Экологические аспекты эволюции Мирового океана

⇐ ПредыдущаяСтр 4 из 10Следующая ⇒

Экология моря – это раздел био- и геоэкологии, изучающий сообщества организмов, населяющих морские воды, их взаимоотношения между собой и с окружающей средой, состояние моря и влияние на него деятельности человека.

Первостепенное значение для экологии моря имеет то, что воды океана представляют собой идеальную среду для обитания и развития организмов. Эта среда:

– богата кислородом и другими необходимыми для жизни веществами;

– содержит большое количество биогенных элементов;

– не подвержена существенным изменениям своих физических и химических свойств.

По мнению крупнейших ученых (А. И. Опарин и др.) жизнь зародилась именно в океане и лишь затем распространилась на пресные воды и пространства суши.

Современная биота океана, представленная огромным разнообразием видов и сообществ живых организмов – результат длительной эволюции, характерными чертами которой являются: ускорение темпов развития (каждый последующий геологический период короче предыдущего); " волны жизни" – расцвет и затухание разнообразия отдельных систематических групп организмов; усложнение строения организмов; увеличение биоразнообразия и разнообразия сообществ; возрастание роли функций живого вещества в Мировом океане и в географической оболочке в целом.

Всю историю Земли с момента ее возникновения (около 4, 5 млрд лет назад) до наших дней делят на два неравных отрезка: докембрийский (время скрытой жизни – криптозой) – его продолжительность около 3, 5–4 млрд лет, и фанерозой (время явной жизни), начавшийся примерно 570 млн лет назад. Фанерозой делят на эры: палеозой (время древней жизни), мезозой (время средней жизни) и кайнозой (время новой жизни). Последний четвертичный период (антропоген) начался 2–2, 5 млн лет назад и продолжается по сегодняшний день (табл. 1).

Таблица 1 – Геохронологическая шкала эволюционного процесса

Эон

Эры

Периоды

Эпохи

Млн лет

Кайнозойская (Kz)

Четвертичный (Q)

Антропо-ген

Голоцен

0, 01

Плейстоцен

0, 8

Эоплейстоцен

1, 8

Третичный (Тr)

Неоген

Плиоцен

5, 3

Миоцен

23, 8

Палеоген

Олигоцен

33, 1

Эоцен

54, 3

Палеоцен

Мезозойская (Mz)

Меловой, или мел (Сr)

Верхний мел Нижний мел

98, 9 142

Юрский, или юра (J)

Мальм

159, 4

Долгер

180, 1

Лейас

205, 7

Триасовый, или триас (Т)

Верхний триас

227, 4

Средний триас

241, 7

Нижний триас

248, 2

Палеозойская (Pz)

Пермский,

или пермь (Р)

Верхняя пермь

256

Нижняя пермь

290

Каменноугольный,

или карбон (С)

Верхний карбон

303

Средний карбон

323

Нижний карбон

354

Девонский,

или девон (D)

Верхний девон

370

Средний девон

390

Нижний девон

417

Силурийский, или силур (S)

Готландий

443

Ордовикский, или ордовик (O)

Ордовик

490

Кембрийский,

или кембрий (Cm)

Верхний кембрий

495

Нижний кембрий

550

Протерозойская

(PR)

Венд (V)

605

Рифей(R)

Верхний рифей

1000

Средний рифей

1350

Нижний рифей

1650

Афебий

2500

Архейская (AR)

Верхний

3150

Нижний

3550

Катархейская

(KR)

4000

4600

В течение криптозоя жизнь на Земле прошла длительный путь эволюции. Она была уже весьма богатой, но сосредоточивалась преимущественно в пределах теплых морских мелководий. К концу криптозоя эволюция животных продвинулась настолько, что они были представлены основными типами беспозвоночных животных, известных и в настоящее время: кишечнополостными (65-70 %), червями (около 25 %), и членистоногими (около 5 %).

Многие из обнаруженных групп не имеют современных аналогов. Основной отличительной особенностью криптозойской фауны является то, что она была представлена бесскелетными организмами. И хотя некоторые из этих животных имели размер до 1 м в длину, они, вероятно, состояли из желеобразного вещества, подобно современным медузам.

Возникнув в океане, организмы коренным образом трансформировали химические свойства его вод, газовый состав атмосферы. Благодаря своей огромной инерционной способности океаносфера сохраняет константность важнейших экологических параметров – температуры, солености, газов на протяжении 2–3 млрд лет. Благодаря этому гидробионты не выносят резких изменений природных условий, в том числе вызванных антропогенной деятельностью.

Суша была безжизненной, лишенной защитного биологического покрова. Процессы ее разрушения и выноса терригенного осадочного материала в океан были очень интенсивными.

В экосистеме океана четко обособились основные функциональные звенья, состоящие из продуцентов, консументов и редуцентов. Эта модель сохраняет постоянство в любых экосистемах Земли до наших дней. Благодаря появлению и расцвету фотосинтезирующих организмов (прежде всего цианей – синезеленых водорослей) в атмосфере появился свободный кислород. Сформировался озоновый экран, защитивший Землю от губительного для живых существ жесткого ультрафиолетового излучения.

С биологической точки зрения содержание свободного кислорода в атмосфере и гидросфере значимо потому, что позволило перейти организмам от использования энергии процессов ферментативного брожения и хемосинтеза к энергетически более эффективному (в 30–50 раз) окислению при дыхании. Именно это послужило причиной настоящего биологического взрыва – массовому возникновению практически всех типов беспозвоночных животных.

Если обратиться к истокам событий, оказавших влияние на формирование современной биологической структуры океана, то оказывается, что подчас они носили драматический характер. История биосферы около 2 млрд лет назад оказалась разделенной на два почти равных отрезка. Вначале жизнь была представлена только анаэробными одноклеточными доядерными организмами – прокариотами, существовавшими в условиях восстановительной атмосферы из углекислого газа, метана и азота. Второй этап связан с формированием окислительной атмосферы из азота и кислорода. Анаэробные организмы были вытеснены в ограниченные экологические ниши. Их место занял принципиально новый ствол жизни – ядерные организмы-эукариоты, венцом эволюции которых стал человек.

В основе естественного отбора всегда лежат резкие изменения физико-географических (палеогеографических) условий, определяющих формирование новых видовых генотипов и характер распределения и доминирования жизненных форм в биоценозах.

Раскрывая тему эволюционного подхода к объяснению разнообразия жизни в Мировом океане, необходимо обратить внимание на следующие важнейшие события на протяжении фанерозоя.

Палеозой (начало около 570 млн лет назад). Облик Земли определялся в южном полушарии гигантским материком Гондвана, а в северном – группой континентов: Европейским, Сибирским (Ангарским), Китайским и Североамериканским. К концу палеозоя северные континенты сгрудились и объединились с Гондваной, образовав единый сверхматерик Пангею, окруженный сверхокеаном Панталассом.

В начале палеозоя жизнь развивалась только в океане, суша была пустынной. Постепенно растения и животные вышли на сушу, начал формироваться растительный покров и животный мир материков.

Палеозой делится на периоды. В нижнем палеозое выделяются кембрий, ордовик, силур; в верхнем палеозое – девон, карбон, пермь.

Кембрий. В океане встречаются представители основных типов беспозвоночных животных. Примечательно, что если в криптозое все организмы были мягкотелые, то в начале палеозоя произошел скачок в физиологии большинства беспозвоночных; они обрели твердые известковые или хитиновые покровы. Страницы геологической летописи стали заполняться остатками именно этих организмов. Господствовавшими и самыми развитыми животными в кембрии были трилобиты, относящиеся к членистоногим. Растения были представлены одноклеточными водорослями, входящими в состав фитопланктона, и многоклеточными зелеными, красными, позже бурыми, водорослями (макрофитами), образовывавшими подводные заросли на мелководьях.

Все растения и животные размножались путем высева большого количества гамет в воду, где происходило их слияние. Водная среда являлась необходимым условием для жизни всех организмов.

Ордовик – Силур. Богатая и разнообразная биота океана быстро эволюционировала. Большое распространение получили древние кораллы. По дну ползали трилобиты. Одно из первых мест среди животного мира занимали головоногие моллюски, обитавшие в прямых или слабо изогнутых, украшенных красивым узором раковинах. Характерными представителями иглокожих были морские лилии, длинные стебли которых заканчивались красивой чашечкой с венцом подвижных щупальцев. Значительного разнообразия достигли представители плеченогих, мшанок, брюхоногих и пластинчато-жаберных моллюсков. Появляются примитивные хордовые.

В целом, весь нижний палеозой – это эпоха океанической биосферы, образованной низшими споровыми растениями и беспозвоночными животными.

Девон – Карбон – Пермь. С девона начинается верхний палеозой – начало активного завоевания суши растениями и животными. В эти периоды на поверхности суши впервые появляются леса высших споровых сосудистых растений – гигантских плауновидных, папоротникообразных, хвощевидных. Это обстоятельство значительно ослабило эрозию суши и поступление осадочного материала в океан. Однако развитие растительного покрова еще было ограничено приморскими равнинами. Склоны гор продолжали интенсивно разрушаться.

Эволюция хордовых в океане привела к появлению большого разнообразия рыб. По этому признаку девон называют эпохой рыб. От кистеперых рыб произошли древнейшие земноводные (амфибии). Это время первых попыток амфибий и трахейнодышащих насекомых выбраться на сушу. Для высших растений, рыб и земноводных животных по-прежнему необходимым условием размножения являлся высев гамет в воду. Это служило определенным препятствием для продвижения организмов вглубь суши.

Мезозой (начало около 240 млн лет назад). Существовавший в палеозое сверхматерик Пангея, который включал в себя почти всю сушу Земли, стал дробиться. Начали образовываться Атлантический и Индийский океаны. Появились новые обособленные материки: Североамериканский, Евроазиатский, Южноамериканский, Африканский; Австралия и Антарктида были еще едины, однако от них откололись Новая Зеландия и Индостан.

Биогеографические особенности отдельных океанов объясняются их возрастом. Так, более молодая биота Атлантического океана противопоставляется богатой и разнообразной биоте древнего Тихого океана.

В результате раскола Пангеи (рис. 3.1) и образования новых океанов, соединенных проливами, циркуляция вод Мирового океана стала более свободной. Открылся доступ в высокие широты, куда поверхностные течения стали переносить тепло из тропиков. В это время вблизи полюсов поверхностные воды имели температуру около 15 °С. Сезонность климата была слабо выражена. В теплом океане происходило очень вялое конвекционное перемешивание. Основной причиной опускания поверхностных вод было увеличение их солености (и плотности) в результате интенсивного испарения. Такой тип перемешивания слабо вентилировал глубины. Недостаток кислорода в воде привел к массовой гибели глубоководной фауны океана.

Кайнозой (начало 60-70 млн лет назад). Океаны и материки приобрели современные очертания. Началось вторичное освоение Мирового океана: покинув сушу, к жизни в море приспособились некоторые цветковые растения (морские травы), пресмыкающиеся (змеи, черепахи), млекопитающие (киты, дельфины), птицы (пингвины) и многие другие.

Открылся пролив Дрейка, отделивший Антарктиду от Южной Америки. Вокруг Антарктиды образовалось кольцо Южного океана с постоянным дрейфовым течением, изолирующим приполярные области от проникновения теплых тропических вод. Началось выхолаживание Антарктиды, приведшее к ее полному оледенению. Отток холодных вод в глубины океана достиг северного полушария, вызвав похолодание климата и усиление ледовитости Северного Ледовитого океана.

Благодаря похолоданию в районе полюсов началось активное конвективное перемешивание толщи вод океана. Ведущую роль стали играть процессы опускания холодных, богатых кислородом вод у берегов Антарктиды. Так образовались глубинные водные массы почти всех океанов.

Рисунок 3.1 – Распад Пангеи:

а – древний массив Пангеи, как он, возможно, выглядел более 200 млн лет назад;

б – география земного шара в середине мелового периода (зоны разрастания, трансформные разломы и зоны субдукции показаны тонкими линиями, стрелками показано движение континентов после начала дрейфа);

в – география земного шара в конце мелового периода;

г – в середине палеогена;

д – в современную эпоху.

Вентиляция глубин создала благоприятные условия для формирования глубоководной биоты.

Четвертичный период ознаменовался эпохой великих оледенений Северного полушария. Связывание огромных масс воды в ледниковых шапках вызывало регрессии океана, когда материковые окраины почти полностью осушались. Похолодание стимулировало вспышку видообразования, формирования специфичной арктической и бореальной флоры и фауны мелководий. В это время определились биогеографические особенности Северного Ледовитого океана, происходила смена доминантов основных областей биосферы, определивших облик наиболее распространенных сообществ.

При изучении биологической структуры океана следует иметь ввиду разный возраст ее основных подразделений: формирование сообществ на шельфе и материковом склоне относится к далеким докембрийским временам; сообществ ложа океана – к палеозою и мезозою; сообществ глубоководных желобов и впадин – к кайнозою. Характерные для пелагиали сообщества нектона (рыбы, головоногие моллюски, млекопитающие) окончательно сформировались лишь в неогене.

Весь эволюционный путь морской биоты является наглядной иллюстрацией тесного сосуществования живой и неживой материи, адаптационных возможностей жизненных форм нашей планеты, проявлением совершенствования механизмов приспособления живых организмов к изменяющимся условиям среды обитания (рис. 3.2).

Рисунок 3.2 – Кривые таксономического разнообразия в фанерозое

При этом планетарном единстве необходимо отметить огромную разницу в соотношении основных групп живых существ в океане и на суше, обусловленную разницей в условиях сред существования. На суше биомасса животных в тысячу раз меньше биомассы растений. В океане животные по биомассе превышают массу растений в 28 раз. В океане обитает огромное количество видов одноклеточных животных и растений. Подавляющую часть биомассы растений в морях и океанах составляют одноклеточные водоросли, на суше – макрофиты. В океане обитают представители всех типов и классов организмов. Общее число видов животных составляет 150 тыс., растений – 15 тыс.

Вопросы для самоконтроля:

1. Укажите характерные особенности появления, эволюции и современного существования жизни в Мировом океане.

2. Каковы основные различия условий окружающей среды, определяющие существование живых организмов в Мировом океане?

3. Какие основные экологические факторы определяют условия эволюции морской биоты?

Рекомендуемая литература: [3, 4, 7, 11]

4. Эволюция планетарной воды и будущее Мирового океана

В схемах общего круговорота воды объем испарившейся над океаном влаги обычно считается равным объему воды, поступившей с континентов в форме речного стока, дождевых осадков, таяния ледников, подземного стока. Однако эта схема верна лишь в первом приближении и реализуется при условии постоянства общей массы воды на поверхности Земли и неизменной емкости океанических и морских впадин. На самом деле картина баланса воды на планете оказывается более сложной. Дело в том, что планета не является закрытой изолированной системой. Тысячами глубинных разломов, хорошо видимых на космических снимках, и сотнями корней действующих вулканов каменная оболочка планеты связана с глубокими недрами. По ним выносится тепло, газообразные продукты, магма и вода. Сто тысяч ежегодных землетрясений и десятки вулканических извержений свидетельствуют, что Земля – геологически активная живая планета. Поверхность ее и газообразная атмосфера открыты космосу и солнечному излучению. Здесь в высоких слоях атмосферы под действием солнечных частиц высоких энергий происходит разложение молекул воды на составляющие – молекулы водорода и кислорода. Этот процесс называется фотолизом. При фотолизе тяжелая молекула кислорода под действием поля тяготения Земли будет пополнять атмосферу, а более легкая молекула водорода, получив вторую космическую скорость, будет улетучиваться в космос.

Источники поступления воды

Рассматривая планету как открытую термодинамическую систему, необходимо учитывать глубинные внутрипланетарные поступления воды и ее потери при фотолизе. При этом нельзя забывать, что вода теряется также на увлажнение морских осадков, биосферы. Но вода поступает к нам из космоса вместе с метеоритами при их сгорании в атмосфере. Возможно также образование воды в высоких слоях атмосферы путем присоединения солнечных протонов с электронами атмосферы с последующим превращением их в атомы водорода и кислорода и далее в молекулу воды. Однако эта реакция идет значительно выше озонового экрана. Поэтому из-за ультрафиолетового излучения время жизни этой молекулы будет ничтожно – она неизбежно подвергнется фотолизу. Таким образом, в балансе глобального круговорота воды на Земле должны присутствовать, кроме традиционных (испарение, осадки, сток), по меньшей мере, еще две статьи: поступление внутрипланетарной воды и потери воды на фотолиз. Неучет этих факторов, особенно при переходе на геологический масштаб времени (тысячи и миллионы лет), приводит к неверным представлениям о всей направленности эволюции облика Земли. Достаточно сказать, что при традиционно “безводном” подходе к проблеме эволюции Земли естествознание “просмотрело” важнейший этап ее геологической истории – эпоху океанизации.

Не был замечен и рубеж, отделяющий доокеаническую стадию развития Земли от эпохи океанизации. Правда, предпосылки для установления этой неизвестной ранее особенности развития нашей планеты появилось лишь в последнее время. Они связаны с программой глубоководного бурения, начатого в 1969 г. с американского судна “Гломар Челленджер”. В ходе выполнения этой беспримерной программы были установлены два важнейших факта – отсутствие на дне осадков древнее 165 млн. лет и обнаружение древних мелководных отложений на глубинах 1000 – 6000 м под уровнем моря. Из этого следовало, что океаны – необычайно молодые геологические образования и что они возникли на месте погрузившейся суши или мелководных морских бассейнов, подобных Баренцеву или Балтийскому морям. Но самое главное состоит в том, что данные по мелководным осадкам позволили решить проблему определения упомянутых выше статей водного баланса эндогенных поступлений и фотолитических потерь земной гидросферы.

Классическое уравнение водного баланса, верное для Мирового океана как закрытой термодинамической системы, с учетом полученных новых внешних статей отныне приобретает более полное выражение с учетом испарения, атмосферных осадков, речного, подземного и других видов стока, контролируемых атмосферными осадками; эндогенного (внутрипланетарного) поступления воды и потери на фотолиз. Это уравнение показывает, что в реальном мире равновесия не существует, так как происходят безвозвратные потери воды при фотолизе и последующей диссипации в космос водорода, а также за счет непрерывного поступления внутрипланетарной воды на поверхность Земли. Малые в годовом исчислении эти статьи баланса, тем не менее, играют решающую роль в эволюции облика планеты в геологическом масштабе времени.

⇐ Предыдущая 1 2 345 6 7 8 9 10 Следующая ⇒