Экология: проблемы и решения

Распределение тепла и влаги на поверхности  Земли. В распределении тепла и влаги на поверхности Земли большое значение имеет прозрачность атмосферы и содержание в ней углекислого газа и водяного пара. Концентрация углекислого газа на протяжении 600 млн лет падала, но этот процесс проходил неравномерно. Примерно 70 млн лет назад процесс уменьшения углекислого газа в атмосфере начал ускоряться и сейчас составляет примерно 0,03%, но были периоды, когда углекислый газ в атмосфере составлял 0,4%, т. е. концентрация углекислого газа была в 15 раз выше. Последнее оледенение планеты (примерно 10 тыс. лет тому назад) коррелируется с глобальным уменьшением углекислого газа в атмосфере.

Если атмосфера запылена, то она пропускает меньше солнечных лучей, а поэтому, поверхность Земли больше охлаждается. Источником пыли в атмосфере являются крупнейшие вулканические извержения, когда в атмосферу выбрасывается большой объем газов, вулканического пепла, пыли, которые долгие года находятся в атмосфере во взвешенном состоянии.

Формирование  лика Земли. Лик Земли (не просто поверхность) формируется под влиянием планетарных процессов и главную роль играют горизонтально направленные силы, приводящие в движение континенты.

24 млн лет тому назад при взаимодействии Индо-Австралийской (п/о Индостан) и Евразийской литосферных плит возникло тектоническое усилие, в результате которого образовались Тибетское плато и Гималайские горы, и если в районе Тибета 30 млн лет тому назад преобладали тропические и субтропические леса, то в результате тектонической деятельности это плато поднялось на 4 км.

10 млн лет тому назад раскрылось  Красное море, Аравийский п/о оторвался  от Африки и своим северным  выступом врезался в Евразию. На вершине этого выступа образовались Кавказские горы.

В результате взаимодействия Евразийской  и Африканской литооферных плит возникло Средиземное море, а на месте древнего моря Тетис возникли Черное, Азовское, Каспийское и Аральское моря (примерно 3 млн лет тому назад).

В период последнего оледенения площадь  ледников достигала 45% всей поверхности  Земли, а сейчас ледники занимают 11% всей площади.

Суша по площади уступает океаническому  дну и высота подъема суши над  поверхностью океанов невелика по сравнению с глубинами океанов. Высоты менее 100 м над уровнем океанов составляют порядка 75% всей площади при средней высоте 840 м, а глубины океанов колеблются от 3 до 6 км при средней глубине 3880 м.

На суше отмечаются один широтный — Средиземноморский и два меридиональных — 3ападно- и Восточно-тихоокеанский горные хребты.

Средиземноморский горный хребет поднимается  в Северной Африке Атласскими горами и продолжается на восток — Пиренеи, Альпы, Апеннины, Балканские, Карпатские, Крымские, Кавказские горы, Памир, Гималаи.

Западный тихоокеанский горный массив охватывает горные районы Чукотки, Камчатки, Курильских островов, Сахалина, Японии до Австралийских Кордильер.

Восточно-тихоокеанский горный массив включает Кордильеры Северной и Южной  Америки.

Биологическая эволюция. В результате биологической эволюции на углеродистой основе и белковой форме возникла “живая материя”, которая обрела генетические свойства, отличающие “живую материю” от “неживой” и биологическую эволюцию от химических реакций.

В настоящее время существуют две гипотезы возникновения жизни на Земле.

Гипотеза I. Жизнь возникла на Земле, а не занесена извне и для обеспечения  жизни необходима солнечная энергия. Л. Пастер и П. Кюри в XIX в. при изучении оптических свойств живого вещества определили, что живое вещество обладает общей асимметрией, определяющей ее способность к поляризации света. Такой способностью в живой материи обладают аминокислоты.

Обнаруженные на метеоритах, на лунном грунте макромолекулы представляют предбиологическую форму и “оптически нейтральны”, т. е. они не биогенного происхождения.

Гипотеза II. В 1980 г. учеными было сделано  предположение, что жизнь из космоса  на Землю была привнесена не в виде молекул, а в форме постоянно  действующих биологических полей, под влиянием которых формируются “живые молекулы” всюду, где созданы соответствующие условия. Таким образом, организм постоянно взаимодействует с космосом и, следовательно, энергетическое поле Вселенной постоянно управляет живой природой, энергетически подпитывая ее.

В.И. Вернадский об эволюции биосферы. Возникновение жизни на Земле — вопрос дискуссионный и, по мнению В.И. Вернадского, в обозримой геологической истории образование “живого” вещества из “неживого” произойти не могло. В 1668 г. флорентийский врач Франческо Реди сформулировал принцип: “Все живое только от живого” и доказательство этому Вернадский видел в работах Л. Пастера и П. Кюри об особенностях молекулярного строения живого вещества. Живое вещество обладает свойством оптической асимметрии, т. е. является: фильтром, способным отделять правовращающиеся молекулы от левовращающихся и, благодаря концентрации молекул одинаковой симметрии, “живое вещество способно поляризовать оптический свет”. В неживом веществе молекулы, поляризующие свет, могут быть смешаны в произвольных пропорциях. Вернадский уделял большое внимание этому факту и высказал гипотезу о том, что дисимметричные структуры (с нарушением зеркального расположения) стабильны в основном в “живом” веществе. Основываясь на эмпирических обобщениях, он говорил, что на Земле нет условий, которые могли бы обеспечить возникновение жизни не биогенным путем из косного вещества, т. е. нет условий для абиогенеза. Но под влиянием успехов в абиогенном синтезе органических веществ, он склонялся к признанию абиогенеза, но не одного какого-то вида, а сразу комплекса организмов разных геохимических функций и в условиях, предшествующих геологическому времени. В 1931 г. он утверждал, что “принцип Реди” безусловно верен, но справедлив лишь в условиях биосферы Он считал возможным абиогенез в нынешних условиях, но его нельзя наблюдать в силу недостаточности наших знаний. Он отмечал, что “надо искать не следов начала жизни на нашей планете и вообще на планетах, но материально-энергетические условия для проявления планетной жизни”. Таким образом, в последние годы Вернадский допускал идею абиогенеза в определенных условиях догеологической истории Земли. Он считал возраст биосферы порядка 2 млрд лет (сейчас возраст планеты оценивается порядком 4 млрд лет).

В настоящее время можно считать  доказанным отсутствие жизни на Марсе и Венере (Вернадский предполагал, что там возможна жизнь) и результаты исследований показывают, что земная жизнь не привнесена на Землю с ближайших планет. Далее, получены и хорошо изучены природные органические вещества абиогенного происхождения. Описаны опыты по получению аминокислот из водорода, аммиака и метана в бескислородной среде под действием электрических разрядов и ультрафиолетового облучения. Такие соединения были обнаружены в грозовых тучах после разряда молний и в стерильно отобранных образцах горячих вулканических пеплов. При этом в одинаковых по химическому составу органического вещества биогенного и абиогенного происхождения наблюдается дисимметрия, т. е. имеет место стирание граней между живым веществом и его абиогенным аналогом. Поэтому ученые в XX в., не допуская занесения жизни на Землю с других планет, признали возможность абиогенеза на Земле. Вероятно, абиогенез мог происходить в условиях, отличных от нормальных, при первичной бескислородной атмосфере. И сейчас проблема сводится к выяснению времени превращения абиогенных органических соединений в биогенные и к выяснению причин появления резко десимметричной структуры ДНК в живом веществе. Возможно, что нарушение зеркальной симметрии — необходимый этап эволюции живого вещества.

В настоящее время подтверждаются идеи В.И. Вернадского и о возможном космическом происхождении живого вещества, так как при исследовании Антарктиды обнаружены метеориты, в которых выявлены различные аминокислоты (нуклеотиды не могут образоваться во льдах Антарктиды).

Эволюция “живого  вещества” шла по пути усложнения структуры биологических сообществ, увеличения числа видов и совершенствования их приспособленности к окружающей среде. Усложнение жизни связано с развитием многоклеточных организмов и здесь на первое место выходит “колониальная гипотеза”. Считается, что образовавшиеся в результате деления клетки не расходились в пространстве, а образовывали колонии. Позже в колониях возникали различия в химическом составе, а затем, и в функциональной специализации. Многоклеточные организмы совершенствовались и приобретали различия в течение миллионов лет. Совершенствовался круговорот веществ в непрерывном обмене веществом и энергией между организмами и средой, в процессах рождения и смерти. Завладевая все новыми областями земной коры, организмы приспосабливались к новым физико-химическим условиям, что приводило к гибели части организмов и дальнейшему естественному отбору. Эволюционный процесс сопровождался повышением эффективности преобразования энергии и вещества организмами, популяциями и сообществами, В этой эволюции четко прослеживается постепенное развитие и усложнение нервной системы и “достигнутый уровень мозга не идет уже вспять — только вперед” (Вернадский). Вершиной эволюции “живого” на Земле явился Человек, ознаменовавший своим появлением новый этап развития жизни — антропогенез.

Генетический код. На Земле существует единый генетический код для всего живого, т. е. 4 нуклеотида и 21 аминокислота обеспечивают передачу наследственной памяти и “эффективную наследственность”.

Группа нуклеотидов-мономеров ДНК, кодирующая информацию об одном белке, получила название “ген”. Совокупность всей ДНК (всех генов) клетки образует генотип-геном и является наследственной основой клетки. Молекулы ДНК представляют собой двойную многократно скрученную спираль, находящуюся в ядре каждой клетки.

Все клетки высшего организма содержат набор генов, характерных для  данного организма, растения и т. д. В молекулах ДНК записана вся информация, т. е. генетическая программа развития организма, и стоит только разорвать больше двух связей между спиралями ДНК (одна–две разорванные связи восстанавливаются), так сразу же начинается мутация организма, но такие последствия сказываются лишь во втором, третьем поколениях, т. е. в потомстве.

Генетический код одинаков у  всех живых организмов, т. е. у животных и человека, бактерий и растений. Универсальность кода означает, что в течение почти 4 млрд лет существования жизни на Земле основа генетического механизма, управляющего воспроизводством всех систем оставалась неизменной, т. е. все время существовали клетки, которые решали две задачи: строить по заложенной программе, любую, необходимую белковую молекулу с заданными свойствами; создавать свои точные копии, так как клетка способна размножаться.

Эволюция животного  и растительного миров. На ранних стадиях развития жизни выделяются микроорганизмы, которые, вероятно, не знали естественной смерти и существовали в немыслимых условиях. Их потомками являются сине-зеленые водоросли, обладающие высокой живучестью.

При дальнейшем развитии микроорганизмы стали обладать ядром с хромосомами — наследственным веществом, но эти организмы уже смертны и заплатили они эту цену за обретение кислородного дыхания.

Эволюция животного и растительного  миров происходили неравномерно. Так, первые скелетные организмы появились 570 млн лет тому назад, затем появились панцирные и хрящевые (позвоночные) рыбы и 345 млн лет тому назад появились первые амфибии, одновременно с которыми появилась растительность.

395 млн лет тому назад возникает воздушное дыхание, переносчиком кислорода в организме является медь, но уже в семействах моллюсков, ракообразных появляются особи с кровью, содержащей гемоглобин, обеспечивающий снабжение тканей кислородом.

Переход от жаберного дыхания к воздушному активизировал деятельность цинкосодержащей органической молекулы, способствовавшей выделению углекислого газа из организма. Такая перестройка позволила эффективно использовать энергию и обеспечила способность живых организмов к быстрой эволюции и совершенствованию.

В результате выделилось по способу  питания и механизму превращения  энергии два надцарства: доядерное  и ядерное. Доядерное надцарство включает царство дробянок, содержащее подцарства бактерий, архибактерий, сине-зеленые водоросли. Ядерное надцарство включает три царства: растения, грибы и животные.

Эволюция совершалась в результате изменения генетического состава  популяции, т. е. в результате мутагенеза и естественного отбора. Мутагенез — причина изменения и развития биологических организмов. Земля — это часть Космоса, а поэтому, она подвергается постоянному и мощному его воздействию. Наиболее мощные и устойчивые изменения в глобальном масштабе повторяются через галактический год, т. е. примерно через 220 млн лет. Менее ярко выраженные аномалии в развитии мира повторяются с интервалом 30–32 млн лет в пределах галактического года. Такая периодичность может быть объяснена тем, что Солнечная система при своем движении вокруг центра Галактики встречается с газопылевыми облаками (сгустками материи), сближение с которыми вызывает возмущения в недрах Земли, и в результате на поверхность Земли поступают избыточные массы урана, фосфора, тяжелых металлов, обладающие эффектом активного биологического воздействия.

Один из первых русских советских генетиков Н.В. Тимофеев-Ресовский считал, что причиной мутагенеза является изменение полярности магнитного поля Земли и снижение его напряженности; усиление образования радиоактивных изотопов под воздействием космических лучей; “газовый голод” в атмосфере за счет ее загрязнения выбросами магмы; “урановые эпохи” и др.

Природные катастрофические явления. По перечню ЮНЕСКО стихийные бедствия классифицируются по трем группам явлений:

гидрометеорологические процессы (тропические тайфуны, наводнения, смерчи, нагоны морской воды, вызывающие наводнения, снежные бури, засухи, пылевые бури, ливни, град, гололед, обледенения, ранние и поздние заморозки, лесные и степные стихийные пожары);

гидрогеоморфологические явления (лавины, оползни, селевые потоки, овражная эрозия, карст);

эндогенные процессы (землетрясения, вулканизм, цунами).

Космические явления. Кроме земных катастрофических явлений, большое значение имеют космические явления, следствием которых могут быть различные разрушительные катастрофы. К таким явлениям относятся столкновения небесных тел (астероидов) с планетой Земля. В результате таких столкновений на поверхности Земли возникают кратеры, асторблемы. Сейчас известно порядка сотни кратеров с диаметром от 1,2 до 70 км. К таким катастрофическим явлениям можно отнести и падение на поверхность Земли Тунгусского метеорита.

С падением метеоритов на Землю связывают  образование кольцевых ударных  геологических структур. Так, на территории россии и СНГ находятся кольцевые Казахстанско-Ишимская и Прибалхашско-Илийская гиаблемы. Одной из крупнейших гиаблем является Верхоянско-Колымская.