Кто разработал учение о биосфере. Учение В. И. Вернадского о биосфере

Биосфера – оболочка Земли, состав, структура и энергия которой определяется совокупной деятельностью живых организмов.

Глобальная экология - учение о биосфере Земли.

Биосфера охватывает часть атмосферы до высоты озонового экрана (20-25 км) , часть литосферы и всю гидросферу. Нижняя граница опускается в среднем на 2-3 км на суше и на 1-2 км ниже дна океана.

В биогеохимическом аспекте - это оболочка Земли, в пределах которой распространена жизнь.

Термин «биосфера» ввел Э. Зюсс (1875), понимавший ее как тонкую пленку жизни на земной поверхности, в значительной мере определяющая «лик Земли».

Целостное учение о биосфере разработал В.И. Вернадский.

Основные свойства биосферы по В.И. Вернадскому:

1) целостность и организованность биосферы;

2) «всюдность» ее живого вещества;

3) наличие в ней четких дискретных образований.

Особо он выделял охваченный жизнью слой биосферы, где сосредоточена основная масса организмов: наземная, планктонная и донная пленка жизни . Биосфера как глобальная система жизни образована совокупностью биогеоценозов.

Вещество биосферы сложно и имеет несколько компонентов :

1) совокупность живых организмов - живое вещество ;

2) вещество, создаваемое и переработанное живыми организмами, - биогенное вещество (каменный уголь, битумы, известняки);

3) косное вещество , образуемое процессами, в которых живое вещество не участвует (твердое, жидкое, газообразное);

4) биокосное , которое создается одновременно живыми организмами и косными процессами (почти вся вода биосферы, нефть, почва);

5) вещество, находящееся в процессе радиоактивного распада;

6) рассеянные атомы, которые непрерывно создаются из различных видов земного вещества под влиянием космических излучений;

7) вещество космического происхождения, которое включает отдельные атомы и молекулы, входящие в ионосферу из электромагнитного поля Солнца, проникающие из космических пространств.

Живое вещество в биосфере выполняет две основные функции :

1) Энергетическая функция : Чтобы биосфера могла существовать и развиваться, ей необходима энергия, собственных источников которой она не имеет. Она может потреблять энергию только от внешних источников. Таким главным источником для биосферы является Солнце.

2) Средообразующая функция . Выражается в соответствующих биогеохимических функциях, которые свидетельствуют об участии живых организмов в химических процессах изменения вещественного состава биосферы:

а) газовая – поглощение и выделение газов (например, зеленые растения поглощают кислород; бактерии восстанавливают азот, сероводород; животные и растения выделяют углекислый газ).

б) концентрационная – организмы-концентраторы накапливают в своих телах и скелетах азот, фосфор, кремний, кальций, магний.

в) окислительно-восстановительная – живое вещество окисляет, например, углеводы до углекислого газа и восстанавливает его до углеводов.

Г) биохимические функции связаны с жизнедеятельностью живых организмов – их питанием, дыханием, размножением, смертью и последующим разрушением тел. В результате происходит химическое превращение живого вещества сначала в биокосное, а затем, после умирания, в косное.

д) биогеохимические функции, связанные с деятельностью человека

Биосфера представляет собой грандиозную равновесную систему с непрерывным круговоротом вещества и энергии. Развитие биосферы определяется потоком энергии, доминирующим источником которой является Солнце. В биосфере энергия солнечного излучения расходуется, трансформируется, связывается. накопителями энергии являются органические вещества. Поток энергии в биосфере складывается из энергии Солнца и внутренней энергии Земли. Однако энергетический обмен охватывает все составные части биосферы, включая и живое вещество.

Все вещества на планете Земля находятся в процессе биохимического круговорота. Выделяют два основных круговорота: большой (геологический) и малый (биотический).

· Большой круговорот длится миллионы лет. Горные породы разрушаются, выветриваются и потоками вод сносятся в Мировой океан, где образуют мощные морские напластования.

· Малый круговорот, являясь частью большого, происходит на уровне биогеоценоза и заключается в том, что питательные вещества почвы, воды, воздуха аккумулируются в растениях, расходуются на создание их массы и жизненные процессы в них.

Вмешательство человека отрицательно влияет на процессы круговорота. Например, осушение болот, вырубка лесов или нарушение процессов ассимиляции веществ растениями в результате загрязнения приводят к снижению интенсивности усвоения углерода. Избыток органических элементов в воде под воздействием промышленных стоков вызывает загнивание водоемов и перерасход растворенного в воде кислорода, что препятствует развитию аэробных (потребляющих кислород) бактерий. Сжигая ископаемое топливо, фиксируя атмосферный азот в продуктах производства, связывая фосфор в детергентах (синтетические моющие средства), человек нарушает круговорот элементов.

Скорость круговорота биогенных элементов достаточно высока. Время оборота атмосферного углерода составляет около 8 лет. Общее время круговорота азота оценивается более чем в 110 лет, кислорода - в 2500 лет.

Круговорот веществ в природе подразумевает общую согласованность места, времени и скорости процессов по уровням от популяции до биосферы. Такую согласованность явлений природы называют экологическим равновесием. Это равновесие динамичное и подвижное.

В целом принцип круговорота в природе сохраняется. Более простые экосистемы объединены в общую планетарную экосистему - «биосферу», в которой круговорот веществ проявляется в полной мере.

Продуктивность биосферы по одним оценкам достигает 164 млрд. тонн сухого органического вещества в год. По другим оценкам- 83 млрд. тонн в год: 30 - для океанов и 53 - для наземных биомов .

Хотя океан и покрывает 0,7 общей поверхности Земли, его вклад в производство чистой продукции составляет лишь 40 %. Леса, занимающие лишь 0,1 часть площади материков, фиксируют почти половину общей энергии его продуцентами.

Культивируемые земли обладают высокой первичной продуктивностью. Но она несоизмерима с общей первичной продуктивностью леса. Высокая чистая первичная продуктивность, полученная агрономами, не означает прогресса в использовании фотосинтеза.

Ни одна из составляющих биосферу оболочек не может развиваться изолированно от других. Любое качественное изменение одной из них адекватно сказывается на другой. Всеобщий закон сбалансированности биосферы является основным принципом существования всего органического и неорганического мира.

Количество биомассы живого вещества имеет тенденцию к определенному постоянству. Наблюдается примерное планетарное равновесие между продукцией живого вещества и его разложением. Дисбаланс в этот процесс вносят не только (и не столько) любые естественные катастрофические изменения, происходящие на земле, но и хозяйственная деятельность человека, которая может не только быть соизмерима с катастрофически развивающимися природными факторами, но даже превышать уровень их воздействия.

Потеря объема биомассы при вторичной продуктивности связана с колоссальными затратами энергии на дыхание, мышечную энергию, передвижение и т. д. Чем больше длина пищевой цепи, тем меньше вторичная продуктивность. Например, на производство 1 кг говядины требуется 80 кг травы, а для производства 1 кг форели потребуется 5 кг мяса.

Человечество, люди являются частью биосферы. Благодаря постоянно увеличивающемуся производственному воздействию на окружающую среду человек и общество вносят существенные возмущения в биосферу. Биосфера постепенно эволюционирует в ноосферу.

Понятие ноосферы было введено французскими философами Эдуардом Леруа (1870-1954) и Тейаром де Шарденом (1881-1955).

Ближе всех к пониманию ноосферы пришли русские ученые В.И. Вернадский, К.Э. Циолковский (1857-1935) и А.Л. Чижевский (1897-1964).

Существуют узкое и широкое понятия ноосферы :

- В узком понимании единственным ноосферным объектом, определяющим фактором ее развития, выступает человек. При этом ноосфера понимается как высший этап развития биосферы, когда естественная и искусственная среда управляются под влиянием и воздействием со стороны разумных преобразований человека.

Если принять, что разумная жизнь во Вселенной отнюдь не ограничивается только ее проявлением на Земле, то мы приходим к широкому понятию ноосферы , когда разумная деятельность выходит за рамки только лишь человеческой деятельности. В этом подходе разумная и сознательная деятельность распространяется на всю Вселенную (Космический Разум), а ноосфера выступает как разумная сторона Вселенной.

В.И. Вернадский подчеркивал, что человечество становится мощной геологической силой, способной производить глобальные изменения на Земле. В связи с этим биосфера как область активной жизни превращается в ноосферу - сферу разума.

До появления человека равновесие биосферы определяли пять энергетических факторов :

· солнечная радиация,

· сила гравитации,

· тектонические силы,

· химическая энергия,

· биогенная энергия.

Эти пять факторов развивались по геологической шкале времени и за 3,5 млрд. лет сформировали природную среду.

· в настоящее время появился новый фактор - энергия мирового производства (развивается не по геологической, а по исторической шкале времени; от организации производства зависит сохранение или необратимое нарушение подвижного равновесия в биосфере).

В науке существует один из важнейших принципов – принцип совместной коэволюции общества и природы – параллельная, совместная эволюция или историческая адаптация природы и человечества, необходимость гармоничного совместного развития человечества и биосферы (на основе теории ноосферы Вернадского).

Окружающее пространство человек привычно называет природой или средой обитания. Большинство из нас получило фундаментальные знания об этом понятии на школьных уроках: природоведение (3 класс), география и биология (4), анатомия и химия (6). Но немногие понимают, каким образом эти науки объединены, кроме того, что все они относятся к области естествознания. Для обобщения всех знаний человека об окружающем мире создано одно емкое название - биосфера. Несмотря на многолетние исследования и тщательное изучение, планета Земля еще дает повод ученым задуматься о процессах, происходящих на ней.

Определение

Что называют биосферой? Толкований данного термина можно найти в литературе достаточно много, и все они отличаются по содержанию, но практически идентичны по смыслу. Наиболее часто биосферой называют глобальную экосистему планеты, в которую человек входит в качестве одного из немногочисленных видов. Если переводить название «биосфера» дословно с древнегреческого языка, то оно имеет два корня. "Сфера" обозначает "область, сфера, шар", а корень "биос" переводится как "жизнь". Получается достаточно емкое и точное название, которое, по сути, и дает определение сложной и многогранной науке. В. И. Вернадский дает расширенный ответ на вопрос о том, что называют биосферой. Он определяет это понятие как комплекс научных знаний о Земле, в который входит география, геохимия, биология, геология. Биосфера - это совокупность которые объединяются по принципу наличия живых существ и среды их обитания. Все сферы различны по составу, функциям и свойствам, но каждая их них играет значительную роль в существовании и эволюции окружающего нас мира.

Учение о биосфере

Создал целостную систему знаний философ, ученый, геолог и биохимик В. И. Вернадский. До начала XX века существовала масса исследовательских работ по изучению Земли и процессов, происходящих на ней, но углубить и обобщить данный материал удалось великому русскому ученому. В начале XIX века французский естествоиспытатель Ламарк определил начальную концепцию будущей науки, но не дал ей название. Австрийский палеонтолог и геолог Эдуард Зюсс в 1875 году предложил термин «биосфера», который используется до сегодняшнего дня. Он определит эту науку как знания обо всем живом на нашей планете. Только через 50 лет Вернадский докажет взаимосвязь живых организмов и их круговорот. Что называют биосферой на современном этапе? Это одна из оболочек планеты, в которой взаимодействуют природные элементы различного происхождения, именно их совокупность создает уникальную, сбалансированную систему.

Атмосфера

Наружная воздушная оболочка планеты Земля. Большая часть ее массы сосредоточена у самой поверхности, а в высоту она простирается на три тысячи километров. Атмосфера является наиболее легкой из всех оболочек, она не покидает поверхность только благодаря силе притяжения планеты, но с увеличением высоты ее слои постепенно разряжаются. обеспечивает защиту от радиоактивного солнечного воздействия, снижая уровень ультрафиолета, который попадает на землю. В состав атмосферы входят газы: углекислый, азот, кислород, аргон, которые обеспечивают существование живых организмов.

Гидросфера

Биосфера Земли включает в себя часть водной оболочки планеты. Ее состав разнится по агрегатному состоянию вещества. Гидросфера объединяет все водные ресурсы на планете, которые могут находиться в жидком, газообразном и твердом виде. Поверхностные слои Мирового океана служат для перераспределения тепла, поступающего от Солнца через атмосферу. Особое значение вода имеет в процессе круговорота веществ в природе, так как является наиболее мобильной фракцией. Организмы биосферы полностью освоили водную стихию, их можно обнаружить в самых глубоких придонных впадинах Мирового океана и в арктических ледниках. В химический состав гидросферы входят следующие основные элементы: магний, натрий, хлор, сера, углерод, кальций и т. д.

Литосфера

В нашей Солнечной системе не у всех планет есть твердая оболочка, Земля в этом случае является исключением. Литосфера - это огромная масса горных (твердых) пород, которые составляют часть суши и служат в качестве ложа Мирового океана. Толщина этой оболочки Земли составляет от 70 до 250 километров, ее состав наиболее разнообразен по количеству алюминий, железо, кислород, магний, калий, натрий и т. д.), которые необходимы для существования всех живых организмов. Данная геосфера характеризуется наименьшим по ширине слоем распространения жизни. Наиболее освоенным является верхний слой литосферы, который составляет несколько метров. По мере углубления возрастает температура и плотность твердой оболочки, которые наряду с отсутствием света не дают возможности существования живым организмам.

Биосфера

Данная геосфера объединяет все оболочки Земли (гидросферу, атмосферу и литосферу) наличием в них живого вещества. Для всего человечества роль биосферы переоценить сложно, она является окружающей средой и источником возникновения. Это комплексная система взаимосвязей, которые обуславливают возможность существования любого организма за счет обмена веществом и энергией. Более 40 химических элементов участвуют в процессе круговорота, который постоянно происходит между органическими и неорганическими соединениями. Основным источником энергии является Солнце. Земля расположена на оптимальном расстоянии от звезды и снабжена защитным барьером в виде атмосферы. Поэтому наряду с живым веществом солнечная энергия является важнейшим биохимическим фактором существования биосферы. За счет воздействия ряда факторов происходящие процессы имеют законченный циклический вид, они обеспечивают круговорот вещества между атмосферой, литосферой, гидросферой и живыми организмами.

Границы биосферы

При анализе протяженности оболочки биосферы можно увидеть ее неравномерное распространение. Нижняя граница расположена в слоях литосферы, она не опускается ниже значения 4 км. Верхний слой земной коры - почва - является наиболее насыщенным по плотности содержания живого вещества слоем биосферы. Гидросфера, включающая в себя просторы Мирового океана, реки, озера, болота, ледники полностью входит в состав «живой оболочки». Самые высокие концентрации организмов наблюдаются в поверхностных и прибрежных слоях водоемов, но жизнь существует и в глубоководных впадинах, на максимальной глубине более 11 км, и в придонных отложениях. Верхняя граница биосферы находится на расстоянии 20 км от поверхности. Атмосфера ограничивает «живой слой» озоновым щитом, выше которого организмы будут уничтожены коротковолновым ультрафиолетовым излучением. Таким образом, максимальная концентрация живого вещества находится на границах литосферы и атмосферы.

Состав

Учение о биосфере создал В. И. Вернадский, он же определил ключевую роль организмов при формировании и функционировании «живой оболочки» Земли. Ранее к аналогичным выводам приходили и другие ученые, но русский естествоиспытатель смог доказать необходимость присутствия в структуре неорганических соединений, которые также участвуют в общем круговороте. По его мнению, биосфера имеет следующий состав:

1. Живые организмы (биологическая масса, совокупность всех видов).
2. Биогенное вещество (создается в процессе жизнедеятельности живых организмов, является продуктом их переработки).
3. (неорганические соединения, которые создаются без участия живых организмов).
4. Биокосное вещество (образуется совместно живыми организмами и косным веществом).
5. Вещество, имеющее космическое происхождение.
6. Рассеянные атомы.

История возникновения

Миллиарды лет назад образовалась твердая оболочка Земли - литосфера. Дальнейший этап формирования того, что называют биосферой, происходил за счет геологических процессов, которые двигали тектонические плиты, вызывали извержения вулканов, землетрясения и т. д. После образования стабильных геологических форм наступил черед возникновения живых организмов. Они получили возможность развития за счет активных выбросов различных биохимических элементов, которые происходили при формировании литосферы. Живое вещество несколько миллионов лет создавало приемлемые для жизнедеятельности условия. За счет его поэтапной эволюции образовался газовый состав атмосферы. Постоянное взаимодействие органических и неорганических соединений под воздействием энергии Солнца дало возможность живому веществу распространиться на всей территории планеты и значительно изменить ее облик.

Эволюция

Первые живые организмы на Земле появились в гидросфере, их постепенный выход на сушу длился достаточно длительный период. Освоение еще одной оболочки биосферы - литосферы, стало причиной образования озонового слоя. За счет процесса фотосинтеза огромная биологическая масса поглощала из атмосферы углекислый газ и освобождала кислород. В этом случае живое вещество использует практически энергии - Солнце. Аэробные организмы, которым не хватало органических веществ в толще гидросферы, вышли на поверхность суши и значительно ускорили процесс эволюции за счет энергетического кругооборота. В настоящее время «живая оболочка» Земли находится в состоянии стабильного равновесия, но человечество оказывает на нее все большее негативное влияние. Создается новая сфера земли - ноосфера, она подразумевает более гармоничное содействие человека и природы, но это отдельная и очень интересная для изучения тема. Биосфера продолжает функционировать, несмотря на значительное уменьшение биомассы, «живая оболочка» стремится компенсировать вред, нанесенный деятельностью человека. Как показывает история, этот процесс может занять значительный промежуток времени.

Биохимические функции

Основной компонент в структуре биосферы - биомасса. Она выполняет все биохимические функции «живой оболочки», поддерживает ее состав в состоянии равновесия, обеспечивает процесс круговорота веществ и энергии. Газовая функция поддерживает оптимальный состав атмосферы. Она осуществляется за счет фотосинтеза растений, которые выделяют кислород и поглощают углекислый газ. Живые организмы при выдыхании и в процессе разложения выделяют СО 2 . Газообмен происходит постоянно, неорганические соединения принимают в нем участие при прохождении химических реакций. Энергетическая функция заключается в усвоении и преобразовании биомассой (растения) внешнего источника - солнечного света. Концентрационная функция обеспечивает накопление Все организмы в процессе жизнедеятельности накапливают необходимый уровень содержания биохимических элементов, который после их смерти возвращается в биосферу в виде органических и неорганических соединений. Окислительно-восстановительная функция заключается в биохимической реакции. Она происходит в процессе жизнедеятельности живого организма и является необходимым звеном круговорота веществ.

Биомасса

Все живые организмы распределены по земным сферам неравномерно. Наибольшая концентрация биомассы наблюдается на стыках геосфер планеты. Это происходит за счет образования оптимальных условий жизнедеятельности (температура, влажность, давление, наличие биохимических соединений). Состав биомассы также не является однотипным. На суше преимущество имеют растения, в гидросфере основу живого вещества составляют животные. Плотность биомассы зависит от географического положения, глубины обитания в литосфере и высоты - в атмосфере. Количество видов растений и животных очень велико, но ареалом обитания всех организмов является биосфера. Биология, как отдельная наука, в значительной мере объясняет все происходящие в ней процессы. Это происхождение, размножение, миграции всех видов биомассы.

Особенности биосферы

Значительность и масштаб «живой оболочки» Земли обеспечит ее постоянное изучение новыми поколениями естествоиспытателей. Система является уникальной по своей целостности, динамичности развития, сбалансированности. В качестве ее основной и наиболее удивительной особенности можно выделить устойчивость и способность к восстановлению. Количество катастроф за время существования биосферы в качестве живой пленки планеты огромно. Они приводили к вымиранию большей части биомассы, значительно изменяли внешний облик планеты, корректировали процессы, происходящие на ее поверхности и в ядре. Но после каждого удара биосфера восстанавливалась в измененной форме, приспосабливаясь к негативному влиянию или подавляя его. Именно поэтому биосфера земли является живым организмом, который может самостоятельно регулировать все происходящие в природе процессы.

Перспективы развития

Каждый современный ребенок в начальной школе изучает такой предмет, как природоведение (3 класс). На этих уроках маленькому человеку объясняют, и по каким правилам он существует. Возможно, стоит немного изменить программу и научить детей уважать и любить природу, тогда человечество сможет создать новую геосферу. Все накопленные веками знания о биосфере необходимо применить для ее дальнейшего развития, которое будет подразумевать союз природы и человека. Пока не поздно исправить нанесенный окружающей среде вред, люди должны задуматься о том, что «живая оболочка» Земли может самостоятельно восстановиться, но при этом она может ликвидировать объект, который наносит постоянный урон ее целостности и гармонии.

Введение

Учение о биосфере и ноосфере сложилось в результате проведенного В.И. Вернадским глубочайшего анализа всех явлений жизни в их взаимной связи между собою и с косным веществом планеты на всем пути их исторического развития. Академик Владимир Иванович Вернадский - великий русский ученый, естествоиспытатель и мыслитель, создатель новых научных дисциплин, учения о биосфере, учения о переходе биосферы в ноосферу. С именем В.И. Вернадского связано вхождение в науку революционных научных представлений, намного опередивших свое время и послуживших основой их плодотворного развития в наши дни. В 1945 году, незадолго до смерти, этот крупнейший ученый внес выдающийся вклад в развитие современной картины мира. В те годы его идеи о превращении биосферы Земли в сознательно организуемую и управляемую человеком ноосферу не были оценены по достоинству. Но со временем, когда предсказанные им явления стали нарастать с головокружительной быстротой, значение учения о ноосфере, об органическом единстве природы и общества, о том, что в условиях возросшего технологического могущества людей природа уже не может существовать и развиваться без сознательного управления ее жизнью со стороны человечества, стало очевидным.

Концепция биосферы - ноосферы представляет итог всего научного творчества ученого, его мировоззрение. Она служит научным фундаментом в разработке ряда современных глобальных проблем, и прежде всего проблем окружающей человека среды и разумного использования природных богатств биосферы. Особую ценность для философии представляет результат большой работы В.И. Вернадского по соотношению форм движения материи.

В учении о биосфере и ноосфере нашли отражение его мысли о воздействии высшей формы движения материи на низшие, о подчинении низших форм более развитым. Формы движения материи, по В.И. Вернадскому, неразрывно связаны с пространством, временем и налагают свой отпечаток на эти коренные условия бытия. Благодаря работам В.И. Вернадского и дальнейшим исследованиям поставленных им вопросов сегодня каждый ученый, вооруженный геохимическими и космохимическими знаниями, видит эволюцию Земли и Космоса, как исторический процесс развития, который охватывает во взаимосвязи все явления живой и неживой природы. При совместном их рассмотрении возникает особая позиция естествоиспытателя в отношении развития явлений жизни. В.И. Вернадский дал миру своеобразное философское направление общечеловеческого значения: активно-эволюционную, ноосферную, космическую мысль. Выбор данной темы обусловлен тем, что меня заинтересовала происходящая в наши дни перестройка картины мира, которая отвечает реально происходящим в мире изменениям.

Учение о биосфере

Учение о биосфере Земли является одним из крупнейших и наиболее интересных обобщений ученого в области естествознания. Вернадский В.И. был человеком тонким в вопросах научной этики. Поэтому в своих работах он указывает, что термин «биосфера» принадлежит не ему, а впервые был употреблен в начале 19 века Жаном Батистом Ламарком, а определенный геологический смысл вложил в него в 1875 году австралийский ученый Эдуард Зюсс. Но связанное с этим термином законченное учение создал именно В.И. Вернадский, вложив в это термин совершенно иной, гораздо более глубокий смысл. Учение о биосфере созданное В.И. Вернадским в 1926 году, рассматривает «живые организмы» как нечто целое и единое», «как живое вещество, то есть совокупность всех живых организмов в данный момент существующих, численно выраженное в элементарном химическом составе, в весе энергии». Для совокупности населяющих Землю организмов ввел термин «живое вещество», а биосферой стал называть всю ту среду, в которой это живое вещество находится, то есть всю водную оболочку Земли, поскольку живые организмы существуют и на самых больших глубинах Мирового океана, нижнюю часть атмосферы, в которой летают насекомые, птицы, живут люди, а также верхнюю часть твердой оболочки Земли - литосферы, в которых живые бактерии в поземных водах встречаются до глубины порядка двух километров, а человек своими шахтами проник до еще больших глубин. В.И. Вернадский определяет биосферу как одну из геосфер, которая коренным и необратимым образом изменена под влиянием живых существ их современной и ранее протекавшей жизнедеятельности. По Вернадскому к биосфере относятся нижние слои стратосферы, вся тропосфера, верхняя часть литосферы, сложенная осадочными породами и гидросфера. Над земной поверхностью биосфера поднимается до высоты примерно 23 км, а ниже поверхности простирается до глубины 12 км. В различных слоях стратосферы находятся более или менее мощные отложения углей, нефти и газа.

В растительном происхождении углей никто не сомневается, однако в отношении нефти и подземного газа есть расхождения; некоторые геологи не считают их органическими по своему происхождению. В.И. Вернадский считал и нефть, и подземные газы результатом жизнедеятельности живых компонентов биосферы. В последнее десятилетие при изучении нефти было выяснено, что в нефти существуют некоторые живые бактерии, таким образом, жизнь проникает в более или менее глубокие слои стратосферы.

Таким образом, понятие биосферы очень объемно в смысле радиальных размеров этой оболочки, очень глубоко в отношении понимания роли жизни во всех частях биосферы в ее широком понимании, а также исторично, так как стратосфера может рассматриваться как результат развития биосферы в течение всего геологического времени. Каждый живой организм в биосфере - природный объект - есть живое природное тело. Живое вещество биосферы есть совокупность живых организмов в ней живущих. В биосфере существует «пленка жизни», в которой концентрация живого вещества максимальна. Это поверхность суши, почвы и верхние слои вод Мирового океана.

Кверху и книзу от нее количество живого вещества в биосфере Земли резко убывает. Много внимания в своих работах по биосфере В.И. Вернадский уделял зеленому живому веществу растений, потому что только оно автотрофное, только оно способно захватывать лучистую энергию Солнца и с ее помощью создавать первичные органические соединения. Рассмотрев объем и энергетические коэффициенты различных групп растительности, В.И. Вернадский пришел к выводу, что «зеленые просторы океана являются главными трансформаторами солнечной энергии нашей планеты». Значительная часть энергии «живого вещества» идет на образование в пределах биосферы новых вадозных минералов, вне биосферы не известных, а часть захоронятся в виде самого органического вещества, образуя в конечном счете залежи бурых и каменных углей, горючих сланцев, нефти и газа. «Мы имеем здесь дело, пишет В.И. Вернадский, - с новым процессом - с медленным проникновением внутрь планеты лучистой энергии Солнца, достигшей поверхности Земли. Этим путем «живое вещество» меняет биосферу и земную кору. Оно непрерывно оставляет в ней часть прошедших через него химических элементов, создавая огромные толщи неведомых, помимо его, вадозных минералов или пронизывая тончайшей пылью своих остатков косную материю биосферы».

В.И. Вернадский считал, что земная кора представляет собой в основном остатки былых биосфер, и даже ее гранитно-гнейсовый слой образовался в результате метаморфизма и переплавления пород, некогда возникших под влиянием живого вещества. Лишь базальты и другие основные магматические породы он считал глубинными, не связанными по своему генезису с биосферой. Много уделено внимания формам нахождения в биосфере различных химических элементов, делению «живого вещества» биосферы по источникам питания организмов на авто - гетеро и микотрофное, излучению поля устойчивости жизни или пределов жизни, особенностям жизни в гидросфере и на суше, геохимическим циклам сгущений жизни и живых пленок гидросферы. Именно геологический и космический ракурсы рассмотрения роли живого вещества на планете привели В.И. Вернадского к выводу об огромной мощности биосферы (в несколько километров) и разнородности ее состава.

Пределы биосферы

Биосфера - это организованная, определенная оболочка земной коры, сопряженная жизнью. Пределы биосферы обусловлены, прежде всего, полем существования жизни. Из этих определений вытекают несколько совершенно конкретных понятий, раскрывающих сущность биосферы.

1. Биосфера - не просто одна из существующих оболочек Земли, подобно литосфере, гидросфере, атмосфере. В.И. Вернадский предельно лаконично указывает ее основное отличие - это организованная оболочка. И чтобы понять суть биосферы, нужно понять, как и кем, она организована, в чем состоит организованность биосферы.

2. Биосфера имеет определенные пределы; то есть некоторые конечные размеры, в рамках которых она может быть выделена и научно изучена. Следовательно, выявив главную движущую силу развития биосферы - живое вещество, - необходимо установить те пространственные и временные ограничения (пределы), которые накладываются на деятельность живого вещества.

3. Пределы биосферы связываются с полем существования живого. Но любое поле может сохраняться и поддерживаться лишь при условии сохранения определенных физических или химических параметров, показателей его состояния.

Значит должны быть установлены некоторые необходимые и достаточные параметры для физического сохранения «полей жизни» в биосфере и самой биосферы. На протяжении миллиарда лет существования биосферы организованность создается и сохраняется деятельностью живого вещества - совокупности всех живых организмов. Форма же деятельности живого, его биогеохимическая работа в биосфере, заключается в осуществлении необратимых и незамкнутых круговоротов вещества и потоков энергии между основными структурными компонентами биосферной целостности: горными породами, природными водами, газами, почвами, растительностью, животными, микроорганизмами. Этот непрерывающийся процесс круговоротного движения составляет один из краеугольных камней учения о биосфере и носит название биохимической цикличности. Изучение биохимических циклов как незамкнутых круговоротов помогает более глубоко проникнуть в суть процессов организованности биосферной оболочки. Каждое последующее состояние биосферы не повторяет предшествующее. Вовлечение в миграционные циклы приводит к непрерывному обновлению биосферы, способствует ее прогрессивному эволюционному развитию, усложнению живого вещества, возрастанию многообразия живых организмов. Вопрос о пределах биосферы В.И. Вернадским связывается с сохранением пределов жизни.

Представления о них претерпевают коренные изменения буквально с каждым новым днем развития науки. Еще вчера мы были убеждены, что температура кипения в 100 С невозможна для жизни какого - либо живого существа. Сегодня же впечатляют все новые открытия мира термофильных организмов, обнаруженных в вулканических жерлах, гейзерах и подводных изменениях, для некоторых из них стоградусная температура «холодновата» для нормального деления клеток (размножения), они живут и при температуре +250С. Есть сведения о возможности перенесения бактериями температуры абсолютного нуля (-273 С). Велика пластичность жизни, но все же пределы ее объективно существуют, и они определяют пределы развития биосферы, ее структуру и функции.

Верхняя граница биосферы охватывает всю тропосферу и ограничивается озоновым слоем (23-25км), который своеобразным экраном защищает все живое от губительного воздействия ультрафиолетовой радиации. Нижняя граница очень изрезана; биосфера включает всю гидросферу суши и Мировой океан, на материках проникает в среднем в земную кору до глубин 16 км. Здесь она сопрягается с областью “былых биосфер”, - так В.И. Вернадский назвал сохранившиеся остатки биосферы прошлых геологических периодов.

Это накопление известняков, углей, горючих сланцев, остаточных горных пород. Былые биосферы - документированное доказательство геологически вечного развития биосферы. В большом геологическом цикле движения вещества ископаемые остатки биосфер прошлого выходят на дневную поверхность, разрушаются, захватываются живыми организмами в новые биогенные циклы круговорота, затем снова выходят из него и опускаются в глубокие горизонты земной коры, где подвергаются метаморфизации, переплавке, и где отдают запасенную в них солнечную энергию. Так длится миллиарды лет, сколько существует биосфера. Возраст биосферы приближается к геологическому возрасту Земли как планы Солнечной системы.

0

Биосфера (от греч. bios - жизнь) - поверхностный слой земли, населенный живыми организмами и изменяемый их деятельностью. Биосфера представляет собой единую термодинамическую оболочку, в которой сосредоточена жизнь и происходит постоянное взаимодействие между живыми организмами и неорганическими ресурсами планеты. Биосфера включает в себя нижнюю часть атмосферы, гидросферу и верхнюю часть литосферы вместе с живыми организмами. Биосфера является синонимом понятия природной среды. Термин «биосфера» ввел австрийский геолог Э. Зюсс в 1873 г.

Создателем учения о биосфере и ее эволюции является В. И. Вернадский (1863-1945) - основатель геохимии и биогеохимии. Он же выдвинул теорию о мощном воздействии на окружающую среду человека и о преобразовании современной биосферы в ноосферу (сферу разума). По выражению В. И. Вернадского, «живая природа является основной чертой проявления биосферы, она резко отличает ее тем самым от других земных оболочек. Строение биосферы прежде всего и больше всего характеризуется жизнью». Учение Вернадского знаменует собой принципиально новый подход к изучению планеты как развивающейся саморегулирующейся системы. Будучи основоположником геохимии, В. И. Вернадский провел первые исследования закономерностей строения и состава взаимодействующих элементов и структур земной коры, гидросферы и атмосферы, исследовал миграцию химических элементов в литосфере. В 1923 г. им сформулирована теория о ведущей роли живых организмов в геохимических процессах; в 1926 г. - концепция и определение биосферы и живого вещества. В. И. Вернадским создано учение, согласно которому живое вещество, трансформируя солнечное излучение, вовлекает неорганическую материю в непрерывный круговорот - это центральная концепция биогеохимии.

Сама планета Земля имеет неоднородное строение и состоит из концентрических оболочек (геосфер). К внешним оболочкам относится литосфера, гидросфера и атмосфера, к внутренним - земная мантия и ядро.

Геосферы имеют свои специфические особенности:

Агрегатная неоднородность - сферы отличаются агрегатным состоянием: твердое, жидкое, газообразное. Но в результате обменного процесса идет взаимодействие сфер. Каждый год около 519 10 3 м 3 воды испаряется с поверхности водоемов, а в результате дождей и туманов приблизительно то же количество выпадает на землю, изменяя влажность атмосферы и литосферы;

Пространственная неоднородность - неравномерность распределения органического и минерального вещества. Основная часть веществ содержится в литосфере и гидросфере, а малая - в атмосфере;

Энергетическая неоднородность - неравномерное распределение по земной поверхности солнечной энергии (тепла и света).

Связующим фактором между различными оболочками геосферы являются обменные процессы, в преобразовании геосфер большую роль играют обменные процессы, которые происходят за счет биоты - около 90 % всего вещества в верхних слоях литосферы преобразовано живыми организмами. Согласно В. И. Вернадскому вещество биосферы состоит из:

Живого вещества - биомассы современных живых организмов;

Биогенного вещества - всех форм детрита, а также торфа, угля, нефти и газа биогенного происхождения;

Биокосного вещества - смесей биогенных веществ с минеральными породами небиогенного происхождения (почва, илы, вода, газо- и нефтеносные сланцы, битуминозные пески, часть осадочных карбонатов);

Косного вещества - горных пород, минералов, осадков, не затронутых прямым биогеохимическим воздействием организмов.

Биокосное вещество - это вещество, имеющее минеральную основу, которое коренным образом преобразовано жизнедеятельностью живых организмов. Это прежде всего почвенный покров, плодородие которого зависит от содержания органического вещества, а также от содержания кислорода и воды. За миллионы лет своего существования биосфера прошла сложный путь эволюционного развития. Первым этапом эволюции явилось возникновение жизни из неживой материи, что стало возможным за счет появления простых органических соединений под воздействием внешних абиотических факторов - высокой температуры, ультрафиолетового излучения, вулканической деятельности. Вторым этапом эволюции жизни можно назвать синтез и распад органических соединений, когда продукты распада одних соединений служат материалом для построения других.

Совокупность всех живых организмов Земли В. И. Вернадский предложил называть «живым веществом», а количество живых организмов, выраженное в массе, отнесенной к единице площади или объема, - биомассой. Живое вещество В. И. Вернадский считал носителем энергии в биосфере и главнейшей преобразующей силой Земли. В настоящее время существует более 2 млн видов живых организмов.

Многообразны функции живого вещества в биосфере:

Газообмен, который привел к созданию атмосферы и связан с поглощением и выделением кислорода, углекислого газа, аммиака, водяного пара и др.;

Окислительный процесс, являющийся частью газообмена;

Восстановительный процесс, являющийся результатом деятельности низших организмов, преобразующих органику в неорганику;

Концентрационный процесс, заключающийся в извлечении рассеянных веществ из окружающей среды и накоплении их в небольшом объеме.

Современные исследования внесли поправку в представление о структуре биосферы. Показано, что в понятие «биосфера» следует включать только те элементы и характеристики, которые находятся под контролем биоты, и не следует включать компоненты природы, относящиеся к геологическому прошлому. Таким образом, к биосфере относятся вся совокупность живых организмов и все вещества, которые находятся под контролем потребления, трансформации и продуцирования живыми организмами.

Для понимания той роли, которую играет живое вещество в биосфере, очень важными являются три основных биогеохими-ческих принципа В. И. Вернадского:

Принцип I: биогенная миграция атомов химических элементов в биосфере всегда стремится к максимальному своему проявлению. Прогрессивная эволюция любой экосистемы ведет к увеличению суммарного потока энергии через нее. Эта закономерность проявляется в способности живого к распространению, развитию;

Принцип II: эволюция видов в ходе геологического времени, приводящая к созданию устойчивых в биосфере форм жизни, идет в направлении, усиливающем биогенную миграцию атомов. Согласно этому принципу преимущества в ходе эволюции получают те организмы, которые приобрели способность усваивать новые формы энергии или «научились» полнее использовать химическую энергию, запасенную в других организмах;

Принцип III: живое вещество находится в непрерывном химическом обмене с космической средой, его окружающей, и создается и поддерживается на нашей планете космической энергией Солнца. Этот принцип очень важен для понимания тех процессов, которые обычно называют самоорганизацией биологических структур.

Основные идеи учения В. И. Вернадского об эволюции биосферы можно выразить следующим образом:

Сначала сформировалась литосфера, затем появились живые организмы и, как следствие их взаимодействия, образовалась биосфера;

В течение всей геологической истории Земли никогда не наблюдались геологические эпохи, лишенные проявлений жизни. Следовательно, современное живое вещество генетически связано с живым веществом прошлых геологических эпох;

Живые организмы являются главным фактором миграции атомов химических элементов в литосфере;

Геологический эффект деятельности живых организмов обусловлен тем, что их количество бесконечно велико и действуют они в течение бесконечно большого промежутка времени;

Основным движущим фактором развития процессов в биосфере является биохимическая энергия живого вещества.

Для обеспечения биотической регуляции окружающей среды необходимо не превышать определенные пороговые нагрузки на биосферу. В то же время культурные растения, домашние животные, интенсивно эксплуатируемые человеком сельскохозяйственные угодья и леса утратили способность к биологической регуляции. На сегодня биомасса человека, культурных растений и домашних животных составляет приблизительно около 20 % биомассы всех естественных видов. Антропогенное возмущение биосферы может привести к полной потере естественной биотической регуляции, и тогда потребуется создание техногенной системы управления окружающей средой в глобальном масштабе. Выполнение такой задачи невозможно, так как человечество не в состоянии обеспечить переработку потоков информации такого объема, которой исходит от биоты, потому что, например, каждый квадратный сантиметр поверхности земли обусловлен деятельностью сотен живых организмов, в клетках которых также происходит трансформация вещества, энергии и информации. Основная проблема современности - не допустить, чтобы изменения, происходящие в биосфере, происходили во вред человечеству. По выражению академика В. И. Вернадского, «человек становится крупнейшей геологической силой, меняющей облик нашей планеты».

Устойчивость биосферы зависит от многих факторов, суть которых состоит в следующем:

Биосфера использует внешние источники энергии - солнечную энергию и энергию недр Земли для биогеохимиче-ских процессов. В результате эволюционного развития сложился тепловой баланс на планете;

Биосфера использует вещества через систему круговоротов. Биогеохимические циклы отработаны эволюционно и не приводят к накоплению вредных отходов;

В биосфере существует огромное разнообразие видов и биологических сообществ. Видовое разнообразие - это фактор, повышающий устойчивость экосистемы к воздействию внешних факторов;

Биосфера постоянно приспосабливается к непрерывно изменяющимся условиям;

В биосфере происходит саморегуляция численности популяции, которая зависит от факторов природной среды.

Атмосфера - газообразная оболочка планеты, состоящая из смеси различных газов, водяных паров и пыли. Земля, получая космическую пыль и метеоритный материал, теряет самые легкие газы: водород и гелий. Атмосфера Земли насквозь пронизывается мощной радиацией Солнца, определяющей тепловой режим поверхности планеты, вызывающей диссоциацию молекул атмосферных газов и ионизацию атомов.

Атмосферу делят на тропосферу (до 15 км), стратосферу (мезосферу) (15-80 км), термосферу (80-300 км), экзосферу (более 300 км). Обширная часть разреженной верхней атмосферы состоит преимущественно из ионов. Эта область обозначается как ионосфера (80-1200 км). Большая часть массы атмосферы имеет относительно однородный азотно-кислородный состав. В тропосфере во взвешенном состоянии присутствуют также твердые и жидкие частицы, которые, как правило, называют аэрозолями. Главными составными частями атмосферы являются азот, кислород, аргон и углекислый газ.

Гидросфера - совокупность всех вод Земли: материковых (глубинных, почвенных, поверхностных), океанических, атмосферных. Как особая водная оболочка Земли здесь рассматриваются лишь воды, находящиеся на поверхности планеты, - материковые и океанические.

Вследствие высокой подвижности воды проникают повсеместно в различные природные образования. Они находятся в виде паров и облаков в земной атмосфере, формируют океаны и моря, существуют в замороженном состоянии в высокогорных районах континентов, в виде мощных ледниковых панцирей покрывают полярные участки суши. Атмосферные осадки проникают в толщи осадочных пород, образуя подземные воды. Вода способна растворять в себе многие вещества, в связи с этим воды гидросферы можно рассматривать в качестве естественных растворов разной степени концентрации.

Рис. 1. Факторы устойчивости биосферы

Рис 2. Структура биосфера

Гидросфера находится в тесной связи с литосферой (подземные воды), атмосферой (парообразная влага) и живым веществом биосферы, в которое она входит в качестве обязательного компонента.

Большая часть массы природных вод (94 %) - это воды Мирового океана.

Литосфера - верхняя твердая оболочка Земли, постепенно переходящая с глубиной в сферы с меньшей прочностью вещества, включает земную кору и верхнюю мантию Земли. Мощность литосферы 50... 100 км, в том числе земной коры - до 75 км на континентах и 10 км подо дном океана.

Химический состав земной коры в основном представлен восемью элементами: кислород, кремний, алюминий, железо, кальций, магний, натрий, калий.

Земная кора сложена горными породами различного типа и происхождения. На осадочные породы приходится 9, 2 %, на метаморфические - 20 %, на магматические - 70, 8 %.

Поверхность континентов на 80 % занята породами осадочными, а океаническое дно - почти полностью свежими осадками как продуктами сноса материала континентов и деятельности морских организмов.

Континентальная часть земной коры в течение длительной геологической истории находилась в ту или другую эпоху в области биосферы, что наложило свой отпечаток на облик, состав и распространенность осадочных горных пород и сосредоточенных в них месторождений полезных ископаемых в виде нефти, угля, горючих сланцев, кремнистых и карбонатных пород, связанных в прошлом с деятельностью организмов. Поэтому континентальная земная кора имела и имеет прямое и косвенное отношение к биосфере.

«С появлением на нашей планете одаренного разумом живого существа, - писал В. И. Вернадский, - планета переходит в новую стадию своей истории. Биосфера переходит в ноосферу».

Ноосфера - новое эволюционное состояние биосферы, при котором разумная деятельность человека становится решающим фактором ее развития. Ноосфера представляет собой целостную планетную оболочку Земли, населенную людьми и рационально преобразуемую ими в соответствии с законами сохранения и поддержания жизни для гармоничного сосуществования общества и окружающей природной среды. В. И. Вернадский считал, что с появлением человека и развитием производственной деятельности к человечеству начинает переходить роль основного геологического фактора и ответственность за все происходящие на планете изменения. По его мнению, развитие ноосферы предполагает гармоничное сочетание не только природных и социальных явлений, но, прежде всего, достижение гармоничных отношений между самими людьми на основе идеалов равенства, добра и справедливости. В результате производственной деятельности людей возникли сложные структуры взаимодействия технических и природных комплексов, называемых природно-техническими геосистемами. Это специфические образования, распространение которых ныне во многом определяет сущность географической оболочки Земли.

Для ноосферы характерна тесная взаимосвязь законов природы с социально-экономическими законами и законами развития человеческого сообщества. Гармония между техногенной деятельностью человека и природой возможна только при выполнении следующих условий:

Перспективное планирование и рациональное использование природных ресурсов на планете;

Высокий уровень развития техники и энергетики с учетом отдаленных результатов;

Разработка и использование только экологически дружественных материалов, продукции, технологий с учетом жизненного цикла;

Максимальное использование вторичных материальных и энергетических ресурсов;

Контролирование численности человечества;

Формирование обоснованных потребностей человека;

Воспитание человека и ограничение необоснованных потребностей;

Преодоление экономической, политической и национальной разобщенности людей;

Осуществление глобального мониторинга за состоянием природной среды и др.

Учение о ноосфере - это не только научная позиция, научная теория, это и предостережение человечеству. Поскольку в первую очередь человечество определяет дальнейший ход развития биосферы, само является ее частью и вне ее (во всяком случае, при нынешнем уровне техники и технологии) существовать не может, постольку общество с необходимостью должно принять на себя ответственность за последующую эволюцию биосферы.

Серьезным шагом в направлении перехода к ноосфере является принятие концепции устойчивого развития. Устранение возникших противоречий между обществом и природой без потери качества жизни людей возможно только в рамках стабильного социально-экономического развития, не разрушающего естественный биотический механизм саморегуляции. Такое развитие в докладе «Всемирная стратегия охраны природы», подготовленном Международным союзом охраны природы и природных ресурсов (1980 г.), получило название «sustainable development», переведенное на русский язык как «устойчивое развитие». В широком смысле устойчивое развитие понимается как процесс, соответствующий новому типу функционирования общества, с экономическими, социальными, экологическими, культурными параметрами, радикально отличными от сложившихся в рамках антропоцентрической экологии. Устойчивое развитие невозможно без оптимизации управления состоянием окружающей среды.

Используемая литература: Графкина М. В., Михайлов В. Л., Иванов К. С.
Экология и экологическая безопасность автомобиля: учебник / М. В. Графкина, В. А. Михайлов, К. С. Иванов. - М. :
ФОРУМ, 2009. - 320 с. - (Высшее образование).

Скачать реферат: У вас нет доступа к скачиванию файлов с нашего сервера.

Одним из выдающихся естествоиспытателей, посвятивших себя изучению процессов, протекающих в биосфере, был академик Владимир Иванович Вернадский (1864-1945). Он является основоположником научного направления, названного им биогеохимией , которое легло в основу современного учения о биосфере.

Исследования В.И. Вернадского привели к осознанию роли жизни и живого вещества в геологических процессах. Облик Земли, ее атмосфера, осадочные породы, ландшафты — все это результат жизнедеятельности живых организмов. Особую роль в становлении лика нашей планеты Вернадский отводил человеку. Он представил деятельность человечества как стихийный природный процесс, истоки которого теряются в глубинах истории.

Будучи выдающимся теоретиком, В.И. Вернадский стоял у истоков таких новых и общепризнанных ныне наук, как радиогеология, биогеохимия, учение о биосфере и ноосфере, науковедение.

В 1926 г. В.И. Вернадский опубликовал книгу «Биосфера», которая ознаменовала собой рождение новой науки о природе и взаимосвязи с ней человека. Биосфера впервые показана как единая динамическая система, населенная и управляемая жизнью, живым веществом планеты: «Биосфера — организованная, определенная оболочка земной коры, сопряженная с жизнью». Ученый установил, что взаимодействие живого вещества с веществом косным есть часть большого механизма земной коры, благодаря которому происходят разнообразные геохимические и биогенные процессы, миграции атомов, осуществляется их участие в геологических и биологических циклах.

В.И. Вернадский подчеркивал, что биосфера является результатом геологического и биологического развития и взаимодействия косного и биогенного вещества. С одной стороны, это среда жизни, а с другой — результат жизнедеятельности. Специфика современной биосферы — это четко направленные потоки энергии и биогенный (связанный с деятельностью живых существ) круговорот веществ. Вернадский впервые показал, что химическое состояние наружной коры нашей планеты всецело находится под влиянием жизни и определяется живыми организмами, с деятельностью которых связан великий планетарный процесс — ми фация химических элементов в биосфере. Эволюция видов, приводящая к созданию форм жизни, устойчива в биосфере и должна идти в направлении увеличения биогенной миграции атомов.

В.И. Вернадский отмечал, что пределы биосферы обусловлены прежде всего полем существования жизни. На развитие жизни, а следовательно, на границы биосферы оказывают влияние многие факторы, и прежде всего наличие кислорода, углекислого газа, воды в ее жидкой фазе. Ограничивают область распространения жизни также слишком высокие или низкие температуры, элементы минерального питания. К ограничивающим факторам можно отнести и сверхсоленую среду (превышение концентрации солей в морской воде примерно в 10 раз). Лишены жизни подземные воды с концентрацией солей свыше 270 г/л.

Согласно представлениям Вернадского, биосфера состоит из нескольких разнородных компонентов. Главный и основной — это живое вещество, совокупность всех живых организмов, населяющих Землю. В процессе жизнедеятельности живые организмы взаимодействуют с неживым (абиогенным) - косным веществом. Такое вещество образуется в результате процессов, в которых живые организмы не принимают участия, например, изверженные горные породы. Следующий компонент - биогенное вещество, создаваемое и перерабатываемое живыми организмами (газы атмосферы, каменный уголь, нефть, торф, известняк, мел, лесная подстилка, почвенный гумус и т.д.). Еше одно составляющее биосферы - биокосное вещество — результат совместной деятельности живых организмов (вода, почва, кора выветривания, осадочные породы, глинистые материалы) и косных (абиогенных) процессов.

Косное вещество резко преобладает по массе и объему. Живое вещество по массе составляет ничтожную часть нашей планеты: примерно 0,25 % биосферы. Причем «масса живого вещества остается в основном постоянной и определяется лучистой солнечной энергией заселения планеты». В настоящее время этот вывод Вернадского называется законом константности.

В.И. Вернадский сформулировал пять постулатов, относящихся к функции биосферы.

Первый постулат: «С самого начала биосферы жизнь, в нее входящая, должна была быть уже сложным телом, а не однородным веществом, поскольку связанные с жизнью ее биогеохимические функции по разнообразию и сложности не могут быть уделом какой-нибудь одной формы жизни». Другими словами, первобытная биосфера изначально отличалась богатым функциональным разнообразием.

Второй постулат: «Организмы проявляются не единично, а в массовом эффекте... Первое появление жизни... должно было произойти не в виде появления одного какого-нибудь вида организмов, а их совокупности, отвечающей геохимической функции жизни. Должны были сразу появиться биоценозы».

Третий постулат: «В общем монолите жизни, как бы ни менялись его составные части, их химические функции не могли быть затронуты морфологическим изменением». То есть первичная биосфера была представлена «совокупностями» организмов типа биоценозов, которые и были главной «действующей силой» геохимических преобразований. Морфологические изменения «совокупностей» не отражались на «химических функциях» этих компонентов.

Четвертый постулат: «Живые организмы... своим дыханием, своим питанием, своим метаболизмом... непрерывной сменой поколений... порождают одно из грандиознейших планетных явлений... — миграцию химических элементов в биосфере», поэтому «на всем протяжении протекших миллионов лет мы видим образование тех же минералов, во все времена шли те же циклы химических элементов, какие мы видим и сейчас».

Пятый постулат: «Все без исключения функции живого вещества в биосфере могут быть исполнены простейшими одноклеточными организмами».

Разрабатывая учение о биосфере, В.И. Вернадский пришел к выводу, что главным трансформатором космической энергии является зеленое вещество растений. Только они способны поглощать энергию солнечного излучения и синтезировать первичные органические соединения.

Основные положения учения В.И. Вернадского о биосфере (1863-1945)

К понятию «» (без самого термина) еще в начале XIX в. подошел Ламарк. Позднее (1863 г.) французский исследователь Реют применил термин «биосфера» для обозначения области распространения жизни на земной поверхности. В 1875 г. австрийский геолог Зюсс назвал биосферой особую оболочку Земли, включающую совокупность всех организмов, противопоставив ее другим

земным оболочкам. Начиная с работ Зюсса, биосфера трактуется как совокупность населяющих Землю организмов.

Законченное учение о биосфере было создано нашим соотечественником академиком Владимиром Ивановичем Вернадским . Основные идеи В. И. Вернадского в учении о биосфере сложились в начале XX в. Он излагал их в лекциях в Париже. В 1926 г. его идеи о биосфере были сформулированы в книге «Биосфера», состоящей из двух очерков: «Биосфера и космос» и «Область жизни». Позднее эти же идеи были развиты в большой монографии «Химическое строение биосферы Земли и ее окружения», которая, к сожалению, была опубликована только через 20 лет после его смерти.

Прежде всего В.И. Вернадский определил пространство, которое охватывает биосфера Земли, — вся гидросфера до максимальных глубин океанов, верхняя часть литосферы материков до глубины около 3 км и нижняя часть атмосферы до верхней границы тропосферы. Он ввел в науку интегральное понятие живое вещество и стал называть биосферой область существования на Земле «живого вещества», представляющего собой сложную совокупность микроорганизмов, водорослей, грибов, растений и животных. По существу, речь идет о единой термодинамической оболочке (пространстве), в которой сосредоточена жизнь и
осуществляется постоянное взаимодействие всего живого с неорганическими условиями среды (пленка жизни). Он показал, что биосфера отличается от других сфер Земли тем, что внутри нее происходит геологическая деятельность всех живых организмов. Живые организмы, преобразуя солнечную энергию, являются мошной силой, влияющей на геологические процессы.

Специфическая черта биосферы как особой оболочки Земли — непрерывно происходящий в ней кругооборот веществ, регулируемый деятельностью живых организмов. По мнению В.И. Вернадского, в прошлом явно недооценивали вклад живых организмов в энергетику биосферы и их влияние на неживые тела. Хотя живое вещество по объему и массе составляет незначительную часть биосферы, но оно играет основную роль в геологических процессах, связанных с изменением облика нашей планеты.

Занимаясь созданной им наукой биохимией , изучающей распределение химических элементов по поверхности планеты, В.И. Вернадский пришел к выводу, что нет практически ни одного элемента из таблицы Менделеева, который не включался бы в живое вещество. Он сформулировал три важных биогеохимических принципа:

• Биогенная миграция химических элементов в биосфере всегда стремится к своему максимальному проявлению. Этот принцип в наши человеком дни нарушен.
• Эволюция видов в ходе геологического времени, приводящая к созданию устойчивых в биосфере форм жизни, происходит в направлении, усиливающем биогенную миграцию атомов.
• Живое вещество находится в непрерывном химическом обмене с окружающей его средой, создающейся и поддерживающейся на Земле космической энергией Солнца. Вследствие нарушения двух первых принципов космические воздействия из поддерживающих биосферу могут превратиться в разрушающие ее факторы.

Перечисленные геохимические принципы соотносятся со следующими важными выводами В.И. Вернадского: каждый организм может существовать только при условии постоянной тесной связи с другими организмами и неживой природой; жизнь со всеми ее проявлениями произвела глубокие изменения на нашей планете.

Исходной основой существования биосферы и происходящих в ней биохимических процессов является астрономическое положение нашей планеты и, в первую очередь, ее расстояние от Солнца и наклон земной оси к плоскости земной орбиты. Это пространственное расположение Земли определяет в основном климат Земли, а последний, в свою очередь, — жизненные циклы всех существующих на ней организмов. Солнце является основным источником энергии биосферы и регулятором всех геологических, химических и биологических процессов на Земле.

Живое вещество планеты Земля

Главная идея В.И. Вернадского заключается в том, что высшая фаза развития материи на Земле — жизнь — определяет и подчиняет себе другие планетарные процессы. По этому поводу он писал, что можно без преувеличения утверждать, что химическое состояние наружной коры нашей планеты, биосферы, всецело находится под влиянием жизни и определяется живыми организмами.

Если равномерно распределить все живые организмы на поверхности Земли, то они образуют пленку толщиной 5 мм. Несмотря на это, роль живого вещества в истории Земли не меньше роли геологических процессов. Вся масса живого вещества, которое было на Земле, например, в течение 1 млрд лет, уже превышает массу земной коры.

Количественной характеристикой живого вещества является суммарное количество биомассы. В.И. Вернадский, проведя анализы и расчеты, пришел к выводу, что количество биомассы составляет от 1000 до 10 ООО трлн т. Оказалось также, что поверхность Земли составляет несколько меньше 0,0001 % поверхности Солнца, но зеленая площадь ее трансформационного аппарата, т.е. поверхность листьев деревьев, стеблей трав и зеленых водорослей, дает числа совершенно иного порядка — в различные периоды года она колеблется от 0,86 до 4,20% поверхности Солнца, чем и объясняется большая суммарная энергия биосферы. В последние годы аналогичные подсчеты с применением новейшей аппаратуры провел красноярский биофизик И. Гительзон и подтвердил порядок цифр, более полувека назад определенный В.И. Вернадским.

Значительное место в работах В.И. Вернадского по биосфере отведено зеленому живому веществу растений, поскольку только оно автотрофно и способно аккумулировать лучистую энергию Солнца, образуя с ее помощью первичные органические соединения.

Значительная часть энергии живого вещества идет на образование в биосфере новых вадозных (неизвестных вне ее) минералов, а часть захороняется в виде органического вещества, образуя, в конечном счете, залежи бурого и каменного угля, горючих сланцев, нефти и газа. «Мы имеем здесь дело, — писал В.И. Вернадский, — с новым процессом, с медленным проникновением внутрь планеты лучистой энергии Солнца, достигшей поверхности Земли. Этим путем живое вещество меняет биосферу и земную кору. Оно непрерывно оставляет в ней часть прошедших через него химических элементов, создавая огромные толщи неведомых, помимо него, вадозных минералов или пронизывая тончайшей пылыо своих остатков косную материю биосферы».

По мнению ученого, земная кора представляет собой в основном остатки былых биосфер. Даже гранитно-гнейсовый ее слой образовался в результате метаморфизма и переплавления пород, возникших когда-то под воздействием живого вещества. Только базальты и другие основные магматические породы он считал глубинными и по своему генезису не связанными с биосферой.

В учении о биосфере понятие «живое вещество» является основополагающим. Живые организмы превращают космическую лучистую энергию в земную, химическую и создают бесконечное разнообразие нашего мира. Своим дыханием, питанием, метаболизмом, смертью и разложением, длящимся сотни миллионов лет, непрерывной сменой поколений они порождают существующий только в биосфере грандиознейший планетарный процесс — миграцию химических элементов.

Живое вещество, согласно теории В. И. Вернадского, — биогеохимический фактор планетарного масштаба, под воздействием которого преобразуется как окружающая абиотическая среда, так и сами живые организмы. Во всем пространстве биосферы происходит порожденное жизнью непрестанное перемещение молекул. Жизнь решающим образом воздействует на распределение, миграцию и рассеяние химических элементов, определяя судьбу азота, калия, кальция, кислорода, магния, стронция, углерода, фосфора, серы и других элементов.

Эпохи развития жизни: протерозой, палеозой, мезозой, кайнозой отражают не только формы жизни на Земле, но и ее геологическую летопись, ее планетарную судьбу.

В учение о биосфере органическое вещество наряду с энергией радиоактивного распада рассматривается как носитель свободной энергии. Жизнь же рассматривается не как механическая сумма индивидуумов или видов, а как по сути — единый процесс, охватывающий все вещество верхнего слоя планеты.

Живое вещество изменялось в течение всех геологических эпох и периодов. Следовательно, как отмечал В.И. Вернадский, современное живое вещество генетически связано с живым веществом всех прошлых геологических эпох. В то же время в рамках значительных геологических отрезков времени количество живого вещества не подвержено заметным изменениям. Эта закономерность была сформулирована ученым как константное количество живого вещества биосферы (для данного геологического периода).

Живое вещество выполняет в биосфере следующие биогеохимические функции: газовую — поглощает и выделяет газы; окислительно-восстановительную — окисляет, например, углеводы до углекислого газа и восстанавливает его до углеводов; концентрационную — организмы-концентраторы накапливают в своих телах и скелетах азот, фосфор, кремний, кальций, магний. В результате выполнения этих функций живое вещество биосферы из минеральной основы создает природные воды и почвы, оно создало в прошлом и поддерживает в состоянии равновесия атмосферу.

При участии живого вещества идет процесс выветривания, и горные породы включаются в геохимические процессы.

Газовая и окислительно-восстановительная функции живого вещества тесно связаны с процессами фотосинтеза и дыхания. В результате биосинтеза органических веществ автотрофными организмами было извлечено из древней атмосферы огромное количество углекислого газа. По мере увеличения биомассы зеленых растений изменился газовый состав атмосферы — уменьшилось содержание углекислого газа, и увеличилась концентрация кислорода. Весь кислород атмосферы образован в результате процессов жизнедеятельности автотрофных организмов. Живое вещество качественно изменило газовый состав атмосферы — геологической оболочки Земли. В свою очередь, кислород используется организмами для процесса дыхания, в результате чего в атмосферу вновь поступает углекислый газ.

Таким образом, живые организмы создали в прошлом и поддерживают миллионы лет атмосферу нашей планеты. Увеличение концентрации кислорода в атмосфере планеты повлияло на скорость и интенсивность окислительно-восстановительных реакций в литосфере.

Многие микроорганизмы непосредственно участвуют в окислении железа, что приводит к образованию осадочных железных руд, или к восстановлению сульфатов с образованием биогенных месторождений серы. Несмотря на то, что в состав живых организмов входят те же химические элементы, соединения которых образуют атмосферу, гидросферу и литосферу, организмы не повторяют полностью химический состав среды.

Живое вещество, активно выполняя концентрационную функцию, выбирает из среды обитания те химические элементы и в таком количестве, которое ему необходимо. Благодаря осуществлению концентрационной функции живые организмы создали многие осадочные породы, например, залежи мела и известняка.

В биосфере, как и в каждой экосистеме, постоянно осуществляется кругооборот химических элементов. Таким образом, живое вещество биосферы, выполняя геохимические функции, создает и поддерживает равновесие биосферы.

Эмпирические обобщения В.И. Вернадского

Первым выводом из учения о биосфере является принцип целостности биосферы. Строение Земли представляет собой согласованную систему. Живой мир — единая система, сцементированная множеством цепочек питания и иных взаимозависимостей. Если лаже небольшая часть ее погибнет, разрушится и все остальное.

Принцип гармонии биосферы и ее организованности. В биосфере «все учитывается и все приспособляется с той же точностью и с тем же подчинением мере и гармонии, какую мы видим в стройных движениях небесных светил и начинаем видеть в системах атомов веществ и атомов энергии».

Роль живого в эволюции Земли. Лик Земли фактически сформирован жизнью. «Все минералы верхних частей земной коры — свободные алюмокремниевые кислоты (глины), карбонаты (известняки и доломиты), гидраты окиси железа и алюминия (бурые железняки и бокситы) и многие сотни других — непрерывно создаются в ней только под влиянием жизни».

Космическая роль биосферы в трансформации энергии. В. И. Вернадский подчеркивал важное значение энергии и называл живые организмы механизмами превращения энергии.

Космическая энергия вызывает давление жизни, которое достигается размножением. Размножение организмов уменьшается по мере увеличения их количества. Размеры популяции возрастают до тех пор, пока среда может выдержать их дальнейшее увеличение, после чего достигается равновесие. Численность колеблется вблизи равновесного уровня.

Растекание жизни есть проявление ее геохимической энергии. Живое вещество, подобно газу, растекается по земной поверхности в соответствии с правилом инерции. Мелкие организмы размножаются гораздо быстрее, чем крупные. Скорость передачи жизни зависит от плотности живого вещества.

Понятие автотрофности. Автотрофными называются организмы, которые берут все нужные им для жизни химические элементы из окружающей их костной материи и не требуют для построения своего тела готовых соединений другого организма. Поле существования этих автотрофных зеленых организмов определяется областью проникновения солнечных лучей.

Жизнь целиком определяется полем устойчивости зеленой растительности, а пределы жизни — физико-химическими свойствами соединений, строящих организм, их нерушимостью в определенных условиях среды. Максимальное поле жизни определяется крайними пределами выживания организма. Верхний предел жизни обусловливается лучистой энергией, присутствие которой исключает жизнь и от которой предохраняет озоновый щит. Нижний предел связан с достижением высокой температуры.

Биосфера в основных своих чертах представляет один и тот же химический аппарат с самых древних геологических периодов. Жизнь оставалась в течение геологического времени постоянной, менялась только ее форма. Само живое вещество не является случайным созданием.

«Всюдность» жизни в биосфере. Жизнь постепенно, медленно приспосабливаясь, захватила биосферу, и захват этот не закончился. Поле устойчивости жизни есть результат ее приспособленности в ходе времени.

Закон бережливости в использовании живым веществом простых химических тел. Раз вошедший элемент проходит длинный ряд состояний, и организм вводит в себя только необходимое количество элементов.

Постоянство количества живого вещества в биосфере. Количество свободного кислорода в атмосфере того же порядка, что и количество живого вещества. Живое вещество является посредником между Солнцем и Землей и, стало быть, либо его количество должно быть постоянным, либо должны меняться его энергетические характеристики.

Всякая система достигает устойчивого равновесия, когда ее свободная энергия равняется или приближается к нулю, т.е. когда вся возможная в условиях системы работа произведена.

В. И. Вернадский сформулировал идею автотрофности человека , которая приобрела важное значение в рамках обсуждения проблемы создания искусственных экосистем в космических кораблях. Создание таких искусственных экосистем явится важным этапом развития экологии. В их построении соединяется инженерная цель — создание нового — и экологическая направленность на сохранение имеющегося, творческий подход и разумный консерватизм. Это и будет осуществлением принципа «проектирования вместе с природой».

Пока искусственная экосистема представляет собой очень сложное и громоздкое построение. То, что в природе функционирует само собой, человек может воспроизвести только ценой больших усилий. Но ему придется это делать, если он хочет освоить космос и совершать длительные полеты. Необходимость создания искусственной экосистемы в космических кораблях поможет лучше понять экосистемы естественные.