САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ГЕОЛОГИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТ КАФЕДРА ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ ГЕОЛОГИИ КУРИЛЕНКО В. В. геосферы 2008 1
Особенности внешних геосфер Земли В пределах планеты Земля также выделяются, так называемые, внешние геосферы Земли – гелиосфера, магнитосфера, ионо и атмосфера, гидросфера и криосфера и биосфера. • • • Гелиосфера – непосредственно связана с процессами, происходящими на поверхности Солнца. Эти процессы, прежде всего, определяются наличием солнечных пятен и связанными с ними солнечными вспышками, представляющими собой проявление солнечной активности. Со вспышками, в свою очередь, связаны магнитные бури и большие радиационные потоки. Количество пятен на Солнце и, соответственно, вспышек изменяется с периодичностью в 11 лет, а их количество носит название «числа Вольфа» . Солнечные пятна это темные участки, представляют собой жгуты силовых линий магнитного поля, пересекающих фотосферу, температура которой порядка 5800 К, в то время как пятна на 1500 К холоднее. Мощность или энергия солнечных вспышек достигает 1025 Дж. Скорость истечения коронального вещества при сильных вспышках превышает в 2 раза среднюю ско рость «нормального» солнечного ветра и достигает 1000 км/с. Кроме вспышек, Солнце постоянно излучает поток полностью ионизированной водородной плазмы — газа, состоящего из протонов и электронов плотностью примерно 10 20 в 1 см 3, которые со скоростью в 400 500 км/с разлетаются в стороны от Солнца. Сначала истечение плазмы происходит с дозвуковой скоростью, но потом она за счет сил гравитационного притяжения Солнца разгоняется до сверхзвуковых скоростей где то на расстоянии нескольких солнечных радиусов. В магнитосфере Земли наиболее сильные возмущения возникают во время Солнечных вспышек, которые порождают потоки плазмы или солнечного ветра. Именно поток плазмы и называют солнечным ветром, существование которого было предсказано Е. Паркером в 1958 г. 2
Особенности внешних геосфер Земли • Солнечный ветер представляет собой поток заряженных лучей, главным образом протонов и электронов, вытекающих из верхних частей солнечной короны. У орбиты Земли поток протонов солнечного ветра изменяется в широких пределах от 108 до 1010 частиц на см 2/с. По химическому составу солнечный ветер отражает состав солнечной короны примерно в следующих атомных соотношениях: Н 7, 5 10 5 1, 7 10 5 Si 7, 5 10 5 4 Н е 0, 04 Аг 3 10 6 О • Не ЗН е • 0, 96 5 10 4 Fe 4, 7 10 5 Солнечный ветер, обладая разными скоростями, создает в межпланетном пространстве ударные волны. В свою очередь ударная волна солнечного ветра приводит к сжатию магнитосферы Земли и появлению магнитных бурь. На пути к поверхности Земли солнечный ветер встречает ее внешние сферы: магнитосферу, ионосферу, атмосферу, озоновый слой, которые задерживают часть вредных излучений, но пропускают видимый свет и инфракрасные (тепловые). Это явление носит название «магнитных бурь» , во время которых резко меняется напряженность геомагнитного поля. Период колебаний солнечной активности составляет 22 года и его половину — 11 лет. Основная доля солнечной тепловой радиации идет на нагревание атмосферы, океанов и поверхности суши. (рис. 2. 8). 3
Особенности внешних геосфер Земли Баланс солнечного излучения(в процентах), приходящего на Землю и уходящего от нее 4
Магнитосфера • • Магнитосфера является одной из очень важных сфер Земли. Магнитные поля имеются у Солнца, звезд, у всех планет, кроме Плутона и Луны. Магнитное поле Земли апроксимируется бесконечно малым диполем, ось которого располагается в 436 км от центра Земли в сторону Тихого океана и наклонена на 12° по отношению к оси вращения Земли. Северный магнитный полюс сейчас располагается в Канадском Арктическом архипелаге, а Южный — в Антарктиде, на Земле Уилкса. Магнитные полюса постоянно блуждают, подвергаясь воздействию мировых магнитных аномалий. Происхождение магнитного поля Земли связывают с взаимодействием твердого внутреннего ядра, жидкого внешнего и твердой мантии. Геомагнитное поле Земли — магнитосфера — обладает ассиметричным строением, уменьшаясь в размерах со стороны Солнца 10 и расширяясь с другой стороны до 100 и более земных радиусов (далеко за орбиту Луны), под напором частиц, солнечного ветра мчащихся со скоростью около 500 км/с Влияние Солнечного ветра на магнитосферу Земли 5
Магнитосфера • • Напряженность магнитного поля редко бывает спокойным, временами оно резко возрастает, затем понижается и возвращается к нормальному значению. Сильные магнитные бури вызываются мощными хромосферными вспышками, когда частицы летят уже со скоростью до 1000 км/с, и тогда также возмущается ионосфера. Через 8 минут после таких вспышек, может прекратиться вся коротковолновая радиосвязь, т. к. рентгеновское излучение сильно возрастает, ионосфера быстрее иониируется и поглощает радиоволны. Известно, что полярность магнитного поля Земли неоднократно менялась на протяжении многих сотен миллионов лет, а изменение знака полярности при этом сопровождалось резким падением напряженности магнитного поля. Эта ситуация отражалась и на состоянии атмосферы, ионосферы и самой магнитосферы, в которых от жесткого космического излучения нарушаются их защитные функции, тогда как даже слой воды в 1 1, 5 м уже является непреодолимым препятствием для коротковолнового излучения (Городницкий, 2005). Возможно, что массовые вымирания биоты в фанерозое, как и изменения глобальной температуры на земном шаре, могли быть связанными с катастрофическим, хотя и кратковременным процессом резкого падения напряженности магнитного поля во время его инверсии. 6
Атмосфера - это газовая оболочка Земли, связанная с ней силой тяжести, а также является областью между ионосферой и поверхностью Земли, представленной нейтральными молекулами и атомами воздуха и пара. Масса атмосферы составляет (5, 14 ÷ 5, 27). 1015 т (Walker, 1977; Войткович, 1986), она давит на поверхность 510, 2 млн км 2 и создает удельное давление 1, 033 кг/см 3. Вследствие уменьшения плотности воздуха с высотой 90% массы атмосферы заключено в слое до высоты 16, 3 км и 99% — до 31, 2 км. Поток лучистой энергии на земную атмосферу составляет 1, 36. 103 Вт/м 2 (солнечная постоянная). В атмосфере до высоты около 106 км содержатся хорошо перемешанные течениями воздуха газы (азот — 78%, кислород — 21, аргон — 0, 9, углекислый газ — 0, 03 и около 0, 003% — смесь неона, гелия, криптона, ксенона, окислов азота, метана и озона). Эти соотношения остаются неизменными на протяжении нескольких десятков километров в высоту. В атмосфере иногда присутствуют некоторые летучие органические вещества, промышленный дым, выхлопные газы, окись углерода, сернистый газ и хлор (из вулканов). Строение атмосферы Пояснение: Озоновый слой (О 3), задерживающий ультрафиолетовое излучение, располагается на высотах 177 26 км,
Атмосфера • • • Вертикальная структура атмосферы представляет собой ряд слоев. Первый от поверхности Земли, основной по массе слой (около 80%) тропосфера, простирающийся до высоты 17 км на экваторе, к полюсам она снижается до 8 10 км. Верхняя граница ее тропопауза определяет область снижения температуры и отсутствия скопления паров воды. В тропосфере происходят основные физические, химические и биохимические процессы. Далее, на высотах до 50 55 км, располагается стратосфера, которую сменяет мезосфера, распространяющаяся до 80 км. Температура, давление и плотность газов имеют низкие значения. На высоте 25 – 35 км молекулы кислорода расщепляются под воздействием солнечной ультрафиолетовой радиации с формированием озонового слоя, поглощающего до 97% вредной ультрафиолетовой радиации, и тем самым защищающего и сохраняющего жизнь на Земле. Еще выше, до высоты около 80 100 км выделяется ионосфера (термосфера), которая характеризуется довольно высокой плотностью ионов и проводимостью, а также является высокоразряженной областью ионизированных газовых молекул. Ионосфера — это, по существу, плазменная оболочка Земли, состоящая из смеси газа нейтральных атомов и молекул, а также квазинейтральной плазмы (рис. 2. 9). И, наконец, за пределами ионосферы до высоты порядка 1800 2000 км отмечается экзосфера, в пределах которой происходит потеря в космическое пространство таких легких газов, как водород и гелий. Именно экзосфера постепенно переходит в межзвездную среду. Химический состав атмосферы Земли в значительной степени определяется деятельностью живых организмов и процессами, регулирующими биогеохимические циклы на Земле. Состав воздуха характеризуется следующими компонентами (в %): азот (N) 78, 09, кислород (O 2) 20, 95, аргон (Ar) 0, 93, водород (H) 0, 01, общее содержание таких газов, как: углекислый газ (CO 2), окись углерода(CO), гелий (He), неон (Ne), ксенон (Xe), радон (Rn), криптон (Kr), аммиак (NH 3) не превышает 0, 01 (табл. ). Геохимия инертных газов атмосферы представляет интерес с точки зрения исторической реконструкции ее состава. Так, относительно высокое содержание изотопа аргона 40 Аr связывается с распадом достаточно широко распространенного 40 К, содержание атмосферного гелия, величина которого в 1000 раз меньше расчетного, 8 дает возможность обосновать процессы постоянной потери этого газа в экзосферу, а изотопный состав ксенона позволяет определить его возникновение на Земле в
Химический состав атмосферы(Walker, 1977; Войткович, 1986) Химические соединения Химическая формула Водяные пары Сухой воздух 5, 27. 106 различное 0, 017. 106 100 Н 2 О Масса, 109 т 100 Атмосфера в целом Содержание, % объема 3, 87. 106 Молекулярный азот N 2 78, 08 3, 87. 106 Молекулярный кислород O 2 20, 95 1, 18. 106 Озон О 3 различное около 3, 3 Аргон Ar 0, 93 6, 59. 104 Двуокись углерода CO 2 0, 032 2, 45. 103 Неон Ne 1, 82. 10 3 6, 48 Гелий He 5, 24. 10 4 2, 02 Криптон Kr 1, 14. 10 4 1, 69 Ксенон Xe 1, 87. 10 6 2, 02 Метан СН 4 1, 5. 10 4 около 4, 3 H 2 около 5. 10 5 около 0, 18 Закись азота N 2 O около 3. 10 5 около 2, 3 Окись углерода CO около 1, 2. 10 5 около 0, 59 NH 3/ NH 4+ около 1. 10 6 около 0, 03 Двуокись азота NO 2 около 1. 10 7 около 0, 0081 Двуокись серы SO 2 около 2. 10 8 около 0, 0023 Сульфид водорода H 2 S около 2. 10 8 около 0, 0012 Молекулярный водород Аммоний 9
Атмосфера • • Кроме перечисленных постоянных газов, в воздухе содержатся вещества природного и антропогенного происхождения, качественный и количественный состав которых не постоянен. К таким веществам относятся: пары воды, пыль, химические компоненты в виде аэрозолей, газа и парообразном состоянии. Аэрозоли присутствуют с твердой и жидкой дисперсной фазой. В состоянии непрерывного циклического обмена с нижними слоями атмосферы находятся суша и океан, которые поставляют в воздух аэрозольные частицы и получают их обратно в составе атмосферных осадков и в форме сухих осаждений. В процессе диффузии, аэрозоли могут перемещаться в воздухе и оседать на земную поверхность, кроме того, на аэрозолях могут адсорбироваться разнообразные газо и парообразные химические элементы. В свою очередь, в каплях аэрозолей могут растворяться всевозможные твердые частицы. Циклические процессы массообмена между поверхностью суши и тропосферой, с одной стороны, и поверхностью океана с другой, тесно связаны между собой. Так, суммарный захват дисперсных почвенных частиц и поверхности континентов и поступление их в атмосферу составляет около 5, 2 109 т/год. Из этого количества примерно 3, 5 109 т возвращаются на поверхность суши, а 1, 7 109 т/год выносится в пределы акватории океана 10
Гидросфера • • Гидросфера это прерывистая водно ледниковая оболочка Земли, включающая океаны, моря, поверхностные и подземные воды континентов и ледяные покровы. Она объединяет все свободные воды, не связанные физически и химически с минералами земной коры, которые могут передвигаться под влиянием сил гравитации и солнечной энергии, переходить из одного агрегатного состояния в другое, а также находится в тесной связи с другими геосферами Земли. Именно благодаря воде на Земле существует жизнь, благодаря тому узкому интервалу температур, в котором вода находится в жидком состоянии. Более 70 % поверхности Земли покрыто океанами, морями, озерами, реками, болотами и ледниковыми покровами как на суше, так и в морях и океанах. Много воды содержится в подземных условиях, включая зоны многолетнемерзлых пород. Вода представляет собой химическое соединение кислорода с водородом — молекулу дигидроля (Н 20)2 и обладает целым рядом удивительных свойств, не похожих на свойства других жидкостей. Например, при замерзании объем воды увеличивается на 10%; наивысшую плотность вода приобретает при температуре +4 °С, что характерно для океанических глубин; теплоемкость воды очень велика, что приводит к интенсивному испарению воды за счет почти трети солнечной радиации; вода служит замечательным растворителем, а ее вязкость уменьшается с ростом давления, в противоположность другим жидкостям, и вода характеризуется почти полным отсутствием сжимаемости. Вода обладает также высоким поверхностным натяжением, что позволяет ей подниматься вверх на 1 2 м по тонким капиллярам от поверхности грунтовых вод, образуя зону капиллярно подвешенной воды. Вода служит регулятором температурного режима Земли. Все эти свойства воды связаны с особенностями взаимодействия молекул воды между собой. Время образования гидросферы и ее происхождение представляет одну из проблем геологической истории Земли. Вероятнее всего, вода была привнесена на Землю планетезималями во время ее аккреции. Но образованию основной части земной гидросферы, по видимому, способствовал процесс дегазации мантии во время образования базальтов первичной коры. В это время произошло выделение около 7 % ювенильной воды в виде водяного пара или жидкой воды и этот процесс, по видимому, был наиболее интенсивным в начальный промежуток времени, порядка первых сотен миллионов лет. 11
Гидросфера • • • Расслоение силикатной оболочки Земли на современную мантию, земную кору, гидросферу и атмосферу могло быть обеспечено только плавлением и разделением расплавов и остаточных твердых фаз, которое сопровождалось отделением газовой фазы (Ярошевский, 2004). Незначительная масса атмосферы и гидросферы (вода, азот, углекислота, аргон) и ничтожное количество тяжелых благородных газов геохимически свидетельствуют о том, что образование этих оболочек связано с выделением на поверхность Земли в ходе дегазации элементов, захваченных из протопланетного твердого вещества в результате процессов аккреции (Ярошевский, 2004). Вода на нашей планете распространена в пределах во всех геосферах вплоть до мантии, в которой вместе с земной корой может находиться до 30 млрд км 3 воды. Акватория мирового океана составляет 70, 8%, а суши 29, 2% поверхности Земли. Распределение воды на Земле 12
Гидросфера • • Химический состав современного Мирового океана представляет собой итог его длительного изменения под влиянием биотических и абиотических факторов. Средняя соленость океана принята равной 350/00. По мнению А. П. Виноградова, формирование химического состава океанической воды определяется сохранением в растворе компонентов с высокой растворимостью и выпадением компонентов, образующих труднорастворимые соединения. Солевая масса океана, составляющая 56 1015 т, практически инертна по сравнению с отдельными элементами баланса (приходной и расходной статьями), поэтому для того, чтобы даже незначительно изменить их необходимы миллионы лет. В океанической воде обнаружены почти все элементы Периодической системы. Главные компоненты (г/кг): Cl- - 19, 353; SO 42 - - 2, 712; HCO 3 - - 0, 142; Ca 2+ - 0, 413; Na+ - 10, 76; K+ - 0, 387. Уровень океана имеет самое низкое гипсометрическое положение, поэтому к нему направлены поверхностный и подземный стоки с материков. Динамическое постоянство объема океана поддерживается испарением и переносом через атмосферу в парообразном состоянии 44 103 км 3/год воды, выпадающей в виде атмосферных осадков. Химический состав выпадающих осадков при взаимодействии с растительностью и почвами изменяется под влиянием гумусовых кислот, метаболических выделений высших растений и почвенных микроорганизмов. Конечный продукт разрушения органического вещества углекислый газ, который хорошо растворяется в воде с образованием угольной кислоты. Все это усиливает растворяющую способность поверхностных вод по отношению к минеральному веществу литосферы. При этом стекающая с поверхности суши вода захватывает частицы минерального вещества, преобразованного под влиянием жизнедеятельности организмов, и переносит их в форме взвеси. Поверхностные воды суши представляют собой наиболее подвижную часть гидросферы. Объем океана составляет 1370323 тыс. км 3, речные воды - 1, 2 тыс. км 3, в озерах - 280 тыс. км 3 (половина из них проточные, пресные озера; другая половина бессточные, различной степени засоленности, при этом более 80% пресной воды России находится в оз. Байкал). Следует также отметить, что 2/3 водоснабжения городов осуществляется за счет подземных вод, общий объем которых оценивается в 60 млн. км 3 (Табл. 2. 7) ). Элементы гидросфер ы Объем, тыс. км 3 Процент от общего объема 1370323 93, 96 Подземные воды 60000 4, 12 Ледники 24000 1, 65 Озера 280 0, 019 Почвенная влага 85 0, 006 Пары атмосферы 14 0, 001 Речные воды 1, 2 0, 0001 Мировой океан Запасы воды в гидросфере 13
Гидросфера По минерализации воды рек делятся на четыре группы (О. А. Алекин, 1970): с малой минерализацией - до 200 мг/л, средней - 200 -500, повышенной - 500 -1000 и высокой - более 1000 мг/л. Речные воды с малой и средней минерализацией обычно являются (по преобладающим ионам) гидрокарбонатно-кальциевыми или реже гидрокарбонатно-магниево-кальциевыми. Для них типичен следующий порядок распределения главных ионов: HCO 3 - > SO 42 - > Cl-; Ca 2+ > Mg 2+ > Na+ + K+. C повышением минерализации воды наряду с HCO 3 - доминирующим становится ион SO 42 -, в высокоминерализованных водах ионы SO 42 -, Cl-. Зональность химического состава подземных вод определяется дифференцированным распределением воздействия природных факторов на подземную гидросферу, что, в свою очередь, формирует закономерное распределение и последовательность различных типов вод как в плане, так и в разрезе. Широтная зональность присуща главным образом грунтовым и неглубоко залегающим напорным водам, состав которых отвечает определенным ландшафтам, сменяющимся с севера на юг. Так, состав грунтовых вод меняется (с севера на юг) от ультрапресных гидрокарбонатных (с кремнекислотой) через пресные гидрокарбонатные на соленые сульфатные и хлоридные. По условиям формирования выделяются грунтовые воды выщелачивания и континентального засоления. Первый тип подземных вод формируется в областях с повышенным выпадением атмосферных осадков или в районах недостаточно увлажненных, но с хорошо проницаемыми породами и хорошим естественным дренажом. Второй тип формируется на равнинах сухих степей, полупустынь и пустынь. Средний химический состав грунтовых вод зон выщелачивания и континентального засоления по С. Л. Шварцеву следующий: HCO 380 SO 49 Cl 8 NO 32 F 1 Зона выщелачивания - М 0, 22 ------------------- p. H 6, 7 Ca 49 Mg 26 Na 24 K 1 Зона континентального SO 437 Cl 31 HCO 331 NO 31 14 засоления M 1, 27 ------------------ p. H 7, 5 Na 40 Ca 31 Mg 27 K 2
Гидросфера • • • В вертикальном разрезе бассейнов подземных вод прослеживается прямая гидрогеохимическая зональность, которая определяет повышение их минерализации с глубиной и изменение ионно солевого состава по соответствующей схеме: HCO 3 (Ca 2+, Na+) > SO 42+ (Ca 2+, Na+) > Cl (Na+, Ca 2+). Нарушение последовательности в вертикальном распределении гидрохимических зон характеризует наличие обратной зональности (гидрохимической инверсии), которая может иметь место в связи с влиянием климатических особенностей, перетеканием подземных вод, наличием легкорастворимых отложений (минеральных солей) в пределах осадочного чехла и др. Гидросфера играет важную роль в формировании климата. Так, в результате испарения до 380 тыс. км 3 воды ежегодно переходит в атмосферу. Содержащиеся в воздухе водяные пары (наряду с углекислым газом) в значительной степени определяют тепловой баланс на Земле. В процессе своего естественного круговорота природные воды взаимодействуют с большим числом минералов, газов и органических соединений. В силу этого они представляет собой сложный раствор различных веществ 15
Гидросфера • • • В настоящее время компоненты химического состава природных вод в гидрохимии подразделяют на шесть групп. Макрокомпоненты ( «главные» ), к которым относят ионы К+, Nа+, Мg 2+, Са 2+, Сl-, SO 42 -, НСОз- (СО 32 -). Содержание их в пресных поверхностных водах изменяется в широких пределах. Поступление макрокомпонентов в природные воды связано с многообразными процессами взаимодействия порода – вода, газ – вода; значительную роль играют биогенные факторы, а также техногенная деятельность человека. Мезокомпоненты ( «второстепенные» ), к которым относят компоненты, характеризующиеся либо высоким кларком, но низкой растворимостью природных соединений, либо небольшим кларком, но сравнительно хорошей растворимостью солей. Мезокомпонентами обычно принято считать железо, алюминий, кремнекислоту и биогенные вещества. Биогенные вещества это, главным образом соединения азота (NH 4+, NО 3 -, NО 2 -) и фосфора, которые поступают в раствор за счет микробиологических процессов и деятельности человека. К биогенным относят также соединения кремния, находящегося в воде в виде коллоидных или истинно растворенных форм кремниевой и поликремниевой кислот, и железа, находящегося в природных водах в основном в форме микроколлоидного гидроксида или в виде фульватных комплексов. Их концентрация в пресных поверхностных водах изменяется в очень широких пределах: от следов до 10 мг/л. Наиболее важными источниками биогенных элементов являются процессы, развивающиеся внутри водоемов, а также поступление с поверхностным стоком, атмосферными осадками, промышленными, хозяйственно бытовыми и сельскохозяйственными сточными водами. Микрокомпоненты, в группу которых входят все металлы, кроме главных ионов и железа (Cu 2+, Мn 2+, другие ионы переходных металлов), а также анионы (Вr-, F-, I- и др. ), встречающиеся в природных водоемах в очень малых концентрациях. Растворенные органические вещества (РОВ), по существу, это органические производные биогенных элементов, которые, в принципе, могут также быть отнесены к мезокомпонентам. Эта группа веществ включает различные органические соединения: фонолы, гуминовые вещества, ароматические соединения, углеводы, азотсодержащие соединения (белки, аминокислоты, амины) и т. д. Ввиду сложности определения индивидуальных органических веществ, их многообразия и незначительных природных концентраций (< 0, 1 мг / л, или < 10 -5 М) для количественной характеристики растворенных органических веществ используют 16 косвенные показатели: общее содержание Сорг, Nорг, Pорг, перманганатную или бихроматную окисляемость воды (ХПК), биохимическое потребление кислорода (БПК).
Гидросфера • • • Как правило, основной вклад в растворенные органические вещества вносят фульвокислоты, особенно в северных районах, где в гумифицированных водоемах содержание фульвокислот может достигать 100 мг/л. По происхождению растворенные органические вещества можно разделить: на автохтонные продукты метаболизма и биохимического распада остатков организмов, и аллохтонные органические вещества, поступающие в водную среду с поверхностными стоками, атмосферными осадками, сточными водами. Для речных вод, озер и водохранилищ наиболее характерны органические вещества, поступающие с их водосборной площади, а также вещества, образующиеся в результате внутриводоемных процессов. Усредненный состав растворенных органических веществ природных вод соответствует химической формуле С 13 Н 17 О 12. Растворенные газы. Концентрация газов в воде (О 2, N 2, Н 2 S, СН 4 и др. ) определяется их парциальным давлением и константой Генри. Токсичные загрязняющие вещества тяжелые металлы, нефтепродукты, хлорорганические соединения, синтетические поверхностно активные вещества (СПАВ), фенолы и т. д. Следует отметить, что для большинства химических элементов достаточно хорошо изучены их пороговые концентрации, допускающие использование металлов в качестве биокатализаторов в клетках высших организмов, превышение которых ведет к биоаккумуляции металлов до токсичных уровней. Токсичность тяжелых металлов, к которым относят более 40 химических элементов с атомными массами свыше 50 а. е. м. (Pb, Hg, Cd и др. ), накапливающихся в водных объектах обусловлена тем, что их прямая детоксикация ( «самоочищение» ) практически невозможна. Самоочищение водоемов от других загрязняющих веществ определяется их ассимиляционным потенциалом, т. е. способностью водных экосистем к самовосстановлению и саморегуляции. 17
Гидросфера • • • Среди факторов, определяющих формирование химического состава природных вод, выделяются геологические физико географические, физико химические, биологические, антропогенные. Геологические факторы являются определяющими при формировании минерализации и химического состава природных вод. Физико-географические факторы (рельеф, климат и др. ) оказывают влияние на состав природных вод посредством изменений условий водообмена, особенностей испарения, выветривания, взаимодействия вод с горными породами, почвенным покровом, донными отложениями и т. д. Физико-химические факторы определяют способность химических элементов, присутствующих в природных водах, к миграции, зависящей от физико химических констант соответствующего иона и условий среды, в которой происходит массоперенос. По А. Е. Ферсману, поведение химических элементов в природных водах определяется сочетанием внутренних и внешних факторов миграции. К внутренним факторам миграции химических элементов относят валентность, свойства связи, химические свойства соединений, энергетические свойства ионов, ионные радиусы, ионные потенциалы, гравитационные и радиоактивные свойства атомов. К внешним факторам миграции относят параметры, характеризующие среду, в которой перемещаются химические элементы. Основными параметрами водной среды миграции являются концентрация водного раствора, величины р. Н – Еh, температура и давление. Биологические факторы определяют условия для биологического круговорота атомов, заключающегося в формировании и разрушении живого вещества. Живое вещество формируется в результате биогенной аккумуляции (фотосинтеза), а его разрушение с помощью процесса минерализации. Благодаря этим двум прямо противоположным процессам, биологический круговорот осуществляется повсюду, где имеется водная среда и создаются условия для деятельности микроорганизмов, определяющих «равновесие» в системе живое вещество – вода. Источниками биологических факторов являются отдельные живые организмы или их совокупность. Техногенные факторы представляют собой любое воздействие на компоненты природной среды, в том числе и водную, с помощью технических средств. Различают непосредственные (изменение кислотности и щелочности водной среды) и косвенные техногенные факторы (изменение качества воды определяет перемены в видовом 18 разнообразии гидробионтов).
Гидросфера • • • Современные химические классификации состава природных вод можно разделить на схемы, основанные на выделении классификационных единиц по принципу абсолютного преобладания того или иного компонента в водном растворе, и схемы, учитывающие специфические компоненты солевого состава воды. В подавляющем числе химических классификаций используются макрокомпоненты химического состава воды по принципу абсолютного преобладания или/и соотношения между ними, а также выделения специфических компонентов. При выделении таксономических единиц используются данные химического анализа воды, выраженные в эквивалентной форме. Для наглядного изображения данных химического состава природных вод обычно используется формула Курлова. Она представляет собой псевдодробь, в числителе которой слева направо записываются анионы (в процентах количества вещества эквивалента) в порядке убывания. В знаменателе таким же способом записываются катионы. Количество катионов и анионов округляется до целых чисел. Ионы, присутствующие в воде в количестве, меньшем 10 экв% (сумма катионов и анионов принимается раздельно за 100 экв%), формулой не учитываются. Слева от дроби записываются величина общей минерализации или сухой осадок (г/л или г/кг воды). Слева же показывается содержание некоторых экологически значимых компонентов (в мг/л). Справа от дроби записывается температура воды (в 0 С), величина расхода или дебита источников, скважин или расхода воды в водоеме (в л/с или м 3/сут) и т. д. Например, состав воды водного объекта по формуле Курлова может быть представлен в следующем виде: HCO 364 SO 426 Cl 10 M 0, 5 Pb 150 Cо 110 Zn 90 As 19 -------------T 14 Д 22 Ca 68 Na 22 Mg 10 19
Гидросфера • • Классификация природных вод по минерализации (солености, минеральному составу). Под минерализацией воды понимают количество растворенных в ней минеральных веществ. Выражают это количество в виде или общей минерализации, или сухого остатка, или удельного веса. Общая минерализация представляет собой сумму компонентов минеральных веществ, полученную в результате анализа воды; сухой остаток получают путем выпаривания определенного объема (навески) воды, последующего высушивания и взвешивания остатка (в случае, когда вода имеет повышенную минерализацию и в ней присутствуют сульфатные и хлоридные соли кальция и магния, сухой остаток определяют с добавкой соды или фторида натрия, чтобы предотвратить образование кристаллогидратов, основных солей и поглощение влаги при высушивании сухого остатка); приближенное значение величины минерализации дает удельный вес воды, т. е. вес единицы ее объема при нормальных условиях. Общую минерализацию и сухой остаток выражают для пресных и солоноватых вод в граммах на 1 л, для рассолов также в граммах на 1 л или в граммах на 1 кг (промилле, %о). Пресной называется вода, имеющая минерализацию ниже 1 г/л (1 промилле). При этом по величине минерализации (г/л) выделяют очень пресные – <0, 1; пресные – 0, 1 -0, 5; жесткие пресные – 0, 5 1, 0; соленые – 1 -35 (слоноватые – 1, 0 -3, 0; слабосолоноватые – 3, 0 -10, 0; среднесоленые 10, 0 -18, 0; сильносоленые – 18, 0 -35, 0); рассольные – >35. В пресных водоемах возможно наличие участков, где воды могут иметь повышенную соленость, связанную с антропогенным загрязнением или притоком (разгрузкой) подземных минерализованных вод. 20
Гидросфера • • • В основу широко распространенной химической классификации природных вод О. А. Алекина положены два принципа: приобладающих ионов и соотношений между ними. По данной классификации все природные воды по преобладающему аниону делятся на три класса, характеризующие в общих чертах гидрохимический облик воды: класс гидрокарбонатных вод; класс сульфатных вод; класс хлоридных вод. К гидрокарбонатному классу относится большая часть маломинерализованных вод рек, озер и некоторых подземных вод. К классу хлоридных вод относятся в основном минерализованные воды различного генезиса. Воды сульфатного класса по своему гидрохимическому облику являются промежуточными гидрокарбонатными и хлоридными водами. Каждый класс, в свою очередь, делится на три группы вод: кальциевую, магниевую и натриевую. Кроме того, каждая группа подразделяется на четыре типа вод, определяемых соотношением между ионами, выраженных в эквивалентной форме. Первый тип характеризуется соотношением HCO 3 ->Ca 2+ + Mg 2+. Воды этого типа являются щелочными, мягкими, образуются при растворении продуктов выветривания изверженных пород, содержащих значительные количества натрия и калия. Они могут образовываться также за счет обменных реакций между кальцием вод и натрием в поглощенном комплексе пород. Воды обычно маломинерализованные, но в бессточных водоемах их минерализация может повышаться. Второй тип характеризуется соотношением HCO 3 -<Ca 2+ + Mg 2+< HCO 3 - + SO 42 -. Они формируются при взаимодействии с различными осадочными породами и продуктами выветривания коренных пород. К ним относится большинство вод рек, озер и подземных вод малой и умеренной минерализации. Третий тип характеризуется соотношением HCO 3 - + SO 42 -<Ca 2+ + Mg 2+ или, что то же самое, Cl>Na+. Генетически воды этого типа являются смешанными и метаморфизованными, формируются в результате испарения молекул воды и катионного обмена. К ним принадлежат воды океана, морей и других водоемов с сильноминерализованными водами. Четвертый тип характеризуется соотношением НСО 3 -=0, т. е. воды этого типа кислые. Воды этого типа не входят в класс гидрокарбонатных вод, а его воды находятся только в сульфатном и хлоридном классах в группах Са 2+ и Мg 2+, где нет первого типа вод К этому типу вод относятся болотные, рудничные, а также воды, загрязненные промышленными стоками. 21
• • Гидросфера По классификации Н. С. Курнакова - М. Г. Валяшко природных вод, имеющей элементы генетической основы, существование в природе карбонатного, сульфатного и хлоридного типов объясняется закономерными изменениями растворимости соединений в сложных равновесных системах, образованных макрокомпонентами природных вод. Основными свойствами выделенных типов вод является то, что переход состава воды из одного химического типа в другой не может быть осуществлен иначе, как путем взаимодействия с веществом природной среды. Эти взаимодействия получили название процессов метаморфизации природных вод. При этом различают прямую и обратную метаморфизации. Метаморфизация в прямом направлении приводит к постепенной потере менее устойчивых в растворе компонентов и переходу химических типов в направлении, от карбонатного к хлоридному через сульфатный тип вод. Метаморфизация в обратном направлении приводит к смене вод хлоридного типа водами сульфатными и карбонатными. Развитию прямой метаморфизации способствует увеличение аридности климата, возрастание подвижности иона кальция, что приводит к росту общей минерализации воды и ее сульфатности и хлоридности. Процесс обратной метаморфизации определяет наличие влажного климата, что вызывает рассоление водовмещающих пород, снижение степени минерализации взаимодействующих с ними вод и возрастание их карбонатности. Кроме того, в рамках данной классификации в качестве дополнительного выделяется также тип кислых вод, для которого возможен переход во все три основные типы вод. Однако возможность обратного перехода вод этих типов в кислые воды достаточно редка и на ограниченных территориях. 22
Гидросфера Карбонатный тип Сульфатный тип Хлоридный тип HCO 3(CO 3) SO 4 Cl HCO 3(CO 3) SO Cl 4 HCO 3 SO 4 H C O Cl SO 4 Cl 3 Ca Mg Na Ca SO 4 - Na Cl - Mg подтип M Na g подтип HC O 3 SO 4 Cl 23
Гидросфера • • Карбонатный тип вод характеризуется присутствием макрокомпонентов лишь в пределах растворимости их карбонатов. Сульфатный тип воды определяется присутствием макрокомпонентов в пределах растворимости сульфата; карбонат и бикарбонат ионы – в пределах растворимости их кальциевых и магниевых солей. В этом типе выделяются два подтипа: сульфатно-натриевый и хлоридномагниевый (сульфатно магниевый). По относительному содержанию карбонат и бикарбонат ионов в сравнении с ионами Ca 2+ и Mg 2+ каждый из подтипов может быть разделен на две группы. Хлоридный тип воды отвечает присутствию макрокомпонентов в пределах растворимости кальциевой соли, карбонат и бикарбонат ионы – в пределах растворимости их кальциевых и магниевых соединений. И, наконец, тип кислых вод, характеризуется присутствием сильных кислот H 2 SO 4, HCl, HF, но эти воды устойчивы только в специфических условиях, например областях активного вулканизма, интенсивного техногенного загрязнения и т. д. Соотношение солевых составов вод в пределах основных гидрохимических типов согласно классификации Курнакова Валяшко приведено на рис. 2. 12 Таким образом, согласно классификации Н. С. Курнакова – М. Г. Валяшко выделяются карбонатный, сульфатный и хлоридный типы вод. 24
Гидросфера • • • Химических классификаций техногеннозагрязненных вод в настоящее время не существует. Однако, исследования в области геохимии загрязненных природных вод показывают, что разнообразие их химических свойств определяется через суммарные Eh-p. H показатели (рис. 2. 13). Так. С. Р. Крайнов и В. М. Швец (1992) различают два типа загрязняющих веществ. инертные загрязняющие вещества, которые не изменяют Еh-р. Н состояния природных вод и слабо участвует в реакциях (процессах) комплексообразования; активные загрязняющие вещества, которые способствуют изменению Еh-р. Н состояния природных вод и концентрации присутствующих в водной среде комплексообразующих неорганических и органических веществ. Например высокие концентрации в воде Н+, Fе 3+ и другие элементы в окисленной форме, определяют снижение значений р. Н и повышение Еh, что способствует, в свою очередь, растворению контактирующих с ними горными породами и донными отложениями, а следовательно повышению в водной среде концентраций многих химических элементов (Fе, Мn, Zn, Рb, Сu, F, Мо, Тi, Аl и др. ). Наоборот, высокие концентрации в воде NНз способствуют повышению р. Н природных вод (NНз++Н 20=NН 4++ОН-) и снижению их Еh. В таких щелочных водах вследствие их взаимодействий с породами увеличиваются концентраций многих анионогенных элементов, мигрирующих в широком диапазоне окислительновосстановительных ситуаций (F, Мо, Аs, Nb и др. ). Положение различных типов природных вод на Eh-р. Н-диаграмме 1 - кислые воды районов современного магматизма; 2 грунтовые воды, в том числе зоны окисления (р. Н < 4) сульфидных месторождений; 3 - дождевые воды; 4 - морские и океанические воды; 5 - углекислые подземные воды; 6 азотные термальные воды; 7 -рассолы платформ, краевых прогибов и межгорных впадин, в том числе структур, 25 содержащих галогенные формации
Гидросфера При этом выделяют следующие гидрохимические типы загрязненных природных вод: • кислые с высокими значениями Eh; • околонейтральные воды с высокими значениями Eh; • щелочные воды с низкими положительными значениями Eh; • околонейтральные бескислородные бессульфатные воды с низкими положительными значениями Eh; • околонейтральные и щелочные воды с отрицательными значениями Eh. Следовательно, формирование химического состава загрязненных вод определяется разнообразием ситуаций, связанных со значениями Eh-p. H показателей, отвечающих соответствующему набору химических компонентов, их концентраций и миграционных форм. • Кроме того, в состав гидросферы Земли входит криосфера, которая характеризуется различными типами льдов: плавучими, наземными и подземными. Среди них можно выделить кратковременные, сезонные и многолетние льды. К последним относятся ледники, льды полярных морей и льды в многолетнемерзлых породах, которые, собственно, и образуют криолитозону. Масса современных льдов сосредоточена на 99 % в Антарктиде и Гренландии, и она на два порядка превышает массу подземных льдов. Лед в покровах типа Антарктического существует от 200 до 500 тыс. лет и в их пределах зафиксированы самые низкие температуры на поверхности Земли (-89, 20 С). • Области криолитозоны начали возникать еще 2 млн лет назад, но сплошной она стала примерно 650 тыс. лет назад. Мощность криолитозоны зависит от многих факторов: широты местности, ландшафта, рельефа, геологического строения и теплового потока. Например, на Анабарском массиве Сибирской платформы мощность криолитозоны превышает 1000 м при невысоком тепловом потоке (15 -25 м. Вт/м 2) и очень маленьком геотермическом градиенте. На тех же широтах в пределах Западно-Сибирской плиты, где тепловой поток достигает 50 м. Вт/м 2, а геотермический градиент — до 5 °С на 100 м, мощность криолитозоны в два-три раза меньше и колеблется от 300 до 400 м. • Криолитозона в наши дни широким кольцом охватывает пространство вокруг Северного Ледовитого океана и в целом занимает 25% площади всей суши, а на территории России и вовсе 64 %. • Таким образом, криосфера представляет собой самостоятельную оболочку нашей планеты. Взаимное влияние криолитозоны с гидросферой, литосферой и атмосферой очень велико 26
Литосфера • • • Литосфера это каменная оболочка Земли, все компоненты которой находятся в твердом кристаллическом состоянии. Она включает земную кору, подкорковую верхнюю мантию и подстилается астеносферой. Характерным признаком литосферы является ее жесткость и прочность. Разрушение литосферных плит возможно только в случае достижения в них значительных механических напряжений. Под основанием литосферных плит располагается астеносфера, которая представляет собой пластичную оболочку мантии, ослабленную в механическом смысле и слабо сопротивляющуюся сдвиговым напряжениям. Она не обладает пределом прочности и может деформироваться под действием даже незначительных избыточных давлений. Поэтому она допускает возможность движения литосферных плит относительно верхней мантии. Астеносфера неоднородна по физическим свойствам как по вертикали, так и по латерали. Ее подошва находится на глубине около 670 км и совпадает с положением очагов наиболее глубокофокусных землетрясений. Под древними щитами мощность литосферы колеблется от 300 до 350 км. В океане мощность литосферы варьирует от нескольких километров под срединно рифтовыми долинами и до 100 км на их периферии. Исходным основанием для выделения астеносферы была необходимость объяснения изостатической уравновешенности земной коры за счет мантии. Это явление получило название изостазии. Подошву литосферы связывают с изотермой, равной около 13000 С, соответствующей началу плавления перидотита. Эта температура является точкой плавления наименее тугоплавкой базальтовой составляющей мантийного вещества. Геотермический режим литосферы изменяется в соответствии с ее мощностью. Отсюда взаимодействие литосферы и астеносферы определяет тектоническую и магматическую активность земной коры. В строении литосферы можно выделить ряд разделяющих ее литосфреных блоков (плит), среди которых семь отличаются крупными размерами: Тихоокеанская, Евразийская, Индо Автсралийская, Антарктическая, Африканская, Северо Американская и Южно Американская и столько же средних: Наска и Кокос на востоке Тихого океана, Филиппинская, Аравийская, Сомалийская, Карибская и плита Скотня, расположенная между Южной Америкой и Антарктидой. В пределах крупных континентальных плит можно выделить средние блоки, например, такие как Амурская, Южно Китайская, Индонезийская и множество мелких типа Таримской, Анатолийской, Панопской и т. д. 27
Литосфера Литосферные плиты могут включать континентальные массивы и океанические участки, например, в Африканскую плиту входит сам континент Африки, а также примыкающие к нему восточные половины Центральной и Южной Атлантики, западные части дна Индийского океана, и сопряженные с континентом участки дна Средиземного и Красного морей. Кроме блоков (плит) смешанного континентально-океанического строения, выделяются также плиты, представленные, в основном, океанической литосферой (с океанической корой на поверхности). Границы литосферных плит одновременно являются зонами повышенной тектонической активности. В зависимости от направления движения плит относительно друга между ними формируются зоны сжатия, растяжения или сдвига. Активность геодинамических процессов, определяющая интенсивность перемещения литосферных блоков по поверхности вязкопластичной астеносферы, связывается в основном с наличием конвективных течений в мантии. Обычно выделяют три типа границ между литосферными блоками: дивергентный - вдоль которых происходит их раздвижение с образованием рифтовых зон и формированием в этих пределах новой океанической коры (в океанах это гребни срединноокеанических хребтов, а на континентах зарождающиеся рифты, например, Байкальский, причем вдоль дивергентных границ обычно отмечается проявление базальтового вулканизма); конвергентный - к нему относятся зоны поддвига (субдукции), где океаническая кора погружается под островные дуги или континентальные окраины, причем таким границам обычно соответствуют структуры глубоководных желобов (следует также отметить, что надвиг океанической коры на континентальную называется обдукцией, а процесс столкновения блоков коллизией); трансформный - это разломы, располагающиеся перпендикулярно к простиранию рифтовых трещин, и разделяющие на отдельные сегменты срединно-океанических хребты, при этом по таким разломам обычно происходят сдвиговые смещения плит до 1000 - 2000 км Смещение литосферных плит друг относительно друга обычно происходит с различными скоростями. Так, Австралия удаляется от Антарктиды со скоростью равной 7 см/ год, Южная Америка от Африки 4 см/ год, Северная Америка от Европы около 2 -2, 3 см/год. Красное море раздвигается со скоростью 1, 5 см/год. Сближение (надвиг) Индии и Азии оценивается скоростью около 5 см/год, чем и определяется неотектоническая активность в пределах Гундукуша, Памира и Гималаев. Проявление деформаций в районе Большого и Малого Кавказа вызвано давлением Аравийской плиты на эту часть Евразии. (Дж. Минстер) Кроме того, следует отметить, что до настоящего времени еще недостаточно исследованы процессы, связанные с изучением особенностей внутриплитной тектоники, т. е. с проплавляющим воздействием струй мантийного 28 вещества на литосферу.
Биосфера как форма существования жизни на Земле • • • Учение В. И. Вернадского о биосфере произвело переворот в геологии, взглядах на причины ее эволюции. Так, если при рассмотрении геологических явлений и эволюции верхних слоев литосферы, прежде всего земной коры, первенство отводилось физико химическим процессам выветривания, то работами Вернадского была показана первостепенная преобразующая роль живых организмов и обусловливаемых ими механизмов разрушения горных пород, круговорота веществ, эволюционных преобразований водной и атмосферной оболочек Земли. Биосфера (греч. bios - жизнь, sphaira - шар, сфера) - представляет собой «область активной жизни» , населенную организмами, составляющими в совокупности живое вещество планеты. Она охватывает нижнюю часть атмосферы, гидросферу и верхнюю часть литосферы. В биосфере живые организмы (живое вещество) и среда их обитания органически связаны друг с другом и взаимодействуют друг с другом, образуя целостную динамическую систему. На планетарную роль жизни во всех этапах формирования земной коры обратил внимание (без употребления самого термина) французский ученый Ж. Б. Лемарк в 1802 г. Практически одновременно с ним сферу жизни в своих работах выделил А. Гумбольдт, а уже в 1875 г. австрийский геолог Эдуард Зюсс при рассмотрении основных оболочек Земли, отмечал, что в области взаимодействия атмосферы и гидросферы с литосферой следует выделить самостоятельную оболочку (тонкую пленку жизни на земной поверхности) биосферу. На рубеже XIX XX вв. идея о глобальном влиянии жизни на природные явления была обоснована в работах В. В. Докучаева. Однако современное содержание этого понятия и его повсеместное распространение вполне заслуженно связывается с именем В. И. Вернадского после публикации 29 его монографии «Биосфера» .
Биосфера как форма существования жизни на Земле • • • В. И. Вернадский использовал этот термин и создал учение о биосфере. Если с понятием «биосфера» по Э. Зюссу связывалось только наличие в трех сферах земной оболочки (твердой, жидкой и газообразной) живых организмов, то по В. И. Вернадскому им отводится роль главной преобразующей силы. При этом в понятие биосфера им была включена преобразующая деятельность организмов не только в границах распространения современной жизни, но и в прошлом. В такой трактовке под биосферой понимается все пространство (оболочка Земли), где существует либо существовала жизнь, то есть, где присутствуют живые организмы или продукты их жизнедеятельности. В ней В. И. Вернадский определял понятие «биосфера» следующим образом: «Биосфера - земная оболочка. Биосфера составляет верхнюю оболочку, или геосферу, одной из больших концентрических областей нашей планеты - земной коры. . По существу биосфера может быть рассматриваема как область земной коры, занятая трансформаторами, переводящими космические излучения в действенную земную энергию - электрическую, химическую, механическую, тепловую и т. д. » . Далее он писал: «Биосфера единственная область земной коры, занятая жизнью. Только в ней, в тонком наружном слое нашей планеты, сосредоточена жизнь: в ней находятся все организмы, всегда резкой, непроходимой гранью отделенные от окружающей их косной материи. Никогда живой организм в ней не зарождается. Он, живя, умирая и разрушаясь, отдает ей свои атомы и непрерывно берет их из нее, но охваченное жизнью живое вещество всегда имеет свое начало в живом же» . Именно В. И. Вернадским было впервые введено в науку понятие «живое вещество» , под которым он понимал совокупность всех живых организмов, включая человека (как часть биоты). Отсюда, биосфера это область 30 взаимодействия живой и неживой природы.
Биосфера как форма существования жизни на Земле • • • Среди современных определений «биосферы» заслуживает внимания данное Б. С. Соколовым (1986), который отмечает, что «биосфера - организованная, определенная оболочка земной коры, сопряженная с жизнью. . Земная кора область былых биосфер. . . , на всем протяжении геологической истории от криптозоя и до современного, биосфера уже существовала и она была широко проникнута живым веществом, Биосфера геологически вечна. Обращаясь к геологии, мы должны признать, что жизнь существовала во все геологические периоды» . Ту часть биосферы, где живые организмы встречаются в настоящее время, часто называют современной биосферой или необиосферой, а древние биосферы относят к былым биосферам или палеобиосферам. В качестве примеров таких биосфер можно привести залежи каменных углей, нефти, горючих сланцев и т. п. , которые представляют собой безжизненные скопления органических веществ, а также запасы других соединений, образовавшихся при участии живых организмов, таких как известь, мел, соединения кремния, разнообразные рудные образования и пр. Пределы распространения биосферы имеют верхнюю и нижнюю границы и обусловлены, прежде всего, пределами устойчивого существования жизни на Земле. Верхняя граница определяется распространением лучистой энергией (ультрафиолетовым излучением), приходящей из космоса, губительной для живых существ, но задерживаемой озоновым экраном атмосферы, т. е. высотой 20 25 км, отсюда, живые организмы могут существовать в тропосфере и нижних слоях стратосферы. В земной гидросфере организмы проникают на всю глубину Мирового океана, т. е. до 10 11 км. Нижний предел существования жизни связан с повышением температуры и давления в недрах земли (литосфере) до критических значений, а также уровнем проникновения воды в жидком состоянии, достижение которых определяется глубиной 3, 5 7, 5 км. 31
Биосфера как форма существования жизни на Земле • Геосферные оболочки Земли в совокупности, как отмечалось выше, представляют собой абиотические компоненты экосистем высшего уровня организации и способствуют вместе с их биотическими составляющими саморегуляции и самовосстановлению этих систем, в связи с чем, могут быть охарактеризованы как геоэкологическое пространство. • По аналогии с геоэкологическим пространством литогенная сфера Земли ( «твердая» ее оболочка), представляющая собой абиотическую компоненту экосистемы высшего уровня организации и способствующая в совокупности с биотической составляющей ее саморегуляции и самовосстановлению, может быть охарактеризована в качестве экогеологического пространства. • При этом изучение структуры и свойств экогеологического пространства осуществляется человеком (человеческим сообществом) не столько для последующего освоения минерально сырьевых ресурсов, на что, в основном, ориентирована традиционная геология, сколько для целей сохранения будущим поколениям земных недр и планеты Земля в целом. 32
Биосфера как форма существования жизни на Земле • • В этой связи по мере совершенствования интеллектуальных и технических средств, используемых человеком, пределы распространения биосферного воздействия (влияния) постепенно расширяются как вглубь земных недр, так и за пределы планеты Земля. Наиболее активно распространение жизни происходит на поверхности суши и океана. Величина биомассы в пределах всей планеты оценивается в 3. 1012 т, при этом свыше 95% этой величины относится к растениям и менее 5% к животным. Основную часть биомассы растений составляют деревья, поэтому планетарная величина биомассы в значительной степени определяется распространением лесов на континентах. С точки зрения иерархии уровней организации живой материи и системного подхода биосфера — совокупность всех экосистем (биогеоценозов). Все экологические ниши, пригодные для жизни, заняты биосферой, возникшей одновременно с появлением жизни на Земле (около 4 млрд. лет назад) в виде примитивных протобиоценозов в первичном Мировом океане. Эволюция развития живых организмов на Земле резко ускорилась, после того как они стали заселять сушу (возможно, в силу более жестких, чем в морской среде, экологических условий) и, в результате, соотношение числа видов животных и растений в Мировом океане и на суше составляет примерно 1: 5. Населенная организмами поверхность Земли изучается с разных точек зрения естественноисторическими дисциплинами. Соответственно каждая из этих дисциплин выделяет свои элементарные биохорологические структурные единицы биосферы. В качестве таких единиц выступают экосистема (экология), биогеоценоз (биогеоценология), фация (география), элементарный ландшафт (ландшафтоведение), эколитосистема (экологическая геология) и др. Указанные понятия весьма сходны и различаются преимущественно акцентами (в экосистеме, эколитосистеме и биогеоценозе упор на живое вещество). 33
Биосфера как форма существования жизни на Земле • • В целом, биосфера, являясь сплошной непрерывной оболочкой Земли, состоит из большого количества разнообразных биотопов (экотопов) и населяющих их биоценозов (живое вещество, фитоценоз, зооценоз). Общая биогеохимическая работа биосферы выражается в открытом биогеохимическом круговороте вещества. В отличие от биологического круговорота, совершающегося на уровне экосистем (биогеоцеонозов), имеющего локальный и более замкнутый характер, биогеохимический круговорот химических элементов имеет глобальный характер. Согласно Ю. Одуму, биогеохимические циклы можно подразделить на два основных типа: круговорот газообразных веществ с резервным фондом в атмосфере или гидросфере (океан) и осадочный цикл с резервным фондом в земной коре. Если разомкнутость (малого) биологического круговорота в большой степени служит источником вещества для биогеохимического круговорота, то биогеохимический круговорот, в свою очередь, поставляет вещества и одновременно подпитывается веществом из большого геологического круговорота. При этом геологический круговорот веществ определяет циклические процессы перемещения и трансформации химических элементов в пределах Земли. С геологическим круговоротом вещества связано наличие в биосфере, наряду с биотическими, абиотических потоков вещества. 34
Биосфера как форма существования жизни на Земле • • • • Сопоставление биотических и абиотических потоков вещества в процессе геологического круговорота веществ показывает, что: по своим масштабам биотические потоки значительно превосходят абиотические; в абиотических потоках доминирует латеральная составляющая, относящаяся к внешним связям экосистем, в биотических — вертикальная составляющая, относящаяся к внутренним связям; абиотические потоки разомкнуты; входные потоки некомпенсированы с выходными, причем последние обычно доминируют, что в целом придает абиотической миграции однонаправленный характер и ведет к потере вещества ландшафтом; биотические потоки являются квазизамкнутыми, т. к. имеют характер круговоротов и способствуют удержанию вещества в эколитосистеме, выполняя в ней тем самым стабилизирующую функцию []. Вещество биосферы по В. И. Вернадскому состоит «из семи глубоко разнородных природных частей» , и которое включает: совокупность живых организмов (живое вещество); биогенное вещество, созданное и перерабатываемое жизнью и являющееся источником энергии (каменный уголь, нефть и т. д. ); косное вещество (твердое, жидкое, газообразное. . . ), «образуемое процессами, в которых живое вещество не участвует» ; биокосное вещество - создается «одновременно живыми организмами и косными процессами» , например вода, почва, кора выветривания и т. д. , причем роль живого вещества здесь является определяющей; «вещество, находящееся в радиоактивном распаде. . Мы здесь имеем дело с химическими элементами сложного изотопного состава, пронизывающими все вещество биосферы и идущими вглубь. . . » ; рассеянные атомы, «которые непрерывно создаются из всякого рода земных веществ под влиянием космических излучений» ; вещество космического происхождения. 35
Биосфера как форма существования жизни на Земле • • • Придавая особую роль живому веществу, В. И. Вернадский определяет его как своеобразную «форму активированной материи» , энергия которой находится в прямой зависимости от ее массы. В качестве основных свойств живого вещества можно выделить: его огромную свободную энергию; значительно более высокую скорость протекания химических реакций в живом веществе, чем в неживом; устойчивость химических соединений, слагающих живое вещество, только при его жизни; способность быстро занимать (осваивать) все свободное пространство. движение как общий признак существования живого вещества - пассивной форме, создаваемой размножением (характерна для животных и растительных организмов), и активной, осуществляемой за счет направленного перемещения (характерна в основном для животных); наличие большего морфологического и химического разнообразия по отношению к неживому; возможности самостоятельно перемещаться в горизонтальном и вертикальном (против сил гравитации) направлениях высокая приспособительная способность (адаптация) к различным условиям и в связи с этим освоение не только всех сред жизни (водной, наземновоздушной, почвенной, организменной), но и других крайне трудных по физико-химическим параметрам условий высокая скорость обновления живого вещества, так в среднем для биосферы она составляет 8 лет, для суши — 14 лет, а для океана — 33 дня. 36
Состав живого вещества • • Органическое вещество биоса Земли образуется преимущественно в результате фотосинтеза из углекислого газа и воды. Основными химическими элементами, образующими живые организмы, являются кислород, водород, углерод и азот, кроме того, обязательно присутствует некоторое количество элементов, формирующих при полном разрушении организма минеральный остаток (золу). Атомы водорода входят в структуру органического вещества, а кислород выделяется как метаболит. Естественная фитомасса континентов до активного воздействия человека составляла 6, 25. 1012 т, в пересчете на 40% сухого вещества 2, 5. 1012 т, т. е. 0, 125. 1012 т зольных элементов. (О. П. Добродеева, И. А. Суетова, 1976). К настоящему времени под воздействием техногенной деятельности фитомасса сократилась до 1, 88. 1012 т сухого вещества, в котором содержится 865. 109 т углерода, 36. 109 т азота и 94. 109 т зольных элементов. Массы других элементов оцениваются следующими значениями (в 1. 109 т): сера 9, 0; фосфор 3, 8; кальций 28, 2; калий 20, 7; магний 6, 0; натрий 2, 3; хлор 3, 8; кремний 5, 6; алюминий 0, 6; железо 0, 5 (Е. А. Романкевич, 1988). Биомасса животных достигает немногим более 1% массы растений. Химический состав живого вещества суши и океана неодинаков. Живое вещество океана отличается большими содержаниями воды (более 80%), азота и серы, а также значениями зольных элементов, составляющими 40 50% от сухой биомассы. При этом содержание воды в живых организмах варьирует от 99% слабосвязанной воды в планктоне, до 60% в стволах деревьев. Средние значения концентрации химических элементов в живом веществе океана по данным Е. А. Романкевича (1988) следующие (в % сухой массы): C 50, 1; H 7, 4; O 29, 1; N 10, 4 ; S 2, 0. Химические элементы, присутствующие в живом веществе, имеют различное физиологическое значение, причем оно не определяется величиной концентрации этих элементов. В живых организмах одни элементы могут входить в состав соединений играть очень важную роль, а другие просто являться варьирующими примесями. Содержание и тех и других может варьировать в широких пределах, вне зависимости от уровня обеспечения и регулирования ими жизненно важных биохимических процессов. Таковы ферменты, гормоны, витамины и близкие им вещества, являющиеся катализаторами этих процессов качестве примера рассмотрим роль ферментов в биохимических процессах, которые представляют собой высокоспециализированные белковые молекулы. 37
Состав живого вещества • • При этом установлено, что активирующие свойства многие ферменты приобретают благодаря соединению белка с небелковыми микроэлементами (поливалентными металлами), именуемые металлоферментами. Так, соединение с цинком образует карбоангидразу, алкогольдегидрогеназу; с марганцем аргиназу, фосфортрансферазы; с медью тирозиназу, цитохромоксидазу; с железом пероксидазу и др. Присутствие того или иного микроэлемента определяет повышенную активность этих биокатализаторов. Например, ферменты, участвующие в биохимических процессах, обеспечивающих дыхательные функции, активизируются медью, цинком, марганцем, и кобальтом, а интенсивность окисления стимулируется бором и титаном. В состав ферментов, обеспечивающих фотосинтез, входят марганец, железо и медь, но на интенсивность этого процесса влияет присутствие бора, кобальта, молибдена. (В. В. Ковальский, 1974) Важную роль микроэлементы играют и при функционировании гормонов. Так, биосинтез гормона щитовидной железы человека - тироксина невозможен без обновления йода каждые 30 - 50 сут. , содержание которого составляет 5 -15 мг. Медь стимулирует деятельность гормона гипофиза, а цинк - половых гормонов. Микроэлементы участвуют также и при синтезе некоторых витаминов, которые в организме животных превращаются в сложные органические соединения - коферменты. В этой связи кобальт является обязательным компонентом витамина В 12, марганец входит в витамин С, цинк и марганец - в витамин В 1 и т. д. (В. В. Добровольский, 1998) Биогеохимический отбор тех или иных элементов живым веществом определяется многими факторами, из которых наиболее важным, скорее всего, является способность их к образованию стойких комплексных органических соединений. Щелочные металлы наименее склонны к таким соединениям, поэтому они чаще всего находятся в тканях в виде простых ионов, и их концентрации в клетках растений и водном растворе внешней среды практически совпадают. Тяжелые металлы, наоборот, легко образуют прочные комплексные соединения и поэтому интенсивно накапливаются в организмах. Участие микроэлементов в жизненно важных процессах не означает того, что вся масса поступивших в организм элементов должна принимать участие в них. Избыточные элементы обычно не образуют прочных связей, легко переносятся внутри организма поступают в отпадающие органы (листья, хвою), но и выделяются вместе с отмирающими клетками, например, в кору деревьев. Таким образом, наблюдаемая избирательная концентрация химических элементов в живом веществе Земли является результатом длительного взаимодействия организмов с окружающей природной средой. 38
Функции живого вещества • • 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. При этом среди основных можно выделить следующие функции. Энергетическая функция выполняется в основном растениями, которые в процессе фотосинтеза аккумулируют солнечную энергию в виде разнообразных органических соединений. Зеленые хлорофильные организмы и зеленые растения являются главным инструментом в биосфере, который улавливает солнечные лучи и создает в результате фотосинтеза химические тела своеобразные солнечные консерванты, Энергия этих консервантов в дальнейшем является источником химической энергии как биосферы, так и в значительной мере всей земной коры. Эта энергия, а ее ежегодно на Земле аккумулируется более 1019 ккал, в виде пищи распределяется между живыми организмами. При этом она либо частично рассеивается, либо проникает вглубь земных недр и становится своеобразным энергоисточником активизации экзогенных процессов, либо накапливается в отмершем органическом веществе и переходит в ископаемое состояние (торф, каменный уголь, нефть и другие горючие полезные ископаемые, представляющие собой современную энергетическую базу нашей цивилизации). Газовая функция определяет 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 двуокиси (СО. ) в атмосфере с десятков процентов до современных 0, 03%. Это же относится к накоплению в атмосфере кислорода, синтезу озона и другим процессам. С газовой функцией в настоящее время связывают два переломных периода (точки) в развитии биосферы. Первая из них относится ко времени, когда содержание кислорода в атмосфере достигло примерно 1% от современного уровня (первая точка Пастера). Это обусловило появление первых аэробных организмов (способных жить только в среде, содержащей кислород). С этого времени восстановительные процессы в биосфере стали дополняться окислительными. Это произошло примерно 1, 2 млрд. лет назад. Второй переломный период в содержании кислорода связывают со временем, когда концентрация его достигла примерно 10% от современной (вторая точка Пастера). Это создало условия для синтеза озона и образования озонового слоя в верхних слоях атмосферы, что обусловило возможность освоения организмами суши (до этого функцию защиты организмов от губительных ультрафиолетовых лучей выполняла вода, под слоем которой 39 возможна была жизнь).
Функции живого вещества • • Окислительно-восстановительная функция 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. Концентрационная функция заключается в избирательном накоплении химических компонентов, рассеянных в природе. Эта функция способствует построению мягких частей тела и скелета живых организмов, концентрации элементов из разбавленных растворов, выделению во внешнюю среду экскрементов, являющихся результатом функционирования организмов. Способность сорбировать химические элементы из растворов и газов позволяет живым организмам выступать в качестве биофильтров, например, при нейтрализации газовыделений при анаэробном разложении отмерших организмов. В последнее время стало известно, что морские организмы активно концентрируют тяжелые металлы: ртуть, свинец, мышьяк и радиоактивные элементы, концентрация которых в них превышает в сотни тысяч раз их содержание в морской воде. Отсюда, морские организмы, являясь полезным для человека источником микрокомпонентов, могут представлять также и значительную опасность при использовании этих организмов в пищу. И, наконец, концентрационная функция живого вещества в значительной степени способствует формированию месторождений полезных ископаемых, а также часто используется в качестве технологического метода их промышленного освоения. Эту функцию живого вещества всесторонне изучает наука биоминералогия. Организмы концентраторы используются для решения конкретных прикладных вопросов, например, для обогащения руд интересующими Деструктивная функция состоит в разложении и минерализации мертвого органического вещества, а также в химическом разложении горных пород, с вовлечением образовавшихся минералов в биогеохимические круговороты. Мертвое органическое вещество разлагается до простых неорганических соединений (углекислого газа, сероводорода, метана, аммиака и т. д. ), которые вновь используются в начальных звеньях круговоротов. При химическом разложении горных пород под воздействием живого вещества биогеохимические круговороты пополняются минералами, перешедшими из литосферы. Бактерии, сине зеленые водоросли, грибы, лишайники воздействуют на горные породы растворами целого комплекса кислот угольной, азотной, серной и другими, включая органические. При этом важнейшие питательные элементы извлекаются из горных пород, вовлекаясь при этом в разнообразные биотические круговороты. В частности, именно благодаря живому веществу создается плодородие почв. Основной 40 механизм этой функции связан с круговоротом веществ. Наиболее существенную роль в этом отношении выполняют низшие формы жизни — грибы, бактерии (деструкторы, редуценты).
Функции живого вещества • • Средообразующая функция состоит в трансформации физико химических параметров природной среды (литосферы, гидросферы, атмосферы) в условия благоприятные для существования самих живых организмов. Она выступает в качестве результирующей, интегрирующей работу всех других функций. В широком понимании результатом данной функции является вся природная среда. Локальная средообразующая деятельность живых организмов и особенно их сообществ проявляется также в трансформации ими метеорологических параметров среды. Это прежде всего относится к сообществам с большой массой органического вещества (биомассой). Например, в лесных сообществах микроклимат существенно отличается от открытых (полевых) пространств. Здесь меньше суточные и годовые колебания температур, выше влажность воздуха, ниже содержание углекислоты в атмосфере на уровне полога, насыщенного листьями (результат фотосинтеза), и повышенное ее количество в почвенном слое (следствие интенсивно идущих процессов разложения органического вещества на почве и в верхних горизонтах почвы). Из других средообразуюших свойств растительного покрова следует назвать очистку воздуха и вод от загрязнений, усиление питания подземных водных источников (грунтовых вод), сохранение почв от разрушения (эрозии) и т. п. При этом средообразующая функция создана живыми организмами, они же и поддерживают в относительно стабильном состоянии ее параметры практически во всех геосферах. Именно средообразующая функция создает и поддерживает в равновесии баланс вещества и энергии в биосфере, обеспечивая устойчивость условий существования живых организмов на Земле. Только благодаря развитию более 2, 5 миллиардов лет назад на Земле фотосинтезирующих организмов (сине зеленых водорослей), в атмосфере появился кислород, давший, в свою очередь, толчок развитию животного и растительного мира. Живое вещество обладает уникальной способностью восстанавливать условия обитания, нарушенные в результате воздействия природных или антропогенных факторов, однако, как оказалось, это возможно только в случае, если произведенные возмущения не превышают пороговых значений. В процессе эволюции биосферы средообразующая функция способствовала преобразованию газового состава первичной атмосферы; формированию химического состава гидросферы; образованию осадочной толщи пород в литосфере; образованию плодородного слоя почвенного покрова; направляла процессы, определявшие изменения и колебания климата на Земле. В результате деятельности живых организмов подчинены и преобразованы в благоприятные места и условия их обитания практически все компоненты природной среды. Если же распространить все живые организмы на поверхности Земли, то их толщина составит более 2 см. Однако, если подсчитать всю массу живого вещества, воспроизведенного биосферой за период геологического развития Земли, то она окажется равной 2, 4. 1020 тонн, т. е. в 12 раз больше массы земной коры. Отсюда, планетарная роль живого вещества, в силу своего постоянного воздействия на 41 компоненты природной среды, определяет его геологическое значение по масштабам проявления.
Функции живого вещества • • • Транспортная функция определяет перенос вещества и энергии в результате активной формы движения организмов. Транспортная функция живого вещества определяет возможность его самостоятельного перемещения, как в горизонтальном, так и в противоположном силам гравитации вертикальном направлениях. 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). Рассеивающая функция выделяется наряду с концентрационной функцией живого вещества, но противоположна по результатам. Эта функция проявляется через трофическую (питательную) и транспортную деятельность организмов. Например, рассеивание вещества при выделении организмами экскрементов, гибели организмов при перемещении в пространстве, смене покровов. Например, железо гемоглобина крови рассеивается кровососущими насекомыми и т. п. Информационная функция живого вещества, выражается в том, что живые организмы и их сообщества накапливают определенную информацию, закрепляют ее в наследственных структурах и затем передают последующим поколениям. Это один из проявлений адаптационных механизмов. 42
Основные свойства биосферы • • • Биосфера представляет собой систему с прямыми и обратными (отрицательными и положительными) связями, обеспечивающими механизмы ее функционирования и устойчивости. Одновременно биосфера является и централизованной системой. В качестве центрального звена (ядра) ее выступают живые организмы (живое вещество). Это свойство, к сожалению, часто недооценивается человеком и обычно в центре биосферы или ее звеньев присутствуют интересы только одного вида человека. Это обстоятельство определяет преобладающую роль в настоящее время антропоцентрического влияния на компоненты природной среды и биосферы в целом, хотя биоцентрическая парадигма становится постепенно все более приоритетной. Кроме того, биосфера характеризуется и как открытая система. Ее существование немыслимо без поступления энергии извне. Она испытывает воздействие космических сил, прежде всего солнечной активности. В последнее время все больше накапливается данных, свидетельствующих о том, что активизация увеличения численности отдельных видов или популяции ( «волны жизни» ) являются результатом изменения солнечной активности. Высказываются также мнения, что солнечная активность оказывает воздействие на многие геологические процессы (катаклизмы, катастрофы), а также на социальную активность человеческого общества или отдельных его этносов. Следует также иметь в виду, что биосфера является также и саморегулирующейся системой, для которой, как отмечал В. И. Вернадский, характерна организованность. Обычно, это свойство называют гомеостазом, понимая под ним способность экосистем возвращаться в исходное состояние и гасить возникающие возмущения. Гомеостатические механизмы связаны, в основном, с живым веществом, его свойствами и функциями. За свою историю биосфера пережила множество таких возмущений, многие из которых были значительными по масштабам, но справлялась с ними (извержения вулканов, встречи с астероидами, землетрясения, горообразование и т. п. ). Важным свойством биосферы является также наличие в ней механизмов, обеспечивающих круговорот веществ и связанную с ним неисчерпаемость отдельных химических элементов и их соединений. 43
Основные свойства биосферы • • Биосфера представляет собой систему, характеризующуюся огромным биоразнообразием, что обусловливается многими причинами и факторами. Это и различные среды жизни (водная, наземно воздушная, почвенная, подземная, органическая); и разнообразие природных зон, различающихся по климатическим, гидрологическим, почвенным, биотическим и другим свойствам; и наличие регионов, различающихся по химическому составу (геохимические провинции); и, самое главное, объединение в рамках биосферы большого количества элементарных экосистем со свойственным им видовым биоразнообразием. В настоящее время описано около 2 млн. видов (примерно 1, 5 млн. животных и 0, 5 млн. растений). Однако, что число видов на Земле, скорее всего, в 2— 3 раза больше. Не учтены многие насекомые и микроорганизмы, особенно в тропических лесах, глубинных частях океанов и в других малоосвоенных местах их обитания. Кроме этого, современный видовой состав характеризует лишь небольшую часть видового биоразнообразия, которое принимало участие в процессах формирования биосферы за период ее существования. Отсюда, биоразнообразие следует рассматривать как основное условие устойчивости любой экосистемы и в том числе биосферы в целом. Это свойство часто определяют как закон У. Р. Эшби. К сожалению, практически вся без исключения деятельность человека подчинена упрощению экосистем любого ранга. Простые экосистемы с малым биоразнообразием удобны при эксплуатации, они позволяют в короткое время получить значительный объем нужной продукции (например, с сельскохозяйственных полей), но за это приходится рассчитываться снижением устойчивости экосистем, их распадом и деградацией среды. Таким образом, в процессе эволюции биосферы развитие экосистем происходило и происходит в направлении их усложнения, накопления органического вещества, освоения живым веществом косного, с возникновением биокосных экогеосистем, а также в рамках циклического и периодического характера нарастания биоразнообразия. Важнейшим результатом эволюции биосферы в целом явилось формирование биотического круговорота, в рамках которого экосистемы смогли многократно использовать одну и ту же порцию вещества. Это стало возможным только после того, как в экосистемы были включены не только организмы автотрофы (хемо и фотосинтетиков), но и гетеротрофы. Отсюда, как следствие данного процесса в экосистемах биосферы возникли продуценты (производители), консументы (потребители) и редуценты (разрушители, минерализаторы). При этом эволюция биосферы, неразрывно связана с геологическим прошлым и настоящим нашей планеты и развивается с ней как единое целое. 44
Экогеологические рубежи в истории биосферы • В течение истории Земли постоянно отмечалось активное увеличение разнообразия животного и растительного мира. В соответствии с законом эволюции животного мира Ч. Дарвина (1859 г. ), типы животных представляют собой таксоны (подразделения), определяемые особыми характеристиками строения своих предшественников. При этом катастрофические периоды характеризуются нарушением эволюционной последовательности. Так, в истории Земли отчетливо отмечались периоды, когда происходили исчезновения (вымирания) значительного числа видов, родов, семейств, отрядов и классов живых организмов, что, впоследствии, определяло резкое изменение их состава за счет быстрой экспансии других. Главные события вымираний в истории Земли представлены на рис. Выявленные в процессе изучения геологической истории Земли такие общепланетарные явления, как трансгрессии и регрессии океана, глобальные изменения климата, чередование ледниковых и практически безледниковых периодов показывают, что они существенно влияют на экологическую ситуацию на планете. На широтную зональность климата существенно влияет также пространственное расположение материков и океанов []. При этом всякое существенное увеличение площади морской поверхности в силу высокой теплоемкости воды и за счет уменьшения суши способствует смягчению сезонных и широтных изменений климата. 45
Экогеологические рубежи в истории биосферы Следует также отметить, что, биотические кризисы на Земле коррелируются с периодами усиления водородной дегазации жидкого земного ядра, с проникновением водорода в гидросферу и стратосферу и разрушением озонового слоя Земли. Как известно, озон (О 3) образуется при воздействии на кислород атмосферы ультрафиолетового излучения Солнца. Обогащенный озоном слой в стратосфере, на высоте 10 25 км, служит защитным экраном Земли благодаря его способности поглощать коротковолновое солнечное излучение губительное для биосферы. Образование озонового слоя определило возможность развития жизни в наземных условиях, по крайней мере, с силурийского периода. Разрушение озонового слоя в катастрофические периоды объясняется усилением поступления водородных струй в стратосферу Земли и развитием в ней реакций, связывающих озон: О 3 + Н 2 = О 2 + Н 2 О, О 3 + 2 Н 2 + СО = СО 2 + 2 Н 2 О и др. Периодически лишаясь озонового экрана, Земля в целом подвергалась значительному облучению ультрафиолетовыми лучами Солнца, что вело, с одной стороны, к прямой гибели организмов, а с другой – к повышению их способности к мутациям и зарождению новых видов, способных заполнять свободные экологические ниши. Связь биотических катастроф с импульсами водородной дегазации жидкого земного ядра является достаточно сложной, отражающей развитие на Земле ледниковых периодов, как правило, предшествовавших массовым вымираниям животных. Главные события вымираний (показаны стрелками, длина которых пропорциональна интенсивности вымирания) с указанием их влияния на степень разнообразия видов в океанах в течение геологического времени 46 (Sepkoski, 1987)
Экогеологические рубежи в истории биосферы • • Геологическим следствием ледниковых периодов на Земле является образование мореных отложений, состоящих из валунов, гальки, суглинков и глин, формирующихся под движущимися льдами. Ископаемые древние мореные отложения, захороненные в толщах вулканогенно осадочных пород, называются тиллитами. В сложно дислоцированных складчатых толщах они в той или иной мере метаморфизованы. Изучение тиллитов показало, что ледниковые периоды сопровождали эволюцию Земли с древнейших времен, хотя в архейских глубоко метаморфизованных вулканогенно осадочных толщах наличие тиллитов остается гипотетическим. Тем не менее предполагается, что и в архейское время (3, 8 2, 6 млрд лет) глобальные промерзания также периодически охватывали Землю. Самые древние хорошо сохранившиеся тиллиты имеют возраст 2, 4 млрд лет. К концу протерозоя, в интервале 600 850 млн лет, устанавливаются четыре ледниковых периода. В фанерозое глобальные разрастания ледяных покровов фиксируются более надежно, причем не столько по отложениям тиллитов, сколько по распространению фауны и флоры в стратиграфических разрезах (по биотическим катастрофам) и по вариациям изотопного состава химических элементов в осадочных породах. По изотопному составу кислорода этих пород в последние 0, 8 млн лет выявлено восемь оледенений, регулярно повторявшихся через каждые 100 тыс. лет. Увеличению объема ледяных покровов в этой периодичности соответствует утяжеление изотопного состава кислорода в морских осадках, так как ледяные массы связывают легкий изотоп кислорода О 16 в большей мере по сравнению с морской водой, при замерзании которой они образуются. Поэтому чем обширнее на Земле ледниковые покровы, тем выше содержание тяжелого изотопа О 18 в морской воде, а, следовательно, и в морских осадках. Периодичность оледенений коррелируется с периодами океанических регрессий и трансгрессий, чередующихся так же с периодичностью в 100 тыс. лет []. 47
Экогеологические рубежи в истории биосферы • • • Ледниковые периоды определенным образом были связаны с импульсами усиления дегазации Земли, определяющими спрединговую активность океанов и их взаимоотношения с атмосферой и континентальными структурами. В комплексе катастроф, связанных с импульсами дегазации земного ядра, важную индикаторную роль играют массовые вымирания животных, следующие за ледниковыми периодами и обусловленные стратосферными явлениями разрушения озонового слоя Земли. Крупные области суши постепенно покрывались ледниками, по мере перемещения литосферных плит в полярные регионы. При этом, когда в обеих полярных областях располагались крупные массивы суши, на Земле формировалась широтная климатическая зональность, . Большое значение имели здесь вариации земной компоненты радиационного фона, обусловленные различием геологического строения, геоморфологическими особенностями, составом пород и вторичными процессами, протекающими в зоне гипергенеза. При этом периодические и апериодические вариации солнечной активности, влияющие на магнитное поле Земли, и сопутствующее им космическое излучение, оказывали заметное воздействие на живые организмы. В результате сопоставления геологических и палеонтологических данных было установлено, что в истории Земли существовали эпохи, резко отличавшиеся от других условиями существования живых организмов и, видимо, прежде всего, радиационным фоном, сильно влиявшим на биоту (Неручев, 1982). Еще в XIX в. Ж. Кювье указывал на наличие в истории Земли кратковременных революционных эпох значительного изменения органического мира, которые никак не укладываются в рамки эволюционной теории Дарвина. В эти эпохи, например в позднепермскую, позднеюрскую и позднеэоценовую, происходила резкая смена флоры и фауны, представители которых в дальнейшем изменялись уже эволюционным путем. Исследованиями С. Г. Неручева было показано, что таких эпох было достаточно много, а их периодичность соответствовала галактическому году (220 млн. лет). В каждый галактический год укладывалось по 7 таких эпох, длительность которых составляла примерно 30 34 млн. лет (по геологическим данным). Так, фанерозойская история, начиная с границы докембрия и кембрия (570 млн. лет) распадается примерно на 2, 5 звездных галактических года, составляя 18 таких эпох. Трассерами этих эпох являются развитые по всему земному шару и хорошо выделяемые стратиграфически черные сланцы, резко обогащенные сапропелевым планктоногенным органическим веществом. Положение в разрезе и возраст обычно небольших по мощности (50 100 м) отложений этих эпох, обогащенных планктоногенным органическим веществом, ураном, фосфором, ванадием и другими металлами, определяется с большой точностью. 48
Экогеологические рубежи в истории биосферы • • В эпохи повышения радиационного фона значительно возрастала изменчивость организмов, реализовавшаяся как в появлении новых видов, так и в изменении ранее существовавших. В эти эпохи не только испытывали изменчивость или вымирали ранее существовавшие группы животных, но и появлялись принципиально новые типы животных и растений. Например, в ураноносную эпоху раннего ордовика появились первые позвоночные животные панцирные рыбы. В эпоху на границе девона и карбона появились первые четвероногие животные. В пенсильванскую эпоху уранонакопления появились первые рептилии, однако в следующую мощную эпоху уранонакопления (поздней перми раннего триаса) они дают начало первым в истории Земли летающим животным птерозаврам. В аналогичную эпоху на границе поздней юры и мела появляются первые птицы (Неручев, 1982). Вспышки в развитии фитопланктона, сопровождавшиеся фосфоро и уранонакоплением, приводили к формированию в морских бассейнах различных частей земного шара сходных между собой типов осадков. В условиях небольших погружений и раннего катагенеза эти осадки дали начало горючим сланцам, основные мировые запасы которых связаны с отложениями этих эпох. На средних ступенях катагенеза при температурах 90 170 С° эти отложения становятся исключительно продуктивными нефтепроизводящими свитами, с которыми связаны крупнейшие нефтяные месторождения. В тех случаях, когда содержание урана и ванадия в отложениях этих эпох на 1 2 порядка выше кларка, они рассматриваются как «черные» ураноносные и ванадиеносные сланцы, с которыми связаны в ряде районов мира промышленные месторождения U и V. С этими же эпохами связаны процессы фосфатного рудообразования. Причем фосфориты отличаются повышенным содержанием урана. 49
Экогеологические рубежи в истории биосферы • • • Резкие изменения численности и таксонометрического разнообразия ископаемых биот коррелируется также с накоплениями самородного углерода, что определяет их сходство с черными сланцами — первично водно углеродистыми осадками широкого диапазона метаморфических преобразований от не метаморфизованных глин, мергелей и горючих сланцев до графитовых сланцев и гнейсов. Геохимическая аномальность черных сланцев обусловлена накоплением Р, U, Мо, V, Re, S, Se, Zn, Hg, Cu, Аu, Сг, Pt, Pd, Ir. Таким образом, формации черных сланцев отражают катастрофические преобразования Земли, синхронизируемые при изучении докембрийских отложений с пиками глобальных диастрофизмов (млрд лет): саамским (3, 75 3, 50), кенорамским (2, 8 2, 6), карельским (2, 0 1, 9), гренвильским (1, 1 1, 0) и катангским (0, 68 0, 65). Аналогичные корреляции в фанерозое отвечают каледонской, герцинской и более молодым эпохам диастрофизма (позднеюрско раннемеловой и палеоцен эоценовой), где фиксируется вымирание многих видов животных []. Глобальный характер распространения черных сланцев объясняется связью их образования с периодическим усилением спрединга Мирового океана, который, возможно, обусловлен импульсами интенсивной дегазации жидкого ядра Земли, флюидная миграция металлов и служит причиной возникновения геохимических аномалий в осадкообразовании. (Неручев С. Г. ) Интенсивное накопление в черных сланцах металлов обусловлено изменением их миграционных форм при поступлении высокотемпературных флюидов из глубинных геосфер на поверхность Земли, сопровождавшемся осаждением части углерода и металлов в самородном состоянии, например: 2 СО = С + СО 2, СО + Н 2 = С + Н 2 О, ЗАu. Сl = 2 Au + Au. Cl 3, 3 Au. Cl + H 2 O = 2 Au + H 2[Au. Cl 3 O] и др. Как было отмечено выше, развитие жизни на Земле происходило более 3, 5 миллиардов лет, причем более чем миллиард лет назад мощное надцарство эукариот разделилось на царства животных, растений и грибов. С того времени сохранились остатки зеленых и золотистых водорослей. 50
Экогеологические рубежи в истории биосферы В протерозое в морях обитало много их разнообразных представителей. Некоторые из них уже стали прикрепляться ко дну водоемов. Они были скорее всего гетеротрофами, так как использовали в качестве пищи органические вещества В протерозое в морях обитало много «первичного бульона» , утилизируя при этом различные восстановительные субстраты (Н 2, H 2 S, Fe++, NH 3, NO-2, абиогенная органика). С возникновением цианобактерий в результате фотосинтеза впервые стал появляться в атмосфере Земли свободный кислород. Фауна кембрия, ордовика и силура: А — скелет археоциат; Б — древнейшее членистоногое — трилобит; В — скелет коралла; Г— раковина головоногого моллюска; Д — ракоскорпион; Е, Ж — древнейшие позвоночные — бесчелюстные. 51
Экогеологические рубежи в истории биосферы В силуре (435 400 млн лет назад) растения (раниофиты) населяют как моря, так и сушу. К концу силура отмечается появление первых сугубо наземных растений (псилофитов), которые уже имели сосудистую систему и примитивные листья. С момента выхода на сушу растения развиваются в гаметофитовом направлении, которое было представлено мохообразными, а также в спорофитовом, представленном высшими растениями, включая цветковые. Спорофитовая ветвь оказалась более приспособленной к наземным условиям. В это же время появляются разноспоровые папортники – предвестники семенных растений. Уже в девоне встречаются пышно развитые леса из прогимноспермов, папоротников и плывунов. Мощные споровые растения достигали 40 м высоты. В девоне же у семенных папоротников появляется семя, т. е. до развития цветка. Постепенно, цветковые растения стали распространяться и заполнять все пространства суши. • К сожалению, возникновение животного мира в ископаемых остатках прослеживается только в морских отложениях протерозоя, возраст которых чуть превышает 1 млрд. лет, которые представлены губками, кишечнополостными, плеченогими и членистоногими. • В морях кембрийского периода уже существовали все основные типы животных. Облик фауны определяли многочисленные хелицеровые (похожие на современных мечехвостов), губки, кораллы, иглокожие, разнооб разные моллюски, плеченогие, трилобиты. Фауна кембрия, ордовика и силура представлена на рис. Отсюда, эдиакарская фауна представляет собой эволюционный тупик. []. За внезапной гибелью эдиакарской фауны последовало появление различных животных, определивших уникальность кембрийского периода по масштабам и разнообразию эволюционной биологической продуктивности. С этой точки зрения на протерозойско палеозойской границе четко устанавливается биотическая катастрофа, определяемая несоответствием иерархических систем животного мира. 52
• • Экогеологические рубежи в истории биосферы После кембрия эволюция животных характеризовалась лишь специализацией и совершенствованием основных типов. Исключение составляют позвоночные, останки которых обнаружены в ордовике. Это были так называемые щитковые — существа, отдаленно сходные с современными круглоротыми (миноги, миксины), но покрытые со стороны спины мощными костными пластинами, которые защищали первых мелких (около 10 см длиной) позвоночных от огромных хищных ракообразных. В теплых и мелководных морях ордовика обитали многочисленные кораллы, значительного развития достигали головоногие моллюски — существа, похожие на современных кальмаров, длиной в несколько метров. В силурийский период появляются животные, дышащие воздухом. Первыми обитателями суши были паукообразные, напоминавшие по строению современных скорпионов. Тем временем в водоемах происходило бурное развитие разнообразных низших позвоночных, прежде всего панцирных рыб. Предполагается, что первые позвоночные возникли в мелководных пресных водоемах. Постепенно, в течение девона, эти пресноводные формы завоевывают моря и океаны. В девоне же возникают двоякодышащие, кистеперые и лучеперые рыбы. Все они были приспособлены к дыханию в воде. При этом лучеперые дали начало современным костистым рыбам, а кистеперые первичным земноводным (стегоцефалам). Стегоцефалы появились в верхнем девоне; примерно в это же время возникает другая чрезвычайно прогрессивная группа животных насекомые. Переход животных из водной среды на сушу потребовал укрепления их основных несущих органов и всего тела в целом. У позвоночных роль каркаса играет внутренний скелет, у высших форм беспозвоночных членистоногих наружный скелет. 53
Экогеологические рубежи в истории биосферы • • В каменноугольном периоде появляются первые пресмыкающиеся, что определило начало активного завоевания суши позвоночными. Рептилии благодаря сухим прочным покровам, яйцам, покрытым твердой скорлупой и были мало привязаны к водоемам. В пермском периоде начинают исчезать стегоцефалы и широко распространяются различные рептилии. От примитивных рептилий из группы цельночерепных в это время развивается ветвь пеликозавров, приведшая несколько позже к возникновению млекопитающих. В конце палеозоя отмечается усиление аридной составляющей климата. Бурное развитие претерпевают разнообразные рептилии; до наших дней из триасовых рептилий дожили гаттерия и черепахи. Некоторые рептилии становятся хищниками, другие растительноядными, третьи вторично возвращаются в водную среду (рис. ), обеспечивающую им пищу в виде многочисленных форм костистых рыб и головоногих моллюсков. Особенно сильного развития достигают морские рептилии в юре (ихтиозавры, плезиозавры). Тогда же пресмыкающиеся осваивают и воздушную среду возникают птерозавры, видимо, охотившиеся на многочисленных и крупных насекомых. В триасе от одной из ветвей рептилий возникают птицы, сочетавшие вначале признаки рептилий и птиц. В меловом периоде продолжается специализация рептилий: возникают гигантские растительноядные динозавры, встречаются летающие ящеры с размахом крыльев до 20 м. Одновременно происходит процесс вымирания аммонитов, белемнитов, морских ящеров. Вымирают также растительноядные динозавры, а следом и охотившиеся на них хищные динозавры. Лишь в тропическом поясе сохраняются крупные рептилии (крокодилы). В условиях похолодания исключительные преимущества получают теплокровные животные птицы и млекопитающие, которые пышно расцветают лишь в кайнозое. Внезапные вымирания одних животных и растений, уступающих место большому разнообразию других, выявляются в геологической истории с верхнего 54 протерозоя.
Экогеологические рубежи в истории биосферы Протерозойская эпоха завершилась катастрофическими оледенениями, которых в интервале 850 -600 млн лет было по крайней мере четыре. Варангерская ледниковая эпоха (600 млн лет назад) была, вероятно, наиболее суровой за всю историю Земли. Ее окончание характеризуется глобальным распространением эдиакарской фауны, найденной в Эдиакаре на юге Австралии, а затем и во многих других местах. Эти первые мягкотелые животные исчезли на границе протерозоя и палеозоя около 570 млн лет назад так же внезапно, как и появились, уступив место великому разнообразию животных (ракушек, археоциат, трилобитов и др. ), свойственных кембрию (500 -570 млн лет). Наиболее значительное в истории Земли вымирание, имевшее место на рубеже перми и триаса, т. е. палеозойской и мезозойской эр, способствовало уничтожению почти 95% видов организмов и, в частности, 70% родов пермских амфибий и рептилий. Фауна девона, кембрия и перми представлена на рис. Фауна девона, кембрия и перми: А — двоякодышащая рыба; Б — стегоцефал; В — стрекозоподобное насекомое; Г - Е — древнейшие пресмыкающиеся (Беляев Д. К. др. . 1967) 55
Экогеологические рубежи в истории биосферы • • Согласно одной из предложенных гипотез [Alvarez et al. , 1980]. , события на рубеже мела и палеогена следует объяснять падением на нашу планету относительно крупного, не менее 10 км в диаметре, астероида (или кометы) и последствиями воздействия его удара о Землю, приведшими к изменению температуры в сторону резкого повышения/ понижения, к наступлению темноты, образованию азотной кислоты в атмосфере, возникновению сильных цунами и испарению океанской воды (в случае падения метеорита в океан). Непосредственным поводом для выдвижения данной гипотезы явилось обнаружение годом раньше в Северной Италии повышенного содержания иридия в отложениях, на границе между мелом и палеогеном. Иридиевая аномалия была обнаружена в осадочных породах на разных континентах и в океанах, накопившихся в глубоководных и мелководных морских, континентальных, аридных и гумидных условиях. Важным аргументом в пользу импактного происхождения иридиевой аномалии послужило открытие в тех же пограничных слоях микросферул санидина и других минералов, предположительно образовавшихся при взрыве метеорита. В качестве импактного кратера, образованного в результате падения метеорита рассматривается погребенный кратер Чиксулуб, обнаруженный на п ове Юкатан в Мексике, и имеющий размеры 180 км в диаметре и глубиной предположительно в 15 км. [Hildebrand et al. , 1991]. В последние десятилетия все чаще появляются сведения, позволяющие предполагать, что на рубеже мел палеоген Земля испытывала воздействие достаточно большого числа метеоритов, либо весьма крупного болита, отдельные фрагменты которого образовали, целую серию кратеров. (Назаров, 1995, Robin et al, 1993) Конкурентом импактного воздействия на Землю является вулканическая гипотеза. [Officer, Drake, 1983; Courtillot et al. , 1986]. Интерес к данной гипотезе особенно возрос после того, как были установлены мощные излияния базальтов на плато Декан в Индии, которые имели место как раз на границе мела и палеогена, 65 млн. лет назад. Примерно тогда же наблюдалось усиление вулканической деятельности в Патагонии и смежной Южной Атлантике. Последствия подобной вулканической вспышки могли быть сходными с последствиями падения астероида или кометы, т. е. с глобальным потеплением благодаря парниковому эффекту, связанному с усиленным выделением углекислого газа и интенсивным выбросом вулканического пепла в атмосферу. К этому надо добавить эффект возможного разрушения озонового слоя. Кроме того существуют попытки объединить импактную гипотезу с вулканической, когда падение метеоритов может провоцировать вулканизм. [Rampino et al, , 1987] 56
Экогеологические рубежи в истории биосферы • • Сторонниками вулканической гипотезы массовых вымираний была предпринята попытка связать вымирание на границе Р/Т с извержениями сибирских траппов [Campbell et al. , 1992]. Следует также отметить, что на распределение биопродуктивности и биоразнообразия оказывало во многом определяющее влияние изменяющиеся в истории Земли пространственные расположения, размеры и формы континентов, а также уровни воды в Мировом океане. Так, например, образование на границе перми и триаса единой Пангеи сопровождалось потеплением климата и развитием регрессии, что обусловило снижение потенциальных возможностей биопродуктивности окружавших этот материк шельфовых морей и, как следствие, сокращение количества фаунистических провинций. В таких условиях не могло возникнуть значительное разнообразие пресмыкающихся. Уже в позднем мелу, когда Пангея вновь раскололась на несколько удаляющихся друг от друга континенты, экологические провинции стали приобретать изолированные черты. Таким образом в пределах Лавразийских материков образовалось по крайней мере три провинции, где активно развивались новые отряды млекопитающих. Трансформация животного мира на границе протерозоя и палеозоя относится к наиболее крупным биотическим катастрофам Земли, свойственным также границам палеозоя и мезозоя (230 млн лет назад), мезозоя и кайнозоя (65 млн лет назад). Следует отметить, что на границе между палеозоем и мезозоем, в конце пермского периода (около 230 млн лет назад), исчезло 96% всех морских видов. [] На границе мела и палеогена вымирает большое число групп животных аммоноидеи, белемноиды, рудисты, а также динозавры, ихтиозавры и некоторые другие пресмыкающиеся. Некоторые пресмыкающиеся мезозоя представлены на рис. 2. 17. Появляются новые моллюски, особенно много новых групп млекопитающихся. Преимущество получают теплокровные животные птицы и млекопитающие, которые, в основном, развиваются в кайнозое. Некоторые пресмыкающиеся мезозоя: А — рогатый динозавр; Б — ихтиозавр; В — летающий хвостатый ящер; Г — бронтозавр; Д, Ж — летающие бесхвостые ящеры; Е — стегозавр; 3 — плезиозавр 57
Экогеологические рубежи в истории биосферы • • • Кайнозой время расцвета насекомых, птиц и млекопитающих. В конце мезозоя возникают плацентарные млекопитающие. В палеоцене и эоцене от насекомоядных видов происходят первые хищники. В это же время или несколько позже первые млекопитающие начинают завоевывать море (китообразные, ластоногие, сиреновые). От древних хищных происходят копытные, от насекомоядных обособляется отряд приматов. К концу неогена встречаются уже практически все современные семейства млекопитающих. На обширных открытых пространствах саванн Африки появляются многочисленные формы обезьян, многие из которых постепенно переходят к прямохождению. В кайнозое проявляются тенденции в развитии самых прогрессивных ветвей древа жизни животных, ведущих к возникновению стайного, стадного образа жизни. Соединение в позднем кайнозое материковых фрагментов и последовавшее за этим сокращение экологических провинций снова привело к новой экологической катастрофе, которая выразилась в вымирании многих отрядов сухопутных млекопитающих. В четвертичный период кайнозоя происходили резкие изменения климата на нашей планеты, в основном связанные с постепенным похолоданием. На этом общем фоне неоднократно повторялись фазы особенно резкого похолодания, при которых в средних широтах Северного полушария возникали значительные оледенения суши. В плейстоцене на территории Европы насчитывалось, по крайней мере, пять ледниковых периодов (тыс. лет назад): 230; 100; 65 - 50; 4 - 23; 5 - 11. Максимального распространения материковые оледенения, скорее всего, достигали во время среднего плейстоцена (около 230 250 тыс. лет назад). Из числа катастроф более близкого нам времени следует отметить начало голоцена, около 10 тыс. лет назад, когда завершилось вюрмское оледенение. С этим периодом связано вымирание на Земле мамонтов и других крупных животных, т. к. снижение экстремальности климата, его потепление обрекло их на исчезновение с лика планеты. При этом следует подчеркнуть, что большое значение для эволюции современной фауны имело то обстоятельство, что одновременно с наступлением ледниковых периодов происходили значительные колебания уровня Мирового океана. Так, в разные периоды этот уровень изменялся в пределах сотен метров относительно современного. Это, в свою очередь, вело к появлению сухопутных «мостов» типа Берингийской суши, соединявшей Северную Америку, Северную Евразию и Британские острова с европейским материком и т. п. В это время отмечается увеличение осадков. Растительность отступает на юг (местами отмечается ее полное вымирание), распространяются холодоустойчивые травянистые и кустарниковые растения. Завершается смена лесов степью, формируется ксерофитная и эфемерная растительность с сезонной цикличностью развития. Складываются современные фитоценозы. 58 Однако эти изменения климата уже не играли значительной роли в изменении видового состава животного мира. Главную роль здесь стал играть Человек.
Человек и его место в системе животного мира • • . С биологической точки зрения человек это один из видов млекопитающих, относящихся к отряду приматов. Около 10 15 млн. лет человек отклонился от общей линии развития человекообразных обезьян. Останки ископаемого примата рамапитека по строению зубов оказавшегося промежуточным видом между современным человеком и человекообразной обезьяной, были найдены на Ближнем Востоке, в Центральной Европе, в Юго Восточной Африке и Индии. При этом было установлено, что рамапитеки жили около 8 14 млн. лет назад. Именно рамапитеки начали использовать орудия труда. Позже в Южной Африке были найдены останки приматов, получивших название австралопитек (от лат. australis южный, pithecus обезьяна). Значительное сходство с человеком у австралопитековых отмечается в строении зубов. Масса мозга у них составляла 450 550 г (у горилл 460 г). Австралопитеки широко использовали как ударные орудия палки, камни, кости копытных. т. д. , с них началось освоение огня. Судя по ископаемым находкам , австралопитеки жили в период между 8 млн. 750 тыс. лет назад. В 1956 60 гг. в Олдовайском ущелье были найдены кости существа более близкого человеку, чем австралопитеки (позже были совершены еще несколько аналогичных находок). Этого примата назвали Homo habilis - Человек умелый, а возраст находок определили в 2 млн. лет. Масса головного мозга у этого примата была уже 650 775 г. Орудия труда представлены “рубилами” 5959 из кварцитовой гальки. Человек умелый стал быстро расселяться по Африке, Средиземноморью, Азии, где условия существования способствовали образованию его новых форм. С зоологической точки зрения эти формы назвали архантропами (от греч. archaios древний, anthropos человек). Внешне они уже были похожи на современного человека, с массой головного мозга до 1000 г. Эти люди занимались охотой на крупных животных, а также сбором даров природы. Жили в пещерах и использовали огонь. Скорее всего архантропы могли обладать примитивной речью. Среди форм архантропов наиболее известны: питекантроп (Ява), синантроп (Китай), гейдельбергский человек (Европа), атлантроп (Алжир), телантроп (Южная Африка), олдовайский питекантроп (Центральная Африка). Эти прогрессивные формы широко расселились по теплой зоне Африки, Европы и Азии. Однако, после своего расцвета 600 4000 тыс. лет назад архантропы исчезли, дав начало новой группе приматов неандертальцам. Их останки обнаружены практически повсеместно и датированы возрастом в 250 40 (30 25) тыс. лет. Масса мозга достигла 1500 г. (у современного человека средняя масса составляет 1300 г. ). Орудия неандертальцев это остроконечники и скребла, каменные топоры. Внешне эти приматы были похожи на современного человека. Они выживали в борьбе за существование благодаря объединению сил отдельных индивидуумов. Это способствовало тому, что 60 50 тыс. лет назад возник новый вида приматов, к которому принадлежит современный человек Homo sapiens - Человек разумный. Останки человека промежуточного типа между неандертальцами и ранними формами современного человека кроманьонцами найдены в Восточном Средиземноморье и в Передней Азии. Более прогрессивная линия кроманьонцев вытеснила более примитивную культуру неандертальцев. В своем развитии Человек разумный достиг такого понимания природы (самопонимания), что сделал возможным 40 50 тыс. лет назад создание искусства (наскальные изображения), произвел около 10 тыс. лет назад неолитическую революцию (приручил животных и окультурил растения), и, наконец, совершил научно техническую революцию, в результате которой на протяжении 2 тыс. лет и до настоящего времени он имеет власть над природой. Основной гранью, отделившей человека от человекоподобных предков, явилось его умение производить разнообразные орудия производства. К настоящему времени эволюция Человека как биологического вида вышла из под ведущего контроля биологических факторов и 59 направляется действием социальных сил
Скачать презентацию САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ГЕОЛОГИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТ КАФЕДРА ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ ГЕОЛОГИИ
геосферы.ppt