УЧЕНИЕ О БИОСФЕРЕ

программа курса лекций для студентов магистратуры биологопочвенного факультета СПбГУ

1. Основные концепции и методы биосферных исследований

Развитие взглядов на концепцию биосферы. Роль работ В. И. Вернадского в формировании современных взглядов на

структуру и границы биосферы. Биосфера в современном понимании и ее место среди других оболочек Земли.

Специфика биосферы как объекта исследований. Методы исследований биосферы. Событийный подход в исследованиях развития биосферы. Геоцентризм, космоцентризм и синтетизм в биосферных исследованиях.

Ключевые проблемы в изучении эволюции биосферы. Исторический подход в биологии и смежных науках;

стратиграфия и тафономия, принципы и методы палеоэкологических реконструкций.

2. Структура современной биосферы Структура, границы и компоненты биосферы. Структура литосферы. Литосферные процессы и их влияние на биосферу. Дегазация недр, генерация магнитного поля, спрединг, субдукция и дрейф материков, формирование рельефа как факторы формирования биосферы. Гидросфера, ее границы, физические свойства; химические особенности воды, циркуляция вод при разных климатических условиях и их влияние на свойства биосферы.

Энергия в гидросфере, фотическая зона. Атмосфера, её структура и циркуляция. Глобальная климатическая модель голоцена. Радиационный баланс Земли, парниковые газы, парниковый эффект и роль биосферы в его формировании.

"Теплая" и "холодная" климатические модели, их приуроченность к геологическим эпохам и влияние на биосферу.

Биомы в современной биосфере, их ландшафтно-географическая обусловленность и основные структурные черты.

Источники вещества и энергии в биосфере.

3. Биогеохимия и учение о биосфере Проблематика и объекты биогеохимии. Роль В.И. Вернадского в развитии биогеохимии. Классификации химических элементов. Содержание химических элементов в биосфере и ее окружении. Биогенные элементы, их источники, запасы и скорости оборота. Типы биогеохимических циклов и их роль в функционироании биосферы.

Биогеохимические барьеры, их типы и особенности. Осадочный цикл, его основные черты. Циклы главных биогенных элементов (водорода, углерода, серы, азота). Биогеохимические процессы и барьеры; типы биогеохимических барьеров. Подходы к моделированию биогеохимических процесов. Влияние цивилизации на биогеохимические циклы.

4. Живое вещество в биосфере Жизнь как процесс трансформации вещества и энергии. Классификация экосистем по источникам энергии.

Распределение живого вещества; таксономическая, энергетическая и трофическая структуры биосферы. Биомасса и мортмасса в биосферных процессах. Различия сухопутной и морской частей биосферы. Потоки вещества и энергии в современной биосфере. Продукция и потребление в море и на суше. Экологические ниши, "лицензии" и адаптивные зоны. Особенности конкуренции в различных ландшафтных зонах. Структура экосистем. Роль почвы в биосферных процессах. Взаимодействие эукариотных и прокариотных организмов в экосистемах. Сложные прокариотные экосистемы (строматолиты, цианобактериальные маты).

5. Ранние этапы эволюции Земли и теории происхождения жизни Гипотезы происхождения Земли. Возраст Земли, способы его установления. Исходные физико-химические условия на поверхности планеты и ранние этапы ее химической эволюции. Возникновение океана. Эволюция состава атмосферы на ранних этапах развития Земли. Проблема соотношения возраста Земли и древности жизни.

Следы органических веществ во Вселенной и концепция пангенезиса. Концепции самозарождения жизни.

Экспериментальные свидетельства самоорганизации сложных химических систем. Коацерваты и микросферы. Роль абиотических факторов в эволюции протобиологических систем. Проблемы биохимической эволюции и возникновения жизни. Возможные пути и движущие силы ранних этапов биохимической эволюции. Первые живые организмы.

6. Возникновение и ранние этапы эволюции биосферы.

Становление первичных экосистем. Первичный бульон и эобионты. Характер взаимодействия организмов на ранних этапах эволюции жизни. Эволюция ферментных систем и отбор. Гетеротрофный этап эволюции биосферы.

Структура и функции гетеротрофных экосистем. Аналоги гетеротрофных экосистем прошлого в современной биосфере. Возможные компоненты архейских экосистем. Изменение окружающей среды протобионтами и первый глобальный экологический кризис. Возникновение хемосинтеза. Автотрофный этап эволюции биосферы.

Особенности хемоавтотрофных организмов, сравнение с фотоавтотрофами. Автотрофные экосистемы: принципы организации и следы их существования в прошлом. Современные представители хемоавтотрофных экосистем.

7. Появление фотоавтотрофных экосистем. Оксифильные экосистемы протерозоя Переход от хемосинтеза к фотосинтезу и его возможные причины. Разнообразие фотоавтотрофии у современных организмов. Фотоавтотрофные экосистемы: структура и функционирование. Изменение окислительного потенциала биосферы при массовом распространении фотоавтотрофии; возникновение кислородной атмосферы и ее последствия для эволюции жизни. Второй глобальный экологический кризис. Ископаемые остатки фотоавтотрофов.

Строматолиты, их среда обитания и роль в эволюции биосферы. Онколиты.

Адаптации организмов к жизни в кислородной атмосфере. Возникновение дыхания и его значение для эволюции биосферы. Появление эукариотических организмов и их значение для эволюции экосистем. Основные события в эволюции протерозойской биосферы. Акритархи, их место в экосистемах протерозоя и значение для биосферы.

Эволюция протерозойских экосистем и рост биоразнообразия по данным палеонтологии. Биогенные месторождения полезных ископаемых и условия их возникновения.

8. Фанерозойский рубеж биосферной эволюции.

Криптозой и фанерозой. Изменения морской биоты в конце протерозоя. Биоценозы венда. Эдиакарске фауны и эволюция многоклеточности. Концепция метастабильного климатического равновесия; криоэры и термоэры.

Оледенения позднего докембрия и их возможное влияние на эволюцию биосферы. Появление скелетных фаун и нижнекембрийская биосферная революция. Роль пеллетного транспорта и роющих бентофагов в преобразовании морских экосистем. Когерентные и некогерентные фазы биосферной эволюции. Взрывной характер эволюции таксонов и морфофункциональный дисбаланс прои некогерентной эволюции, их возможные причины и проявления.

9. Развитие жизни в палеозое.

Биоценозы и палеобиогеография раннего палеозоя. Трофические цепи в раннепалеозойских океанах, основные группы продуцентов и консументов. Возрастание сложности кембрийских экосистем и локальные вымирания.

Эволюция органического мира в ордовике и силуре. Свидетельства существования жизни на суше в раннем палеозое. Смена крио- и термоэр в палеозое; влияние оледенений и потеплений на развитие палеозойской биоты.

Эволюция морской биоты в позднем палеозое. Появление сосудистых растений и их выход на сушу. Экосистемы девона. Появление лесов. Первые наземные животные. Концепция фитоспрединга и "тропическая помпа". Биосфера Земли в карбоновом периоде. Становление основных групп животных и растений на суше, их коэволюция.

Последствия глобального угленакопления и оледенения. Развитие зональности на суше. Биоценозы перми, возникновение пангеи, становление мезофита. Позднепермский экологический кризис и глобальное вымирание.

10. Мезозойский этап эволюции биосферы.

Преодоление позднепермского экологического кризиса и биоценозы триаса. Последствия глобального вымирания в океане и смены флористических комплексов суши. Появление глубоких океанов и смена океанической циркуляции.

Особенности атмосферной циркуляции мезозоя и их влияние на формирование природных зон. Животный и растительный мир юрского периода. Возникновение энтомофилии у растений. Кайнофит и экологические перестройки в мезозое. Меловой экологический кризис и вымирание в конце мелового периода.

11. Эволюция биосферы в кайнозое.

Последствия мелового экологического кризиса. Развитие и смена фаунистических и флористических комплексов на суше и в континентальных водоемах палеогена. Похолодание и аридизация неогена и их влияние на развитие биосферы. Плейстоценовый этап биосферной эволюции. Оледенение и его воздействие на экосистемы суши.

Возникновение человека и его влияние на биосферу. Воздействие ранних форм хозяйственной деятельности на биоценозы. Преобразование природной среды человеком на современном этапе. Угрозы существованию биосферы со стороны современной цивилизации. Ноосфера, ее предполагаемые черты в работах В.И. Вернадского и его последователей. Возможные пути дальнейшей эволюции биосферы и человечества.

Основная Ерёмченко О.З. Учение о биосфере. М., Академия, 2006.

Еськов К.Ю. История Земли и жизни на ней. М., Мирос, 2000.

Дополнительная Брода Э. Эволюция биоэнергетических процессов. М., Мир, 1978.

Друщиц В. В. Палеонтология беспозвоночных. М.: Изд. МГУ, 1962.

Жерихин В. В. Развитие и смена меловых и кайнозойских фаунистических комплексов. М.: Наука, 1978.

Заварзин Г. А. Бактерии и состав атмосферы Земли. М.: Наука, 1984.

Историческое развитие класса насекомых. М.: Наука, 1980.

Красилов В. А. Нерешенные вопросы теории эволюции. Владивосток: ДВНЦ АН СССР, 1986.

Красилов В. А. Происхождение и ранняя эволюция цветковых Растений. М.: Наука, 1994.

Красилов В. А. Эволюция и биостратиграфия. М.: Наука, 1977.

Крылов И. Н. На заре жизни. М.: Наука, 1972.

Мейен С. В. Из истории растительных династий. М.: Мысль, 1971.

Мейен С. В. Основы палеоботаники. М.: Недра, 1986.

Мейен С. В. Следы трав индейских. М.: Мысль, 1981.

Монин А. С., Шишков Ю. А. История климата. Л.: Гидрометеоиздат, 1979.

Рич П.В., Рич Т.Х., Фентон М.А. Каменная книга. Летопись доисторической жизни. М., Наука, 1997.

Розанов А. Ю. Что произошло 600 миллионов лет назад. М.:Наука, 1986.

ТатариновЛ. П. Очерки по теории эволюции. М.: Наука, 1987.

Эйдельман Н. Ищу предка. М.: Эврика, 1976.