Биосфера и ноосфера в учении В.И. Вернадского и с позиций современного естествознания

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

Российский  государственный торгово-экономический  университет

Омский  институт 
 
 
 
 
 
 
 

Контрольная работа

по курсу  «Экология» 
 
 

Вариант № 2

Биосфера  и ноосфера в учении В.И. Вернадского  и с позиций современного естествознания 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

                                 Выполнила:

                  Студентка 1 курса СТЭТ

                          № зачетной книжки Т-09-087

Бочкарёва Мария Александровна

                                                                            Проверила:

  Гончарова Оксана Владимировна 
 
 
 
 

Омск  – 2010

Оглавление 

Введение………………………………………………………………....………. 3

1. Учение о биосфере. Границы биосферы…………..…………….……….4
2. Проблема происхождения жизни на земле………………………..…....11
3. Вещество биосферы. Особенности живого вещества………….…..…..17
4. Биогеохимические процессы…………………………………….…..…..20
5. Эмпирическое обобщение Вернадского………………………….…..…24
6. Концепция Ноосферы и переход к устойчивому развитию………...…25

Заключение………………………………………………………………………28

Библиографический список……………………………………………………..29 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

   Введение

   Одним из выдающихся естествоиспытателей, который  посвятил себя изучению процессов, протекающих в биосфере, был академик В. И. Вернадский. 
Он стал основоположником научного направления, названного им биогеохимией, которое легло в основу современного учения о биосфере. До появления работ В. И. Вернадского роль живых организмов на Земле представлялась ученым очень скромной. Действительно, какое может быть сравнение последствий их жизнедеятельности с мощью внутренних сил планеты, вздымающих высочайшие горы, разверзающих океанские пучины, перемещающих целые континенты.

   В. И. Вернадский доказал, что, как бы слаб ни был каждый организм в отдельности, все они, вместе взятые, на протяжении длительного отрезка времени выступают как мощный геологический фактор, играющий существенную роль в жизни нашей планеты. Геологическая деятельность живых организмов проявляется как следствие следующих их особенностей: они теснейшим образом связаны с окружающей средой и взаимодействуют с ней в процессе обмена веществом и энергией; обмен веществ организмов со средой осуществляется в процессе биологического круговорота; суммарный эффект результатов деятельности организмов проявляется на протяжении очень длительных (сотен миллионов лет) отрезков времени.

   Цель  данной работы изучить и теоретический  описать биосферу и ноосферу с точки зрения В.И. Вернадского.

   Поставленная  цель определила следующие задачи:

   - Рассказать  о биосфере;

   - Изучить  проблемы жизни на Земле;

   - Выявить  концепцию ноосферы;

1. Учение о биосфере. Границы биосферы

   В 1926 году В. И. Вернадский опубликовал в Ленинграде книгу под названием «Биосфера», которая ознаменовала рождение новой науки о природе, о взаимосвязи с ней человека. В этой работе биосфера впервые показана как единая динамическая система, населенная и управляемая жизнью, живым веществом планет. «Биосфера – организованная, определенная оболочка земной коры, сопряженная с жизнью».[2, с. 34]

   Биосфера  представляет собой сложнейшую планетарную  оболочку жизни, населенную организмами, составляющими в совокупности живое вещество. Это самая крупная (глобальная) экосистема Земли – область системного взаимодействия живого и косного вещества на планете. Совокупная деятельность живых организмов в биосфере проявляется как геохимический фактор планетарного масштаба.

   Биосфера  по вертикали разделяется на две  четко обособленные области: верхнюю, освещенную светом, - фотобиосферу, в  которой происходит фотосинтез, и нижнюю, «темную», - меланобиосферу, в которой фотосинтез невозможен. На суше граница между ними проходит по поверхности Земли.

   Биосфера  охватывает нижнюю часть атмосферы  до высоты озонового экрана (20-25 км), верхнюю часть литосферы (кора выветривания) и всю гидросферу до глубинных слоев океана. В. И. Вернадский отмечал, что «пределы биосферы обусловлены, прежде всего, полем существования жизни». На развитие жизни, а, следовательно, и на границы биосферы оказывают влияние многие факторы и прежде всего наличие кислорода, углекислого газа, воды в ее жидкой фазе.

   В планетарной биосфере выделяют континентальную и океаническую биосферы, которые отличаются геологическими, географическими, биологическими, физическими и другими условиями. Нижний предел распространения живого ограничивается дном океана (глубина около 11 км) или изотермой в 100 град. C в литосфере (по данным сверхглубокого бурения на 
Кольском полуострове эта цифра составляет около 6 км). Фактически жизнь в литосфере прослеживается до глубины 3-4 км. Таким образом, вертикальная мощность океанической биосферы составляет 17 км, сухопутной до 12 км.

   Вверх, в атмосферу, биосфера простирается не выше наибольших плотностей озонового экрана, что составляет 22-24 км. Следовательно, предел протяженности биосферы на Земле выражается цифрой 33-35км.[3, с. 79]  

   На  основе работ В. И. Вернадского предлагается различать три основные ее формы:

   1. формы биологической систематики, включающие популяции, виды, роды, семейства и др., принятые в ботанике и зоологии;

   2. биогеографические формы – территории, характеризующие географическое распространение и распределение растений и животных, специфику флоры и фауны. Это биогеографические зоны, области и т.д. Отдельно выделяются ботанико-географические и зоогеографические территории, дающие представление о составе и характере флоры и фауны;

   3. экологические формы, известные под названием экосистем 
(биогеоценозов), экотопов, биотопов и др. Напомним, что биотоп – это участок с однородными экологическими условиями, занятый определенными биоценозами, экотоп – это место обитания сообщества. В отличие от биотопа, понятие «экотоп» включает внешние по отношению к сообществу факторы среды. Это совокупность абиотических условий неорганической среды данного участка, представляющего собой местообитание конкретного сообщества. Экологические формы определяют специфику изучения биосферы в экологических аспектах.[5, с. 123]

   Вещественный  состав биосферы также разнообразен. В. И. Вернадский включает в него семь глубоко разнородных, но геологически не случайных частей: 
- живое вещество;

   - биогенное вещество – рождаемое и перерабатываемое живыми организмами(горючие ископаемые, известняки и т. д.);

   - косное вещество, образуемое без участия живых организмов (твердое, жидкое и газообразное);

   - биокосное вещество – косное вещество, преобразованное живыми организмами(вода, почва, кора выветривания, илы);

   - вещество радиоактивного распада (элементы и изотопы уранового, ториевого и актиноуранового ряда);

   - рассеянные атомы земного вещества и космических излучений;

   - вещество космического происхождения в форме метеоритов, космической пыли и др. [3, с.234]

   В строении и морфологии биосферы исключительно  важное значение для развития живого вещества имеют следующие ее элементы (сверху вниз):

   - слой живого вещества, так называемая «пленка жизни»;

   - педосфера, или почвенный покров;

   - ландшафтно-экологические системы – функциональные системы, включающие живые организмы и среду их обитания;

   - кора выветривания, т. е. зона разрушения и преобразования горных пород, их минерально-геохимических изменений в верхней части земной коры под воздействием различных факторов;

   - древняя биосфера (палеобиосфера) – комплекс горных пород, рельефа и других ландшафтных компонентов, залегающих ниже современной биосферы и погребенных под ее новейшими образованиями. Это горные породы, рудные и нерудные минералы, химические элементы, широко используемые в промышленности;

   - многочисленные минералы верхней части земной коры и биосферы: глины, известняки, бокситы и т. д.;

   - природные воды осадочной оболочки;

   - миллионы органических и органоминеральных соединений: уголь, графит, гумусовые вещества, нефть, природные газы;

   - минеральные ресурсы биосферы и земной коры, распространенные в форме свободных элементов: меди, серебра, золота, висмута, платины и т. д. Все они – главный источник сырья для металлургии, химической промышленности и многих других отраслей. Их добыча и использование в экономике растут год от года.

   Границы биосферы

   Горизонтальных  границ у биосферы нет, и речь следует вести только о ее вертикальной размерности.

   Верхняя граница распространения жизни  в атмосфере определяется, по всей видимости, не столько низкими температурами, сколько губительным действием солнечной радиации. Над сушей и акваторией в дожде, снеге, в облаках и туманах кроме пыльцы и спор обнаружены микроорганизмы. Вся воздушная среда представляет собой суспензию жизнеспособных пыльцы, спор и микроорганизмов, содержание которых уменьшается с высотой. Интенсивность радиации, создаваемой космическими лучами, на высоте 9 км в десятки раз больше, чем на уровне моря, а на высотах 15-18 км возрастает уже в сотни раз. Высотное распространение микроорганизмов ограничивается в основном потоком жесткой ультрафиолетовой радиации Солнца, убивающей все живое.

   Можно утверждать, что вся тропосфера, высота которой 8-10 км в полярных широтах и 16-18 км у экватора, в большей или меньшей степени заселена живыми организмами, которые находятся в ней либо временно, либо постоянно. Уже в тропопаузе резко изменяются физические и температурные характеристики биосферы, в частности прекращается интенсивное турбулентное перемешивание воздушных масс. Стратосфера, находящаяся выше тропопаузы, вряд ли пригодна для существования микроорганизмов. Верхний предел биосферы, или поля существования жизни, довольно ясно просматривается в тропопаузе. Однако верхний предел занесения спор и микроорганизмов, определяющий “поле устойчивости жизни” (живые организмы существуют, но не размножаются), возможен до верхней границы стратосферы.

   Таким образом, область распространения  живых организмов ограничена в основном тропосферой. Например, верхняя граница полета орлов находится на высоте 7 км; растения в горных системах и насекомые в воздушной среде не распространены выше 6 км; верхняя граница постоянного обитания человека – 5 км, обрабатываемых земель – 4,5 км, леса в горных системах тропиков не растут выше 4 км.[5, с. 165]

   Тропосфера  представляет собой воздушную среду, в которой осуществляется только передвижение организмов, нередко при помощи своеобразно приспособленных для этого органов. Настоящего аэропланктона, постоянно обитающего и размножающего в воздушной среде, видимо, нет. В противном случае тропосфера представляла бы собой “кисель”, максимально насыщенный микроорганизмами. Весь цикл своего развития, включая размножение, организмы осуществляют только в литосфере и гидросфере, а также на границе воздушной среды с этими оболочками.

   Верхние слои тропосферы и стратосферы, в  которые возможно занесение микроорганизмов, а также наиболее холодные и жаркие районы земного шара, где организмы могут существовать лишь в покоящемся состоянии, называются парабиосферой.

   В состав биосферы полностью включается гидросфера – озера, реки, моря и  океаны. В морях и океанах наибольшая концентрация жизни приурочена к эвфотической зоне, куда проникает солнечный свет. Обычно ее глубина не превышает 200 м в морях и континентальных пресноводных бассейнах. Именно в фотобиосфере, где возможен фотосинтез, сосредоточены все фотосинтезирующие организмы и продуцируется первичная биологическая продукция.

   Афотическая зона (меланобиосфера), начинающаяся с  глубины 200 м, характеризуется темнотой и отсутствием фотосинтезирующих растений. Она представляет собой водную среду обитания активно перемещающихся животных. Вместе с тем через нее непрерывным потоком опускаются на дно морей и океанов отмершие растения, выделения и трупы животных.

   О нижнем, литосферном , пределе биосферы, ясного представления пока нет. В большинстве работ, посвященных биосфере, указывается, что ее нижний предел на континентах составляет в среднем 2-3 км. Здесь в условиях низких, по сравнению с более глубокими слоями, температуры и давления, но при участии живых организмов (микроорганизмов) и воды, прекращается миграция химических элементов. Микробиологические исследования свидетельствуют о том, что микроорганизмы присутствуют также в пластовых водах, омывающих нефть, хотя сама нефть стерильна.

   Ниже  литосферной границы биосферы лежит  «область былых биосфер», под которой  В. И. Вернадский понимал оболочку Земли, в геологическом прошлом подвергшуюся воздействию жизни. Ученый отмечал, что земная кора, мощностью в несколько десятков км, с осадочными породами и гранитной оболочкой когда- то была на поверхности планеты и входила в состав биосферы. Каменный уголь, нефть, мрамор, доломит, известняк, мел, железная руда и другие горные породы осадочного происхождения – свидетели существования жизни в «былых биосферах».  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

   2. Проблема происхождения жизни на Земле 

   Для перехода к проблеме происхождения  жизни на Земле сначала определим, что такое жизнь. Вспомним определения понятия “жизнь. Жизнь - это высшая по сравнению с физической и химической форма существования материи.

   Живые объекты отличаются от неживых обменом  веществ - непрерывным условием жизни, способностью к размножению, росту, активной регуляции своего состава и функций, к различным формам движения, раздражимостью, приспособляемостью к среде и т. д.

   Живые системы характеризуются очень  высоким уровнем структурной  и функциональной организации на молекулярном уровне, высочайшей информационной плотностью, самоорганизацией, способностью к самовосстановлению и т. п.

   Существуют  несколько основных групп теорий о происхождении жизни.

   Теория  самопроизвольного зарождения - жизнь  самозарождается при создании для этого подходящих условий, и это на протяжении всей истории Земли на ней происходило неоднократно, однако попытки создания жизни в искусственных лабораторных условиях (в “пробирке”) химическим путем пока не удались.

   Теория  стационарного состояния. Жизнь  существовала всегда, и только изменялись ее формы.

   Теория  панспермии. Жизнь на Землю была занесена из космоса, поскольку в нем зародыши жизни и белковые элементы непрерывно переносятся с планеты на планету (подтверждено исследованиями).

   Теория  биохимической революции - жизнь  произошла естественным путем в результате саморазвития химических и физических процессов (примыкает ко второй группе теорий).

   Проблема  о начале жизни связана с проблемой  создания самой жизненной среды, в пределах которой идет эволюционный процесс, т. е. эта проблема логически выходит за пределы среды.

   Жизненная среда – монолит жизни, живая природа – явным образом не представляет случайное, незакономерное явление. Она явным образом имеет определенную структуру, представляет форму организованности, неизменно существующую в геологическом времени и неизменно связанную с организованностью, биосферы.

   Все живые организмы тесно связаны  между собой в своем существовании и этим путем представляют единое целое, непрерывно существующее как единое целое в течение всего геологического времени, двух-трех миллиардов лет по крайней мере.

   Можно сделать следующие утверждения:

   Жизненная среда не может быть сведена к  морфологически единому организму, когда-то населявшему планету, живая среда не может быть морфологически однородна, и единая основа живых организмов, протоплазма, не охватывает всех геохимических функций жизни на нашей планете.

   Уже в связи с этим живая среда  не могла произойти из единого  одноклеточного организма принесенного из космической среды, или из таких же разнородных неделимых. Нельзя, однако, отрицать, что проникновение в жизненную среду биосферы космических жизненных элементов весьма вероятно, ибо вещество биосферы, несомненно, постоянно принимает в себя космические тела. Но начала земной жизни оно не объясняет.

   Неизбежно допустить, что, может быть, и менее  сложная в основных чертах, чем теперешняя, но все же очень сложная жизненная среда сразу создалась на нашей планете как нечто целое в догеологический ее период. Создался целый монолит жизни (жизненная среда), а не отдельный вид живых организмов, к какому нас ложно приводит экстраполяция, исходящая из существования эволюционного процесса.

   Последний вывод, наверное, затрудняет возможность  допущения когда-то происшедшего на нашей планете абиогенеза (возникновение  живого из неживого) или, вернее, археогенеза организмов в масштабе, необходимом для создания на ней жизни.

     Условия происхождения жизни.

   Рассматривая  проблему появления жизни на Земле  как проблему появления биосферы, мы не только приближаемся к реальности – мы получаем новую прочную базу для научной работы, опирающуюся на огромный эмпирический материал геологии и геохимии.

   Геология  позволяет сейчас научно ставить  вопрос о начале биосферы, а геохимия научно точно определяет условия, каким  должна удовлетворять жизнь для  того, чтобы могла создаться биосфера.

   Необходимо  иметь в виду, что говоря о появлении жизни на Земле с образованием биосферы, нужно считать, что: “Все живое происходит из живого в биосфере, комплекс физико-химических явлений в которой точно ограничен и определен”.

   Как уже ранее говорилось в существуют разные представления о начале жизни на Земле. Вот два из них. Оба не связаны с геологическим строением Земли и с ее историей. Согласно одному, жизнь проникла на нашу планету извне, из космического пространства, может быть, проникает в нее постоянно и непрерывно и сейчас. Согласно другому взгляду, жизнь образовалась на Земле из мертвой (косной) материи каким-то неизвестным путем в один из геологических древних периодов ее бытия или, может быть, незаметно для нас непрерывно и постоянно на ней этим путем, путем “самопроизвольного зарождения”, абиогенеза, образуется, но нами этот процесс не замечается. Эти взгляды, высказанные в такой неопределенной форме, противоречат нашему точному знанию.

   Исходя  из сведения проблемы о начале жизни  к проблеме о начале биосферы, попытаемся установить условия появления биосферы и проявления в ней жизни, обязательные для всякого представления о ее начале на нашей планете.

   Здесь мы должны считаться с успехами геологии, определяющими возраст биосферы, и сданными геохимии, исключающими некоторые из ходячих представлений об эволюции форм жизни в пределах биосферы.

   Следующие данные геологии должны быть учтены как  эмпирически установленные.

   Поле  жизни, т. е. температура и давление, связанный с этим климат и химический характер среды, существует непрерывно. В течение более чем полутора миллиардов лет поле жизни было аналогично современному.

   Жизнь и все живые организмы являются неразрывной закономерной частью биосферы. Сама биосфера не является случайным образованием – она отвечает определенной форме организованности. Это устойчивая динамическая система, равновесие, установившееся в основных чертах своих с самого своего начала, неизменно действующее в течение 1,5 млрд. лет.

   В биосфере можно отличить два типа составляющего ее вещества: с одной стороны, косное вещество, а с другой живое. Косное вещество, состоящее в конце концов из минералов, остается в своих морфологических проявлениях, т. е. по своему химическому составу и физическому состоянию, неизменным. Нет новых минералов, появившихся в земной коре в течение геологического времени, если не считать ими созданий человеческой техники.

   Иное  явление представляет другая составная  часть биосферы – живое вещество, вечно, в целом и отдельных своих формах меняющееся в эволюционном процессе. Это живое вещество является носителем свободной энергии в геохимических процессах биосферы, ее активной составной частью. Его неизменные формы, как некоторые виды (однородные живые вещества) радиолярий, являются исключением. Они существуют в неизменном строении около миллиарда лет. Все остальные за это время коренным образом изменились, эволюционировали. Живой мир биосферы палеозоя и живой мир биосферы нашего времени резко различны, мир косной материи один и тот же.

   Как уже говорилось, жизнь для нас  научно известна только как закономерная часть биосферы: жизнь вне биосферы не существует – есть нереальная абстракция.

   Говоря  о появлении на нашей планете  жизни, мы в действительности говорим только об образовании на ней биосферы.

   С самого начала биосферы жизнь, в нее  входящая, должна была быть уже сложным телом, а не однородным веществом, так как без жизни не могла бы создаться кора выветривания (неразрывная часть механизма биосферы), а связанные с этим проявлением жизни ее биогеохимические функции по разнообразию и сложности не могут быть одной какой-нибудь видовой формой жизни. Они на всем протяжении геологической истории и посейчас в окружающей нас природе неизменно распределены между разными формами жизни.

   При рассмотрении биогеохимических функций  можно сделать следующий утверждения:

   Все без исключения геохимические функции живого вещества в биосфере могут быть исполнены простейшими одноклеточными организмами

   Невозможен  организм, который мог бы один исполнять  все эти геохимические функции

   В ходе геологического времени происходила  смена разных организмов, замещавших друг друга в исполнении данной функции без изменения самой функции.

   Вывод о необходимости одновременной  чрезвычайно разнообразной геохимической функции в биосфере представителей жизни является основным условием, определяющим характер ее появления.

   В настоящее время считается, что  жизнь образовалась на Земле в  результате закономерного процесса эволюции углеродистых соединений. При этом углеродистые соединения в межзвездной среде возникли еще до формирования нашей планеты и, следовательно, заносились на планету всегда. На ранней стадии существования Земли на ней протекали различные химические процессы, способствовавшие формированию более сложных соединений, - химическая эволюция, положившая начало биологической эволюции.

   Советские ученые А. Г. Пасынский и Т. Е. Павловская (1956) показали возможность образования  аминокислот при ультрафиолетовом облучении газовой смеси формальдегида и солей аммония. Испанский ученый Х. Оро (196О) осуществил синтез компонентов нуклеиновых кислот. В 197О г. американский ученый С. Поннамперума синтезировал аденозинтрифосфорную кислоту (АТФ) - основную форму накопления энергии в живых организмах, а также аминокислоты, полипептиды и белково-подобные вещества. Этим было доказано, что абиогенное происхождение жизни во Вселенной могло произойти в результате воздействия тепловой энергии, ионизирующего излучения, электрических разрядов.

   Недостатком таких попыток следует считать  создание статических, химически завершенных биоэлементов (фактически - элементов трупов). Между тем жизнь - это непрерывный процесс, что требует и соответствующей методологии. 
 
 
 
 
 
 
 
 

   3. Вещество биосферы. Особенности  живого вещества

   Под живым веществом Вернадский понимал  совокупность всех живых организмов, выраженную через массу, энергию или химический состав.

   Вещества, образуемые без участия живых  организмов и не вовлеченные в  круговорот жизни, Вернадский назвал костными веществами. Это, например, горные породы, продукты извержения вулканов и т.п. “Неживых” веществ в природе не бывает, практически любое вещество может быть вовлечено в круговорот жизни.

   Кроме того, Вернадский выделял в особую группу биокостное вещество, которое  в отличие от костного так или  иначе обусловлено воздействием жизни и вовлечено в ее круговорот. Это, например, вода, почва и т.п.

   Можно также выделить группу биогенных  веществ, образующихся в результате жизнедеятельности живых организмов. Это многие полезные ископаемые в первую очередь каменный уголь, нефть, торф, а также известняки, руды металлов и т.п. По сути дела, весь слой осадочных пород можно отнести к биогенным веществам.