Концепция живого вещества и его глобальная роль в биосфере

Перед естествоиспытателями возникает задача - конкретно исследовать, каким образом и в какой мере живое вещество влияет на физико-химические и геологические процессы, происходящие на поверхности Земли и в земной коре. Только подобный подход может дать ясное и глубокое представление о концепции биосферы. Такую задачу как раз и поставил перед собой выдающийся российский ученый Владимир Иванович Вернадский (1863 - 1945).

Центральным в этой концепции является понятие о живом веществе, которое В.И.Вернадский определяет как совокупность живых организмов. Кроме растений и животных, В.И.Вернадский включает сюда и человечество, влияние которого на геохимические процессы отличается от воздействия остальных живых существ, во-первых, своей интенсивностью, увеличивающейся с ходом геологического времени; во-вторых, тем воздействием, какое деятельность людей оказывает на остальное живое вещество.

Это воздействие сказывается, прежде всего, в создании многочисленных новых видов культурных растений и домашних животных. Такие виды не существовали раньше и без помощи человека либо погибают, либо превращаются в дикие породы. Поэтому Вернадский рассматривает геохимическую работу живого вещества в неразрывной связи животного, растительного царства и культурного человечества как работу единого целого.

Наибольшее развитие это понятие получило в трудах В.И. Вернадского. Под биосферой он понимал все пространство литосферы, гидросферы и атмосферы, где существует или когда-либо существовала жизнь, то есть где встречаются организмы или продукты их жизнедеятельности. Основные положения теории Вернадского:

• жизнь есть неизбежное следствие мирового эволюционного процесса, любые теории случайного зарождения жизни не выдерживают критики;

• 
  возникновение Земли как космического тела и появление на ней жизни произошло практически одновременно, следы жизни обнаруживаются в самых глубоких геологических слоях;
  
• 
  наша планета и космос есть единая система, в которой жизнь связывает все процессы в единое целое;
  
• 
  количество живого вещества на Земле является постоянной величиной, то есть во все времена с начала существования Земли в круговорот жизни было вовлечено то же количество вещества, что и сегодня;
  
• 
  жизнь является главной геологической силой на планете (не вулканизм и не процессы выветривания определяют лик планеты; ее ландшафты, химизм океана, структура атмосферы и т.п. - это порождение жизни);
  
• 
  человек есть неизбежное следствие эволюции планеты, на которого возложена определенная роль в ее жизни;
  
• 
  в настоящее время именно человек превращается в главную геологическую силу на планете;
  
• 
  однажды развитие биосферы и общества сделается неразрывным, и биосфера перейдет в новое состояние - ноосферу (сфера разума).
  

В. И. Вернадский рассматривал биосферу как область жизни, включающую наряду с организмами и среду их обитания. Он выделил в биосфере семь разных, но геологически взаимосвязанных типов веществ.

1. 
   Живое вещество — живые организмы, населяющие нашу планету.
   
2. 
   Косное вещество — неживые тела, образующиеся в результатепроцессов, не связанных с деятельностью живых организмов (породы магматического и метаморфического происхождения, некоторые осадочные породы).
   
3. 
   Биогенное вещество — неживые тела, образующиеся в результате жизнедеятельности живых организмов (некоторые осадочные породы: известняки, мел и др., а также нефть, газ, каменныйуголь, кислород атмосферы и др.).
   
4. 
   Биокосное вещество — биокосные тела, представляющие собой результат совместной деятельности живых организмов и геологических процессов (почвы, илы, кора выветривания и др.).
   
5. 
   Радиоактивное вещество — атомы радиоактивных элементов (например, уран (²³⁸U, ²³⁵U), торий (²³²Th), радий (²²⁶Ra) и радон (²²²Rn, ²²⁰Rn), калий (⁴⁰К), рубидий (⁸⁷Rb), кальций (⁴⁸Са), цирконий (⁹⁶Zr), тритий (³Н), бериллий (⁷Ве, ¹⁰Ве) и углерод (¹⁴С) и др.
   
6. 
   Рассеянные атомы — отдельные атомы элементов, встречающие ся в природе в рассеянном состоянии (в таком состоянии частосуществуют атомы микро- и ультромикроэлементов: Mn, Co, Zn, Си, Аи, Нд и др.)
   
7. 
   Вещество космического происхождения — вещество, поступающее на поверхность Земли из космоса (метеориты, космическая пыль).
   

Живое вещество биосферы обладает уникальными особенностями, обусловливающими его крайне высокую преобразующую деятельность (по Н.А. Воронкову, 1997).

Выделяют следующие основные геохимические функции живого вещества.

10. Биогеохимическая деятельность человека — превращение и перемещение веществ биосферы в результате человеческой деятельности для хозяйственных и бытовых нужд человека. Например, использование концентраторов углерода — нефти, угля, газа и др.

Таким образом, биосферу можно также определить как сложную динамическую систему, осуществляющую улавливание, накопление и перенос энергии путем обмена веществ между живым веществом и окружающей средой.

Свойства биосферы

Биосфера обладает рядом свойств.

Итак, что же ноосфера: утопия или реальная стратегия выживания? Труды Вернадского позволяют более обоснованно ответить на поставленный вопрос, поскольку в них указан ряд конкретных условий, необходимых для становления и существования ноосферы. Перечислим эти условия: -заселение человеком всей планеты;

-резкое преобразование средств связи и обмена между странами;

-усиление связей, в том числе политических, между всеми странами Земли;

-начало преобладания геологической роли человека над другими

геологическими процессами, протекающими в биосфере;

-расширение границ биосферы и выход в космос;

-открытие новых источников энергии;

-равенство людей всех рас и религий;

-увеличение роли народных масс в решении вопросов внешней и внутренней политики;

-свобода научной мысли и научного искания от давления религиозных, философских и политических построений и создание в государственном строе условий, благоприятных для свободной научной мысли;

-продуманная система народного образования и подъем благосостояния трудящихся. Создание реальной возможности не допустить недоедания и голода, нищеты и чрезвычайно ослабить болезни;

-разумное преобразование первичной природы Земли с целью сделать ее

способной удовлетворить все материальные, эстетические и духовные

потребности численно возрастающего населения;

-исключение войн из жизни общества.

Роль человеческого фактора в развитии биосферы.

тракт грунтоедов и илоедов

Центральной темой учения о ноосфере является единство биосферы и человечества. Вернадский в своих работах раскрывает корни этого единства, значение организованности биосферы в развитии человечества. Это позволяетпонять место и роль исторического развития человечества в эволюции биосферы, закономерности ее перехода в ноосферу.

Одной из ключевых идей, лежащих в основе теории Вернадского о ноосфере, является то, что человек не является самодостаточным живым существом, живущим отдельно по своим законам, он сосуществует внутри природы и является частью ее. Это единство обусловлено, прежде всего, функциональной неразрывностью окружающей среды и человека, которую пытался показать Вернадский как биогеохимик. Человечество само по себе есть природное явление и естественно, что влияние биосферы сказывается не только на среде жизни, но и на образе мысли.

Но не только природа оказывает влияние на человека, существует и обратная связь. Причем она не поверхностная, отражающая физическое влияние человека на окружающую среду, она гораздо глубже. Это доказывает тот факт, что в последнее время заметно активизировались планетарные геологические силы. "...мы все больше и ярче видим в действии окружающие нас геологические силы. Это совпало, едва ли случайно, с проникновением в научное сознание убеждения о геологическом значении Homo sapiens, с выявлением нового состояния биосферы — ноосферы — и является одной из форм ее выражения. Оно связано, конечно, прежде всего, с уточнением естественной научной работы и мысли в пределах биосферы, где живое вещество играет основную роль". Так, в последнее время резко меняется отражение живых существ на окружающей природе. Благодаря этому процесс эволюции переносится в область минералов. Резко меняются почвы, воды и воздух. То есть эволюция видов сама превратилась в геологический процесс, так как в процессе эволюции появилась новая геологическая сила. Вернадский писал: "Эволюция видов переходит в эволюцию биосферы".

Здесь естественно напрашивается вывод о том, что геологической силой является собственно вовсе не Homo Sapiens, а его разум, научная мысль социального человечества. В "Философских мыслях натуралиста" Вернадский писал: "Мы как раз переживаем ее яркое вхождение в геологическую историю планеты. В последние тысячелетия наблюдается интенсивный рост влияния одного видового живого вещества — цивилизованного человечества — на изменение биосферы. Под влиянием научной мысли и человеческого труда биосфера переходит в новое состояние — в ноосферу".

Мы являемся наблюдателями и исполнителями глубокого изменения биосферы. Причем перестройка окружающей среды научной человеческой мыслью посредством организованного труда вряд ли является стихийным процессом. Корни этого лежат в самой природе и были заложены еще миллионы лет назад в ходе естественного процесса эволюции. "Человек... составляет неизбежное проявление большого природного процесса, закономерно длящегося в течение, по крайней мере, двух миллиардов лет".

Отсюда, кстати, можно заключить, что высказывания о самоистреблении человечества, о крушении цивилизации не имеют под собой веских оснований. Было бы, по меньшей мере, странно, если бы научная мысль - порождение естественного геологического процесса противоречила бы самому процессу.

Мы стоим на пороге революционных изменений в окружающей среде: биосфера посредством переработки научной мыслью переходит в новое эволюционное состояние - ноосферу.

Заселяя все уголки нашей планеты, опираясь на государственно- организованную научную мысль и на ее порождение, технику, человек создал в биосфере новую биогенную силу, поддерживающую размножение и дальнейшее заселение различных частей биосферы. Причем вместе с расширением области жительства, человечество начинает представлять себя все более сплоченную массу, так как развивающие средства связи - средства передачи мысли окутывают весь Земной шар. "Этот процесс - полного заселения биосферы человеком - обусловлен ходом истории научной мысли, неразрывно связан со скоростью сношений, с успехами техники передвижения, с возможностью мгновенной передачи мысли, ее одновременного обсуждения всюду на планете".

При этом человек впервые реально понял, что он житель планеты и может и должен мыслить и действовать в новом аспекте, не только в аспекте отдельной личности, семьи или рода, государств или их союзов, но и в планетном аспекте. Он, как и все живое, может мыслить и действовать в планетном аспекте только в области жизни — в биосфере, в определенной земной оболочке, с которой он неразрывно, закономерно связан и уйти из которой он не может. Его существование есть ее функция. Он несет ее с собой всюду. И он ее неизбежно, закономерно, непрерывно изменяет. Похоже, что впервые мы находимся в условиях единого геологического исторического процесса, охватившего одновременно всю планету. XX век характерен тем, что любые происходящее на планете событие связываются в единое целое. И с каждым днем социальная, научная и культурная связанность человечества только усиливается и углубляется. "Увеличение вселенскости, спаянности всех человеческих обществ непрерывно растет и становится заметным в немногие годы чуть не ежегодно".

Результат всех вышеперечисленных изменений в биосфере планеты дал повод французскому геологу Тейяр де Шардену заключить, что биосфера в настоящий момент быстро геологически переходит в новое состояние - в ноосферу, то есть такое состояние, в котором человеческий разум и направляемая им работа представляют собой новую мощную геологическую силу. Это совпало, видимо не случайно, с тем моментом, когда человек заселил всю планету, все человечество экономически объединилось в единое целое, и научная мысль всего человечества слилась воедино, благодаря успехам в технике связи. Таким образом:

Человек, как он наблюдается в природе, как и все живые организмы, как всякое живое вещество, есть определенная функция биосферы, в определенном ее пространстве-времени;

Человек во всех его проявлениях представляет собой часть биосферы;Прорыв научной мысли подготовлен всем прошлым биосферы и имеет эволюционные корни. Ноосфера - это биосфера, переработанная научной мыслью, подготавливающейся всем прошлым планеты, а не кратковременное и переходящее геологическое явление.

Вернадский неоднократно отмечал, что "цивилизация "культурного человечества" — поскольку она является формой организации новой геологической силы, создавшейся в биосфере,— не может прерваться и уничтожиться, так как это есть большое природное явление, отвечающее исторически, вернее, геологически сложившейся организованности биосферы. Образуя ноосферу, она всеми корнями связывается с этой земной оболочкой, чего раньше в истории человечества в сколько-нибудь сравнимой мере не было".

Многое из того, о чем писал Вернадский, становится достоянием сегодняшнего дня. Современны и понятны нам его мысли о целостности, неделимости цивилизации, о единстве биосферы и человечества. Переломный момент в истории человечества, о чем сегодня говорят ученые, политики, публицисты, был увиден Вернадским.

Вернадский видел неизбежность ноосферы, подготавливаемой как эволюцией биосферы, так и историческим развитием человечества. С точки зрения ноосферного подхода по-иному видятся и современные болевые точки развития мировой цивилизации. Варварское отношение к биосфере, угроза мировой экологической катастрофы, производство средств массового уничтожения — все это должно иметь преходящее значение. Вопрос о коренном повороте к истокам жизни, к организованности биосферы в современных условиях должен звучать как набат, призыв к тому, чтобы мыслить и действовать, в биосферном - планетном аспекте.
Вопросы для самоконтроля

1. Кто является автором учения о биосфере

2. Что подразумевал под биосферой В.И. Вернадский

3. Каковы отличительные особенности биосферы от геологических сфер Земли

4. Какова мощность биосферы и чем обусловлены ее границы

5. Что такое живое вещество биосферы и каковы его функции

6. В чем заключается планетарная (геологическая) роль живого вещества
биосферы

7. Что является движущей силой глобальных биогеохимических циклов

8. Что собой представляет ноосфера
Рекомендуемая литература:
Основная

1. Вернадский В.И. «Философские мысли натуралиста», М., «Наука», 1988.

2. Вернадский В.И. «Живое вещество», М., «Наука», 1969 г.

3. Никаноров A.M., Хорунжая Т.А.. «Глобальная экология», М., ЗАО, «Книга сервис», 2003.

4. Новиков Ю.В. Экология, окружающая среда и человек. М., «ФАИР-ПРЕСС»,2003.

5. Колумбаева С.Ж., Бильдебаева P.M.

2. Глухов В.В., Лисочкина Т.В., Некрасова Т.П., Экономические основы экологии Санкт-Петербург « Специальная литература» 1997, с. 3-14.

3.Новиков Ю.В. Экология , окружающая среда и человек . Учебное пособие . Москва.1998.
Лекция 9
Тема. Биосфера и её устойчивость. Биосфера, её закономерности и современные проблемы.
Цель лекции – сформировать представление о структуре биосферы, роли живого вещества, эволюции биосферы и механизмах её устойчивого развития.
Ключевые слова – биосфера, ноосфера, живое вещество, геологический и геохимический фактор, глобальные экологические проблемы.
Вопросы

1 Круговорот веществ в биосфере. Глобальные биогеохимические циклы.

Основные биогеохимические законы В.И. Вернадского.

2 Современные проблемы биосферы.

В зависимости от движущей силы, с определенной долей условности, внутри круговорота веществ можно выделить геологический, био­логический и антропогенный круговороты. До возникновения человека на Земле осуществлялись только первые два.

Интенсивность биологического круговорота в первую очередь определяется температурой окружающей среды и количеством воды. Так, например, биологический круговорот интенсивнее протекает во влажных тропических лесах, чем в тундре. Кроме того, в тундре биологические процессы протекают только в теплое время года.

С появлением человека возник антропогенный круговорот или обмен веществ. Антропогенный круговорот (обмен) — круговорот (обмен) веществ, движущей силой которого является деятельность человека. В нем можно выделить две составляющие: биологическую, связанную с функционированием человека как живого организма, и техническую, связанную с хозяйственной деятельностью людей (техногенный круговорот (обмен)).

Геологический и биологический круговороты в значительной сте­пени замкнуты, чего нельзя сказать об антропогенном круговороте. Поэтому часто говорят не об антропогенном круговороте, а об антропогенном обмене веществ. Не замкнутость антропогенного круговорота веществ приводит к истощению природных ресурсов и загрязнению природной среды. Именно они и являются основной причиной всех экологических проблем человечества.

Круговороты воды, углерода, кислорода, азота, фосфора и серы

Круговороты наиболее значимых для живых организмов веществ и элементов предствалены на рис. 16—21. Круговорот воды относится к большому геологическому, а круговороты биогенных элементов (углерода, кислорода, азота, фосфора, серы и других биогенных элемен­тов) — к малому биогеохимическому.

Главным резервуаром биологически связанного углерода являются леса, они содержат до 500 млрд т этого элемента, что составляет 2/3 его запаса в атмосфере. Вмешательство человека в круговорот углерода (сжигание угля, нефти, газа, дегумификация) приводит к возрастанию содержания С0₂ в атмосфере и развитию парникового эффекта.

Рис. 17. Круговорот углерода в биосфере (Дювиньо, Ганг, 1968)

Установлено, что на промышленные и бытовые нужды ежегодно расходуется 23 % кислорода, который образуется в процессе фотосинтеза, и эта цифра постоянно возрастает.

Нитраты и нитриты хорошо растворимы в воде и могут мигрировать в подземные воды и растения и передаваться по пищевым цепям. Если их количество излишне велико, что часто наблюдается при неправильном применении азотных удобрений, то происходит загряз­нение вод и продуктов питания, и вызывает заболевания человека.

В наземных экосистемах растения извлекают фосфор из почвы (в основном в форме Р0₄³~) и включают его в состав органических соединений (белков, нуклеиновых кислот, фосфолипидов и др.) или оставляют в неорганической форме. Далее фосфор передается по це­пям питания. После отмирания живых организмов и с их выделениями фосфор возвращается в почву.

При неправильном применении фосфорных удобрений, водной и ветровой эрозии почв большие количества фосфора удаляются из почвы. С одной стороны, это приводят к перерасходу фосфорных удобрений и истощению запасов фосфорсодержащих руд (фосфоритов, апатитов и др.). С другой стороны, поступление из почвы в водоемы больших количеств таких биогенных элементов как фосфор, азот, сера и др. вызывает бурное развитие синезеленых водорослей и других водных растений («цветение» воды) и эвтрофикацию водоемов. Но большая часть фосфора уносится в море.

В водных экосистемах фосфор усваивается фитопланктоном и передается по трофической цепи вплоть до морских птиц. Их экскременты (гуано) либо сразу попадают назад в море, либо сначала накапливаются на берегу, а затем все равно смываются в море. Из отмирающих морских животных, особенно рыб, фосфор снова попадает в море и в круговорот, но часть скелетов рыб достигает больших глубин и заключенный в них фосфор снова попадает в осадочные поро­ды, т.е. выключается из биогеохимического круговорота.

Рис. 20. Круговорот фосфора в биосфере (Дювиньо, Танг, 1968)

В горных породах сера встречается в виде сульфидов (FeS₂ и др.), в растворах — в форме иона (SO₄²~), в газообразной фазе в виде сероводорода (H₂S) или сернистого газа (S0₂). В некоторых организмах сера накапливается в чистом виде (S) и при их отмирании на дне морей образуются залежи самородной серы.

По содержанию в морской среде сульфат-ион занимает второе место после хлора и является основной доступной формой серы, которая потребляется автотрофами и включается в состав белков.

В наземных экосистемах сера поступает в растения из почвы в основном в виде сульфатов. В живых организмах сера содержится в белках, в виде ионов и т.д. После гибели живых организмов часть серы восстанавливается в почве микроорганизмами до H₂S, другая часть окисляется до сульфатов и вновь включается в круговорот. Образовавшийся сероводорода улетучивается в атмосферу, там окисляется и возвращается в почву с осадками.

Сжигание человеком ископаемого топлива (особенно угля), а также выбросы химической промышленности, приводят к накоплению в атмосфере сернистого газа (SO₂), который реагируя с парами воды, выпадает на землю в виде кислотных дождей.
Биогеохимические циклы, не столь масштабны как геологические и в значительно степени подвержены влиянию человека. Хозяйственная деятельность нарушает их замкнутость, они становятся ацикличными.

Рис. 21. Круговорот серы В биосфере (Рамад, 1981)