Учение о ноосфере и биосфере в работах В.И. Вернадского

МИНИСТЕРСТВО  ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Государственное образовательное учреждение высшего  профессионального образования

Московский  государственный институт электроники  и математики 
 
 
 

РЕФЕРАТ ПО

Моделированию рыночных и экологических процессов

На тему:

«Учение о ноосфере и биосфере в работах В.И. Вернадского» 
 
 
 
 
 

Выполнил:

Студентка группы ЭМ-71 Маслова Л.С.

Москва

2011г.

Содержание 

Введение

     Понятия «биосфера» и «ноосфера» совершенно справедливо ассоциируются с именем выдающегося отечественного ученого Владимира Ивановича Вернадского, как можно судить, например, по мнению Л. Н. Гумилева: «Биосфера – термин, введенный в науку В.И. Вернадским» [1]. Однако и тот, и другой термины были использованы, а не предложены Вернадским. На самом деле, по словам В.Е.Соколова [2]: «Величайшая заслуга Вернадского в том, что он, используя, по существу, весьма образную метафору, вложил в понятие «биосфера» совершенно новый смысл». Понятие «ноосфера» введено французским философом Э. Леруа (E. Le Roy) в 1927 г. и до Вернадского активно разрабатывалось П. Тейяром де Шарденом (P. Teilhard de Chardin); термин «биосфера» был введен в 1875 г. австрийским геологом Э. Зюсом (E. Suess).

     Основу  разработки учения о биосфере, области жизни, объединяющей в едином взаимодействии живые организмы (живое вещество) и косное вещество положил учитель Вернадского В.В.Докучаев. Он же обратил внимание на единство материальной и духовной культуры людей с окружающей природной средой. Но если Докучаева волновали в первую очередь практические аспекты этой проблемы, то Вернадский постарался создать теоретически стройную концепцию перехода биосферы в ноосферу в результате разумных преобразований человеком - на основе науки - среды жизни. В своей работе «Очерки геохимии» (1927г.) [3] Вернадский пишет: «Живое вещество более или менее непрерывно распространено на земной поверхности, оно образует на ней тонкий, но сплошной покров, в котором концентрирована свободная химическая энергия, выработанная им из энергии Солнца. Этот слой есть земная оболочка, которую знаменитый австрийский геолог Э.Зюсс почти 60 лет назад назвал биосферой и которая представляет одну из самых характерных черт организованности нашей планеты. Только в ней сосредоточена та особая форма нахождения химических элементов, которую мы назвали живым веществом». В книге «Химическое строение биосферы Земли и её окружения»,  впервые опубликованной в 1922 г. [4], В.И. Вернадский пишет по этому поводу: «Биосфера и её приближённый синоним - Лик Земли – оба понятия, введённые Э.Зюссом, но сейчас коренным образом изменённые ходом дальнейшего исследования, ярко определяют основные черты поверхности нашей планеты: близость к Космосу, не повторяющуюся на нашей Земле, и существование исключительно на ней живого вещества. «Лик Земли» - картина Земли, если смотреть на неё из просторов Космоса». Наиболее распространённым и вместе с тем наиболее однобоким является представление о биосфере только как о современной живой плёнке (условно - оболочке) планеты, т.е. о автономной совокупности всех организмов (животных, растений, бактерий), населяющих поверхность Земли и её гидросферу и проникающих в той или иной мере в приповерхностные зоны

атмосферы и литосферы. Такая биосфера сложным  образом соотносится с тремя  другими геосферами Земли, что только усиливает иллюзию её автономности. Биосфера в духе геологического миропонимания  Вернадского имеет неизмеримо большую  глубину и характеризуется большим  количеством фундаментальных параметров. Его учение о биосфере - несомненно, одно из крупнейших обобщений естествознания XX в. Оно неизмеримо шире таких расплывчатых, хотя и модных понятий, как «окружающая среда», «географическая оболочка» и т.п.» Интересно, что в работе «Начало и вечность жизни» (1922г) [5] В.И.Вернадский анализирует различные механизмы возникновения жизни и приходит к выводу, что жизнь могла быть вечной, не иметь начала: «Указание на логическую необходимость признания начала для эволюционного процесса имеет скорее философский, чем научный интерес. В конце концов, мы так же мало можем говорить о начале, как и о конце эволюционного процесса». 
 

     1. Разработка В.И.Вернадским учений о биосфере и ноосфере. История создания учений. Бионоосфера

     1.1. Учение В. И. Вернадского о биосфере

     Биосферой называется та часть литосферы, гидросферы и атмосферы Земли, в которой существует живое существо. В ее состав входят не только растительный покров, животный мир и человечество, обитающие на планете, но и все реки, озера, водная масса океанов, почвенный слой, верхний слой земной коры, значительная часть тропосферы. На поверхности Земли практически нет участков, на которых отсутствует жизнь. Даже в жарких и безводных тропических пустынях, на поверхности высокогорных ледников и полярных льдов обнаружены микроорганизмы.

     В. И. Вернадским было всесторонне рассмотрено  понятие биосферы в современном содержании. Он доказал, что вся совокупность живых организмов, обитавших и обитающих на Земле, играет огромную роль в ее геологической эволюции, во всех современных физических и химических процессах, которые протекают на земной поверхности и в водной толще океанов. Все живое вещество Земли сосредоточено в очень узкой части пространства, прилегающего к земной поверхности и измеряемого по вертикали всего лишь несколькими километрами. Это меньше толщины литосферы и тропосферы, взятых вместе. Что касается массы живого вещества, то доля всей совокупности живых организмов в общей массе Земли просто ничтожна и по отношению к массе биосферы составляет всего 0.25%.

     Высказанные В. И. Вернадским взгляды о ведущей  роли живого вещества в образовании  современного химического состава  атмосферы, гидросферы и части литосферы  подтверждаются всем ходом развития науки. Эта роль обусловлена высокой  геохимической активностью живых  организмов: они способны усваивать  солнечную энергию и, используя  ее в процессе фотосинтеза, создавать  из простых веществ соединения значительно  более высокой сложности. Деятельность живых организмов на земной поверхности связана с цепочками разнообразных физико-химических превращений веществ – синтезом, трансформацией, распадом, непрерывно происходящими в биосфере.

     В результате этих превращений под  прямым и косвенным влиянием живых  организмов возникали в геологическом  прошлом  и возникают в настоящее  время разнообразные земные образования, которые В. И. Вернадский предложил  называть биокосными природными телами. Их объемы и значение для развития жизни на Земле позволяют сопоставить биосферу с другими геосферами даже количественно.

     Жизнь на нашей планете воплощается  во множестве форм и на разных уровнях, но принципиально важно то, что  она едина. Все формы и проявления жизни не существуют сами по себе, а  связаны сложными взаимоотношениями  в единый комплекс жизни. Эти взаимоотношения  и связи удивительны. Именно они  осуществляют биогенный круговорот веществ, то есть саму жизнь, и не дают ей прерваться. Взаимосвязи в биосфере очень стойки, но достаточно разорвать  хотя бы одно звено или одну связь, и может погибнуть вся цепь взаимоотношений живой материи.

     Каждая  из оболочек Земли, в которой существует биосфера, являет собой особую, неповторимую среду жизни. Эта специфика определяет своеобразие жизненных форм, развивающихся  в них. Так, вода представляет собой  сплошную среду, в которой возможно существование плавающих организмов. Поэтому жизнь пронизывает толщу  воды – от ее поверхности до самого дна. Характер движения обусловливает  форму тел, например обтекаемую, как  у рыб, или расплывчатую, как у  медуз. Относительно небольшое количество кислорода, растворенного в воде, сформировало сложную систему газообмена. Неоднородность химического состава  морской воды выработало у организмов особые приспособления для поддержания  стабильности внутренней среды, например ионного состава.

     Атмосфера также является сплошной средой, но она менее плотная, чем вода.  Вследствие этого обитатели атмосферы  не могут существовать в отрыве от поверхности Земли долгое время: нет животных, которые парили бы в воздухе постоянно.

     Наконец, поверхностный слой Земли представляет собой сложное структурное образование. Для существования в нем нужны  развитые органы локации в темноте, способность рыть землю, обходиться малым количеством воздуха и  многое другое.

     Все это можно рассматривать как  условия существования жизни. Но это и результат ее существования: наличие живых существ определяет современный химический состав и  физические свойства воздуха, воды, почвы.

     Таким образом, биосфера, с одной стороны, и среда жизни, с другой, - результат  жизнедеятельности организмов. Специфика  биосферы состоит в том, что в  ней все время поддерживается связанный с деятельностью живых  существ круговорот веществ и четко направленные потоки энергии. Это то, чего пока не найдено ни на каких других планетах.

     В течение миллиардов лет живое  существо на Земле использовало и  в ходе образования биокосных тел трансформировало солнечную энергию. Ее значительная часть законсервировала в угле, нефти и других полезных ископаемых органического происхождения. Ее другая часть была использована для формирования различных горных пород биокосного происхождения (от осадочных известняков до метаморфических гранитов), накопленных солей, растворенных в воде океанов, кислорода, входящего в состав земной коры. Все эти природные тела и их компоненты, по выражению В. И. Вернадского, представляют собой прямые и косвенные среды существования «былых биосфер».

     Земные  недра «былых биосфер» свидетельствуют о прошлом Земли, о существовавшей на ней жизни. Здесь находят остатки организмов, живших тысячи и миллионы лет назад. Эти остатки, попав в реку или море, покрывались илом, песком, глиной, пропитывались солями и окаменевали. Иногда встречаются остатки растений и животных, живших сравнительно недавно и поэтому не окаменелых. Например, в вечной мерзлоте найдено несколько трупов мамонтов, живших тысячи лет назад, но полностью сохранившихся. Гораздо чаще встречаются только скелеты древних животных, их отдельные кости, зубы, раковины. Что касается древних растений, то в земных недрах находят стволы деревьев, отпечатки листьев на камнях. По отложениям горных пород восстанавливают контуры древних морей, озер, рек, болот, пустынь.

     Непрерывность развития организмов на Земле составляет один из основных законов биологии, открытой Ж. Ламарком и Ч. Дарвином. Установлено, что чем древнее  растения и животные, населявшие Землю, тем они были проще устроены и наоборот.

     1.2. Учение В.И.Вернадского о ноосфере

     Потенциал растительных и живых организмов огромен. Но он может быть использован  в полном объеме лишь при глубоком знании всех процессов регуляции  в живой клетке и организме, при  детальном изучении влияния на организмы  внешних факторов.

     В ХХ веке впервые в истории Земли человек узнал и охватил всю биосферу, закончил географическую карту планеты Земля, расселился по всей ее поверхности. Исторический процесс меняется на наших глазах коренным образом. Человечество, взятое в целом, становится мощной геологической силой. Перед ним встал вопрос об эффективном использовании биосферы в интересах человечества. Это новое состояние биосферы В.И.Вернадский назвал ноосферой.

     Ноосфера, по Вернадскому, это такой этап развития биосферы, при котором «проявляется как мощная, все растущая геологическая сила роль человеческого разума (сознание) и направленного им человеческого труда». Подобно тому как в зрелом и здоровом человеческом организме все функции, касающиеся взаимоотношения организма с внешней средой, координируются головным мозгом, так и функционирование современного глобального сверхорганизма – ноосферы – должно управляться ее совокупным разумом.

     Ноосферная концепция Вернадского пробивала себе дорогу с большим трудом. Его программная статья «Несколько слов о ноосфере», предназначенная для центрального печатного органа того времени газеты «Правда», появилась лишь в узкоспециализированном журнале «Успехи современной биологии» за несколько месяцев до смерти автора. В нашей стране о ноосфере вспомнили лишь в 1980 году, когда вышла в свет книга В.И.Вернадского «Научная мысль как планетное явление». Она не была опубликована при жизни автора, но именно в ней концепция ноосферы изложена наиболее обстоятельно.

     «Ноосфера, - писал В.И.Вернадский, - это царство человеческого разума. Это – новое состояние биосферы, к которому мы, не замечая этого, приближаемся…

     Ноосфера  есть новое геологическое явление  на нашей планете. В ней впервые  человек становится крупнейшей геологической  силой. Он может и должен перестраивать  своим трудом и мыслью область  своей жизни, перестраивать коренным образом по сравнению с тем, что  было раньше.

     Лик планеты – биосфера – химически  резко меняется человеком сознательно  и главным образом бессознательно…  Человек должен теперь принимать  все большие и большие меры к тому, чтобы сохранить для  будущих поколений никому не принадлежащие  морские богатства. Сверх того, человеком  создаются новые виды и расы животных и растений.

     В будущем нам рисуются как возможные  сказочные мечтания: человек стремится  выйти за пределы своей планеты… в космическое пространство… И вероятно, выйдет.

     Ноосфера  – последнее из многих состояний  из многих состояний эволюции биосферы в геологической истории – состояние наших дней».

     1.3. В. И. Вернадский о переходе биосферы в ноосферу

     Как указывалось ранее, под ноосферой понимается сфера взаимодействия природы и общества, в которой человеческий разум при посредстве технически оснащённой деятельности становится определяющим фактором развития [11]. К появлению учения о ноосфере привело развитие естествознания Нового времени. В 1922-23 гг. В. И. Вернадский, читая лекции в Париже, выдвинул тезис о биогеохимических явлениях как основе биосферы. В 1927 г. французский математик и философ Е.Леруа ввёл понятие ноосферы, как современной стадии, геологически переживаемой биосферой

     Обобщив результаты исследований в отрасли  геологии, палеонтологии, биологии и  других естественных наук, В. И. Вернадский пришел к выводу, что биосфера –  это стойкая динамическая система, равновесие, которой установилось в  основных своих чертах с археозоя и неизменно действует на протяжении 1.5 – 2 миллиардов лет». Он доказал, что  устойчивость биосферы за это время  обнаруживается в постоянстве ее общей массы (около 10¹⁹ т), массы живого вещества (10¹⁸ т), энергии, связанной с живым веществом (10¹⁸ ккал), и среднего химического состава всего живого.

     Стойкость биосферы Вернадский связывал с тем  обстоятельством, что «функции жизни  в биосфере – биогеохимические функции  – неизменные на протяжении геологического времени, и ни одна из них не появилась  снова с ходом геологического времени». Все функции живых организмов в биосфере (образование газов, окислительные  и обновленные процессы, концентрация химических элементов и т. п.) не могут  выполняться организмами какого-либо одного вида, а лишь их комплексом. Отсюда вытекает чрезвычайно важное положение, разработанное Вернадским: биосфера Земли сформировалась с самого начала как сложная система, с большим  количеством видов организмов, каждый из которых выполнял свою роль в  общей системе. Без этого биосфера вообще не могла бы существовать. Отсюда следует, любая трактовка ноосферогенеза может подразумевать только качественное изменение отношений человека с биосферой, но не качественное изменение самой биосферы, ни, тем более, её «отмену».

     Вернадскому принадлежит открытие основного  закона биосферы: «Количество живого вещества является планетной константой со времен архейской эры, то есть за все геологическое время». На протяжении этого периода живой мир морфологически изменился неузнаваемо, но такие  изменения заметно не повлияли ни на количество живого вещества, ни на его  средний валовой состав. Дело здесь  в том, как считает Вернадский, что «в сложной организованности биосферы происходили в границах живого вещества лишь перегруппирования  химических элементов, а не коренные изменения их состава и количества».

     Постоянно подчеркивая, что его позиция – это позиция натуралиста, В.И.Вернадский говорил о биосфере как о «естественном теле», как о «монолите», вбирающем в себя всю совокупность живого вещества планеты. Очевидно, что и человек, как живое существо, включен в биосферу, понимаемую в качестве природно-биологического образования. В таком случае антропогенные факторы эволюции биосферы становятся в один ряд с другими природными параметрами.

     Вместе  с тем, В.И.Вернадский говорил о том, что понятие «естественного тела» изменяет свое содержание в зависимости от контекста. В этом отношении существенно, что «начало» ноосферы отсчитывается с того, условно говоря, момента, когда появился разум: «С появлением на нашей планете одаренного разумом живого существа, – писал Вернадский, – планета переходит в новую стадию своей истории. Биосфера переходит в ноосферу» [7]. Выработанная в социальной среде научная мысль создаёт в биосфере новую геологическую силу. Биосфера переходит тем самым в новое эволюционное состояние.

     Научная мысль как проявление живого вещества по существу не может быть обратимым  явлением, утверждает В. И. Вернадский. Рост научной мысли, тесно связанный  с ростом заселения человеком  биосферы, должен ограничиваться чуждой живому веществу средой и оказывать на неё давление, поскольку он связан с возрастающим количеством живого вещества, прямо или косвенно участвующего в научной работе. Этот рост и связанное с ним давление постоянно увеличиваются благодаря тому, что в них резко проявляется действие массы создаваемых технических средств, экспансия которых в ноосфере подчиняется тем же законам, что и размножение живого вещества, то есть, выражается в геометрических прогрессиях.

     Кроме этого формирование ноосферы, согласно В. И. Вернадскому, определяется следующими условиями и предпосылками:

1. Человечество стало единым целым. Ход мировой истории охватил весь земной шар, включив в единый процесс, различные культурные области, некогда существовавшие изолированно.
2. Преобразование средств связи и обмена сделало регулярным и систематическим обмен веществом, энергией и информацией между различными элементами ноосферы.
3. Овладение новыми источниками энергии дало человеку возможность коренного преобразования окружающей среды.
4. Растёт благосостояние народных масс, трудом и разумом которых создаётся ноосфера.
5. Осознаны равенство всех людей и важность исключения войн из жизни общества.

     Очевидно, о нашей современности следует говорить как о качественно новой ступени развития ноосферы, сохранив ту «начальную» точку отсчета ее эволюции, когда с появлением цивилизации на Земле биосфера стала природно-социальной системой. 
 
 
 

     2. Математическое моделирование в области исследования бионоосферы.

     2.1. Особенности математического моделирования бионоосферы в современных условиях.

     Для начала третьего тысячелетия характерна общая тенденция к математизации научного исследования и широкому применению методов системного анализа.

     Правда, исследование бионоосферы все еще остается той областью знания, в которой пока более целесообразно опираться на объяснение и прогноз опытного практика, чем на теоретико-математические предсказания. Это связано и с принципиальной сложностью самих экологических систем как объектов математического моделирования, и с постоянно совершенствующейся методологией и методикой математического моделирования, и с целым рядом организационных трудностей, возникающих при постановке системного исследования [12]. И все-таки, рассмотренные выше теоретические конструкции в рамках биосферной концепции вселяют определенный оптимизм в возможность их формализации, что делает синтез теоретической экологии делом вполне реальным. 

     2.2. Пример построения математической модели комплекса «бионоосфера».

     Попытаемся  провести методологический анализ комплекса «бионоосфера», опираясь на фундаментальную теорию самоорганизации материи [8].

     Бионоосферу можно рассматривать как открытую неравновесную иерархически сложную систему. В. И. Вернадский, внесший огромный вклад в наше понимание биосферы, еще задолго до современного этапа развития науки, был близок к идее самоорганизации биосферных процессов. На первых стадиях учение о биосфере создавалось на эмпирической основе. В результате этого образовался целый класс биосферных наук, благодаря которым удалось адекватно описать природные процессы.

     В настоящее время анализ проблемы биосферы значительно усложняется  в силу необходимости введения в рассмотрение антропогенного фактора.

     Специфика самой биосферы и экосистем в  ней (неравновесность, открытость) приводит к необходимости рассматривать эволюцию с синергетических (междисциплинарных) позиций.

     Впервые о необходимости синтеза наук о Земле сказал Докучаев В. В. До В. И. Вернадского, системными конструкциями занимались Д. И. Менделеев, А. Н. Бекетов, A. M. Бутлеров, А. И. Воейков.

     Как было указано ранее, В. И. Вернадский считал биосферу активной оболочкой Земли, в которой совокупная деятельность живых организмов проявляется как геохимический фактор планетарного масштаба [9]. Основную проблему учения о биосфере составило исследование противоречивого соотношения живого вещества с неживым. Противоречие вытекало из следующих представлений: живое способно к редупликации, неживое способностью генерировать информацию не обладает; живые организмы самопроизвольно увеличивают степень своей упорядоченности, эволюционируют; косное развивается в сторону увеличения беспорядка (диффузия, теплопроводность и т. д.). Вернадский считал, что на живое и биокосное не распространяются законы классической термодинамики и они способны структурироваться и качественно усложняться в процессе эволюции. В этом случае можно выделить космическое значение живого вещества как преобразователя непрерывного потока всепроникающей космической энергии и, прежде всего, энергии солнечного света. Эта энергия является двигателем биогенного тока между природными телами и живым веществом. Такое понимание приводит к тому, что живое вещество можно рассматривать не только как объект классической биологии, но и как объект геологии и именно это, по-видимому, позволило Вернадскому сформулировать следующие биогеохимические принципы:

     1. Биогенная миграция атомов химических элементов всегда стремится к своему максимальному проявлению;

     2. Эволюция видов идет в направлении, увеличивающем биогенную миграцию атомов в биосфере.

     Эти принципы отражают самые общие черты концепции самоорганизации.

     Рассмотрим их не с эмпирических, как у Вернадского, а с теоретических позиций, то есть с помощью языка неравновесной нелинейной динамики. В таком случае повышение сложности в биогенной миграции атомов означает рост упорядочения, понижение энтропии. Основным «каналом» взаимосвязи живого вещества с неживым, как основного способа существования биосферных систем, можно считать биогеохимический круговорот химических элементов.

     Рассмотрим  модель Костицына В. А. [10], описывающую круговорот вещества между органическим миром и атмосферой. Возьмём частную проблему круговорота углерода и кислорода. Пусть х – масса свободного атмосферного кислорода, у – общая масса углекислоты в атмосфере и в океане, ν – общая масса кислорода и углерода в растениях, u – их общая масса в животных; s – их общая масса в остатках растений и животных, расселённых в земной коре. Схема изображенная на рис. 1 показывает отношение между выше указанными переменными.

Рис. 1 

Записываем систему  дифференциальных уравнений: 

     x' = −α₁₃u −α₁₄υ +α₄₁υ,                                                  (1) 

     y = α₃₂u −α₂₄υ + α₄₂υ,                                                         (2) 

     u = α₁₃u −α₃₂u −α₃₅u + βuυ,                                         (3)