Учение В.И. Вернадского о биосфере. 2

Введение

 
     «Биосфера – это среда нашей жизни, это та природа, которая нас окружает, о которой мы говорим в разговорном языке. Человек – прежде всего – своим дыханием, проявлением своих функций, неразрывно связан с этой «природой», хотя бы он жил в городе или в уединенном домике».

В. И. Вернадский¹

Биосфера (греч. bios – жизнь, sphaira – шар, сфера) – сложная наружная оболочка Земли, населенная организмами, составляющими в совокупности живое вещество планеты. Это одна из важнейших геосфер Земли, являющаяся основным компонентом природной среды, окружающей человека. ²

Впервые термин «биосфера» был введен в науку геологом из Австрии Эдуардом Зюссом в 1875 г. Он понимал  под биосферой тонкую пленку жизни  на земной поверхности. Роль и значение биосферы для развития жизни на нашей  планете оказалась настолько велика, что уже в первой трети XX в. возникло новое фундаментальное научное направление в естествознании - учение о биосфере, основоположником которого является великий русский ученый В. И. Вернадский.

Однако задолго  до этого под другими названиями, в частности "пространство жизни", "картина природы", "живая  оболочка Земли" и т.п., содержание термина биосфера рассматривалось  многими другими естествоиспытателями.

Первоначально под  всеми этими терминами подразумевалась  только совокупность живых организмов, обитающих на нашей планете, хотя иногда и указывалась их связь  с географическими, геологическими и космическими процессами, но при  этом скорее обращалось внимание на зависимость  живой природы от сил и веществ  неорганической природы. Даже автор  самого термина "биосфера" Э. Зюсс в своей книге "Лик Земли", опубликованной спустя почти тридцать лет после введения термина (1909 г.), не замечал обратного воздействия  биосферы и определял ее как "совокупность организмов, ограниченную в пространстве и во времени и обитающую на поверхности Земли".

Земля и окружающая ее среда сформировалась в результате закономерного развития всей Солнечной системы. Около 4,7 млрд. лет назад из рассеянного в протосолнечной системе газопылеватого вещества образовалась планета Земля. Как и другие планеты, Земля получает энергию от Солнца, достигающую земной поверхности в виде электромагнитного излучения. Солнечное тепло - одно из главных слагаемых климата Земли, основа для развития многих геологических процессов. Огромный тепловой поток исходит из глубины Земли.³

По новейшим данным, масса Земли составляет 6*10²¹ т, объем — 1,083*10¹² км³, площадь поверхности — 510,2 млн. км². Размеры, а, следовательно, и все природные ресурсы нашей планеты ограничены.

Наша планета  имеет неоднородное строение и состоит  из концентрических оболочек (геосфер) - внутренних и внешних. К внутренним относятся ядро, мантия, а к внешним - литосфера, гидросфера, атмосфера и сложная оболочка Земли - биосфера.

Понятие биосферы

Сущность  и структура биосферы

Первым из биологов, который ясно указал на огромную роль живых организмов в образовании  земной коры, был Ж. Б. Ламарк (1744 – 1829). Он подчеркивал, что все вещества, находящиеся на поверхности земного  шара и образующие его кору, сформировались благодаря деятельности живых организмов⁴.

Факты и положения  о биосфере накапливались постепенно в связи с развитием ботаники, почвоведения, географии растений и  других преимущественно биологических  наук, а также геологических дисциплин. Те элементы знания, которые стали  необходимыми для понимания биосферы в целом, оказались связанными с  возникновением экологии, науки, которая  изучает взаимоотношения организмов и окружающей среды. Биосфера является определенной природной системой, а  ее существование в первую очередь  выражается в круговороте энергии  и веществ при участии живых  организмов.

Очень важным для  понимания биосферы было установление немецким физиологом Пфефером (1845 – 1920) трех способов питания живых организмов:

• автотрофное – построение организма за счет использования веществ неорганической природы;
• гетеротрофное – строение организма за счет использования низкомолекулярных органических соединений;
• миксотрофное – смешанный тип построения организма (автотрофно-гетеротрофный).

Биосфера (в современном  понимании) – своеобразная оболочка Земли, содержащая всю совокупность живых организмов и ту часть вещества планеты, которая находится в  непрерывном обмене с этими организмами.

Биосфера, являясь  глобальной экосистемой, как и любая  экосистема, состоит из абиотической и биотической части.

Абиотическая часть представлена:

1. почвой и подстилающими ее породами до глубины, где в них еще есть живые организмы, вступающие в обмен с веществом этих пород и физической средой порового пространства.
2. Атмосферным воздухом до высот, на которых возможны еще проявления жизни.
3. Водной средой океанов, рек, озер и т.п.

Биотическая часть состоит из живых организмов всех таксонов, осуществляющих важнейшую функцию биосферы, без которой не может существовать сама жизнь: биогенный ток атомов. Живые организмы осуществляют этот ток атомов благодаря своему дыханию, питанию и размножению, обеспечивая обмен между всеми частями биосферы.

В основе биогенной  миграции атомов в биосфере лежат  два биохимических принципа:

• стремиться к максимальному проявлению, к «всюдности» жизни;
• обеспечивать выживание организмов, что увеличивает саму биогенную миграцию.
• Атмосфера – наиболее легкая оболочка Земли, которая граничит с космическим пространством; через атмосферу осуществляется обмен вещества и энергии с космосом.

Атмосфера имеет  несколько слоев:

• тропосфера – нижний слой, примыкающий к поверхности Земли (высота 9–17 км). В нем сосредоточено около 80% газового состава атмосферы и весь водяной пар;
• стратосфера;
• ноносфера – там “живое вещество” отсутствует.

Преобладающие элементы химического состава атмосферы: N2 (78%), O2 (21%), CO2 (0,03%).

• Гидросфера – водная оболочка Земли. Вследствие высокой подвижности вода проникает повсеместно в различные природные образования, даже наиболее чистые атмосферные воды содержат от 10 до 50 мгр/л растворимых веществ.

Преобладающие элементы химического состава гидросферы: Na⁺, Mg²⁺, Ca²⁺, Cl^–, S, C. Концентрация того или иного элемента в воде еще ничего не говорит о том, насколько он важен для растительных и животных организмов, обитающих в ней. В этом отношении ведущая роль принадлежит N, P, Si, которые усваиваются живыми организмами. Главной особенностью океанической воды является то, что основные ионы характеризуются постоянным соотношением во всем объеме мирового океана.

• Литосфера – внешняя твердая оболочка Земли, состоящая из осадочных и магматических пород. В настоящее время земной корой принято считать верхний слой твердого тела планеты, расположенный выше сейсмической границы Мохоровичича. Поверхностный слой литосферы, в котором осуществляется взаимодействие живой материи с минеральной (неорганической), представляет собой почву. Остатки организмов после разложения переходят в гумус (плодородную часть почвы). Составными частями почвы служат минералы, органические вещества, живые организмы, вода, газы.

Преобладающие элементы химического состава литосферы: O, Si, Al, Fe, Ca, Mg, Na, K.

Учение  В. И. Вернадского о биосфере

Характеристика  главных типов веществ биосферы

По современным  представлениям, биосфера – это  особая оболочка земли, содержащая всю  совокупность живых организмов и  ту часть вещества планеты, которая  находится в непрерывном обмене с этими организмами.

Эти представления  базируются на учении В. И. Вернадского(1863 –1945) о биосфере, являющимся крупнейшим из обобщений в области естествознания в ХХ в. Важнейшая значимость его  учения во весь рост проявилась лишь во второй половине века. Этому способствовало развитие экологии и, прежде всего глобальной экологии, где биосфера является основополагающим понятием.

Учение Вернадского  о биосфере – это целостное  фундаментальное учение, органично  связанное с важнейшими проблемами сохранения и развития жизни на Земле, знаменующее собой принципиально  новый подход к изучению планеты  как развивающейся саморегулирующейся системы в прошлом, настоящем  и будущем.

Развернутое учение о биосфере создано  и разработано академиком В.И.Вернадским, опубликовавшим в 1926 г. свой классический труд «Биосфера». Принципиальные положения  учения В.И. Вернадского о биосфере органически сочетают подходы его  предшественников. С одной стороны  он рассматривает биосферу как оболочку Земли, в которой существует жизнь. В этом плане В.И. Вернадский различает  газовую (атмосфера), водную (гидросфера) и каменную (литосфера) оболочки земного  шара как составляющие биосферы, области  распространения жизни. С другой стороны, В.И. Вернадский подчеркивал, что биосфера – не просто пространство, в котором обитают живые организмы; ее состав определяется деятельностью  живых организмов, представляет собой результат их совокупной химической активности в настоящем и в прошлом.

По представлениям В. И. Вернадского, биосфера включает в себя живое вещество, образованное совокупностью организмов; биогенное вещество, которое создается  в процессе жизнедеятельности организмов (газы атмосферы, каменный уголь, нефть, торф, известняки и др.); косное вещество, которое формируется без участия  живых организмов (магматические  горные породы); биокосное вещество, представляющее собой совместный результат  жизнедеятельности организмов и  небиологических процессов (например, почвы); а также радиоактивное  вещество, вещество космического происхождения (метеориты и др.) и рассеяные  атомы. Все эти семь типов веществ  геологически связаны между собой. Всю совокупность живых организмов он обозначил термином живое вещество, противопоставляя его косному веществу, к которому относил все геологические образования, не входящие в состав живых организмов и не созданные ими. Третья категория вещества в биосфере, по В.И. Вернадскому, это биокосное вещество. Сюда он причислял комплекс взаимодействующих живого и косного веществ (океанические воды, нефть и т. п.; важнейшее значение как биокосное вещество имеет почва). Наконец, существует биогенное вещество – геологические породы, созданные деятельностью живого вещества (известняки, каменный уголь и т.п.). В.И. Вернадский считал, что земная кора представляет собой остатки былых биосфер.⁵

Фундаментальным отличием живого вещества от косного является охваченность его  эволюционным процессом, непрерывно создающим  новые формы живых существ. Многообразие форм жизни и их многофункциональность создают основу устойчивого круговорота веществ и канализированных потоков энергии. В этом специфика и залог устойчивости биосферы как уникальной оболочки земного шара.

Таким образом, биосфера, по В.И. Вернадскому, представляет собой одну из геологических  оболочек земного шара, глобальную систему Земли, в которой геохимические  и энергетические превращения определяются суммарной активностью всех живых  организмов – живого вещества. Человечество входит в эту систему как ее составная часть. Как живое вещество оно непрерывно связано с материально–энергетическими  процессами биосферы.

Косное вещество биосферы.

Границы биосферы определяются факторами земной среды, которые делают невозможным существование  живых организмов. Верхняя граница  проходит примерно на высоте 20 км от поверхности  планеты и ограничена слоем озона, который задерживает губительные  для жизни коротковолновую часть  ультрафиолетового излучения Солнца. Таким образом, живые организмы  могут существовать в тропосфере и нижних слоях стратосферы. В  гидросфере земной коры организмы проникают  на всю глубину Мирового океана - до 10-11 км. В литосфере жизнь встречается  на глубине 3,5-7,5 км, что обусловлено  температурой земных недр и условием проникновения воды в жидком состоянии.

Атмосфера.

Газовая оболочка состоит в основном из азота и  кислорода. В небольших количествах  в ней содержится диоксид углерода (0,03%) и озон. Состояние атмосферы  оказывает большое влияние на физические, химические и биологические процессы на поверхности Земли и в водной среде. Для биологических процессов наибольшее значение имеют: кислород, используемый для дыхания и минерализации мертвого органического вещества, диоксид углерода, участвующий в фотосинтезе, и озон, экранирующий земную поверхность от жесткого ультрафиолетового излучения. Азот, диоксид углерода, пары воды образовались в значительной мере благодаря вулканической деятельности, а кислород - в результате фотосинтеза.

Гидросфера.

Вода - важнейший  компонент биосферы и один из необходимых  факторов существования живых организмов. Основная ее часть (95%) находится в  Мировом океане, который занимает около 70% поверхности земного шара и содержит 1300 млн. км³. Поверхностные воды (озера, реки) включают всего 0,182 млн. км³, а количество воды в живых организмах составляет всего 0,001 млн. км³. Значительные запасы воды (24 млн. км³) содержат ледники. Большое значение имеют газы, растворенные в воде: кислород и диоксид углерода. Их количество широко варьирует от температуры и присутствия живых организмов. Диоксида углерода, содержащегося в воде, в 60 раз больше, чем в атмосфере. Гидросфера формировалась в связи с развитием литосферы, которая в течение геологической истории Земли выделяла большое количество водяного пара.

Литосфера.

Основная масса  организмов, обитающих в пределах литосферы, находится в почвенном  слое, глубина которого не превышает  нескольких метров. Почва включает минеральные вещества, образующиеся при разрушении горных пород, и органические вещества - продукты жизнедеятельности  организмов.

Литосфера – это «каменная оболочка»  Земли (по В.И. Вернадскому), верхняя  часть земной коры. Рассматривая литосферу  как часть биосферы, в первую очередь  имеется в виду ее поверхностная  часть, измельченная в процессе физического, химического и биологического выветривания и содержащая помимо минерального также  и органическое вещество. Эта часть  литосферы представляет собой сложное  биокосное тело, обладающее особыми  свойствами и функциями и называемое почвой.

Почва представляет собой довольно сложную полидисперсную систему, включающую три фазы: твердую (минеральные частицы), жидкую (почвенная влага) и газообразную. Почва - наиболее насыщенная живыми организмами  часть биосферы (почвенная пленка жизни). Поэтому в ней выделяют иногда четвертую фазу – живую.

Живые организмы (живое вещество).

Хотя границы  биосферы довольно узки, живые организмы  в их пределах распределены очень  неравномерно. На большой высоте и  в глубинах гидросферы и литосферы  организмы встречаются относительно редко. Жизнь сосредоточена главным  образом на поверхности Земли, в  почве и в приповерхностном слое океана. Общую массу живых организмов оценивают в 2,43х10¹²т. Биомасса организмов, обитающих на суше, на 99,2% представлена зелеными растениями и 0,8% - животными и микроорганизмами. Напротив, в океане на долю растений приходится 6,3%, а на долю животных и микроорганизмов - 93,7% всей биомассы. Жизнь сосредоточена главным образом на суше. Суммарная биомасса океана составляет всего 0,03х10 ¹² т, или 0,13% биомассы всех существ, обитающих на Земле.

В распределении  живых организмов по видовому составу  наблюдается важная закономерность. Из общего числа видов 21% приходится на растения, но их вклад в общую  биомассу составляет 99%. Среди животных 96% видов - беспозвоночные и только 4% - позвоночные, из которых десятая часть - млекопитающие. Масса живого вещества составляет всего 0,01-0,02% от косного вещества биосферы, однако она играет ведущую роль в геохимических процессах. Вещества и энергию, необходимую для обмена веществ, организмы черпают из окружающей среды. Ограниченные количества живой материи воссоздаются, преобразуются и разлагаются. Ежегодно, благодаря жизнедеятельности растений и животных, воспроизводится около 10% биомассы.

Сущность учения В. И. Вернадского заключена в  признании исключительной роли «живого  вещества», преобразующего облик планеты. Суммарный результат его деятельности за геологический период времени  огромен. По словам Вернадского, «на  земной поверхности нет химической силы более постоянно действующей, а потому более могущественной по своим конечным последствиям, чем  живые организмы, взятые в целом». Именно живые организмы улавливают и преобразуют энергию Солнца и создают бесконечное разнообразие нашего мира.

Вторым главнейшим аспектом учения В. И. Вернадского является разработанное им представление  об организованности биосферы, которая  проявляется в согласованном  взаимодействии живого и неживого, взаимной приспособляемости организма  и среды. «Организм, - писал В. И. Вернадский, - имеет дело со средой, к которой  он не только приспособлен, но которая  приспособлена к нему».

Это взаимодействие 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.

По мнению В. И. Вернадского, в прошлом не придавали  значения двум важным факторам, которые  характеризуют живые тела и продукты их жизнедеятельности:

• открытию Пастера о преобладании оптически активных соединений, связанных с дисимметричностью пространственной структуры молекул, как отличительной особенности живых тел;
• явно недооценивался вклад живых организмов в энергетику биосферы и их влияние на неживые тела. Ведь в состав биосферы входит не только живое вещество, но и разнообразные неживые тела, которые В. И. Вернадский называет косными (атмосфера, горные породы, минералы и т. д.), а также и биокосные тела, образованные из разнородных живых и косных тел (почвы, поверхностные воды и т. п.). Хотя живое вещество по объему и весу составляет незначительную часть биосферы, но оно играет основную роль в геологических процессах, связанных с изменением облика нашей планеты.

Поскольку живое  вещество является определяющим компонентом  биосферы, можно утверждать, что  оно может существовать и развиваться  только в рамках целостной системы  биосферы. Не случайно, поэтому В. И. Вернадский считает, что живые организмы являются функцией биосферы и теснейшим образом материально и энергетически с ней связаны, являются огромной геологической силой, ее определяющей.

Исходной основой  существования биосферы и происходящих в ней биогеохимических процессов  является астрономическое положение  нашей планеты и в первую очередь  ее расстояние от Солнца и наклон земной оси к эклиптике, или к плоскости  земной орбиты. Это пространственное расположение Земли определяет в  основном климат на планете, 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 нашей планете. Эту ее роль образно выразил один из авторов закона сохранения и превращения энергии Юлиус Майер (1814 – 1878), отметивший, что жизнь есть создание солнечного луча.

Решающее отличие  живого вещества от косного заключается  в следующем:

• изменения и процессы в живом веществе происходят значительно быстрее, чем в косных телах. Поэтому для характеристики изменений в живом веществе используется понятие исторического, а в косных телах – геологического времени. Для сравнения отметим, что секунда геологического времени соответствует примерно ста тысячам лет исторического;
• в ходе геологического времени возрастают мощь живого вещества и его воздействие на косное вещество биосферы. Это воздействие, указывает В.И. Вернадский, проявляется, прежде всего "в непрерывном биогенном токе атомов из живого вещества в косное вещество биосферы и обратно";⁶
• только в живом веществе происходят качественные изменения организмов в ходе геологического времени. Процесс и механизмы этих изменений впервые нашли объяснение в теории происхождения видов путем естественного отбора Ч. Дарвина (1859 г.);
• живые организмы изменяются в зависимости от изменения окружающей среды, адаптируются к ней и, согласно теории Дарвина, именно постепенное накопление таких изменений служит источником эволюции.

В. И. Вернадский высказывает предположение, что  живое вещество, возможно, имеет  и свой процесс эволюции, проявляющийся  в изменении с ходом геологического времени, вне зависимости от изменения  среды.

Для подтверждения  своей мысли он ссылается на непрерывный  рост центральной нервной системы  животных и ее значение в биосфере, а также на особую организованность самой биосферы. По его мнению, в  упрощенной модели эту организованность можно выразить так, что ни одна из точек биосферы "не попадает в  то же место, в ту же точку биосферы, в какой когда-нибудь была раньше”⁷. В современных терминах это явление можно описать как необратимость изменений, которые присущи любому процессу эволюции и развития.

Непрерывный процесс  эволюции, сопровождающийся появлением новых видов организмов, оказывает  воздействие на всю биосферу в  целом, в том числе и на природные  биокосные тела, например, почвы, наземные и подземные воды и т. д. Это  подтверждается тем, что почвы и  реки девона совсем другие, чем третичной  и тем более нашей эпохи. Таким  образом, эволюция видов постепенно распространяется и переходит на всю биосферу.

В. И. Вернадский обосновал также важнейшие представления  о формах превращения вещества, путях  биогенной миграции атомов, т.е. миграции химических элементов при участии  живого вещества, накоплении химических элементов, о движущих факторах развития биосферы и др.

Процесс развития биосферы

Важнейшей частью учения Вернадского являются представления  о ее возникновении и развитии. Современная биосфера возникла не сразу, а в результате длительной эволюции в процессе постоянного взаимодействия абиотических и биотических факторов. Первые формы жизни, по-видимому, были представлены анаэробными бактериями. Однако созидательная и преобразующая  роль живого вещества стала осуществляться лишь с появлением в биосфере фотосинтезирующих  автотрофов – цианобактерий и  сине-зеленых водорослей (прокариотов), а затем и настоящих водорослей и наземных растений (эукариотов), что  имело решающее значение для формирования современной биосферы. Деятельность этих организмов привела к накоплению в биосфере свободного кислорода, что  рассматривается как один из важнейших  этапов эволюции.

Параллельно развивались  и гетеротрофы, и прежде всего  – животные. Главными датами их развития являются, выход на сушу и заселение материков (к началу третичного периода) и, наконец, появления человека.

В сжатом виде идеи В. И. Вернадского об эволюции биосферы могут быть сформулированы следующим  образом:

1. Вначале сформировалась литосфера – предвестник окружающей среды, а затем после появления жизни на суше – биосфера.
2. В течение всей геологической истории Земли никогда не наблюдались азойные геологические эпохи (т.е. лишенные жизни). Следовательно, современное живое вещество генетически связано с живым веществом прошлых геологических эпох.
3. Живые организмы – главный фактор миграции химических элементов в земной коре, «по крайней мере, 90% по весу массы ее вещества в своих существенных чертах обусловлено жизнью». (В. Вернадский)
4. Грандиозный геологический эффект деятельности обусловлен тем, что их количество бесконечно велико и действуют они практически в течение бесконечно большого промежутка времени.
5. Основным движущим фактором развития процессов в биосфере является биохимическая энергия живого вещества.

Венцом творчества В. И. Вернадского стало учение о  ноосфере, т. е. сфере разума.

В целом учение Вернадского о биосфере заложило основы современных представлений  о взаимосвязи и взаимодействии живой и неживой природы. Практическое значение учения о биосфере огромно. В наши дни оно служит естественнонаучной основой рационального природопользования и охраны окружающей природной среды.

Ключевые положения концепции  В.И. Вернадского: а) человечество –  великая геологическая сила; б) эта  сила есть воля и разум человека как существа социально организованного; в) лик планеты изменен человеком  настолько глубоко, что оказался затронутым ее биогеохимический метаболизм; г) человечество эволюционирует в сторону  обособления от остальной биосферы.

Заключение

Переход к ноосфере

Вернадский, анализируя геологическую историю Земли, утверждает, что наблюдается переход биосферы в новое состояние – в ноосферу под действием новой геологической  силы, научной мысли человечества. Однако в трудах Вернадского нет  законченного и непротиворечивого  толкования сущности материальной ноосферы как преобразованной биосферы. В  одних случаях он писал о ноосфере в будущем времени (она еще  не наступила), в других в настоящем (мы входим в нее), а иногда связывал формирование ноосферы с появлением человека разумного или с возникновением промышленного производства. Надо заметить, что когда в качестве минералога Вернадский писал о геологической  деятельности человека, он еще не употреблял понятий “ноосфера” и даже “биосфера”. О формировании на Земле ноосферы он наиболее подробно писал в незавершенной  работе “Научная мысль как планетное  явление”, но преимущественно с  точки зрения истории науки.

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:

1. заселение человеком всей планеты;
2. резкое преобразование средств связи и обмена между странами;
3. усиление связей, в том числе политических, между всеми странами Земли;
4. начало преобладания геологической роли человека над другими геологическими процессами, протекающими в биосфере;
5. расширение границ биосферы и выход в космос;
6. открытие новых источников энергии;
7. равенство людей всех рас и религий;
8. увеличение роли народных масс в решении вопросов внешней и внутренней политики;
9. свобода научной мысли и научного искания от давления религиозных, философских и политических построений и создание в государственном строе условий, благоприятных для свободной научной мысли;
10. продуманная система народного образования и подъем благосостояния трудящихся. Создание реальной возможности не допустить недоедания и голода, нищеты и чрезвычайно ослабить болезни;
11. разумное преобразование первичной природы Земли с целью сделать ее способной удовлетворить все материальные, эстетические и духовные потребности численно возрастающего населения;
12. исключение войн из жизни общества.