2000 г. и на более длительный период; рекомендовать пути, посредством которых забота об окружающей среде привела бы к более тесному сотрудничеству развивающихся стран и между странами, находящимися на различных уровнях социальноэкономического развития, и способствовала бы достижению общих и взаимозависимых целей, в которых учитывалась бы связь между народонаселением, природными ресурсами, окружающей средой и развитием; - рассмотреть способы и средства, используя которые мировое сообщество смогло бы эффективно решать проблемы окружающей среды; - помочь выявить общие подходы к пониманию долговременных проблем окружающей среды и того, что необходимо предпринять для успешного решения проблемы защиты и повышения качества окружающей среды, сформулировать долгосрочную программу действий для грядущих десятилетий и цели, которые должно поставить перед собой мировое сообщество. Комиссия отметила, что она «не прогнозирует будущее; наша задача — выступить с предупреждением, срочным предупреждением, основанным на последних и самых надежных данных, о том, что настало время для принятия соответствующих решений, гарантирующих сохранение ресурсов, необходимых для нынешних и будущих поколений. Мы не предлагаем подробного плана действий, а лишь указываем направление, в котором народы мира могут расширить свое сотрудничество». Наиболее важные аспекты доклада «Наше общее будущее». В нем констатируется, что несомненные успехи цивилизации в улучшении жизни людей, снижении детской смертности, увеличении продолжительности жизни, эконо- УМКД 042-18-25.1.79/02-2015 Ред. № 2 от 11.06.2015 г. Страница 59 из 81 мическом росте привели к возникновению тенденций, влияние которых ни планета, ни ее население не смогут долго выдержать. Это тенденции самого развития, ведущие к разрыву между богатыми и бедными странами и людьми. В настоящее время понятие устойчивое развитие трактуется, по крайней мере, в двух смыслах: узком и широком. В узком смысле внимание акцентируется преимущественно на его экологической составляющей, что связывается с оптимизацией деятельности по отношению к биосфере. Такой подход характерен, к примеру, для специализированных учреждений ООН. Так, специалисты Продовольственной и сельскохозяйственной организации ООН (ФАО) ассоциируют выход на уровень устойчивого развития с таким управлением аграрным сектором, который обеспечивал бы удовлетворение основных потребностей настоящих и будущих поколений при сохранении традиционного природно-ресурсного потенциала биосферы. В широком смысле устойчивое развитие трактуется как процесс, обозначающий новый тип функционирования цивилизации, основанной на радикальных изменениях ее исторически сложившихся параметров (экономических, социальных, экологических, культурологических и др.). В качестве примера подхода подобного рода может рассматриваться определение, предложенное «комиссией Брундтланд». По существу, ставится задача оптимального управления не только природно-ресурсным потенциалом, но и всей совокупностью природно-социокультурного богатства, которым располагает цивилизация на конкретном этапе всемирно-исторического развития (с учетом прогностического его контекста). Основные понятия: ноосфера, ноосферология, коэволюция, устойчивое развитие. Вопросы для самоконтроля: 1 Что такое «ноосфера»? 2 Кто являются авторами термина «ноосфера»? 3 Назовите основные условия ноосферной организации процессов на Земле. 4 Когда возникло понятие «устойчивое развитие»? 5 Какова роль Комиссии Брундтланд в развитии данной концепции? Рекомендуемая литература: 1 Артамонова Е.Н. Учение о биосфере и ноосфере: Учебное пособие. – Семей: Семипалат. гос. пед. ин-т, 2010. – С. 46-56. 2 Вернадский В.И. Биосфера и ноосфера // Библиотека трудов акад. В.И. Вернадского. Живое вещество и биосфера. - М., 1994. – С. 240-252. 3 Панин М.С. Химическая экология. – Семипалатинск, 2002. – С. 28-35, 698705. УМКД 042-18-25.1.79/02-2015 Ред. № 2 от 11.06.2015 г. Страница 60 из 81 4 Петров К.М. Общая экология: взаимодействие общества и природы. - С-Пб: Химия, 1997. – С. 176-187. Лекция 14 Социально-экологические проблемы современности План лекции: 1 Проблема демографического взрыва 2 Истощение природных ресурсов 3 Загрязнение природных ресурсов 1 Проблема демографического взрыва Человек до тех пор, пока численность его была мала, был лишь одним из биологических видов, обитающих на Земле, подчиняясь тем же законам, что и другие организмы, и влияние его на функции природных систем и биосферы в целом было незначительным. Главной причиной воздействия человека на биосферу является все увеличивающаяся его численность. Так, полагают, что примерно 9 тыс. лет назад на Земле жило не более 10 млн. человек, в начале нашей эры - 200 млн., в 1000 году - 175 млн., в середине XVII века - 500 млн., в 1950 – 2,5 млрд., в 1964 – 3,2 млрд., а в 1975 - около 4,5 млрд., сейчас - более 6 млрд. По данным ООН, в период с 1975 по 1985 отмечен самый высокий процент прироста численности населения 2 - 2,1%. В 2008 г. население Земли составило 6,6 млрд., а к середине XXI века - 12,5 млрд. Рост численности населения и интенсивный прогресс техники породили возникновение своеобразного антропогенного обмена между человеческим обществом и средой. Однако этот антропогенный обмен крайне несовершенен. Он носит открытый незамкнутый характер и лишен того круговорота, который присущ биосфере в целом. 2 Истощение природных ресурсов По данным статистического ежегодника ООН, разведанные мировые запасы каменного угля будут истощены примерно к 2500 г., нефти - к 2100 г., природного газа - к 2020 г., урана - к 2030 г., железной руды - к 2050 г. Уже сейчас 1/3 населения планеты испытывает недостаток в пресной воде. За последние два века площадь лесов сократилась с 56% до 26% поверхности суши. Особую тревогу вызывают тропические леса, площадь которых сократилась на 70%. В настоящее время сведение лесов планеты идет со скоростью 12 млн. га, т.е. почти 1% лесопокрытой площади в год. «Кислородный голод» и недопустимое увеличение в атмосфере концентрации СО2, создавая тепловой эффект, в совокупности с промышленными выбросами энергии и загрязнителей может вызвать неблагоприятные климатические аномалии. С 1600 г. на Земле вымерло 94 вида птиц и 63 вида зверей. По данным МСОП, гибель 85% птиц и 75% видов зверей связана с деятельностью человека. Сегодня опасность исчезновения грозит более чем 600 видам птиц и около 120 видам зверей. За исторический период человечество потеряло из-за водной, ветровой эрозии и других разрушительных процессов (засоления, заболачивания, засоре- УМКД 042-18-25.1.79/02-2015 Ред. № 2 от 11.06.2015 г. Страница 61 из 81 ния) почти 2 млрд. га продуктивных земель - больше чем ныне находится под пашнями и пастбищами. Темпы современного опустынивания - 5-7 млн. га. в год. Если его не остановить, то, по прогнозам ООН, к концу тысячелетия планета утратит до 1/3 земель, которыми люди располагали еще в 70-х годах ХХ века. Гигантские отходы производства ухудшают природную среду, загрязняя ее. В ряде районов планеты зарегистрировано оседание грунта после выборки полезных ископаемых. 3 Загрязнение природных ресурсов Имеет место тепловое загрязнение. КПД энергетических установок не превышает в среднем 30%, и около 70% добываемой энергии идет на нагрев биосферы. Если даже принять, что удвоение производимой энергии будет происходить каждые 60 лет, то через 300 лет, по подсчетам М.М. Ермолаева, количество выделяемого при деятельности человека тепла станет равным притоку его от Солнца. Такой процесс вместе с «парниковым эффектом» от увеличения в атмосфере СО2 может привести к гибели высокоорганизованных видов растений и животных, которые не смогут успеть приспособиться к быстрому изменению энергетического баланса в биосфере. Не менее опасно шумовое загрязнение, оно вызывает нервное расстройство, понижение работоспособности и умственной деятельности. При шуме в 60-90 дцб у человека возникают неприятные ощущения, при 120-130 - боль в ушах, при 150 - потеря слуха, при 180 дцб - смерть. Городской шум, по оценкам специалистов, снижает производительность физического труда на 30%, умственного - на 60%. Возрастает загрязнение воздуха пылью. Например в Лос-Анжелесе в атмосферу выделяется до 400 т пыли в день, а в Нью-Йорке - до 13,3 млн. т сажи в год. Часто при отсутствии достаточного движения воздуха над городами повисает «смог» - дымовой туман, содержащий ядовитые газы (SO2, NO2), пыль, сажу. В Лондоне в 1952 г. от смога в течение 5 дней погибло 4000 человек. Общую тревогу вызывает все возрастающее загрязнение воздуха выхлопными газами автомобилей. Выхлопные газы содержат CO, оксиды азота, углеводороды, озон, свинец и другие вредные компоненты, а среди углеводородов - канцерогенные вещества. Металлургические заводы и работающие на угле электростанции поставляют в атмосферу NO2, SO2, которые с водой дают сернистую, серную и азотную кислоты. Выпадают кислотные дожди, оказывающие вредное влияние на живые системы и постройки. Не менее интенсивно идет загрязнение вод нефтью и нефтепродуктами, растворами фосфорных и азотных удобрений, фенолом. Содержание в Каспийском море только фенола уже сейчас превышает допустимый норматив в несколько раз. Содержание фенола в Черном море в 2 раза выше нормы. Во внутренние водоемы страны до сих пор за год сбрасывается в среднем около 20 км 3 загрязненных сточных вод. Примерно в 40% контролируемых водных объектов УМКД 042-18-25.1.79/02-2015 Ред. № 2 от 11.06.2015 г. Страница 62 из 81 загрязнение превышает нормативы в 10 раз. Многие реки превратились в сточные канавы, а океан нередко называют всемирной помойкой. Возрастает загрязнение среды бытовыми отходами: в США на городские свалки в виде твердых отходов ежегодно попадает около 30 млрд. пустых бутылок, 50 млрд. консервных банок, более 1 млрд. телевизоров, 9 млрд. старых автомобилей. В биосферу вносятся многие ксенобиотики – чуждые ей вещества. Они, как правило, не разлагаются на исходные вещества, идущие вновь в производство, и не депонируются, как это имело место в биосфере прошлого. Но зато они способны накапливаться в живых организмах. Это радиоактивные отходы, ядохимикаты, синтетические моющие средства, пластмассы и т.д. Все это приводит к серьезным заболеваниям человека и животных, растений, нарушению генного аппарата и прямой гибели. Всего в мире синтезировано около 4 млн. несвойственных природе соединений, оказывающих мутагенные воздействия. Нарушаются биогеохимические циклы элементов в биосфере, изменяется климат и т.д. Основные понятия: демографический взрыв, водная эрозия, ветровая эрозия, опустынивание, ксенобиотик. Вопросы для самоконтроля: 1 Что понимают под «демографическим взрывом»? 2 Назовите два основных вида эрозии почв. 3 Охарактеризуйте масштабы опустынивания в Казахстане. 4 Какие вещества называют ксенобиотиками? Рекомендуемая литература: 1 Артамонова Е.Н. Учение о биосфере и ноосфере: Учебное пособие. – Семей: Семипалат. гос. пед. ин-т, 2010. – С. 46-56. 2 Панин М.С. Химическая экология. – Семипалатинск, 2002. – С. 36-56. 3 Петров К.М. Общая экология: взаимодействие общества и природы. - С-Пб: Химия, 1997. – С. 138-162. Лекция 15 Здоровье планеты План лекции: 1 Социологический опрос "Здоровье планеты" (Международный институт Дж. Гэллапа) 2 Международное сотрудничество по обеспечению устойчивого развития Краткий конспект лекции УМКД 042-18-25.1.79/02-2015 Ред. № 2 от 11.06.2015 г. Страница 63 из 81 1 Социологический опрос "Здоровье планеты" (Международный институт Дж. Гэллапа) С 1990 года Международный Совет общественных наук работает над программой “человеческие измерения мировых экологических проблем”. В рамках этой программы Международный Институт Дж. Гэллапа (США) провел в 1992 году социологический опрос “Здоровье планеты” в 22 крупнейших стран мира, включая Россию. Мир впервые увидел себя в “экологическом зеркале” общественного мнения и почувствовал, сколь велика общая обеспокоенность состоянием Среды обитания - не только в своей стране, но и в целом мире. В 15 из 22 стран мира экология входит в первую тройку ведущих проблем, чаще упоминается лишь экономика. При прямом вопросе, что важнее: защита окружающей среды или экономический рост, во всех странах, кроме двух, большинство ответило в пользу защиты окружающей среды. Такое отношение к экологии характерно для всех регионов кроме Восточной Европы и России, где значительно обострились экономические и политические проблемы. На вопрос “Влияют ли экономические проблемы на ваше здоровье?” большинство опрошенных в 14 странах ответило положительно (в России – 89%). Во всех 22 странах большинство респондентов отвечает, что экология отразится на здоровье детей и внуков, причем в 18 странах утвердительно ответили более 70% (в России - 79). Таким образом, восприятие экологических проблем как угрозы здоровью, особенно будущих поколений, стало общим для всего мира. Два десятилетия назад они рассматривались больше с точки зрения эстетики, угрозе красоты природы, теперь они общепризнанны как угроза здоровью людей. Наиболее серьезными экологическими проблемами считаются загрязнение воды и воздуха, исчезновение лесов и истощение озонового слоя, утрата многих животных и растительных видов, глобальное потепление и резкое снижение плодородия почвы. Среди причин деградации окружающей среды во всех 22 государствах респонденты выделяет бизнес и индустрию, в 16 большинство опрошенных считают, что они значительно усиливают экологические проблемы. Далее следуют плохие технологии и расточительство. Недостаток образований и некомпетентность правительств занимают четвертое и пятое места, а перенаселение последнее. Опрос свидетельствуют о том, что люди всего мира считают экологические проблемы все более угрожающими человечеству и обнаруживают все большую обеспокоенность ими. Они не только отдают приоритет защите окружающей среды, но и сами выражают готовность платить за нее. Результаты также показывают, что многие аспекты, способные помешать достижению консенсуса по экологическим проблемам, сегодня уже не так важны, как полагают мировые лидеры. К примеру, граждане бедных развивающихся стран, в основном, признают отрицательное влияние роста населения на всю УМКД 042-18-25.1.79/02-2015 Ред. № 2 от 11.06.2015 г. Страница 64 из 81 экологию и возлагают на богатые страны всю вину за мировые экологические проблемы. Со своей стороны, жители развитых стран не считают перенаселение в странах “третьего мира” причиной всех экологических бед и одновременно признают отрицательное воздействие своих мощных индустрий на мировую экологию. И, наконец, опросы свидетельствуют о высоком уровне экологической ответственности и активности людей, выступающих против потребительского отношения к природе, за чистоту окружающей среды. Результаты опроса были обобщены в докладе “Здоровье планеты” на международном симпозиуме по проблемам социальной экологии, проведенном в июне 1992 года в Нидерландах. 2 Международное сотрудничество по обеспечению устойчивого развития Начало первого периода международного экологического сотрудничества положила Международная конференция, состоявшаяся в 1913 г. в Берне (Швейцария). На конференцию, посвященную международной охране природы, собрались ученые из 18 стран, в том числе из России. Она носила информационный и организационный характер и лишь наметила пути развития природохранительных идей. С докладом от России на конференции выступил академик И.П. Бородин. В 1923 г. в Париже состоялся первый Международный конгресс по охране природы. В 1928 г. в Брюсселе (Бельгия) было открыто Международное бюро защиты природы (МБЗП). Главным содержанием первого этапа развития международного сотрудничества в области охраны природы было повышение внимания ученых и международной общественности к этой проблеме. Однако в то время так и не удалось создать эффективный международный орган, который смог бы координировать и направлять природоохранную деятельность во всем мире. Функции МБЗП были ограничены лишь сбором информации о природоохранительных законодательствах, составлением справочников о национальных парках и заповедниках. Решение же основных проблем охраны природы и окружающей среды возлагалось на Лигу наций. Необходимо отметить, что в то время проблема охраны природы еще не была так остра, как сегодня, и не рассматривалась в качестве одной из приоритетных задач человечества. Второй период в развитии международного сотрудничества в области охраны окружающей среды начался в 1948 г. С этого времени международное экологическое сотрудничество неразрывно связано с ООН. ООН существует с 1945 г., когда на конференции в Сан-Франциско представители 51 государства подписали ее Устав. В нее приняты все республики бывшего СССР. В современных условиях ООН принадлежит ведущая роль в решении комплексных международных проблем глобального характера. Начиная с конца 1960-х гг., в число таких проблем выдвинулась охрана природы и окружающей среды. УМКД 042-18-25.1.79/02-2015 Ред. № 2 от 11.06.2015 г. Страница 65 из 81 В 1948 г. по инициативе ООН на базе Брюссельского международного бюро охраны природы был создан Международный Совет защиты природы (МСЗП). С 1959 г. он стал называться Международным Союзом охраны природы и природных ресурсов (МСОП). В 1962 г. 12 Генеральная конференция ЮНЕСКО приняла резолюцию «Экологическое развитие и охрана природных ресурсов, флоры и фауны», а 17 Сессия Генеральной Ассамблеи ООН принимает резолюцию «Экологическое развитие и охрана природы». В последующие годы круг природоохранных мероприятий, осуществляемых такими органами ООН, как экономический и социальный совет (ЭКОСОС), организация ООН по вопросам образования, науки и культуры (ЮНЕСКО), продовольственная и сельскохозяйственная организация (ФАО), Всемирная организация здравоохранения (ВОЗ), Международное агентство по атомной энергии (МАГАТЭ), Всемирная метеорологическая организация (ВМО) и др., существенно расширился. Таким образом, во второй период становления международной экополитики хотя и заметно расширилось международное природоохранное сотрудничество, мероприятия по охране природы характеризовались некоординированностью и осуществлялись силами одной или двух специализированных организаций, в основном ЮНЕСКО и МСОП. В этот период выявилась необходимость большего учета социально-экономических факторов в процессе планирования и осуществления развития производственной деятельности человека, координации мероприятий по природоохранной деятельности в мировом масштабе. В это время охрана природы по-прежнему рассматривалась как частная проблема, которую можно решить с помощью конкретных мероприятий в рамках отдельных государств. Финансы на охрану природы в ряде стран, в том числе и в бывшем СССР, выделялись по остаточному принципу. В то же время к концу этого периода экологические проблемы объективно вышли за национальные рамки и приобрели глобальный характер, и их решение стало одной из самых актуальных задач человечества. Настало время всеобщего осознания глобальности экологической проблемы и на этой основе качественно нового этапа международного экологического сотрудничества. Начало третьему периоду развития международного экологического сотрудничества положило решение Генеральной Ассамблеи ООН в 1968 г. о созыве в 1972 г. международной конференции по окружающей среде. Это решение способствовало заметной активизации действий международных организаций, занимающихся международными проблемами. Оно вызвало необходимость тщательной подготовки к разработке природоохранных программ, и проблема окружающей среды стала рассматриваться уже как глобальная задача мирового масштаба. Конференция ООН по окружающей среде состоялась в июне 1972 г. в Стокгольме (Швеция). В ее работе приняли участие представители 113 стран, специализированных учреждений ООН, МАГАТЭ и других межправитель- УМКД 042-18-25.1.79/02-2015 Ред. № 2 от 11.06.2015 г. Страница 66 из 81 ственных и неправительственных организаций. Представители 86 государств представили на ней национальные доклады. Отчет этой конференции имеет символическое название «Земля всего одна!» Конференция приняла Декларацию по окружающей человека среде. Основные ее положения гласили: развитые страны должны выделять ресурсы для охраны и улучшения окружающей среды с учетом обстоятельств и конкретных потребностей развивающихся стран; природные ресурсы Земли должны быть сохранены на благо нынешних и будущих поколений путем тщательного планирования и управления по мере необходимости, все государства должны содействовать возрастанию роли международных организаций в деле повышения эффективности и динамичности экологической деятельности во всем мире; каждый человек имеет право на свободу, равенство и благоприятные условия жизни в окружающей среде; все формы апартеида, расовой дискриминации колониального и других форм угнетения должны быть ликвидированы; испытания ядерного оружия должны быть прекращены. Конференция приняла план мероприятий в отношении окружающей человека среды. В соответствии с этим планом развивается ныне экологическая деятельность ООН. Решения Стокгольмской конференции были представлены на рассмотрение 32 Генеральной Ассамблеи ООН. После их обсуждения 15 декабря 1972 г. Генеральная Ассамблея приняла 11 резолюций, в которых давалась положительная оценка результатов конференции и определялись организационная и административно-правовая основы мероприятий в этой области в системе ООН. Были учреждены Совет управляющих ЮНЕП, добровольный фонд окружающей среды, секретариат ЮНЕП, который разместили в Найроби (Кения). В деятельности ООН в 70-80-е гг. ХХ в. усилилась тенденция к рассмотрению политического характера проблем окружающей среды. Специальная сессия Генеральной Ассамблеи ООН 1974 г. утвердила два важных документа: Декларацию об установлении нового международного экономического порядка и Программу действий по установлению нового международного экономического порядка. Среди основных принципов развития сотрудничества государств, изложенных в Программе действий, следует отметить полный суверенитет каждого государства над природными ресурсами и всей экономической деятельностью. Важное значение имеет также положение о том, что все государства, территории и народы, находящиеся под иностранной оккупацией, иностранным и колониальным господством или под гнетом апартеида, имеют право на возмещение и полную компенсацию за эксплуатацию, истощение и за ущерб, причиненный природным и всем другим ресурсам этих государств, территории и народам. В связи с этим в Программе действий отмечается, что конец всем этим формам господства и эксплуатации следует положить путем осуществления постоянного суверенитета над природными ресурсами. В программе действий указывается на необходимость установления справедливого и УМКД 042-18-25.1.79/02-2015 Ред. № 2 от 11.06.2015 г. Страница 67 из 81 равноправного соотношения между ценами на сырье, сырьевыми и другими товарами, экспортируемыми развивающимися странами, и ценами на товары, импортируемыми ими. Особое внимание в Программе действий было уделено проблеме увеличения производства продовольствия. В ней говорится о необходимости принятия срочных мер по предотвращению наступления пустынь и солончаков, снижению вредного воздействия на природные и продовольственные ресурсы путем борьбы с загрязнениями и принятия мер по охране и восстановлению этих ресурсов. Первой из всемирных конференций ООН по вопросам, затрагивающим проблему окружающей среды, которые были проведены в связи со Стокгольмской конференцией ООН 1972 г., являлась конференция по народонаселению, которая состоялась в Бухаресте в августе 1974 г. В работе конференции приняли участие представители 136 государств. Участники конференции единодушно признали, что при разумном использовании минеральные и энергетические ресурсы Земли могут быть вполне достаточными для нужд растущего народонаселения. Так, согласно проведенной накануне оценке экспертами имеющегося почвенного покрова вполне достаточно для того, чтобы обеспечить минимальный рацион для 76 млрд. человек, а надлежащий рацион – для 38-48 млрд. человек. Проблеме обеспечения мира продовольствием была посвящена Всемирная продовольственная конференция в Риме (ноябрь 1974 г.). Представители 133 государств, национально-освободительных движений, а также международных правительственных и неправительственных организаций обсуждали вопросы роста производительности сельского хозяйства, повышения самообеспеченности продовольствием прежде всего развивающихся стран. В принятой конференцией Всеобщей декларации о ликвидации голода и недоедания была подчеркнута возможность обеспечения сохранения природных ресурсов, которые используются или могут быть использованы для производства продовольствия. В декларации подчеркивалось, что в целях увеличения роста производства продуктов питания все страны должны сотрудничать в деле охраны природной среды. В июне 1976 г. в Ванкувере (Канада) состоялась конференция ООН по населенным пунктам. В Декларации конференции говорилось о необходимости каждой страны рационально использовать свои природные ресурсы, избегая загрязнения биосферы. Декларация конференции осуждала расточительное и нерациональное использование ресурсов на войны и вооружение. Рассмотрение проблем населенных пунктов было продолжено на 31 и 32 сессиях Генеральной Ассамблеи ООН в 1976 и 1977 гг. На них были утверждены основные принципы международного сотрудничества в этой области и приняты окончательные организационные решения. УМКД 042-18-25.1.79/02-2015 Ред. № 2 от 11.06.2015 г. Страница 68 из 81 Важнейшей проблемой современности стала задача водоснабжения населения, рационального использования водных ресурсов. От решения этих проблем зависит не только улучшение окружающей человека среды, но и жизнь, здоровье миллионов людей, особенно в развивающихся странах. Конференция ООН по водным ресурсам состоялась в г. Мардель-Плата (Аргентина) в марте 1977 г. В ее работе приняли участие представители 116 государств, а также представители ряда национально-освободительных движений, органов ООН, международных правительственных и неправительственных организаций. Конференция ООН по водным ресурсам способствовала развитию межгосударственного сотрудничества в данной области, решению ряда спорных вопросов. Она активизировала деятельность международных организаций в соответствующих направлениях. Таким образом, решение глобальных проблем экологии возможно лишь в условиях международного экологического сотрудничества стран. Только совместными усилиями всех стран возможно предотвратить нависшую угрозу над человечеством – угрозу жизни на Земле. Основные понятия: окружающая среда, охрана окружающей среды, международное сотрудничество, устойчивое развитие Вопросы для самоконтроля: 1 Расскажите об основных результатах социологического опроса “Здоровье планеты”. 2 С чем связано начало первого периода международного экологического сотрудничества? 3 Какое событие послужило началом третьего периода развития международного экологического сотрудничества? Рекомендуемая литература: 1 Артамонова Е.Н. Социальная экология и устойчивое развитие: курс лекций: Учебное пособие. – Семей: Семипалат. гос. пед. ин-т, 2010. – С. 86-91. 3 Практические занятия Тема 1 Биосфера как глобальная экосистема (СПЗ 2) Цель занятия: усвоить понятия «биосфера», «границы биосферы», изучить вклад разных ученых в разработку учения о биосфере, рассмотреть основные свойства биосферы Методические рекомендации по выполнению задания: Задание 1. Фронтальный опрос: 1 Что такое биосфера? 2 Кто и когда впервые сформулировал это понятие? УМКД 042-18-25.1.79/02-2015 Ред. № 2 от 11.06.2015 г. Страница 69 из 81 3 Какие учение внесли вклад в развитие учения о биосфере? 4 Как называется основной труд В.И. Вернадского, в котором разработаны основные положения его учения? 5 Назовите верхнюю границу биосферы. 6 Чем определяется нижняя граница биосферы? 7 Перечислите основные свойства биосферы. Задание 2. Тест-контроль. Задание 3. Работа в тетрадях 3.1 Схематично представьте строение биосферы с указанием ее нижней и верхней границ. 3.2 На схеме «Взаимоотношения основных компонентов биосферы» укажите, что обозначено цифрами 1-6 из предложенного ряда компонентов: атмосфера, гидросфера, литосфера, почва, автотрофы, гетеротрофы. Задание 4. Подведение итогов. Сформулируйте выводы по изученной теме. Контрольные вопросы: 1 Что такое «биосфера»? 2 Кто является автором термина «биосфера»? 3 Какова роль В.И. Вернадского в разработке учения о биосфере? 4 Сформулируйте три биогеохимических принципа. 5 Что является верхней и нижней границей биосферы? Чем они обусловлены? 6 Перечислите основные свойства биосферы. Литература: 1 Артамонова Е.Н. Учение о биосфере и ноосфере: Учебное пособие. – Семей: Семипалат. гос. пед. ин-т, 2010. – С. 3-6. 2 Вернадский В.И. Биосфера и ноосфера // Библиотека трудов акад. В.И. Вернадского. Живое вещество и биосфера. - М., 1994. – С.3-15. 3 Панин М.С. Химическая экология. – Семипалатинск, 2002. – С. 14-21. 4 Петров К.М. Общая экология: взаимодействие общества и природы. - С-Пб: Химия, 1997. – С. 114-119. Тема 2 Концепция живого вещества Цель занятия: усвоить понятия «живое вещество», «биогенное вещество», «биокосное вещество»; изучить биосферную роль живого вещества. Методические рекомендации по выполнению задания: Задание 1. Фронтальный опрос: 1 Что такое живое вещество? 2 Дайте определение понятию «биогенное вещество». 3 Что понимают под биокосным веществом? 4 В чем заключается коренное отличие живого вещества от косного? УМКД 042-18-25.1.79/02-2015 Ред. № 2 от 11.06.2015 г. Страница 70 из 81 5 Перечислите основные уникальные особенности живого вещества. 6 Назовите основополагающие функции живого вещества в биосфере. 7 Сформулируйте закон биогенной миграции атомов. Задание 2. Тест-контроль. Задание 3. Работа в тетрадях 3.1 Заполните таблицу «Свойства живого вещества» Функция Пример ее проявления Пример организмов 3.2 Роль живого вещества в биосфере представьте в виде блок-схемы «Функции живого вещества». 3.3 Решите задачу: общее количество кислорода в биосфере, продуцируемого растениями в процессе фотосинтеза, составляет около 3,2*1014 т/год. Из этого количества наземные растения синтезируют примерно 2,6*1011 т/год, а водные – около 0,6*1011 т/год. Выразите эти значения в процентном соотношении. Сделайте вывод о биосферной роли зеленых растений. Задание 4. Подведение итогов. Сформулируйте выводы по изученной теме. Контрольные вопросы: 1 Что такое живое, биогенное и биокосное вещество? 2 В чем заключается коренное отличие живого вещества от косного? 3 Перечислите основные уникальные особенности живого вещества. 4 Каковы основополагающие функции живого вещества в биосфере? 5 Сформулируйте закон биогенной миграции атомов. Литература: 1 Артамонова Е.Н. Учение о биосфере и ноосфере: Учебное пособие. – Семей: Семипалат. гос. пед. ин-т, 2010. – С. 11-20. 2 Вернадский В.И. Биосфера и ноосфера // Библиотека трудов акад. В.И. Вернадского. Живое вещество и биосфера. - М., 1994. – С. 46-52. 3 Панин М.С. Химическая экология. – Семипалатинск, 2002. – С. 21-27. 4 Петров К.М. Общая экология: взаимодействие общества и природы. - С-Пб: Химия, 1997. – С. 119-123. Тема 3 Теории происхождения жизни на Земле Цель занятия: рассмотреть основные теории происхождения жизни на Земле, выявить отличительные особенности добиотического и биотического этапов эволюции. Методические рекомендации по выполнению задания: Задание 1. Устный опрос: 1. Теории возникновения жизни на Земле: креационизм. УМКД 042-18-25.1.79/02-2015 Ред. № 2 от 11.06.2015 г. Страница 71 из 81 2. Сравнительная характеристика теорий стационарного состояния и панспермии. 3. Теория биохимической эволюции А.И. Опарина. 4. Теория биопоэза Дж. Бернала: современный взгляд. 5. Этапы добиотической эволюции. 6. Этапы биотической эволюции. Задание 2. Изучите схему «Сравнительная характеристика теорий происхождения жизни», опишите ее. Схема. Сравнительная характеристика теорий происхождения жизни Задание 3. Подведение итогов. Сформулируйте выводы по изученной теме. Контрольные вопросы: 1 Перечислите основные теории происхождения жизни. 2 Какой теории происхождения жизни придерживался В.И. Вернадский? 3 Основные положения теории биохимической эволюции по А.И. Опарину. 4 Охарактеризуйте этапы добиотической и биотической эволюции. Литература: 1 Артамонова Е.Н. Учение о биосфере и ноосфере: Учебное пособие. – Семей: Семипалат. гос. пед. ин-т, 2010. – С. 21-30. УМКД 042-18-25.1.79/02-2015 Ред. № 2 от 11.06.2015 г. Страница 72 из 81 Тема 4 Эволюция планеты в архейскую эру и протерозой Цель занятия: изучить геохронологическую шкалу, особенности возникновения и развития жизни в докембрийский период. Методические рекомендации по выполнению задания: Задание 1.Устный опрос: 1. Геологическая временная шкала истории Земли. 2. Краткая характеристика эр, периодов и эпох докембрия. 3. Абиотические условия и жизнь в архейскую эру. 4. Абиотические условия и жизнь в протерозой. Задание 2. Письменный опрос по карточкам. Задание 3. Работа в тетрадях: 3.1 Заполните таблицу «Краткая история развития жизни в докембрий» Эон Эра Период Начало, лет назад Основные события 3.2 Расположите события, происходящие в архее и протерозое, в последовательности, соответствующей порядку их возникновения: а) появление фотосинтеза; б) появление прокариот; в) появление многоклеточных водорослей; г) появление свободного кислорода. Задание 4. Подведение итогов. Сформулируйте выводы по изученной теме. Контрольные вопросы: 1 Что такое геохронологическая шкала? 2 Какие два главных интервала выделяют в истории Земли? 3 Как развивалась жизнь в архейскую эру? 4 Охарактеризуйте многообразие жизни в протерозое. Литература: 1 Артамонова Е.Н. Учение о биосфере и ноосфере: Учебное пособие. – Семей: Семипалат. гос. пед. ин-т, 2010. – С. 30-33. Тема 5 Развитие биосферы в палеозое Цель занятия: изучить геохронологическое подразделение палеозоя, климатические условия и особенности развития жизни в палеозойскую эру. Методические рекомендации по выполнению задания: Задание 1. Фронтальный опрос: 1. Каковы временные рамки палеозойской эры? 2. На какие периоды делится палеозойская эра? УМКД 042-18-25.1.79/02-2015 Ред. № 2 от 11.06.2015 г. Страница 73 из 81 3. Какие основные ароморфозы произошли в раннем палеозое? 4. Какими были условия для жизни животных и растений в ранний палеозой? 5. Какие животные и растения жили в палеозойский период? Задание 2. Тест-контроль. Задание 3. Заполните таблицу: Период География и климат Живой мир Климат был умеренным, материки низменными. Ордовик Силур Господствовали бактерии. Продолжали развиваться сине-зелёные водоросли. … Существовали представители почти всех типов и большинства классов морских беспозвоночных. Появились бесчелюстные рыбообразные — первые позвоночные. Для периода характерно постепенное развитие засушливости климата. Задание 4. Изучите рисунок. Сделайте вывод о разнообразии животного мира раннего палеозоя. Ранний палеозой (кембрий, ордовик, силур): 1 — археоциаты; 2, 3 — кишечнополостные; 2 — одиночные четырёхлучевые кораллы (ругозы), 3 — медуза; 4 — членистоногие (трилобит); 5, 6 — моллюски: 5 — головоногий, 6 — брюхоногий; 7 — брахиоподы; 8, 9 — иглокожие: 8 — цистоидеи, 9 — морские лилии; 10 — полухордовые (граптолит); 11 — бесчелюстные рыбообразные. УМКД 042-18-25.1.79/02-2015 Ред. № 2 от 11.06.2015 г. Страница 74 из 81 Задание 5. Подведение итогов. Сформулируйте выводы по изученной теме. Контрольные вопросы: 1 Каковы временные рамки палеозойской эры? 2 На какие периоды делится палеозойская эра? 3 Какими были условия для жизни животных и растений в ранний палеозой? 4 Какие животные и растения жили в палеозойский период? 5 Чем был вызван гигантизм насекомых того времени? Литература: 1 Артамонова Е.Н. Учение о биосфере и ноосфере: Учебное пособие. – Семей: Семипалат. гос. пед. ин-т, 2010. – С. 30-33. Тема 6 Мезозойская эпоха в эволюции биосферы Цель занятия: изучить физико-географические особенности и развитие жизни в мезозое. Методические рекомендации по выполнению задания: Задание 1. Устный опрос: 1. Физико-географическая характеристики мезозойской эры. 2. Характеристика органического мира в триасовый период. 3. Характеристика органического мира в юрский период. Задание 2. Тестовый опрос. Задание 3. Работа в тетрадях: 3.1 В соответствии с правилами составления синквейна охарактеризуйте один из периодов мезозоя. Синквейн – это стихотворение из пяти строк. Первая строка – тема стихотворения, выраженная одним словом, обычно именем существительным, отражающим главную идею. Вторая строка – описание основной мысли темы в двух словах, как правило, именами прилагательными. Третья строка – описание действия в рамках этой темы тремя словами, обычно глаголами. Четвертая строка – фраза из четырех слов, выражающая отношение автора к данной теме. Пятая строка – одно слово – синоним к первому, на эмоциональнообразном или философско-обобщенном уровне, повторяющем суть темы. Строгие правила синквейна закрепляют за каждой строкой не только количество слов, но и части речи, которыми может воспользоваться автор. Например, Карбон Углеобразующий, пышнорастительный Развивался, расцветал, совершенствовался. Появились насекомые, господствовали стегоцефалы Период 3.2 «Кто есть кто?»: по фотоснимкам определите виды растений и животных, существовавших в мезозойскую эру. Задание 4. Подведение итогов. Сформулируйте выводы по изученной теме. Контрольные вопросы: 1 Каковы временные рамки мезозойской эры? 2 На какие периоды делится мезозой? УМКД 042-18-25.1.79/02-2015 Ред. № 2 от 11.06.2015 г. Страница 75 из 81 3 Какими были условия для жизни животных и растений в мезозойскую эру? 4 Какие животные и растения жили в мезозое? 5 Чем была вызвана мезозойская катастрофа? Литература: 1 Артамонова Е.Н. Учение о биосфере и ноосфере: Учебное пособие. – Семей: Семипалат. гос. пед. ин-т, 2010. – С. 30-33. Тема 7 Кайнозойская эра и антропоген Цель занятия: изучить климатические условия и среду обитания в разные периоды кайнозойской эры и сформировать знания об эволюции органического мира в кайнозое. Методические рекомендации по выполнению задания: Задание 1. Письменный опрос: 1 вариант 1. Физико-географическиеособенности палеогена. 2. Характеристика органического мира в неогеновый период. 3. Характеристика антропогена. 2 вариант 1. Физико-географические особенности неогена. 2. Характеристика органического мира в палеогеновый период. 3. Характеристика антропогена. Задание 2. Работа в тетрадях: 2.1 В виде схемы представьте геохронологию кайнозоя с указанием периодов, эпох (разделов) и их временных интервалов. 2.2 Найдите и исправьте ошибки в тексте. Кайнозойский период состоит из трех эр: сначала антропоген, затем палеоген и последним идет неоген. В палеогене появились все отряды млекопитающих, а птицы и насекомые господствовали. В неогене происходило вымирание мелких динозавров, которые не успели вымереть в мезозое. В антропогене появился человек. 2.3 В 1938 г. рыболовный траулер доставил в музей Ист-Лондона (Южная Африка) необычную рыбу длиной 1,5 м и массой 50 кг. У нее были короткие мясистые плавники, напоминавшие ноги, — два грудных и два брюшных. Сотрудница музея К. Латимер поняла, что неизвестная рыба должна представлять большой научный интерес, и не ошиблась. Обнаруженная рыба оказалась посланцем далекой геологической эпохи и была названа латимерией. Почему его считают важной научной находкой? Когда такие организмы появились на Земле в процессе эволюции? Задание 3. Подведение итогов. Сформулируйте выводы по изученной теме. УМКД 042-18-25.1.79/02-2015 Ред. № 2 от 11.06.2015 г. Страница 76 из 81 Контрольные вопросы: 1 Дайте характеристику органическому миру палеогена. 2 Составьте геохронологическую шкалу кайнозойской эры. 3 Почему эпохи и отделы в четвертичном периоде называются разделами? 4 Кратко осветите историю возникновения современного типа человека. 5 Чем обусловлены оледенения четвертичного периода? Литература: 1 Артамонова Е.Н. Учение о биосфере и ноосфере: Учебное пособие. – Семей: Семипалат. гос. пед. ин-т, 2010. – С. 30-33. Тема 8 Стабильность биосферы Цель занятия: усвоить понятия «устойчивость биосферы», «гомеостаз», изучить основные механизмы, обеспечивающие стабильность биосферы. Методические рекомендации по выполнению задания: Задание 1. Беседа по вопросам: 1 Целостность и устойчивость биосферы. 2 Стабильность биосферы. Динамический характер стабильности. Регуляторные механизмы стабилизации биосферы. 3 Синергетика биосферы. Действие законов термодинамики в биосфере. Принцип Ле-Шателье. 4 Динамика популяций как механизм, обеспечивающий устойчивость биосферы. 5 Характеристика различных жизненных стратегий организмов. Задание 2. Тестовые задания. Задание 3. Работа в тетрадях: 3.1 Постройте график, отображающий экспоненциальную и логистическую кривые роста популяции. 3.2 Заполните таблицы «Сравнительная характеристика типов стратегии живых организмов». Признак Тип стратегии виолент (C) патиент (S) эксплерент (R) Абиотические условия среды Наличие нарушений Жизненная форма Тип реагирования на стресс Экологическая ниша r-виды (виды-оппортунисты) К-виды (с тенденцией к равновесию) УМКД 042-18-25.1.79/02-2015 Ред. № 2 от 11.06.2015 г. Страница 77 из 81 Задание 4. Подведение итогов. Сформулируйте выводы по изученной теме. Контрольные вопросы: 1 Что такое синергетика? Какую роль она играет в понимании законов развития природы? 2 Перечислите основные механизмы, обеспечивающие устойчивость биосферы. 3 В чем разница между экспоненциальной и логистической кривыми роста популяции? 4 Дайте сравнительную характеристику типов стратегий растений. 5 Назовите характерные особенности r- и К-видов. 6 Каким образом реализация экологических ниш обеспечивает стабильность биосферы? 7 В чем заключается принцип экологической эквивалентности? Литература: 1 Артамонова Е.Н. Учение о биосфере и ноосфере: Учебное пособие. – Семей: Семипалат. гос. пед. ин-т, 2010. – С. 34-45. 2 Петров К.М. Общая экология: взаимодействие общества и природы. - С-Пб: Химия, 1997. – С. 126-137. Тема 9 Ноосфера и устойчивое развитие биосферы Цель занятия: изучить основные концепции развития биосферы: ноосферы и устойчивого развития, выявить отличительные черты каждой из них. Методические рекомендации по выполнению задания: Задание 1. Фронтальный опрос: 1. Что такое ноосфера? 2. Кем и когда был предложен данный термин? 3. Какая статья В.И. Вернадского посвящена изучению ноосферы? 4. Перечислите основные условия перехода к ноосферной организации. 5. Назовите три составные части ноосферы. 6. Какое развитие называют устойчивым? Задание 2. Тест-контроль. Задание 3. Дискуссия. Разделитесь на 2 команды. Одна команда отстаивает позицию «В ноосфере человек – главная созидательная сила», другая – «В ноосфере человек – главная разрушительная сила». Задание 4. Подведение итогов. Сформулируйте выводы по изученной теме. Контрольные вопросы: 1 Что такое «ноосфера»? 2 Кто являются авторами термина «ноосфера»? 3 Назовите основные условия ноосферной организации процессов на Земле. УМКД 042-18-25.1.79/02-2015 Ред. № 2 от 11.06.2015 г. Страница 78 из 81 4 Когда возникло понятие «устойчивое развитие»? 5 Какова роль Комиссии Брундтланд в развитии данной концепции? Литература: 1 Артамонова Е.Н. Учение о биосфере и ноосфере: Учебное пособие. – Семей: Семипалат. гос. пед. ин-т, 2010. – С. 46-56. 2 Вернадский В.И. Биосфера и ноосфера // Библиотека трудов акад. В.И. Вернадского. Живое вещество и биосфера. - М., 1994. – С. 240-252. 3 Панин М.С. Химическая экология. – Семипалатинск, 2002. – С. 28-35, 698705. 4 Петров К.М. Общая экология: взаимодействие общества и природы. - С-Пб: Химия, 1997. – С. 176-187. Тема 10 Социально-экологические проблемы современности Цель занятия: изучить источники, суть и последствия глобальных экологических проблем для современной биосферы, рассмотреть основные пути их решения. Методические рекомендации по выполнению задания: Задание 1. Фронтальный опрос: 1. Что такое химическое загрязнение биосферы? 2. Перечислите основные озоноразрушающие вещества. 3. Почему проблема глобального потепления носит название «парникового эффекта»? 4. Что такое химическое загрязнение биосферы? Приведите примеры. 5. Приведите примеры сокращения биоразнообразия. Задание 2. Тест-контроль. Задание 3. Работа в тетрадях: 3.1 Заполните таблицу «Экологические кризисы в истории развития биосферы». № п/п Название кризиса Время возникновения Суть Пути выхода 3.2 Один ученый утверждает, что парниковый эффект – явление положительное для земной жизни, и приводит доводы в пользу своей точки зрения. Другой считает парниковый эффект опасным явлением. Включитесь в их спор. Какие доводы могут приводить ученые? Кто из ни прав? Задание 4. Подведение итогов. Сформулируйте выводы по изученной теме. Контрольные вопросы: 1 Что понимают под «демографическим взрывом»? 2 Назовите два основных вида эрозии почв. 3 Охарактеризуйте масштабы опустынивания в Казахстане. УМКД 042-18-25.1.79/02-2015 Ред. № 2 от 11.06.2015 г. Страница 79 из 81 4 Какие вещества называют ксенобиотиками? Литература: 1 Артамонова Е.Н. Учение о биосфере и ноосфере: Учебное пособие. – Семей: Семипалат. гос. пед. ин-т, 2010. – С. 46-56. 2 Панин М.С. Химическая экология. – Семипалатинск, 2002. – С. 36-56. 3 Петров К.М. Общая экология: взаимодействие общества и природы. - С-Пб: Химия, 1997. – С. 138-162. 4 Самостоятельная работа студента 4.1 Темы СРО 1 В.И. Вернадский – основоположник учения о биосфере 2 Химический состав живого вещества 3 Теория самопроизвольного зарождения жизни 4 Химический этап эволюции биосферы 5 Органический мир силура 6 Меловой период мезозойского этапа развития жизни на Земле 7 Деятельность человека в различные эпохи исторического прошлого. Экологические кризисы 8 Сукцессии сообществ как один из механизмов устойчивости биосферы 9 «Несколько слов о ноосфере» В.И. Вернадского 10 Радиоактивное загрязнение биосферы 4.2 Сроки сдачи СРО, вид отчетности и рекомендуемая литература Неделя 1 Тема Отчетность Литература 2 3 4 УМКД 042-18-25.1.79/02-2015 2 3 4 5 6 9 Ред. № 2 от 11.06.2015 г. Страница 80 из 81 СРС 1 «В.И. Вернадский – ос- Заполнение 1. Артамонова Е.Н. Учение новоположник учения о биотаблицы о биосфере и ноосфере. – сфере» Семей, 2010. – С. 7-10. СРСП 1 «Химический состав Конспект 1. Артамонова Е.Н. Учение живого вещества» о биосфере и ноосфере. – Семей, 2010. – С. 17-20. СРС 2 «Теория самопроиз- Разработка 1. Артамонова Е.Н. Учение вольного зарождения жизни» тестов о биосфере и ноосфере. – Семей, 2010. – С. 22-23. СРСП 2 «Химический этап Беседа 1.http://ru.wikipedia.org/wiki эволюции биосферы» 2.http://wsyachina.narod.ru/e arth_sciences/life_genesis_7. html СРС 3 «Органический мир сиРабота с 1.http://ru.wikipedia.org/wiki лура» Интернет- 2. http://www.dinos.ru/text/ ресурсами silur2.htm 3. http://geohro.ru/silurorganik СРС 4 «Меловой период мезо- Презента- 1.http://ru.wikipedia.org/wiki зойского этапа развития жизни ция 2.http://www.dinozavro.ru/pa на Земле» leontolog/mezozoi.php 3. http://ecos.org.ua/?p=93 УМКД 042-18-25.1.79/02-2015 Ред. № 2 от 11.06.2015 г. 1 10 2 СРСП 3 «Деятельность человека в различные эпохи исторического прошлого. Экологические кризисы» 3 Реферат 12 СРС 5 «Сукцессии сообществ как один из механизмов устойчивости биосферы» СРСП 4 «Несколько слов о ноосфере» В.И. Вернадского» Глоссарий СРС 6 «Радиоактивное загрязнение биосферы» Аннотации научных статей 13 14 Конспект Страница 81 из 81 4 1. Муравья Л.А. Экология и безопасность жизнедеятельности. – М.: ЮнитиДана, 2000. – 447 с. 2. http://ru-ecology.info/pics/ 202703001730021/ 1. Артамонова Е.Н. Учение о биосфере и ноосфере. – Семей, 2010. – С. 43-44. 1. Артамонова Е.Н. Учение о биосфере и ноосфере. – Семей, 2010. – С. 78-80. 1. http://cyberleninka.ru/
