Модуль 4. Эволюция состава биосферы.
Биогеохимия агроландшафтов

Тема 4.1. ЭВОЛЮЦИЯ СОСТАВА БИОСФЕРЫ.
ПРОБЛЕМЫ ТРАНСФОРМАЦИИ БИОСФЕРЫ В НООСФЕРУ

4.1.1. Эволюция состава биосферы

4.1.2. Техногенез

4.1.3. Понятие ноосферы и общие вопросы ноосферогенеза

4.1.1. Эволюция состава биосферы

Биосфера, как система динамическая (вспомните, что это значит) и очень сложно устроенная, способна постоянно изменяться. И она действительно, с самого момента своего возникновения никогда не оставалась в одном и том же состоянии. Вся история биосферы - это ее непрерывное эволюционное развитие. Вы, конечно, помните, что состояние любой сложной системы определяется самым высоко развитым компонентом в ее составе. А раз в биосфере таким является живое вещество, то и история развития биосферы - это в первую очередь история эволюции живых организмов и их сообществ.

Применение актуалистического метода позволило установить факт эволюционного развития биосферы и Земли в целом. Доказательства эволюционного развития биосферы базируются, главным образом, на палеонтологических данных, свидетельствующих о необратимом направленном развитии органического мира нашей планеты в направлении усложнения и появления всё более высокоразвитых форм.

В чём сохраняются следы процессов отдалённого прошлого, те самые результаты, которые мы сравниваем с результатами современных процессов? В горных породах. Их состав (минеральный и химический), особенности строения и являются производными тех условий, в которых происходило их формирование. Часть этих характеристик сохраняется или может быть реконструирована, несмотря на дальнейшие изменения, которым эти породы подвергались на протяжении миллионов лет. Поэтому, пока горная порода не разрушена полностью, а её вещество использовано для формирования других горных пород, мы можем реконструировать условия, существовавшие в эпоху её формирования.

Так что низкие скорости геологического и геохимического круговорота, в отличие от биологического – благо, дающее нам возможность проследить прошлое планеты достаточно строгими научными методами на многие сотни миллионов лет. Как Вам известно из курса общей геологии, древнейшие сохранившиеся горные породы на Земле имеют возраст около 3,8 млрд. лет. Всё, что было раньше – строгой реконструкции не поддаётся, это область одних лишь гипотез.

В развитии географической оболочки Земли, а затем биосферы выделяется три крупных этапа:

1. Условно абиогенный (догеологический, катархейский) - гипотетический.
2. Биогенный.
3. Техногенный.

Абиогенный этап.

Гипотетически реконструируется на основе общей направленности эволюционного развития литосферы как время развития однообразного базальтового вулканизма, который должен был определять восстановительный состав первичной атмосферы. Видимо, существовала однообразная восстановительная среда, различия между ландшафтами были невелики, а поверхность материков представляла собой однообразную безжизненную пустыню. Эволюционный характер развития планеты в целом вытекает из реконструируемого направленного изменения состава и строения литосферы (тоже необратимого, и идущего по пути усложнения строения, то есть увеличения информации и уменьшения энтропии). Первичный состав атмосферы был сформирован вулканической деятельностью. Основными компонентами были CH₄, NH₃, H₂S, CO₂, H₂O. Следствием такого состава атмосферы было наличие во всей географической оболочке восстановительной среды, непригодной для подавляющего большинства современных форм жизни.

Биогенный этап.

Далее наступает биогенный этап развития, и это ведёт к постепенному, но радикальному преобразованию всего состава атмосферы. Деятельность фотосинтезирующих организмов приводит к появлению свободного кислорода, который насыщает поначалу воды Мирового Океана, а затем и атмосферу. В результате окисляются и теряют своё значение в атмосфере такие газы, как аммиак, сероводород, метан. Существенно уменьшается содержание углекислого газа, используемого в процессах фотосинтеза. Азот переходит в молекулярную форму. В результате окисления серы выпадают кислотные дожди, и атмосфера от сернистых соединений очищается.

Время начала биогенного этапа достоверно неизвестно. Косвенные данные (изотопный состав углерода в древнейших горных породах) указывают на то, что при их формировании на Земле уже шли биогенные процессы. Не решен даже вопрос о возникновении жизни (в том числе даже тот аспект, зародилась ли она на нашей планете или занесена извне). Из курса общей геологии Вы знаете, что самый длительный промежуток истории нашей планеты, продолжавшийся более трех миллиардов лет называется докембрий (или криптозой – время скрытой жизни) – или, другими словами, - время, предшествовавшее кембрийскому периоду, начавшему "эпоху явной жизни".

Разделение докембрия на две части - архей и протерозой - с точки зрения развития биосферы довольно условно. Когда вводили эти названия, считали, что в архее Земля была еще совершенно безжизненной. Но, продолжая изучение докембрийских горных пород и применяя новые и более совершенные методы исследования, ученые обнаруживали остатки живых организмов или различные следы их деятельности во все более и более древних слоях. В конце концов такие следы обнаружили и в самых древних горных породах, образовавшихся почти 4 миллиарда лет назад. Это значит, что с самых ранних моментов геологической истории Земли жизнь на ней уже была - а значит, была и биосфера. Выходит, возникновение биосферы (независимо от того, каким именно путем появилась на Земле жизнь), вероятно, относится к самому раннему, догеологическому этапу истории нашей планеты, от которого не сохранилось никаких следов.

Разумеется, жизнь на заре геологической истории была совсем не такой, как сейчас. Не было никаких крупных животных и растений. Поначалу жизнь существовала только в форме микроорганизмов. Потому-то и обнаружить ее следы очень трудно. Но не может быть сомнений, что распространялись эти древнейшие формы жизни везде, где находили для себя подходящие условия, осваивая все новые места обитания. Несколько позже появляются и широко распространяются в докембрийских морях водоросли.

Долгое время - многие сотни миллионов, даже миллиарды лет - никаких более развитых форм жизни на Земле не было. Но влияние живого вещества было уже огромным. Древние водоросли извлекали из морской воды кальций (подобно тому, как это делают нынешние кораллы) и создавали в теплых докембрийских морях карбонатные слоистые водорослевые постройки - строматолиты. В отложениях протерозоя они особенно многочисленны. В глубоких частях протерозойских морей накапливались огромные массы донных осадков, богатых железом. Сейчас в этих местах находятся крупнейшие месторождения железных руд. В наше время отложения такого типа нигде не образуются. Многие ученые считают, что их накопление шло при активном участии особых бактерий, которые сейчас не пользуются широким развитием, а тогда, очевидно, переживали свой расцвет. Наконец, и состав атмосферы Земли сильно изменился и стал похож на современный тоже в докембрийское время, и в этом тоже главную роль играло живое вещество

Биогенный этап эволюции географической оболочки планеты подразделяется на три стадии: восстановительную, окислительную и окислительно-восстановительную.

Восстановительная стадия.

Архей, ранний протерозой, ранний рифей (3,8 – 1,4 млрд. лет).

Состав горных пород указывает, что атмосфера была совсем бескислородной или содержала очень мало кислорода. В ландшафтах господствовала глеевая среда, контрастность окислительно-восстановительных условий была невысокой. Предполагается, что ареал жизни был очень ограничен из-за отсутствия озонового экрана (что является следствием низкого содержания кислорода в атмосфере).

Так как сумма кларков элементов, образующих сильные катионы, в литосфере резко преобладает над суммой для сильных анионов, это соотношение должно было создавать сильно щелочную среду, неблагоприятную для процессов жизнедеятельности. Предполагается, что этим объясняется развившаяся у живых организмов способность более интенсивно поглощать из окружающей среды анионы: так они создавали более нейтральную среду внутри своего организма. Этим же объясняется и способность многих белков и других органических соединений усреднять рН, формирование нейтрализующих щелочную среду органических кислот, в том числе гумусовых. То есть все эти свойства живого вещества первоначально были приспособительными, в том числе и направленными на изменение условий среды. А потом, закрепившись наследственностью, они утратили приспособительное значение и остались своего рода биогеохимическим реликтом той далёкой эпохи.

По наиболее распространённым сейчас представлениям, первые микроорганизмы, способные осуществлять фотосинтез, появились около 2 млрд. лет назад (хотя есть мнения отдельных учёных, что это произошло и раньше). С этого времени начался процесс накопления в атмосфере свободного кислорода, что в конечном счёте привело к качественному изменению – смене восстановительной стадии развития ландшафтов окислительной.

Окислительная стадия (1,4 – 0,4 млрд. лет).

В течение этой стадии наступает момент, с которого ведущую роль в биогеохимическом круговороте на Земле приобретает растительность. Поэтому более дробная периодизация этого этапа развития биосферы производится именно по смене растительности. Но этот момент наступает уже ближе к концу окислительной стадии (около 700 млн. лет назад). А в промежутке времени от 1,4 млрд. до 700 млн. лет назад (средний и поздний рифей) темпы эволюции органического мира по прежнему оставались невысокими. Содержание кислорода в среднерифейской атмосфере составляло, по ориентировочным оценкам, 15-20% от современного. Для этого времени характерно появление и широкое развитие красноцветных осадочных пород (в результате перехода двухвалентного железа в трехвалентное, соединения которого имеют красноватую окраску). Началось накопление пластов и линз органического вещества.

В рифейских отложениях отмечены первые признаки оледенений, что связывают с уменьшением содержания в атмосфере углекислого газа и уменьшением парникового эффекта. При этом, по сравнению с современным состоянием атмосферы, содержание углекислоты всё равно ещё оставалось значительно более высоким, что определяло высокую растворимость карбоната кальция и его активную миграцию в водных формах. Осаждался карбонат кальция поэтому преимущественно биогенным путём, и первыми осуществлявшими это организмами были водоросли. Для рифея характерно массовое развитие строматолитов – известковых водорослевых построек, которые могли слагать крупные рифы. Таким образом, первыми организмами-рифостроителями были водоросли, и лишь намного позднее эта функция перешла к животным, в наибольшей мере – к коралловым полипам.

Суша среднего и позднего рифея была монотонной окислительной примитивной пустыней.

Ранний палеофит – венд, кембрий, ордовик и силур (700-400 млн. лет назад).

В этот период происходит резкое увеличение количества биомассы и видового разнообразия живых организмов. То есть в самом конце протерозоя в развитии биосферы происходит самый настоящий эволюционный взрыв.

Интересно, что вплоть до середины ХХ века ученые о нем даже не подозревали, пока около местечка Эдиакар в Австралии, в слоях, предшествующих кембрийскому периоду, не обнаружили целое "кладбище" отпечатков разнообразных и удивительных животных. Одни из них были похожи на современных червей или медуз. В других угадывались предки членистоногих или моллюсков, только не имевших еще ни панцирей, ни раковин. Третьи оказались вообще ни на что не похожи. Общим для них было одно - все они не имели никаких твердых частей тела. Поэтому-то так долго они и оставались неизвестными. Ведь для того, чтобы в осадочной породе хорошо сохранились отпечатки мягких тканей, нужны особые, редко встречающиеся условия.

После открытия в Австралии подобные отпечатки стали искать в протерозойских отложениях других частей света. Сейчас подобных находок уже довольно много; есть они и в Сибири. Стало ясно, что самый конец протерозоя - это особая важная стадия в развитии биосферы, время массового появления разнообразных мягкотелых животных, давших начало развитию различных групп животного царства. Время развития этих форм жизни, продолжавшееся около 100 миллионов лет, по предложению русского ученого Б. С. Соколова выделили в особый вендский период, предшествующий кембрийскому. Венд - это единственный период, который сейчас выделяют в докембрийской истории Земли, так как вендский период сыграл очень важную роль в эволюции биосферы. Он завершил "скрытый" этап в развитии живого вещества на Земле и подготовил бурный расцвет жизни, наступивший в фанерозое..

Если в венде получают широкое развитие мягкотелые многоклеточные, то с начала кембрия уже появляются многочисленные формы живых организмов с известковым и фосфатным (хитиновым) скелетом. Как раз на рубеже венда и кембрия, за очень короткий (в геологическом смысле) промежуток времени - всего за несколько миллионов лет - очень многие группы живых организмов обзавелись твердыми частями тела, хорошо сохраняющимися в ископаемом состоянии - раковинами, панцирями и так далее. Процветавшие в вендском периоде мягкотелые животные в большинстве своем так же резко исчезают. Многие их группы, похоже вообще не оставили никаких потомков.

В чем причина таких резких перемен, до сих пор неясно. Можно предполагать, что большинство мягкотелых животных просто не выдержали соперничества с новыми формами, имевшими надежную внешнюю защиту. Но почему самые разнообразные группы организмов практически одновременно сумели "изобрести" себе такую защиту?

Вероятно, возможность появления известкового скелета была обусловлена снижением содержания СО₂ в атмосфере до критического уровня, обусловившего снижение растворимости карбоната кальция и устойчивость такого скелета к растворению. Есть геохимические объяснения и появлению фосфатного скелета. В отношении причин появления кремневого (у губок) нет даже обоснованных предположений, достоверно не известно и точное время его появления.

Живая природа начала палеозоя была еще очень мало похожа на современную. Жизнь пока развивалась в основном в морях и океанах. Многие животные вели прикрепленный образ жизни на морском дне - например, благополучно дожившие до наших дней губки или, наоборот, давно вымершие археоциаты ("древние кубки"), которые даже строили рифы наподобие коралловых (остатки таких рифов до сих пор сохранились в окрестностях Красноярска). Другие животные обитали на дне, прячась в раковины, как это делают современные устрицы или улитки. Но настоящими хозяевами морей начала палеозойской эры были трилобиты - членистоногие животные с прочным панцирем, по форме похожие на современных мокриц. Первыми настоящими позвоночными стали рыбы, впервые появившиеся в морях ордовикского периода.

Суша еще долго оставалась практически безжизненной. Предполагают, что еще начиная с докембрия на ней могли расселяться лишайники, но прямых подтверждений этому нет. Достоверных данных о существовании в это время наземной растительности также нет. Косвенные заключаются в находках образований, похожих на споры высших растений, а также фрагментов тканей, сходных то с частичками древесины, то с обрывками кутикулы. Но – только сходных. Сохранность всех имеющихся находок плохая, и принадлежность их вообще к растительным, а не к животным остаткам, не доказана.

На всей территории суши продолжала господствовать окислительная среда. В донных осадках водоемов, напротив, нередко формировались восстановительные условия и накапливались илы, обогащённые органическим веществом. Из таких илов формировались углеродистые сланцы, широко распространённые начиная с этого времени.

Окислительно-восстановительная стадия (400-0 млн. лет назад).

Связана с широким заселением суши высшими растениями и животными. Хотя на суше по-прежнему преобладала (и до сих пор в целом преобладает, хотя теперь появились и автономные восстановительные ландшафты) окислительная среда, в подчинённых ландшафтах всё чаще формируются восстановительные условия. В результате наземная среда стала контрастной по окислительно-восстановительным условиям, возникла окислительно-восстановительная зональность.

Основные изменения в составе атмосферы в этот период были связаны с колебаниями соотношения между свободным кислородом и углекислым газом. Периоды бурного развития наземной растительности сопровождались ростом содержания свободного кислорода, противоположные тенденции вели к увеличению содержания CO₂. При втором варианте усиливался парниковый эффект, температура атмосферы повышалась. Соответственно, возрастала испаряемость с поверхности океана и насыщенность атмосферы влагой увеличивалась. Поэтому самые тёплые периоды в истории Земли всегда были самыми влажными. Большее насыщение атмосферы свободным кислородом, наоборот, приводило к похолоданиям и большей сухости климата.

Поздний палеофит (девон, карбон, ранняя пермь – 400-250 млн. лет).

Девонский период часто называют "веком рыб"..

На суше в этот период начинается широкое развитие наземной растительности. В девоне появляется псилофитовая (риниофитовая) флора. Поначалу эти растения они еще очень напоминали водоросли. Ничего похожего на листья они не имели, в связи с чем их и назвали псилофитами ("голыми растениями"). Не было у них и настоящей корневой системы, и потому они не могли селиться далеко от воды. Но начало завоеванию суши было положено.

К концу девона псилофиты сменяются папоротникообразными. Ранний карбон – это время безраздельного господства древовидных плаунов (лепидофитов), папоротников и хвощей. Во второй половине карбона появляются первые голосеменные (кордаитовые), первое время преобладающие в умеренном климате, а потом и повсеместно. Громадные массы древесины скапливались в болотах, образуя залежи торфа, превращавшегося потом в каменный уголь. Очень многие месторождения угля образовались как раз в это время, отсюда и название этого периода - каменноугольный.

Вслед за растениями стали выходить из моря и животные. Первыми, вероятно, были членистоногие, жившие на мелководье и выползавшие на берег, и среди них - гигантские ракоскорпионы. Освоение суши растениями, а затем и членистоногими (одна из их ветвей - распространившиеся повсюду насекомые) обеспечило обилие пищи, за которой стали надолго выходить из воды потомки кистеперых и двоякодышащих рыб. Так на нашей планете появились земноводные. Первую стадию жизни личинки земноводных проводят только в воде. Но более взрослые особи уже осваивают обстановки куда более разнообразные, и, с точки зрения развития биосферы, это - большое достижение. Птиц еще не было, и в воздухе господствовали мухи, величиной с воробья, стрекозы, длиной до 80 см, и другие подобные создания. Это были первые живые существа, освоившие воздушное пространство.

Таким образом, происходило не только качественное развитие, но и расширение биосферы, освоение живым веществом все новых областей обитания. Сначала жизнь развивалась в основном в морях и океанах, потом она овладевает прибрежными и просто хорошо увлажненными частями суши, нижними слоями атмосферы...

Суша раннего-среднего девона – это пустыни. По биомассе и продуктивности. А по характеру процессов физико-химической миграции аналогами современных пустынь были далеко не все. Пустыни девона делились на аридные, семиаридные и гумидные. Аридные пустыни реконструируются по наличию участков, где были развиты процессы засоления. Семиаридные – по отсутствию засоления, при развитии известковистых кор выветривания Гумидные – по отсутствию и засоления, и известковых кор выветривания. Позднее (в результате развития наземной растительности) семиаридные и гумидные пустыни исчезают.

В позднем девоне уже появляются первые палеофитные леса, в которых господствовали папоротникообразные. В раннем карбоне палеофитные влажные тропики распространились очень широко. Сформировались все геохимические классы, аналогичные классам современных тропиков. С этого времени резко интенсифицируется биологический круговорот, возрастают биомасса и продуктивность. Начинается активное накопление углей. В то же время должны были развиться и явления минерального голодания растений, свойственные современным влажным тропикам.

Существовали в это время и леса умеренного климата. Большинство специалистов считает, что арктической флоры в это время ещё не было. Но С.В. Мейен считал ангарскую флору карбона арктической.

Как раз к концу палеозойской эры все материки сближаются и в конце концов образуют единый гигантский суперконтинент - Пангею. В результате столкновения материковых плит вырастают гигантские горные системы, мешающие влажным ветрам с океана проникать во внутренние районы большого материка. В довершение ко всему становится холоднее В конце карбона – начале перми произошло крупное оледенение, одно из крупнейших оледенений в истории Земли. Все меньше остается на ней мест для влажных лесов и их обитателей...

Но то, что было плохо для древовидных папоротников и земноводных, оказалось полезным для новых и более приспособленных форм жизни, а значит - и для эволюции биосферы. В областях прохладного и более сухого климата широко распространяются первые семенные растения - кордаиты. Их предки долго сосуществовали с папоротникообразными, но оставались почти незаметны, а теперь изменение климата дало им шанс выделиться и начать быстро развиваться. В Сибири такая смена растительности произошла в середине каменноугольного периода, в других местах - позднее или наоборот, чуть раньше, но шла она повсеместно.

Следом за новой растительностью распространяются и совершенно новые наземные животные - пресмыкающиеся. Пресмыкающиеся совершеннее земноводных, и потому не только успешно осваивают новые природные обстановки, но и быстро вытесняют земноводных из их привычных мест обитания. Надо только сказать, что пресмыкающиеся, господствовавшие в пермском периоде - это совсем не нынешние змеи и крокодилы или их близкие родственники. По многим чертам пресмыкающиеся пермского времени сходны с современными млекопитающими. Считают даже, что некоторые из этих животных были покрыты шерстью, а, может быть, были и теплокровными.

Мезофит – поздняя пермь, триас, юра, ранний мел (250-100 млн. лет назад).

Граница палеозойской и мезозойской эр - очень важный момент в геологической истории Земли. На этом рубеже происходит всеобщая перестройка направления движений литосферных плит. Завершается формирование Пангеи, следом сменяющееся ее расколом на совсем другие плиты, которые вновь начинают расходиться. В момент этой перестройки буквально через всю Пангею - от края до края - прокатывается волна вулканической активности. Глубокие расколы "вспарывают" всю толщу материковой коры, и на обширных участках суши изливаются глубинные базальтовые лавы.

В это же время происходит самое массовое в истории вымирание многих видов живых организмов. Значительное большинство существовавших к концу палеозоя видов не переживает этот рубеж. Целые группы, процветавшие в палеозойскую эру (например, трилобиты) навсегда исчезают с лица Земли.

Случайно ли это совпадение или же есть какая-то связь перестройки развития земной коры и потрясений в биосфере?

Начало этого этапа – время сильной аридизации большей части континентальных обстановок, явившейся следствием образования единого суперконтинента. Преобладали пустынные ландшафты. Это было неблагоприятно для фотосинтеза, и содержание кислорода в атмосфере несколько уменьшилось. С другой стороны, - росту содержания СО₂ в атмосфере могло способствовать резкое увеличение масштабов наземного вулканизма, которым сопровождалось начало распада Пангеи. Ранний триас – это также время резкого минимума углеобразования.

Тогда, в связи с процессом раскола единого суперконтинента Пангея, резко усилилась вулканическая деятельность на поверхности суши. Это, в свою очередь, привело к соответствующему росту содержания в атмосфере газов вулканического происхождения. К этому, а также к последовавшему резкому усилению парникового эффекта, большинство видов животных оказались не приспособлены, и произошло самое массовое из всех вымираний в истории биосферы.

Распад Пангеи на более мелкие континенты в сочетании с парниковым эффектом (ведь чем выше температура – тем интенсивнее испарение) привел к новому увлажнению климата. В результате в юрском периоде очень широко распространились влажные тропики, похожие на современные. Такие условия сохранялись до середины мелового периода.

Папоротникообразные окончательно уступают ведущую роль голосеменным. Формируется мезофитная тайга, в которой преобладают гинкговые и хвойные.

Главная черта развития биосферы в мезозое - это полное и безраздельное господство пресмыкающихся. Из многочисленных животных этого времени наиболее часто говорят и пишут о динозаврах. «Динос» по-гречески - "удивительный", «заврос» - "ящер". Удивительны и их размеры - были ящеры размером с воробья, а были с пятиэтажный дом. Удивительны и формы их тел: диплодока, рыбообразного ихтиозавра, плезиозавра с тюленеобразным телом и длинной , похожей на змею, шеей. Они освоили все природные зоны, существовавшие тогда на Земле, а ведь каждая из природных зон - это особые условия климата, жизни, свои пищевые цепочки.

Широтная климатическая зональность на протяжении большей части мезозойской эры отсутствовала. Причины этого дискуссионны, есть разные точки зрения. Наиболее логичной представляется гипотеза, увязывающей этот факт с расположением континентов, которое тогда не препятствовало доступу тёплых течений в Арктику и Антарктику. Гондвана и Лавразия располагались по берегам теплого океана Тетис. В движениях литосферных плит преобладали процессы расхождения континентов. Не было активного горообразования, рельеф выравнивался. Самыми высокими горами были Уральские. Ничто не мешало переносу тепла от экватора к полюсам Земли. Земля вступила в безледную эпоху.

Таким образом, в мезозое условия на Земле были гораздо менее разнообразны, чем в наше время. Отсутствие широтной зональности привело к тому, что лесные ландшафты были развиты на всех широтах. В том числе и в таких, где на несколько месяцев наступала полярная ночь и одна из основных составляющих биологического круговорота – фотосинтез – должна была прерываться, а другая – интенсивное разложение ОВ во влажном и тёплом климате – протекать по-прежнему. Как это влияло на развитие ландшафта, на поведение населяющих его животных, на характер протекавших здесь химических процессов – пока это целый клубок вопросов, требующих своего изучения.

Кайнофит – поздний мел, кайнозой (100-0 млн. лет назад).

В середине мелового периода происходит крупный эволюционный скачок в развитии растительного мира – появление покрытосеменных растений, которые быстро оттесняют голосеменные на второстепенные роли.

Покрытосеменные растения интенсивнее поглощают многие макро- и микроэлементы. Результат этого – более прогрессивный биологический круговорот, позволяющий успешнее противостоять минеральному голоданию. Особенно важную роль сыграла появившаяся у этих растений способность к поглощению кальция, который после их отмирания стал постепенно накапливаться в почвах и нейтрализовать кислую среду, препятствуя процессам выщелачивания. С этого времени появилась возможность формирования высоко плодородных почв, в которых аккумулированы большие запасы биогеохимической энергии.

С этим же рубежом примерно совпало начало широтной дифференциации климата, а также новое развитие процессов аридизации. Возникают саванны, степи, горные луга, тундры и другие. Животный мир также резко меняется, но по времени это событие со сменой растительности не совпадает и, видимо, связано с другими причинами.

Особняком стоит экологический кризис, возникший на рубеже палеозоя и мезозоя.. Оставаясь приблизительно на одном уровне структурного развития, пресмыкающиеся находили новые места обитания, способы в них жить, источники пищи. для всего этого им не пришлось сильно меняться, т.е. они оказались весьма пластичной группой живых организмов (пластичность - это способность приспосабливаться к условиям существования и занимать разные природные зоны, мало изменяясь или не изменяясь внешне). И не было на теплой, даже вблизи полюсов, земле места, где пресмыкающиеся не могли бы обитать. И не было на теплой, даже вблизи полюсов, земле места, где пресмыкающиеся не могли бы обитать. Тем удивительнее их внезапная массовая гибель. С геологической точки зрения она была практически мгновенной. Все динозавры, все морские и летающие ящеры исчезают сразу и на всей Земле. И не только они. Вымирают и другие группы животных, которые в мезозое были многочисленными и разнообразными. Например, обитавшие в морях аммониты и белемниты, которые в конце мезозоя быстро развивались и становились все совершеннее. И они исчезают так же внезапно. Почему?

Можно было бы предположить, что динозавров и других пресмыкающихся просто вытесняют животные, стоящие на более высоком уровне развития - млекопитающие и птицы. Но такой процесс должен был быть очень постепенным. Да и не могли еще тогда млекопитающие составить серьезную конкуренцию ящерам-гигантам. Млекопитающие - ближайшие потомки звероподобных пресмыкающихся, оттесненных когда-то динозаврами - появляются еще в триасе и долго живут бок о бок с динозаврами. Но до самого конца мезозойской эры они остаются еще очень мелкими, вроде мышей. И, судя по редкости остатков, не очень многочисленными. Они никак не могли вытеснить ящеров из пищевых цепочек и обречь их на вымирание. Скорее, они сами в основном были добычей мелких ящеров и змей. Похоже, скорее, на то, что ящеры, заняв все главные места обитания, весь мезозой тормозят развитие млекопитающих. Немного успешнее развиваются птицы, появившиеся в юре. Но и им еще сложно соперничать с летающими ящерами. И вдруг все меняется. Почему?

Никаких заметных тектонических событий на рубеже мезозоя и кайнозоя не происходит. Все так же постепенно расходятся материки, медленно расширяются Индийский и Атлантический океаны и уменьшается океан Тетис. Так что объяснить резкий перелом в развитии биосферы тектоническими потрясениями, как это было в конце палеозоя, невозможно.

Некоторые ученые искали объяснение вымиранию динозавров в смене климата (например, похолоданием). Но никаких заметных различий в климате конца мезозоя и начала кайнозоя найти не удалось. Есть и множество других гипотез, в том числе довольно трудно проверяемых. Например, гипотеза микробиологическая - появляются какие-то вирусы, смертельные для динозавров и других вымерших животных, но безопасные для остальных. Но не известно случаев, чтобы одни и те же микроорганизмы были болезнетворными для таких совершенно разных животных, какими были динозавры и аммониты.

Или гипотеза о временном разрушении озонового слоя в атмосфере, защищающего Землю от космического излучения. Такое событие могло бы быть губительным для большинства наземных животных. И в первую очередь - для самых крупных, то есть для динозавров. Но почему тогда погибли и многие обитатели моря, защищенные самой толщей воды? Еще пример подобной гипотезы: при извержениях вулканов или же из космоса в атмосферу попадает большое количество ядовитых газов. И все динозавры попросту отравились. Но почему отравленная атмосфера на одних подействовала, а на других (не только млекопитающих, но и змей, черепах, крокодилов) - нет?

Очень интересную гипотезу, тоже об отравлении, выдвинул российский палеоботаник С. В. Мейен. Она основана на вполне конкретных фактах. Первый факт: как раз к концу мезозоя, в меловом периоде, распространяются покрытосеменные (цветковые) растения. Их семена лучше защищены, имеют хорошую всхожесть - и потому они быстро вытесняют голосеменные растения из большинства природных зон. Второй факт: цветковые растения содержат вещества, ядовитые для пресмыкающихся, и именно для них. К тому же, этот яд накапливается у пресмыкающихся в организме. Получается, что чем крупнее животное, и чем дольше живет, тем надежнее себя отравляет. А гибель травоядных динозавров приведет и к вымиранию хищников - им просто нечего станет есть. Красивая гипотеза. Но и в ней не все сходится. А почему вместе с динозаврами вымерли аммониты и белемниты, которые жили в море, и что там растет на суше - им должно быть все равно? Да и смена растительность в основном произошла уже в середине мелового периода, и ничего особенного с динозаврами еще долго не происходило...

Поэтому большинство ученых сейчас склоняется к гипотезе крупной космической катастрофы. Предполагают, что конец мезозойской эры настал тогда, когда в Землю врезался очень большой метеорит, даже астероид. Ученые составили компьютерную модель возможного влияния такого события на всю географическую оболочку. Оказалось, что результат должен быть очень похож на возможные последствия большой атомной войны (так называемая "ядерная зима"). От столкновения огромные массы пыли поднимутся высоко в атмосферу, и сплошное облако пыли окутает всю Землю. На много месяцев атмосфера станет почти непрозрачной для солнечных лучей. Резко и надолго похолодает. До того момента, пока пыль осядет, и солнечный свет вновь пробьется к Земле, большинство животных не доживет. В первую очередь именно динозавры - самые большие и совсем не защищенные от холода. Погибнут без тепла и все их яйца - значит, не будет и потомства. Из пресмыкающихся смогут выжить лишь самые мелкие, способные зарыться глубоко в песок или перезимовать в норах, как это делают змеи. Погибнут и многие морские организмы, в основном жители мелких и теплых морей. А вот растительность не пострадает, даже наземная. Даже если сами растения не выдержат похолодания, сохранятся семена, которые с возвращением тепла все равно взойдут. И действительно, растительный мир конца мезозоя как будто и не заметил. Ничего в нем не изменилось.

Сравнительно легко пережить внезапные холода млекопитающим и птицам. Те и другие - теплокровные, могут сами поддерживать температуру своего тела. Сам по себе мороз им не особенно страшен. Была бы хоть какая-то пища, хоть под снегом - и уже можно дожить до теплых дней. А пищи в виде замороженных растений и динозавров было, видимо, немало.

Так что все в этой гипотезе, как будто, сходится; все известные факты находят объяснение. А недавно нашлось и еще одно подтверждение. В тонком слое осадочных пород, как раз на самой границе отложений мезозоя и кайнозоя, ученые обнаружили большое количество иридия (так называемую "иридиевую аномалию"). Иридий - тяжелый металл, в породах земной коры его обычно очень мало. А вот в некоторых разновидностях метеоритов - во много раз больше. Если на Землю упал метеорит как раз такого типа, и его вещество в виде пыли рассеялось в атмосфере, а потом выпало в осадок - все ясно, "иридиевая аномалия" - не случайность, а реальный след космической катастрофы, которая погубила динозавров.

Но такие катастрофы - события случайные и очень редкие. А в основном развитие Земли и земной биосферы шло постепенно, по своим собственным законам и независимо от всяких катастроф.

Формирование структуры биосферы, близкой к современной, происходит по мере развития похолодания климата, максимум которого приходится на четвертичный период. При этом было несколько эпох масштабного оледенения и отступления ледников. С этим чередованием связано неоднократная смена во многих районах таёжных и тундровых, степных и пустынных и других ландшафтов.

После загадочного исчезновения динозавров 60 или 70 млн. лет назад почти все пищевые цепочки на Земле замыкаются теплокровными животными. Уже к эоцену сложились все основные группы млекопитающих, которые существуют в настоящее время.

Таким образом, если подвести некоторые итоги, появление жизни приводит к существенным изменениям в процессах функционирования географической оболочки, в составе и строении не только её, но и всех внешних геосфер в целом. В качестве главных аспектов этих изменений можно выделить следующие:

1. Изменение состава гидросферы (газовая фаза, состав солей) и атмосферы. Вначале, с появлением фотосинтезирующих организмов, меняется газовый состав океанических вод. Первичная атмосфера Земли была бескислородной, и в природных водах растворённого кислорода также не было. В отсутствие кислорода железо способно формировать растворимые соединения, и воды первичного океана содержали их в больших количествах. Фотосинтезирующая деятельность цианобионтов привела к поступлению в Мировой океан кислорода, который тратился на окисление железа и его осаждение на океаническом дне, протекавшее в огромных масштабах (все крупнейшие месторождения железа в мире образовались именно в это время). В результате принципиально изменился и солевой состав океанических вод.

   После того, как очистка океанических вод от соединений железа была завершена, свободный кислород стал проникать в атмосферу. И здесь в результате произошли принципиальные изменения. Во-первых, атмосфера очистилась от сероводорода. Окисление H₂S в присутствии паров воды приводило к образованию серной кислоты, которая в растворённом виде выпадала на поверхность суши кислотными дождями. Окислялись и разлагались метан и другие углеводороды. Изменение окислительно-восстановительного потенциала привело к неустойчивости аммиака NH₃ и переходу атмосферного азота в свободную молекулярную форму. Одновременно продолжался процесс «откачки» из атмосферы в Мировой океан, путём растворения, избытка углекислого газа CO₂, который там частью расходовался теми же цианобионтами на фотосинтез, частью связывался ими на дне в виде карбонатных осадков. В результате принципиально изменился и состав атмосферы, и её термодинамический режим. Существенное уменьшение числа парниковых газов привело к снижению парникового эффекта и уменьшению температуры в тропосфере и на поверхности Земли. К концу докембрийского времени на нашей планете появляются первые ледники.

2. Изменение химизма ландшафтных сред на поверхности суши. Наряду с созданием кислородной атмосферы большое влияние оказала химическая активность продуктов жизнедеятельности и разложения органического вещества. Химическая разнонаправленность биологических процессов привела к возникновению на поверхности Земли химически контрастных, неравновесных условий. В частности, наряду с ростом содержания свободного кислорода, на отдельных участках, в местах накопления неразложившихся остатков органического вещества, стали вторично возникать восстановительные условия. Такая контрастность привела к большему разнообразию и большим скоростям химических процессов в биосфере по сравнению с добиогенным состоянием географической оболочки.
3. Существенно изменился ход процессов выветривания горных пород на поверхности Земли. Во-первых, благодаря изменению состава атмосферы другую направленность – преимущественно окислительную – приобрели процессы химического выветривания. Во-вторых, к двум основным типам выветривания – физическому и химическому – добавилось органическое (биогенное). Кроме того, заселение суши растениями способствовало задержанию в грунтах влаги, что способствует углублению химического выветривания. А наличие в продуктах разложения органического вещества органических кислот приводит к повышению кислотности грунтовых вод и большей активности химических процессов.
4. Заселение живыми организмами поверхности суши привело к появлению в географической оболочке совершенно нового процесса – почвообразования. И, соответственно, совершенно нового компонента географической оболочки – почв. Образование их явилось результатом переработки верхних горизонтов кор выветривания живыми организмами в процессах их жизнедеятельности и разложения органического вещества.
5. Результатом всей совокупности перечисленных выше процессов явилось существенное увеличение разнообразия обстановок в географической оболочке нашей планеты.
6. Существенные изменения произошли в круговоротах вещества и энергии в географической оболочке:
   • новые ветви и качественные особенности в круговороте воды (биологическое поглощение, с целью использования воды для создания ОВ и как носителя, обеспечивающего биохимические и физиологические процессы в организме; транспирация; возможность задержания воды в почвах и рыхлых грунтах под защитой растительного покрова);
   • влияние живого вещества на геологический круговорот (концентрация отдельных элементов живыми организмами, биогенное осадконакопление);
   • появляется новый тип круговорота вещества – биологический круговорот, осуществляемый в процессах жизнедеятельности организмов и разложения органического вещества, на основе нового механизма использования энергии Солнца.

Общий результат развития биосферы – увеличение дифференциации химических элементов, разнообразия их форм, структурирования внешних оболочек Земли, накопление информации, уменьшение энтропии.

Наиболее важны для нас две особенности развития живого вещества в кайнозое:

1. Усложнение структуры биосферы, нарастание ее многообразия. На разных материках, в разных природных зонах складываются очень разные группы животных, которые и по внутреннему, строению, сильно отличаются друг от друга и находятся друг с другом в различных усложняющихся отношениях.
2. Млекопитающие становятся более разумными; уровень цефализации, сложность повеления, степень воздействия на неживую природу, прочность семейных групп, сплоченность стаи нарастают на протяжении всей эпохи. Ведь все виды животных связаны между собой - если изменяется поведение и образ жизни одного вила, тут же приходится изменяться и всем остальным, которые живут в той местности и встречаются с представителями этого вида. Высшие млекопитающие как бы поддерживают друг друга в движении по направлению к цефализации. Получается, что развитие живого вещества в кайнозое подготовило его переход к качественно новому этапу эволюции.

В дальнейшем и структура вещества усложняется, и все вещество планеты Земля организуется за счет совсем других закономерностей. Каких именно - мы как раз и рассмотрим далее.

4.1.2. Техногенез

С появлением человека и развитием человеческого общества в биосфере появляется качественно новый и самый сложный тип процессов – техногенез. Под техногенезом понимается воздействие хозяйственной деятельности человека во всех её формах на природную среду. Особенно быстро возрастает роль техногенеза в последние два столетия (с начала промышленной революции). При этом техногенез не просто «дополняет» уже имевшийся ранее круг процессов, протекающих в биосфере. Налицо всё возрастающее влияние техногенеза и на собственно природные процессы, рост техногенной нагрузки на природные системы, вплоть до биосферы в целом. В результате техногенного воздействия биосфера трансформируется и переходит в новое качество. Систематические исследования техногенного влияния на биосферу начались (и у нас, и за рубежом) только с 50-х годов ХХ в.

Рассмотрим, что представляет собой техногенез с точки зрения прямого вклада в основные биосферные процессы и геохимию биосферы – процессы обмена веществом и энергией. В общем виде мы можем говорить, что в процессах своей техногенной деятельности человек осуществляет извлечение вещества из одних природных геосистем, и перемещает их в другие системы, где может происходить их накопление. Для осуществления этих процессов необходимо использовать какую-то энергию. Главным образом, человек в своей деятельности использует ту же самую энергию, которая используется и в природных процессах - преобразованную энергию Солнца. Но формы её использования значительно более разнообразны. В том числе, очень широко используется та солнечная энергия, которая была аккумулирована в прошлые геологические эпохи в составе горючих полезных ископаемых (угля, нефти, горючих газов). При их сжигании, энергия, затраченная многие миллионы лет назад на образование органического вещества, высвобождается в тепловой форме. Это оказывает прямое влияние на энергетический баланс в биосфере. Используются и эндогенные источники энергии, в том числе и энергия радиоактивного распада, применение которой в таких масштабах чуждо биосфере, и возможные последствия её применения ясны ещё далеко не в полной мере.

В информационном аспекте техногенез означает возникновение большого числа новых объектов и расширение числа связей между ними, резкое увеличение информации, скоростей и способов её распространения. Даже несмотря на то, что объём биологической информации в техногенных ландшафтах, как правило, уменьшается (даже в сельскохозяйственных, так как на пшеничном поле или в банановой плантации разнообразие меньше, чем было в существовавших ранее на их местах природных ландшафтах). Но эта потеря биологической информации многократно перекрывается ростом информации техногенной. В целом техногенные ландшафты в информационном отношении намного разнообразнее природных.

Проблемы, порождаемые техногенезом.

1. Проблема химического загрязнения природных сред. Загрязнёнными считаются такие биокосные системы, в которых в результате привноса избыточных количеств каких-либо химических веществ оказываются нарушены биогеохимические функции живого вещества, пищевые цепи, снижается количество биологической продукции и её разнообразие. При значительных масштабах загрязнение приводит к техногенной трансформации природной системы или даже к её разрушению.
2. Проблема теплового загрязнения биосферы. Один из результатов техногенеза – рассеяние значительной части используемой энергии в тепловой форме. Главная причина в том, что огромные объёмы солнечной энергии, аккумулированные в горючих полезных ископаемых за многие сотни миллионов лет, мы «вбрасываем» в биосферу в течение очень узкого промежутка времени. Исторически доля рассеянной энергии относительно общего количества используемой в техногенезе, снижается благодаря появлению более эффективных технологий. Но в абсолютном выражении количество рассеиваемой тепловой энергии растёт. В больших городах уже сейчас доля техногенного разогрева атмосферы составляет 5% от объёма поступающей солнечной радиации. Есть оценки, что увеличение мирового производства энергии на 5-10% в год без изменения структуры энергопользования приведёт к тому, что через 100-200 лет баланс техногенного тепла сравняется с балансом солнечной радиации.
3. Проблема вероятного роста парникового эффекта. Его основная техногенная причина – увеличение содержания в атмосфере парниковых газов, в первую очередь СО₂., значительные объёмы которого поставляются в результате сжигания топлива и других видов промышленной деятельности.
4. Проблема запыления атмосферы в результате выбросов предприятий и других видов промышленной деятельности. Это ведёт к уменьшению притока солнечной радиации к поверхности Земли, что также меняет энергетический баланс в биосфере.
5. Проблема уменьшения общего количества биомассы и биоразнообразия в биосфере Земли в результате смены природных ландшафтов техногенными на обширных территориях. Это влечёт за собой очень широкий спектр изменений хода различных биосферных процессов.

Во многих случаях влияние техногенеза на биосферные процессы не поддаётся точному прогнозу. Нередко различные техногенные факторы оказывают противоположные воздействия. Например, парниковый эффект вызывает повышение температуры в приземной атмосфере, а запыление атмосферы ведёт к её снижению. Влияние какого из факторов окажется существеннее, предсказать сложно, так как механизмы их воздействия изучены пока недостаточно.

Рассматривая влияние техногенеза на биосферу, можно выделить два основных типа процессов:

1. Собственно техногенные процессы, не свойственные биосфере. К ним можно отнести производство веществ, не существующих в природе, перемещения вещества, подчиняющиеся социальным законам, создание техногенных объектов, не имеющих природных аналогов, использование атомной энергии и т.д.
2. Техногенно трансформированные биосферные процессы. Это любые процессы перемещения и преобразований вещества и энергии, которые продолжают осуществляться в целом в тех же формах и по тем же законам, что и в природе, но их ход так или иначе изменён в результате техногенного влияния.

В целом, поиски решения проблем, порождаемых техногенезом, могут лежать лишь в русле разумного регулирования техногенной деятельности. Этот путь получил название оптимизации техногенеза. Её основные направления:

1. Оптимизация биологического круговорота (рациональное использование минеральных и органических удобрений). На этом пути впервые в истории Земли именно человек смог наиболее эффективно противодействовать неблагоприятных тенденциям в эволюции ландшафтов.
2. Оптимизация круговорота воды (осушение и орошение, защита вод от загрязнения). Реальная оптимизация возможна только на основе глубокой научной проработки. Попытки решать такие вопросы без всего необходимого комплекса экологических исследований, напротив, могут порождать новые и более сложные проблемы (Кара-Богаз-Гол, Арал).
3. Разработка и внедрение безотходных и малоотходных технологий.
4. Комплексное использование сырья.

4.1.3. Понятие ноосферы и общие вопросы ноосферогенеза

На основе глубокого теоретического изучения вопросов трансформации биосферы в результате воздействия техногенных процессов В.И. Вернадский выдвинул идею о неизбежности её перехода в качественно новое состояние – ноосферу (сферу разума). Идея ноосферы является не только важным чисто теоретическим достижением научной мысли. Это, вместе с тем, и важнейшая концептуальная (идейная) основа, на базе которой могут быть найдены пути решения проблем, порождаемых техногенезом.

Согласно идеям В.И. Вернадского, ноосферой следует называть такое новое состояние биосферы, при котором протекающие в ней природные и техногенные процессы разумно регулируются человеком на основе научных знаний. При этом сам В.И. Вернадский лишь выдвинул ряд основополагающих идей, касающихся теории ноосферы. Систематизировать же их и разработать детально он не успел. Поэтому в понимании идей В.И. Вернадского о ноосфере существуют весьма различные трактовки.

Разные мнения есть даже в вопросе, существует ли ноосфера уже в наше время, или завершение её становления – дело будущего? Есть авторы, которые определяют ноосферу как часть планеты, охваченную техногенезом. В этом определении нет самого важного – характеристики ноосферы как системы. Другие считают, что уже сейчас вся биосфера перешла в качественно новое состояние, которое и следует называть ноосферой. Но если сверять оба эти определения с сутью идей В.И. Вернадского, становится совершенно очевидно, что говорить о существовании ноосферы как о свершившемся факте пока преждевременно. В наше время воздействие техногенных процессов на биосферу носит всё ещё в основном стихийный, а не разумный характер. И называть это состояние ноосферой неверно.

Пожалуй, следует считать, что мы являемся свидетелями достаточно продолжительного процесса перехода биосферы в ноосферу. Для характеристики такого переходного этапа предложены термины «антропогеосфера» и «техносфера». Техносфера определяется как часть географической оболочки, охваченная техногенными процессами. А антропогеосфера – как биосфера в целом, подвергшаяся преимущественно стихийной трансформации в результате хозяйственной деятельности человека. Весь процесс длительного перехода биосферы в ноосферу называется ноосферогенезом. Пока этот процесс еще далёк от завершения.

Почему В.И. Вернадский рассматривал преобразование биосферы в ноосферу как закономерный процесс, несмотря на многочисленные описанные им примеры негативного, разрушительного воздействия техногенных процессов на биосферу и её компоненты? Потому что, по его заключению, у человечества нет выбора. С одной стороны, мы не можем, как бы ни хотели, законсервировать биосферу в том неизменном виде, тем более – вернуться к тому её состоянию, которое имело место на заре человеческого общества. С другой – если мы не сможем подойти к качественной трансформации биосферы разумно, по-прежнему будем оставлять всё на волю стихии, биосфера будет разрушена, и само человечество, являясь её частью, тоже прекратит существование. Слишком велики те силы, которыми сейчас обладает человек, и потому альтернативы не остаётся.

Ещё один вопрос, обсуждавшийся в рамках теории концепции ноосферогенеза, состоит в том, когда же начался процесс перехода биосферы в ноосферу? Неоднозначность ответа связана с тем, что человечество с самых ранних этапов своего существования воздействовало природные системы. Но, видимо, пока эти изменения происходили на основе присваивающего хозяйства, это ничем принципиально не отличалось от аналогичных процессов, происходящих в природных биоценозах (уменьшение поголовья травоядных животных вследствие охоты совершенно аналогично такому же результату деятельности хищных животных). По-видимому, началом антропогенной трансформации биосферы следует считать момент перехода человека от присваивающего хозяйства к производящему, который получил у историков название «неолитической революции» (примерно 7-9 тысяч лет назад). Именно с этого момента человек начитает качественно изменять природные ландшафты и создавать новые. В результате в древних земледельческих областях природные ландшафты оказались изменены коренным образом. Далее, появление и рост городов, развитие горного дела привели к увеличению масштабов и разнообразия процессов техногенного преобразования природы. Наконец, максимально ускорила этот процесс промышленная революция XVIII-XIX вв. В результате к началу ХХ в. техногенез стал ведущим процессом на поверхности Земли. Сейчас во многих районах мира одни только масштабы добычи минерального сырья, перемещения материалов при строительстве, промышленного производства новых веществ, накопления промышленных и бытовых отходов многократно превосходят масштабы чисто природных процессов обмена веществом между компонентами биосферы.