Учебное пособие для студентов всех форм обучения Москва 2008 г

В современном естествознании одной из концепций взаимной связи между живой и неживой природы, является учение о биосфере как особой сферы жизни, в пределах которой осуществляется единый круговорот вещества и энергии. Биосфера-это качественно своеобразная оболочка Земли, развитие которой в значительной мере определяется деятельностью живых организмов.

В.И. Вернадский, используя этот термин, создал науку « биосфера», ввел понятие « живого вещества», а также отвел живым организмам роль главнейшей преобразующей силы планеты Земля, учитывая деятельность организмов не только в настоящее время, но и в прошлое.

При этом следует отметить, что идеям В.И.Вернадского предстоит сыграть ключевую роль, во все возрастающей роли формирования мировоззрения современного человека, понимании им своего места в природе, прямой ответственности за будущее биосферы, воспитании новой экологической морали и этики. Учение В.И. Вернадского будет необходимо для непосредственного действия, и, прежде всего для разработки научных основ устойчивого развития человечества в биосфере.

К идее биосферы в ее современной трактовке пришел Ж.-Б. Ламарк (1744-1829), основатель первой целостной концепции эволюции живой природы, которой, однако, данный термин не использовал. Впервые понятие

« биосфера» (близкой к современному смыслу) ввел австрийский геолог Э Зюсс, определивший ее в книге « Происхождение Альп» (1873) как особую, образуемую организмами оболочку Земли, где сосредоточена основная масса живых организмов и где происходит наиболее активное взаимодействие между всеми экологическими компонентами. При этом подразумевалась область взаимодействия основных оболочек Земли: атмосферы, гидросферы и литосферы, где встречаются живые организмы.

Заслуга создания целостности учения о биосфере принадлежит В.И.Вернадскому. Используя этот термин, он создал науку «биосфера». Ту часть биосферы, где живые организмы встречаются в настоящее время, обычно (в специальной литературе) называют современной биосферой или необиосферой, а древние биосферы относят к былым биосферам, иначе палеобиосферам или мегабиосферам. Примеры последних – безжизненные скопления органических веществ (залежи угля, нефти, газа др.) или запасы иных соединений, образовавшихся при непосредственном участии живых организмов (известняки, ракушечники, образования мела, ряд руд и многое другое).

Эволюция Земли, а затем образование и развитие биосферы В.И. Вернадский объединил тремя факторами макроэволюции – космическим, геологическим и геохимическим, которое тесным образом связаны с биологической эволюцией и все участвуют в энергетических процессах биосферы.


Учение В.И. Вернадского о биосфере
Научное и практическое значение В.И.Вернадского как основателя учения о биосфере состоит в том, что он впервые глубоко обосновал единство человека и биосферы. Открытие биосферы В.И. Вернадским в начале ХХ столетия принадлежит к величайшим научным открытиям человечества, соизмеримым с теорией видообразования, законом сохранения энергии, общей теорией относительности, открытием наследственного кода у живых организмов и теорией расширяющейся Вселенной. В.И. Вернадский доказал, что жизнь на земле - явление общепланетарные и космическое, что биосфера - это вещественно-энергетическая система, обеспечивающая биологический круговорот химических элементов и эволюцию всех живых организмов, включая и человека. Владимир Иванович Вернадский был первым, кто увидел в биосфере сложную и хорошо отрегулированную общепланетарную биогеохимическую систему. Не только составом атмосферы и гидросферы обязаны мы работе биосферы, но и сама земная кора – это продукт биосферы. В.И. Вернадский определил биосферу как особую охваченную жизнью оболочку Земли.

В физико-химическом составе биосферы Вернадский выделяет следующие компоненты:

- живое вещество – совокупность всех живых организмов биосферы Земли, растений и животных, включая человечество, выраженная в элементарном химическом составе, массе и энергии;

- косное вещество - неживые тела или явления (газы атмосферы, горные породы магматического, неорганического происхождения и т.п.);

- биокосное вещество – разнородные природные тела (почвы, поверхностные воды и т.п.);
- биогенное вещество – продукты жизнедеятельности живых организмов (гумус почвы, каменный уголь, торф, нефть, сланцы и т.п.)
- радиоактивное вещество;
- рассеянные атомы;
- вещество космического происхождения (космическая пыль, метеориты).
Согласно воззрениям Вернадского весь облик Земли, ее ландшафты, атмосфера, химический состав вод, толща осадочных пород обязаны своим происхождением живому веществу. Жизнь- это связующее звено между Космосом и Землей, которое, используя энергию, приходящую из космоса, трансформирует косное вещество, создает новые формы материального мира.

Так, живые организмы создали почву, наполнили атмосферу кислородом, оставили после себя километровые толщи осадочных пород и топливные богатства недр, многократно пропустили через себя весь объем Мирового океана. Вернадский не занимался проблемой возникновения жизни. Он понимал жизнь как естественный этап самоорганизации материи в любой части космоса, приводящий к возникновению все новых форм ее существования.

Учение Вернадского нацеливало на изучение живых, косных и биокосных тел в их неразрывном единстве, что подготовило почву для целостного восприятия природных систем естествоиспытателями. С учетом современных представлений, биосфера включает оболочку Земли, которая содержит всю совокупность живых организмов и часть вещества планеты, находящуюся в непрерывном обмене с этими организмами. Иными словами, биосфера – это область активной жизни, которая охватывает нижнюю часть атмосферы, всю гидросферу и верхние горизонты литосферы. В учении о биосфере В.И. Вернадского, в сущности, заложены основные положения возникшего позднее понятия о географической оболочке; биогеохимические идеи, рассматриваемые, в географическом аспекте привели к обоснованию ноосферы. Особое значение для уяснения масштабов воздействия человеческого общества на природу в настоящее время приобретает следующее его высказывание: « Человечество, взятое в целом, становится мощной геологической силой. И перед ним, перед его мыслью и трудом становится вопрос о перестройке биосферы в интересах свободно мыслящего человечества как единого целого».

В.И. Вернадский впервые в истории наук о Земле обосновал понятие, о земном планетном пространстве, которое, по его мнению, в соответствии с внутренней спецификой планетных явлений модифицируется на различные состояния.

Целостное учение о биосфере представлено в его ставшей классической работе « Биосфера» (1926).

В.И. Вернадский рассматривал эволюцию биосферы как единство космического, геологического, биогенного и антропогенного процессов.

Организованность биосферы имеет тенденцию к возрастанию. Рост ее организованности привел к возникновению человечества и науки. С развитием науки биосфера переходит на уровень ноосферы – сферы разума, где природные и социальные законы составляют единое целое.

Современные представления о биосфере

Согласно современным представлениям, биосфера - это своеобразная оболочка Земли, содержащая всю совокупность живых организмов и ту часть вещества планеты, которая находится в непрерывном обмене с этими организмами. По мере развития понятия биосферы и решения некоторых частных и общих задач, были установлены общие эволюционные свойства биосферы, включая и новейшие представления об эфире.

1) Всевозрастающая помехоустойчивость биосферы, устремленная к свойству и качествам гомеостата, выводит жизненные процессы Земли в ранг геолого-геофизических факторов эволюции планеты.

2) Мозаичность общего строения и функционирования жизненных сообществ осуществляется в отдельных "квантах" биосферы, находящихся в энерговещественной связи с Космосом и геолого-геофизической средой, т.е. реализована доменная структура.

3) Экосистемная модель (термин "экосистема" введен А.Тэнели, 1935 г.) подчеркивает домен биосферы в способности к саморегуляции и самопересозданию, т.е. полному самовозобновлению биоты.
4) Междоменное взаимодействие биосферных отдельностей постоянно поддерживает гигантский кругооборот вещества и энергии и информации (биосферной системы связей на основе разнообразных физических сигналов).
5) Невозможность существования биосферы вне вертикальных вещественных обменов и энергоперетоков между глубинами и поверхностью Земли и между Солнцем и поверхностью планеты.
Как видно из перечисленных биосферных свойств, очень трудно, оказывается, установить границы биосферы, и в этом отношении она представляет собой пример открытой системы. Уже в середине 70-х годов двадцатого столетия Н.Б.Вассоевичем был поднят вопрос о функциональных нормах биосферы по отношению к существующим организмам. Была введена биосферная дихотомия по отношению к носителям жизни в веществе тел:

1. Биосферное поле устойчивости жизни — это такие условия жизни, при которых организм способен только выживать.

2. Биосферное поле существования жизни — это условия, в которых жизненные отдельности — организмы — могут развиваться с наращиванием жизненной массы и энергии.

По мере наращивания знаний о биосфере, Дж. Хатчинсон счел необходимым ввести дополнительное биосферное подразделение и назвал его парабиосферой, которая сверху примыкает к приземной биосфере. В последующем была предложена общая схема деления биосферы на подбиосферы:

- внешние оболочки Земли: 1) апобиосфера — верхи атмосферы Земли, не обнаруживающие признаков наличия жизни — анабиотическое пространство; 2) парабиосфера; 3) биосфера.

- внутренние оболочки Земли: 4) метабиосфера — некий аналог того, что В. И. Вернадский называл "былой биосферой", т.е. имеющейся на каждый данный лик Земли, результат деятельности глобальных и жизненных тотальных процессов.

Естественно отметить, что эти классификационные попытки уточнить и расширить понятие биосферы, прямо не касались физической природы жизненных процессов и их движущих сил. Они отображали геометрические особенности размещения систем и подсистем биосферы, ее, так сказать, конструктивные пространственные характеристики. Концептуально эти работы продолжали работы школы Берталанфи, но на другом масштабном уровне.

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.

С учетом современных представлений, биосфера включает оболочку Земли, которая содержит всю совокупность живых организмов и часть вещества планеты, находящуюся в непрерывном обмене с этими организмами. Иными словами, биосфера – это область активной жизни, которая охватывает нижнюю часть атмосферы, всю гидросферу и верхние горизонты литосферы.

Эволюция биосферы процесс непрерывного, одновременного и взаимосвязанного изменения: а) характера живого вещества (возникновения, развития и вымирания видов, формирования и разрушения биотических сообществ); б) свойств биосферы как оболочки Земли, преобразуемой этим сообществом, и в) экосферы-1 планеты.

Структура биосферы представляет собой совокупность газовой, водной и твердой оболочек планеты и живого вещества, их населяющего. Масса биосферы составляет приблизительно 0,05% массы Земли, а ее объем – 0,4 % объема планеты. Границы биосферы определяют распространение в ней живых организмов. Несмотря на различную концентрацию и разнообразие живого вещества в разных районах земного шара, считается, что горизонтальных границ биосфера не имеет. Верхняя же вертикальная граница существования жизни обусловлена не столько низкими температурами, сколько губительным действием ультрафиолетовой радиации и космического излучения солнечного и галактического происхождения, от которого живое вещество планеты защищено озоновым экраном. Максимальная концентрация молекул озона (трехатомарного кислорода) приходится на высоту 20-25 км, где толщина озонового слоя составляет 2,5-3 мм. Озон интенсивно поглощает радиацию на участке солнечного спектра с длиной волны менее 0,29 мкм.

Поскольку граница биосферы обусловлена полем существования жизни, где возможно размножение, то она совпадает с границей тропосферы (нижнего слоя атмосферы), высота которой от 8 км над полюсами до 18 км над экватором Земли. Однако в тропосфере происходит лишь перемещение живых организмов, а весь цикл развития, включая размножение, они осуществляют в литосфере, гидросфере и на границе этих сред с атмосферой. В состав биосферы полностью входит гидросфера (океаны, моря, озера, подземные воды, реки, ледники), глубина которой достигает 11 км. Наибольшая концентрация жизни сосредоточена до глубины 200 м, в так называемой эвфотической зоне, куда проникает солнечный свет и где возможен фотосинтез. Именно здесь сконцентрированы все фотосинтезирующие растения и продуцируется первичная биологическая продукция. Глубже начинается дисфотическая зона, где царит темнота и отсутствует фотосинтезирующие растения, но активно перемещаются представители животного мира, непрерывным потоком опускаются на дно отмершие растения и останки животных. Нижняя граница биосферы в пределах литосферы лежит в среднем на глубине 3 км от поверхности суши и 0,5 км ниже дна океана. О более глубоком проникновении жизни в толщи литосферы сведений нет.

На границе нижней части атмосферы (тропосферы), гидросферы и литосферы сконцентрирована наибольшая масса живого вещества, и эта земная оболочка названа биогеосферой, или пленкой жизни. Только в ее пределах возможна жизнедеятельность и существование человека. Суммарная биомасса живого вещества биосферы составляет 2-3 трлн. т, причем 98% ее - это биомасса наземных растений. Биосферу населяют около 1,5 млн. видов животных и 500 тыс. видов растений. Однако, если мысленно равномерно распределить все живое вещество по поверхности планеты, то получится слой толщиной всего 2 см. Вместе с тем в процессах самоорганизации биосферы живое вещество играет сегодня ведущую роль и выполняет следующие функции:

1. энергетическую – перераспределение солнечной энергии между компонентами биосферы;

2. средообразующую (газовую) – в процессе жизнедеятельности живого вещества создаются основные газы (азот, кислород, углекислый газ, метан и др.);

3. концентрационную – извлечение и накопление живыми организмами биогенных элементов (кислорода, углерода, водорода, азота, натрия, магния, калия, алюминия, серы и др.) в концентрациях, в сотни тысяч раз превышающих их содержание в окружающей среде;

4. деструктивную (проявляется в минерализации органического вещества);

5. окислительно-восстановительную (заключается в химическом превращении веществ биосферы).

К настоящему времени разработана система математических моделей глобальных и региональных биосферных процессов. В модели биогеохимического цикла углерода рассмотрены глобальные и региональные процессы в системе атмосфера - растения - почва -

Результаты моделирования показывают, что реакция биосферы на антропогенные воздействия пока еще происходит по механизму отрицательной обратной связи, биосфера определенным образом компенсирует эти воздействия.

В любой устойчиво эволюционирующей системе задействованы не только прямые связи между основным и сопряженным процессом (согласно которым сопряженный процесс не возможен без основного), но и обратные (отрицательные) связи ¾ функция сопряженной системы по отношению к основной.

Человек сопряжен с биосферой (прямая связь). Вместе с тем, имеется биосферная функция человека ¾ поддержание устойчивости природных систем (обратная связь). Она осуществляется тремя основными способами: сжиганием древесины и ископаемого топлива, экохозяйственной деятельностью (восстановление флоры, фауны) и сохранением естественных экосистем.

Действительно, человек изымает биопродукцию (прямая связь). Это частично компенсируется на основе экохозяйственной деятельности и заповедного дела (обратная связь). Сжигая древесину и ископаемое топливо, человек поставляет в атмосферу СО₂ ¾ «пищу» растений. При росте СО₂ увеличивается биопродуктивность (еще одна обратная связь). Тем самым частично компенсируется антропогенное изъятие биопродукции.

Если темпы роста энергетики и соответствующих выбросов двуокиси углерода в атмосферу будут слишком быстрыми, то в ХХI веке возможна смена отрицательных связей на положительные: при этом биосфера будет не компенсировать воздействия, а наоборот, усиливать их.

Биосфера, согласно учению В.И. Вернадского, - это не только пленка «живого вещества» на поверхности планеты, но и все продукты ее жизнедеятельности за геологическое время: почвы, осадочные и метаморфические породы и свободный кислород воздуха. Все живое представляет непрерывно изменяющуюся совокупность организмов, между собою связанных и подверженных эволюционному процессу в течение геологического времени. Это динамическое равновесие, стремящееся с ходом времени перейти в статическое равновесие. Чем более длительно существование, если нет никаких равноценных явлений, действующих в противоположную сторону, тем ближе к нулю будет свободная энергия.

При этом стоить отметить, что косное вещество планеты подчинено закону возрастания энтропии. А живое вещество, наоборот, обладает антиэнтропийными свойствами. И все это многообразие живого и косного связано « биогенной миграцией атомов» или « биогеохимической энергией живого вещества биосферы».

Эта форма энергии столь же реальна и действенна, как и прочие, изученные физиками. И она, подобно им, подчиняется закону сохранения энергии, т. е. может быть выражена в калориях и килограммометрах. За геологическое время наша планета обогащалась энергией, поглощая: 1) лучистую энергию Солнца; 2) атомную энергию радиоактивного распада внутри Земли; 3) космическую энергию рассеянных элементов, исходящую из нашей галактики.

И эта форма энергии заставляет организмы размножаться до возможных пределов, т.е. действует закон предельного распространения действительный для всех живых существ биосферы.

Однако сама биосфера ставит границы организмам, ее составляющим. Биосфера мозаична: одни виды животных или растений ограничивают другие, и возникает гармония жизни – динамическое равновесие биоценозов большего или меньшего масштаба. Поэтому геобиоценозы, которые можно интерпретировать как сложные системы их живых и косных элементов, устойчивы. В них идут постоянные процессы, обеспечивающие циркуляцию энергии среди растений и животных одного местообитания, т.е. конверсия биоценоза. Образуется своего рода « замкнутая система» биоценоза, а в соответствии с процессами термодинамики, в замкнутой системе энтропия непрерывно увеличивается. Следовательно, система организмов должна систематически удалять накапливающуюся энтропию. Поэтому живое вещество должно постоянно обмениваться с окружающей средой энергией и энтропией.