Единство живого вещества и биосферы

Введение  
Глава 1. Сущность биосферы и учение В.И. Вернадского  
1.1. Учение Вернадского о биосфере  
1.2. Составные компоненты биосферы 
Глава 2. Единство живого вещества и биосферы 
1.1. Живое вещество– краеугольный камень учения о биосфере  
1.2. Свойства живого вещества 
Заключение  
Список использованной литературы

Введение

     Понятие "биосфера" вошло в систему знаний о Земле сравнительно недавно — в начале нашего столетия, когда в 1926 г. вышла в свет книга академика В.И.Вернадского "Биосфера". До тех пор хотя термин "биосфера" и употреблялся в работах австрийского геолога Э.Зюсса, тем не менее, не привился в науке сколько-нибудь прочно в силу недостаточной определенности содержания и, главное, недостаточной обоснованности того, что он необходим наряду с обозначениями давно известных геосфер.

     В книге В.И.Вернадского впервые на богатом фактическом материале было не только раскрыто содержание понятия "биосфера", но и показано, насколько это понятие важно для понимания сущности фактически всех происходящих на поверхности Земли явлений.

     В последующих трудах В.И.Вернадский всесторонне развил учение о биосфере вплоть до обоснования необходимости ввести понятие, означающее следующий, более высокий этап развития биосферы. Для этого этапа он предложил название "ноосфера", т.е. "сфера разума" — в буквальном переводе с греческого. Указанный термин употреблялся раньше в работах теологически настроенных французских ученых Э.Леруа и П.Тейяра де Шардена, которые имели в виду действительно только лишь сферу чистого разума, функционирующую фактически независимо от материального мира. В.И, Вернадский же подразумевал под биосферой не только сферу духа, но и материальную действительность, преобразованную трудом людей.

     Идея живого вещества как целостного глобального образования, определяющего организованность биосферы — особой оболочки на поверхности планеты, в законченном, определившемся виде складывается у В. И. Вернадского на зрелой стадии его творчества. Итогом этого процесса становятся, например, монография «Биосфера», изданная в 1926 г., многие статьи, уточняющие и развивающие исходные биогеохимические положения в соответствии с постоянно выявляемыми эмпирическим путем, в экспериментах и наблюдениях научными данными, наконец, неоконченная «Книга жизни» — монография «Химическое строение биосферы Земли и ее окружения».

     Цель данной работы - рассмотреть единство живого вещества и биосферы Земли.

Глава 1. Сущность биосферы и  учение В.И. Вернадского  
1.1. Учение Вернадского о биосфере

     Среди огромной геологической литературы отсутствует связный очерк биосферы, рассматриваемый как единое целое, как закономерное проявление механизма планеты, ее верхней области — земной коры.

     Сама закономерность ее существования обычно оставляется без внимания. Жизнь рассматривается как случайное явление на Земле, а в связи с этим исчезает из нашего научного кругозора на каждом шагу проявляющееся влияние живого на ход земных процессов, не случайное развитие жизни на Земле и не случайное образование на поверхности планеты, на ее границе с космической средой, особой охваченной жизнью оболочки — биосферы.

     В.И.Вернадский создал учение о биосфере как об активной оболочке Земли, в которой совокупная деятельность живых организмов — геохимический фактор планетарного масштаба и значения. Термин «биосфера», введенный (1875) Э.Зюссом, относился к совокупности организмов, обитающих на поверхности Земли. В понятие живых организмов Вернадский включил и человека. Он выделял в биосфере косное (солнечная энергия, горные породы, минералы и т.д.) и биокосное (почвы, поверхностные воды и органические вещества). Хотя живое вещество по массе и объему составляет незначительную часть биосферы, оно играет основную роль в геологических процессах, связанных с изменением нашей планеты.

     По Вернадскому, биосфера — это живое вещество планеты и преобразованное им косное вещество. Понятие «биосфера» — фундаментальное понятие биогеохимии, а не биологическое и не геологическое. Биосфера организует процессы на Земле и около Земли, в ней происходят биоэнергетические процессы и обмен веществ вследствие жизнедеятельности. Живой организм — неотъемлемая часть земной коры, могущая изменять ее. Живое вещество — совокупность организмов, участвующих в геохимических процессах. Организмы берут из окружающей среды химические элементы, строят из них тела, возвращают их в ту же среду и в процессе жизни и после своей смерти. Потому живое вещество связывает биосферу воедино, является системообразующим фактором. Изменения в живом веществе происходят существенно быстрее, чем в косном, поэтому в нем пользуются понятием исторического времени, а в косном — геологического. В ходе геологических времен растет мощь живого вещества и его воздействия на косное вещество, и только в живом веществе за эти времена происходят качественные изменения. И живое вещество, возможно, имеет свой процесс эволюции, вне зависимости от изменения среды.

     Если «жизненный цикл» отдельного организма конечен и его существование не беспредельно, то живое как целое можно считать геологически бессмертным. Геологически жизнь вечна, поэтому если отдельный индивидуум со временем теряет возможность совершать работу и прекращает свое существование, то сам процесс жизни отличается непрерывным ростом возможности совершать внешнюю работу. Эту идею он выразил в трех принципах, которые назвал биогеохимическими:

1. — свободная (биогеохимическая) энергия стремится в биосфере к максимальному проявлению;
2. — при эволюции видов выживают те организмы, которые своей жизнью увеличивают свободную энергию;
3. — заселение Земли должно быть максимально возможным в течение геологического времени.

Эти принципы выражают закон  только живой природы и не противоречат законам термодинамики. Весь поток  живого вещества от самых простейших до самых развитых форм, включая  разум человека и общественный труд, является той формой движения материи, где действует закон убывания энтропии, тогда как она растет для неорганической материи. И эти  два вида материи связаны в  единое целое. Закон возрастания  энтропии Вернадский успешно применял для объяснения космической эволюции Земли. А рождение биосферы рассматривал как планетарно-космическую «особую точку» — качественный скачок, до которого на поверхности нашей планеты преобладали процессы неживой природы, а после которого стали преобладать процессы в живой природе. Под действием лучистой энергии возникает и необратимо развивается органическая жизнь.

     Вернадский считал, что жизнь на Земле возникла одновременно с формированием планеты: «Твари Земли являются созданием космического процесса, необходимой и закономерной частью стройного космического механизма». Среди множества закономерностей, имеющих место в биологии, геологии, биохимии и геохимии, Вернадский выделил основные эмпирические принципы.

1. Принцип целостности биосферы обеспечивается самосогласованностью всех процессов в биосфере. Жизнь ограничена узкими пределами — физическими константами, уровнями радиации и пр. Гравитационная постоянная определяет размеры звезд, температуру и давление в них. Если она станет меньше, звезды будут иметь меньшие массы, их температура станет недостаточной для протекания ядерных реакций; если чуть больше, звезды перейдут свою «критическую массу», выйдут из общего круговорота и превратятся в черные дыры. Постоянная электромагнитного взаимодействия определяет химические превращения, отвечает за электронную оболочку атомов и прочность связей в молекулах. Константа слабого взаимодействия, отвечающего за превращения элементарных частиц, при своем изменении «подорвет» весь наш мир. Константа сильного взаимодействия, отвечающего за стабильность ядер атомов, тоже не должна меняться, иначе в звездах реакции пойдут по-другому, могут не образоваться углерод и азот. Да и непонятно, возможна ли будет вообще жизнь нашего типа.
2. Принцип гармонии биосферы и ее организованности связан с предыдущим. Законы преобразования энергии на Земле, законы движения атомов есть отражение гармонии Космоса, ритмичности движения небесных тел. Основа существования биосферы — положение Земли в Космосе, наклон земной оси к эклиптике, определяющий климат и жизненные циклы всех организмов. Солнце — основной источник энергии биосферы и регулятор биологических процессов. Как отметил еще Ю. Р. Майер, «жизнь есть создание солнечного луча».
3. Космическая роль биосферы в трансформации энергии — можно рассматривать эту часть живой природы как дальнейшее развитие одного и того же процесса превращения солнечной световой энергии в действенную энергию Земли. Биосфера является одним и тем же космическим аппаратом с самых древнейших геологических времен. Жизнь все это время оставалась постоянной, менялась только ее форма. Само живое вещество не является случайным созданием. Источники энергии геологических явлений — космическая, преимущественно солнечная; планетная, связанная со строением и космической историей Земли; внутренняя энергия материи — радиоактивность. Живое вещество активно трансформирует солнечную энергию в химическое молекулярное движение и в сложность биологических структур.
4. Растекание жизни — проявление ее геохимической энергии, аналог закона инерции неживой материи. Мелкие организмы размножаются быстрее, чем крупные. Скорость передачи жизни зависит от плотности живого вещества.
5. Автотрофные организмы все нужное для жизни берут из окружающей их косной материи и не требуют для построения своего тела готовых соединений другого организма. Поле существования зеленых автотрофных организмов определяется прежде всего областью проникновения солнечных лучей.
6. Космическая энергия вызывает давление жизни, которое достигается размножением. Размножение организмов уменьшается по мере роста их количества.
7. Формы нахождения химических элементов: горные породы и минералы, магмы, рассеянные элементы, живое вещество. Земная кора — сложный механизм, где постоянно движутся атомы и молекулы, происходят разнообразные геохимические круговороты, определяемые в значительной мере деятельностью живого вещества. 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.
8. Жизнь на Земле полностью определяется полем устойчивости зеленой растительности. Пределы жизни определяются физико-химическими свойствами соединений, строящих организм, их неразрушимостью в определенных условиях среды. Максимальное поле жизни определяется крайними пределами выживания организмов. Верхний предел жизни обусловлен лучистой энергией, присутствие которой исключает жизнь и от которой предохраняет озоновый слой. Нижний предел связан с достижением высокой температуры. Интервал в 432 °С (от -252 до +180 °С) является предельным тепловым щитом.
9. Принцип постоянства количества живого вещества в биосфере. Количество свободного кислорода в атмосфере того же порядка, что и количество живого вещества (1,5-10¹⁸ кг и 10¹⁷—10¹⁸ кг). Скорость передачи жизни не может перейти пределы, нарушающие свойства газов. Идет борьба за нужный газ.
10. Всякая система достигает положения устойчивого равновесия, когда ее свободная энергия равняется нулю или приближается к нему, т. е. когда вся возможная в условиях системы работа произведена. Понятие устойчивого равновесия исключительно важно.

     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.

1.2. Составные компоненты биосферы

     Биосфера — сложная тонкая внешняя оболочка Земли, населенная живыми организмами, составляющими в совокупности живое вещество планеты. Она включает нижнюю часть атмосферы до высоты 25-30 км (до озонового слоя), практически всю гидросферу и верхнюю часть литосферы (до глубины около 3 км).

     Биосфера является глобальной экосистемой и состоит из абиотической и биотической частей. Абиотическая часть представлена почвой и подстилающими ее породами до глубины, где есть живые организмы; атмосферным воздухом до высот, на которых возможны еще проявления жизни; водной средой океанов, рек, озер и др. Океан является колыбелью жизни на планете: появление жизни в океане более 3 млрд лет тому назад положило начало формированию биосферы. И сейчас, занимая более 70% поверхности Земли, он в сочетании с материковыми экосистемами определяет целостность современной биосферы планеты. Биотическая часть состоит из живых организмов всех видов, осуществляющих важнейшую жизненную функцию биосферы — биогенный ток атомов. Живые организмы осуществляют этот ток атомов благодаря своему дыханию, питанию и размножению, обеспечивая обмен веществом между всеми частями биосферы. В основе биогенной миграции атомов в биосфере лежат стремление к максимальному проявлению, или «всюдности», жизни; обеспечение выживания организмов, что усиливает саму биогенную миграцию. Эти закономерности проявляются прежде всего в стремлении живых организмов «захватить» все мало-мальски приспособленные к их жизни пространства, создавая экосистемы или их части. Но любая экосистема, как и биосфера в целом, имеет границы своего распространения.

     Под живым  веществом биосферы В. И. Вернадский понимал всю совокупность живых организмов планеты как единое целое. Химический состав живого вещества подтверждает единство природы: оно состоит из тех же элементов, что неживое вещество, только в другом соотношении и с иным строением молекул. Живое вещество образует ничтожно тонкий слой в общей массе геосфер Земли. Его масса составляет 2420 млрд. т, что более чем в две тысячи раз меньше массы самой легкой оболочки Земли — атмосферы. Но эта ничтожная масса живого вещества встречается практически повсюду: в настоящее время живые существа отсутствуют лишь в области обширных оледенений и в кратерах действующих вулканов. «Всюдность» жизни в биосфере обусловлена потенциальными возможностями и масштабом приспособляемости организмов, которые постепенно осваивают новые пространства планеты.

Глава 2. Единство живого вещества и биосферы 
2.1. Живое вещество– краеугольный камень учения о биосфере

     Живое вещество — краеугольный камень учения о биосфере 
В. И. Вернадского, который акцентировал внимание на 
биогеохимической специфике этого образования следующим 
образом: на земной поверхности нет химической силы более постоянно 
действующей, а потому более могущественной по своим конечным последствиям, чем живые организмы, взятые в целом.

Живое вещество или биомасса — совокупность всех живых организмов на Земле, способность живого вещества к воспроизводству и распространению  на планете, борьбу организмов за пищу, воду, территорию, воздух.

Живое вещество связано с  косным веществом – атмосферой (до уровня озонового экрана), полностью  с гидросферой и литосферой, главным  образом в границах почвы, но не только.

Живое вещество биосферы неоднородно  и обладает тремя типами трофических  взаимодействий: автотрофностью, гетеротрофностью, миксотрофностью.

Трофические экологические  взаимодействия способствуют преобразованию неорганического (косного) вещества в  органическое и обратной перестройке органиче6ских веществ в минеральные. Представители каждого царства, типа и класса выполняют свои функции в экологических взаимодействиях на уровне биосферы.

Функционирующее в биосфере живое вещество постоянно осуществляет круговорот веществ и превращение  энергии. Согласно Вернадскому, живое  вещество осуществляет в биосфере три  основные функции. Газовая функция  состоит в том, что зеленые  растения выделяют при фотосинтезе  кислород, а при дыхании – углекислый газ. Животные также выделяют углекислый газ, а многие бактерии образуют различные  газы, восстанавливая азот, сероводород  и др. Без деятельности живых организмов состав атмосферы был бы совершенно иным. Концентрационная функция осуществляется благодаря тому, что живые организмы захватывают необходимые им химические элементы и накапливают их в местах своего обитания. Окислительно-восстановительная функция проявляется в окислении и восстановлении химических веществ в воде и почве, в результате чего образуются отложения различных руд, бокситов, известняков и др. Эта функция в основном осуществляется бактериями.

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

     Биосфера же есть специфическое естественное природное явление, целостная саморазвивающаяся система, в которой на первое место выдвинута активность живого вещества. Биосфера, по определению В. И. Вернадского, «закономерное проявление механизма планеты, ее верхней оболочки — земной коры». При характеристике биосферы В. И. Вернадский подчеркивал фундаментальное значение Космических факторов. «С одной стороны, мы имеем здесь природную лабораторию, в которой господствуют резкие воздействия разных форм космической энергии... с другой — область планеты, которая непрерывно в течение миллиардов лет принимает в себя непрерывный приток космической материи и энергии, которая образовалась в условиях, чуждых нашей планете...». Вещество биосферы, по мнению учёного, сложно и имеет несколько компонентов. Среди них выделены следующие: 1) совокупность живых организмов — живое вещество;

     2) вещество, создаваемое и переработанное живыми организмами,— биогенное вещество (каменный уголь, битумы, известняки, нефть и др.);

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

     4) биокосное вещество, которое создается одновременно живыми организмами и косными процессами, представляя динамическое равновесие системы тех и других (почти вся вода биосферы, нефть, почвы, кора выветривания и др.). Организмы в них играют ведущую роль;

     5) вещество, находящееся в процессе радиоактивного распада;

    6) рассеянные атомы, которые непрерывно создаются из различных видов земного вещества под влиянием космических излучений, потоки которых непрерывно поступают в околоземное пространство. Их физический состав требует дальнейших исследований;

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

     Вероятно, этот перечень можно продолжить (электромагнитные поля космического пространства и др.), а в каждый пункт внести уточнения. Следует сказать, что в системном планетарно-космическом аспекте так поставленная В. И. Вернадским проблема исследуется недостаточно.

1.2. Свойства живого вещества

Живое вещество характеризуется  определенными свойствами: это огромная свободная энергия; химические реакции, протекающие в тысячи и даже миллионы раз быстрее, чем в других веществах  планеты; специфические химические соединения — белки, ферменты и другие соединения, устойчивые в составе  живого; возможность произвольного  движения — рост или активное перемещение; стремление заполнить все окружающее пространство; удивительное разнообразие форм, размеров, химических вариантов  и т.п., значительно превышающее  многие контрасты в неживом, косном веществе.

Вместе с тем, все живое  вещество физико-химически едино. И в этом состоит один из основных законов всего органического мира — закон физико-химического единства живого вещества.

Закон физико-химического  единства живого вещества имеет принципиально  важное значение для человеческой практики. Из него следует, что нет такого физического или химического агента, который был бы гибелен для одних организмов и абсолютно безвреден для остальных. Разница лишь количественная: одни организмы более чувствительны, другие менее, одни в ходе отбора приспосабливаются быстрее, другие медленнее. При этом приспособление идет в ходе естественного отбора, то есть за счет гибели тех индивидов, что не смогли адаптироваться к новым условиям.

Второе наиболее важное обобщение  для живого вещества планеты состоит  в законе константности количества живого вещества: количество живого вещества биосферы в пределах рассматриваемого геологического периода есть константа. Согласно закону биогенной миграции атомов, живое вещество оказывается энергетическим и химическим посредником между Солнцем и поверхностью Земли. Если бы количество живого вещества колебалось, то и энергетика планеты была бы непостоянной. Действительно, такие перемены случались в эволюции жизни на Земле, но они были очень редки. Обычно количество живого вещества планеты было равномерным, как и биохимические круговороты на ней.

Количественное постоянство  характерно и для числа видов. Однако в эволюции живого одни виды образовывались, другие вымирали. Такой  процесс неизбежен из-за изменения  условий жизни на планете и  в силу того обстоятельства, что  для нормального функционирования природных систем необходима множественность  видов, особенно в управляющем звене  экосистемы, т.е. среди консументов. Если бы число видов резко колебалось, биосфера потеряла бы свойство надежности. Поэтому во все геологические периоды массового вымирания организмов наблюдалось и бурное видообразование. Правило константности числа видов может быть сформулировано следующим образом: число нарождающихся видов в среднем равно числу вымирающих, и общее видовое разнообразие в биосфере есть константа.

Заключение

     Конец  второго   тысячелетия   завершился   глобальным   воздействием

человечества на структуру  и функции биосферы. Развеян миф  о бесконечности  и неисчерпаемости ресурсов биосферы –  водных,  биологических,  минеральных  и других.  На  любом   участке  суши  или  водоёма  можно   встретить   «следы человечества». Нарушений «равновесий» в природе  так  много,  что  люди  всё чаще  задумываются  над   проблемой   «человек   и   биосфера».   Мощная   и разветвленная индустрия, поглощая и перерабатывая много сырья,  все  сильнее загрязняет  планету,  размеры  которой  конечны.  Значение  обратных  связей нарастает. Человечество уже испытывает на себе «ответный удар»  загрязненной им биосферы. Погибли многие виды организмов, значение  которых  в  механизме природы не было вовремя оценено,  загрязняются  пресные  водоёмы,  загрязнен воздух  в  городах  (смоги),  синтетика  всё  больше   вытесняет   природные материалы;  шумы  и  различные   излучения   (радиоволны,   радиоактивность) существенно влияют на психику и здоровье людей.

       Человек   вышел   в   Космос,   Ступил   на   Луну.   Число   проблем

общечеловеческого  и  планетарного  значения  резко  нарастает,   а   многие

«победы» человека над  природой нуждаются в переоценке. На Западе  появляются панические прогнозы, созвучные мифу о «конце света».  Проблемой  номер  один становятся здоровье человечества. Историческая ответственность за это  лежит на   капиталистическом   обществе   с   характерными   для   него   войнами, бесплановостью хозяйства, погоней за сверхприбылями.

      Разрешение  назревающего конфликта в системе  «биосфера и  человечество» люди видят в Науке и Мире. Только наращивая уровень знаний в естественных  и гуманитарных науках и  осмотрительно  и  активно  внедряя  их,  человечество сможет, вопреки паническим прогнозам, не  только  приостановить  загрязнение биосферы, но и во много раз увеличить использование  ресурсов  биосферы  без подрыва производительности сил  Земли.  Один  из  путей  мелиорации  планеты состоит  в  широком  использовании  циклических  процессов  в  производстве; создание замкнутых по  воде  циклов  в  промышленности  –  лекарство  первой помощи.

      Естественно,  что  без  хорошо  разработанной   теории  нельзя  успешно

решить ни один из вопросов проблемы  «биосфера  и  человечество».  Мы  можем гордиться, что в нашей стране впервые в мире  было  создано  фундаментальное учение о биосфере. Его создателем был выдающийся  естествоиспытатель  В.  И. Вернадский.  Опираясь  на  труды  и  идеи  В.  И.  Вернадского,   необходимо приступить к глубокой  количественной  разработке  всех  аспектов  учения  о биосфере и скорейшему внедрению их в практику.