Учение В.И. Вернадского о биосфере. 4

 

 

 

 

 

 

План:

 

 

1. Введение

 

2. Учение В.И. Вернадского о биосфере

 

3. Современная биосфера

 

4. Живое вещество биосферы и биотический круговорот

 

5. Возникновение и эволюция биосферы

 

6. Заключение 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Взаимоотношения человека и природы  носят сложный характер и нуждаются в тщательном и полном изучении. Успехи человечества в потреблении природных ресурсов зависят от познания законов природы и умелого их использования. Одна из самых крупных проблем во взаимоотношениях природы и общества – это противоречие между ограниченными ресурсами, размерами Земли и неограниченно возросшими потребностями человечества. Это противоречие привело к возникновению чрезвычайно серьезных экологических проблем глобального масштаба.

   Ещё в 1926г.  В.И. Вернадский писал: «Созданная  в течении геологического времени, установившаяся в своих равновесиях биосфера начинает все сильнее и глубже меняться под влиянием научной мысли человечества». Учения В.И. Вернадского о биосфере служит научным фундаментом в разработке ряда современных глобальных проблем, и прежде всего проблем окружающей человека среды и разумного использования природных богатств биосферы.

   В трудах античных  ученных- Аристотеля, Эратосфена, Теофраста,  Страбона- имелись представления  об устройстве окружающего мира, о взаимосвязи живых организмов с внешней средой. Однако на протяжении многих столетий эти вопросы были несколько отодвинутыми на второй план. И только в эпоху Возрождения отмечался всплеск научной мысли и обращение к культурному наследию античности однако величайшая роль жизни как решающего фактора в динамике веществ верхних горизонтов биосферы выяснялась постепенно, пока не стало известно, что живые организмы могут существовать только путем обмена веществ с внешней средой. Такой обмен имеет географическое значение, поскольку оболочки Земли состоят из химических элементов, входящих в состав живых организмов планеты.

   Факты и представления  о биосфере накапливались постепенно  в связи с развитием ботаники, географии растений, почвоведения  и других, преимущественно биологических наук, а также наук геологических, которые стали необходимыми для понимания биосферы в целом, оказались связанными с возникновением экологии- науки, изучающей взаимоотношения организмов и окружающей среды.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

   Владимир Иванович  Вернадский (1963- 1945) принадлежит к тем блестящим мыслителям, идеи которых в силу их эвристичности продолжают питать самые разнообразные отрасли современного знания. Он осветил в своих трудах и живой мир природной среды, т.е. биосферу, то что является важнейшим источником потребительских благ и ресурсов общественного производства. Учение Вернадского о биосфере лежит в основе современного естествознания, которое помогает осмысливать окружающую природу.

   До Вернадского  почти все натуралисты склонялись  к мысли, что живые организмы присутствуют на Земле как второстепенный компонент и существующие за счет способности приспосабливаться. Вернадский решительно выступил против такого мнения. Он убедительно, с помощью математических расчетов доказал, какое огромное воздействие на геологические процессы оказывает живое существо, вывел непреложно доказанные положения: 1. главным отличием Земли от других планет является существования на ней особого природного тела- живого вещества; 2. живое вещество вместе со средой его нахождения образует биосферу, являющуюся промежуточным звеном между космосом и внутренними частями планеты. Живое вещество- понятие абстрактное, выделить его из окружающей среды можно только условно. Живое вещество везде и всегда может оставаться живым только при активном взаимодействии со средой обитания; 2. все живые организмы в целом (включая человека) составляют самую мощную геологическую силу на Земле; 4. энергетический баланс нашей планеты как системы зависит от живого вещества.

   Изменение системы  биосферы, включал человеческое общество как активный элемент, постепенно приобретает четкий практический смысл. Возможность влиять на самые глубинные процессы биосферы выдвигает перед человечеством современно новые проблемы. Главная из них- разработка потенциала для совершенствования не только межчеловеческих отношений, но и отношение людей с окружающей средой.

   Эта стратегия  должна носить характер адаптации  человеческой деятельности к  естественным условиям обитания  и их направленному изменению,  что требует всесторонних знаний, объединяющих естественные, общественные и технические науки. Эти обстоятельства стимулируют возникновение синтетического учения, объединяющего в одно целое исследования процессов, протекающих в неживой природе, живой материи и человеческом обществе.

   В.И. Вернадский  заложил основы учения о динамике  биосферы. Он пришел к мысли,  что развитие жизни и эволюция  нашей планеты связаны в единое  целое.

   Биосфера- своеобразный  энергетический барьер между  Землей и Космосом. Главный источник  энергии, поступающей в биосферу, - солнечное излучение; часть её исходит из недр Земли (гейзеры, вулканическая лава, термальные источники). В воображение ученого рождались удивительные картины : Земля летает в космическом  пространстве вокруг ослепительного светила. Она как бы впитывает солнечную энергию благодаря наружной оболочке из воды и газов, горных пород и живого вещества. Эти четыре компонента в соединении образуют своеобразное планетно-космическое явление- биосферу. Лучистая энергия Солнца, переработанная биосферой, накапливается в горных породах, хранящие частицу солнечной энергии, погружаются в недра. Некоторое количество энергии постоянно уходит из биосферы: излучается в космос, консервируется в геологических отложениях.

   По структуре  биосфера- сложная иерархическая система. Земную кору Вернадский назвал областью былых биосфер, планетным аккумулятором солнечной энергии. Биосфера по мысли ученого,- это не просто оболочка планеты, где существует жизнь, не инертная, хотя и благоприятная среда для организмов, но и область жизни, подобная организму. Она нарушает химическую косность земной поверхности. Вернадский определил пределы биосферы. Она охватывает всю тропосферу, почти целиком гидросферу и верхнюю часть земной коры в среднем до глубины 2км.

   В пределах каждой структурной единицы процессы преобразования энергии и вещества протекают относительно автономно. Вместе с тем вся живая материя объединена специфической формой организации и общими механизмами регуляции потоков энергии и вещества, которые определяются структурой геохимических циклов, циркуляцией атмосферы и воды. Нарушения циклов при антропогенных воздействиях могут менять локальные и глобальные характеристики биосферы. Земля аккумулировала солнечную энергию в различных ископаемых ныне углеродах. Сейчас эти запасы вовлекаются в круговорот веществ, изменяя структуру геохимических циклов и тепловое равновесие биосферы. Огромные выбросы отходов производственной деятельности не только включаются в геохимические циклы, но и изменяют характеристики ландшафтов.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

   Согласно современным  представлениям, биосфера- это своеобразная  оболочка Земли, содержащая всю  совокупность живых организмов  и ту часть вещества планеты,  которая находится в непрерывном  обмене с этими организмами.

   Биосфера охватывает нижнюю часть атмосферы, гидросферы и литосферы. Продукт жизнедеятельности живых существ относятся к весьма подвижным веществам, которые перемещаются в пространстве далеко за пределами обитания организмов. Поэтому естественно, что распределение живых организмов в пространстве более ограниченно, чем вся биосфера в целом.

   Следует отметить, что в различных отечественных  и зарубежных публикациях под  биосферой понимают только всю  совокупность организмов, противопоставляя  биосферу атмосфере, гидросфере и литосфере. Это коренным образом противоречит всему известному в развитии биосферы как научного термина, и данное определение следует категорически отклонить.

   Биосфера в главных своих чертах может быть охарактеризована по отдельным оболочкам, которые она охватывает.

   Атмосфера – наиболее легкая оболочка нашей планеты, граничащая с космическим пространством. Через атмосферу осуществляется обмен вещества Земли с Космосом. Земля получает космическую пыль и метеоритный материал, теряет самые легкие газы – водород и гелий. Атмосфера Земли насквозь пронизывается мощной радиацией Солнца, которая определяет тепловой режим поверхности планеты, вызывает диссоциацию молекул атмосферных газов и ионизацию атомов.

   Одним из важнейших  компонентов атмосферы является озон О . Его образование разложение связанно с поглощением ультрофиолетовой радиацией Солнца, которая губительна для живых организмов.

   В то же время  озон поглощает ультрофиолетовую  радиацию, разлагаясь на атомарный  и молекулярный кислород.

   Гидросфера – водная оболочка Земли. Вследствие высокой подвижности, воды проникают повсеместно в различные природные образования. Они находятся в виде поров и облаков в земной атмосфере, формируют океаны и моря, существуют в замороженном состоянии в высокогорных районах континентов и в виде мощных ледяных панцирей покрывают полярные участки суши. Атмосферные осадки проникают в толщи осадочных пород, образуя подземные воды. Вода способна растворять многие вещества, поэтому любые воды гидросферы можно рассматривать в качестве естественных растворов разной степени концентрации.

   Гидросфера находиться  в тесной взаимосвязи с литосферой (подземные воды), атмосферой (парообразная  влага) и живым веществом биосферы, в которое она входит в качестве  обязательного компонента.

   Живое вещество биосферы в общем занимает ничтожное пространство в масштабе всего земного шара. Широкое распространение самого термина – «живое вещество» - связанно главным образом с работами  В.И. Вернадского. Он ясно показал, что все количество живых организмов Земли образует единое целое – живое вещество планеты.

 

   Жизнь на Земле  самый выдающийся процесс на  ее поверхности, получающий живительную  энергию Солнца и вводящий  в движение едва ли не все  химические элементы таблицы  Менделеева. Биосфера есть часть земного пространства, охваченного жизнью с ее активным химическим проявлением. В биосфере возможно существование организмов в любых концентрациях- от единичных бактерий и спор в 1см  атмосферного воздуха до мощных тропических лесов экваториальной зоны и следов жизни в пучинах Мирового океана. По своим требованиям к условиям внешней среды организмы расселяются в различных верхних горизонтах Земли: в нижней атмосфере, в гидросфере, в почвах, в глубинах литосферы, пропитанных природными водами и нефтяными месторождениями.

   Почвы: - почвенный покров является сложным компонентом биосферы на поверхности континентов. Почвы как природные системы представляют сложные сочетания состава со сложными взаимодействиями различных форм движения материи. Почвенный покров иногда называют педосферой.

   Почвенный и  растительный покров континентов  представляет собой единство- естественную  систему при совместном функционировании  растений, грибов, микроорганизмов  коллоидно-дисперсного минерального  вещества. Таким образом почва выступает преимущественно как биогенное образование на поверхности суши. Обычно почвой называют рыхлый поверхностный слой континентов, возникший из горных пород под воздействием климатических и биогенных условий.

   Состав почв  выражается сочетанием минеральных веществ, органических и живых почвенных организмов, которые представлены микроорганизмами, корнями высших растений и роющими животными.

   В почвах осуществляется  разложение органических веществ  биологического происхождения. Возникают  относительно устойчивые продукты. Почвенное органическое вещество можно разделить на :

1. неразложившиеся и полуразложившиеся остатки растений, животных и микроорганизмов
2. гумус или перегной почвы.

Первая группа содержит обычные для живых организмов органические соединения: углеводы, жиры, белки. Вторая группа составляет части органического вещества, утратившие признаки первоначального строения и более-менее перемешание с минеральной частью почвы.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

      Химический  элементарный состав живого вещества  нашей планеты характеризуется преобладанием немногих элементов. Н, С, О, N являются главными элементами земного живого вещества, и поэтому они названы биофильными. Атомы их создают в живых организмах сложные молекулы в сочетании с водой и минеральными солями. Химические элементы в организмах обнаруживают некоторые специфические черты распространения.

   Органические соединения  в живом веществе представлены  углеводами, липидами, белками и  нуклеиновыми кислотами.

   Углеводы – органические вещества, состоящие из С, Н, О. Их общий состав может быть С Н  О . Подразделяются углеводы на простые – моносахариды и сложные – полисахариды. Углеводы – основной источник энергии всех форм клеточной деятельности. Они строят прочные ткани растений(целлюлоза) и играют роль запасных питательных веществ в организмах. Углеводы являются первоначальными продуктами фотосинтеза зеленых растений.

   Липиды – представляют собой жироподобные вещества и жиры, плохо растворимые в воде, состоящие преимущественно из Н и С. Из них построены клеточные перегородки(мембраны). В связи с тем что жиры плохо проводят тепло, они выполняют защитную функцию, а также роль запасных питательных веществ в организмах.

   Белки – наиболее сложные химические соединения в организмах. Они состоят из сочетания 20 различных аминокислот. Молекулы белка сложные и имеют большие размеры, поэтому их иногда называют макромолекулами. Молекула любой аминокислоты состоит из специфической части, или радикала (R), и части, одинаковой для всех аминокислот, включающей аминогруппу, (- NH ) и карбоксильную группу (СООН).

   Молекулы белка  обычно представляют собой цепь, составляющую из нескольких десятков  или даже сотен молекул аминокислот.  Многие белки выполняют в живых  организмах роль естественных  катализаторов – ферментов, ускоряющих химические реакции в десятки и даже сотни миллионов раз.

   Нуклеиновые кислоты находятся в ядре клеток. Представлены двумя типами кислот – дезоксирибонуклеиновой (ДНК) и рибонуклеиновой (РНК). Их биологическая роль исключительно велика, поскольку они регулируют естественный синтез белка в организмах и осуществляют передачу наследственной информации из поколения в поколение.

   Все перечисленные  вещества в организмах находятся  в тесной взаимосвязи. Окружающий  мир живых организмов биосферы  представляют собой сочетание различных биологических систем разной структурной упорядоченности и разного организационного положения. Учитывая эти обстоятельства, можно выделить различные уровни существования живого вещества – от крупных молекул до растений и животных различных организаций. В настоящее время можно представить себе следующие уровни организации живой материи:

 

1. Молекулярный – самый низкий уровень, на котором биологическая система проявляется в виде функционирования биологически активных крупных молекул.
2. Клеточный – уровень, на котором биологически активные молекулы сочетаются в единой системе.
3. Тканевый – уровень, на котором сочетание однородных клеток образует ткань.
4. Органный – уровень, на котором образуется определенный орган.
5. Организменный – уровень, на котором взаимодействие ряда органов сводится в единую систему индивидуального организма.
6. Популяционный – видовый – уровень, где существует совокупность определённых однородных организмов, связанных единством происхождения, образом жизни и местом обитания.
7. Биоценоз и биогеоценоз – более высокий уровень организации живой материи, объединяющий разные по видовому составу организмы.
8. Биосферный – уровень, на котором сформировалась природная система наиболее высокого ранга, охватывающая все проявления жизни в пределах нашей планеты.

  Взаимодействие организмов  с внешней средой происходит  путем обмена веществ путем  питания, дыхания, выделение экскрементов. По способу питания все организмы  подразделяются на автотрофные и гетеротрофные. Автотрофные питаются непосредственно неорганическими минеральными веществами внешней среды. К ним относится большая часть растений, осуществляющих фотосинтез. Гетеротрофные организмы питаются органическими веществами, которые представлены свежими телами и остатками автотрофных организмов. К гетеротрофным относятся животные или большая часть микроорганизмов. Однако четкая граница между автотрофными и гетеротрофными не прослеживается.

   Основа биосферы  – круговорот органического вещества, осуществляющийся при участии  всех населяющих ее организмов – то, что получило название биотического круговорота.

   В закономерностях  биотического круговорота решена  проблема длительного существования  и развития жизни. На теле  конечного объёма, каковым является  Земля, запасы доступных минеральных  элементов, необходимых для осуществления функций жизни, не могут быть бесконечными. Если бы они только потреблялись, жизнь рано или поздно должна была бы прекратиться.

   «Зеленые растения  создают органическое вещество, не зеленые разрушают его. Из  минеральных соединений, полученных от распада органического вещества, новые зеленые растения строят новое органическое вещество и так без конца» - пишет В.Р. Вильямс. С этой точки зрения, каждый вид организмов представляет собой звено в биотическом круговороте. Используя в качестве средств существования тела или продукты распада одних организмов, он должен отдавать в среду то, что могут использовать другие. Особенно велика роль микроорганизмов. Минерализуя органические остатки животных и растений, микроорганизмы превращают их в «единую важату» - минеральные соли и простейшие органические соединения типа биогенных стимуляторов, снова используемые зелеными растениями при синтезе нового органического вещества.

   Согласно В.И.  Вильямсу, солнечная энергия вызывает  на Земле два круговорота веществ: большой и геологический, наиболее ярко проявляющийся в круговороте воды и циркуляции атмосферы, и малый, или биологический. Малый биологический круговорот развивается на основе большого абиотического, используя особенности последнего.

   Для сохранения относительной стабильности биотического круговорота приход органического вещества за счет фотосинтеза должен компенсироваться расходом, т.е. потреблением егоживотными и микроорганизмами.

   Интенсивность  биотического круговорота в разных  условиях также весьма неодинакова. В качестве показателя этой интенсивности можно использовать скорость накопления и разложения мертвого органического вещества, образующегося в результате ежегодного отпада листьев и отмирания организмов.

   Таким образом,  биотический круговорот планеты даже в своём грубо колличественном выражении представляется сложной системой частых круговоротов – экологических систем, связанных между собой различными формами взаимодействия.

   В.И. Вернадский  неоднократно говорил об организации жизни в планетарном масштабе. Биологический круговорот, основанный на взаимодействии синтеза и деструкции органического вещества, - одна из самых существенных, если не самая существенная форма этой организации. Только она обеспечивает непрерывность жизни и её прогрессивное развитие.

   В качестве  звеньев биотического круговорота  выступают особи и виды организмов  разных систематических групп  от микроорганизмов до высших  представителей растительного и  животного мира, взаимодействующие  между собой непосредственно и косвенно с помощью многочисленных прямых и обратных связей. Таким образом, понятие «жизнь» относится не к отдельным организмам, а ко всей совокупности живых существ, связанных определенными взаимоотношениями.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

   Возникновение  жизни и биосферы представляет собой великую проблему естествознания, которая ждет своего решения. В настоящее время можно полагать, что жизнь возникла при переходе химической эволюции вещества к эволюции биологической. Однако время и место этого перехода представляет собой загадку, к решению которой мы подошли только в последнии годы. Как отметил видный наш памонтолог академик Б.С. Соколов, даже на «существующий вопрос», что древнее – Земля или жизнь на ней, строго говоря, мы не можем дать определенного ответа. Возможно, они почти ровесники, и поэтому предпочтительнее говорить о появлении жизни на Земле, а не о её происхождении.

   Большенство авторов  гипотез о происхождении жизни  на Земле допускали, что в  течении огромного промежутка  времени наша планета была  безжизненной и на её поверхности, в атмосфере и океане происходил медленный абиогенный синтез органических соединений, который привел к образованию первых примитивных организмов.

   С другой стороны,  появились и иные, противоположные  представления о необычайной длительности существования жизни на Земле. Они были высказаны выдающимися учеными нашей страны – В.И. Вернадским, Л.С. Бергом, Л.А. Зенкевичем.

   Наши знания  о ранее живых организмах представляются  довольно жалкими. Миллиарды особей  предков современного растительного и животного мира безвозвратно исчезли в геологическом прошлом, не оставив после себя остатков в виде тех или иных форм ископаемых.

   Следы существования,  которые оставляют после себя  организмы геологического прошлого, подразделяются на морфологические и геохимические. Морфологические следы наиболее очевидны. Они встречаются в виде остатков естественной мумификации, окаменелостей и отпечатков. Геохимические следы существования древних организмов остаются в виде органических соединений в осадочных горных породах земной коры. Эти соединения широко распространены во многих осадочных толщах. В составе органического вещества земной коры обнаружены в разных пропорциях углероды, углеводы, жиры и аминокислоты. Они преимущественно растительного происхождения и возникли из мелких растительных организмов, ранее слагавших планктон древних водоемов.

   В свете новых  данных неизбежно следует вывод  о раннем зарождении жизни  в пределах Солнечной системы.  Химическая эволюция вещества  Земли и всех планет Солнечной системы совершалась ещё в космических условиях в период, предшествующий их образованию. Возникает новая космохимическая проблема выяснения способов возникновения ближайших предшественников жизни в процессе формирования самой Солнечной системы.

   В настоящее время получены космохимические данные, указывающие на широкие возможности возникновения органических веществ как предшественников жизни в космических условиях. Большая часть молекул, обнаруженных в межзвездных облаках, относится к простейшим соединениям углерода, включая такую важную молекулу для жизни как глицин – аминокислоту. Однако до образования сложных высокомолекулярных соединений ещё очень далеко.

   По-видимому, существовали  две возможности развития событий.  Либо химическая эволюция, начинавшись в космических условиях, продолжалась  в условиях Земли и в относительно короткие сроки привела к образованию первых живых организмов. Либо образование первых сложных молекул ДНК, лежащих в основе наследственности, произошло в космических условиях, а  полная реализация возможностей ДНК наступила в первых водоемах нашей планеты, содержащих растворенные органические вещества. Но если первые зародыши жизни и не возникли в космических условиях, то космический синтез органических веществ создал в ранней Земле неорганическую кормовую базу для первых гетеротрофных организмов. Из этого следует, что первая биосфера в истории Земли носила восстановительный гетеротрофный характер. В дальнейшем, ходе геологической истории, эволюция биосферы происходила и происходит как решение противоречия между безграничной способностью организмов к размножению и ограниченностью минеральных ресурсов. Это противоречие разрешается путем овладения новыми источниками вещества и энергии и приобретением новых качеств, приспособлений растениями и животными. При этом наследственная изменчивость выступает существенной предпосылкой развития, а естественный отбор – механизмом закрепления новых качеств. Можно полагать, что первые формы жизни на нашей планете представляли собой биохимически простые прокариотические одноклеточные или бесклеточные структуры, вероятно, шарообразные по форме и гетеротрофные по способу питания.  Важным переломным этапом в эволюции древней биосферы был переход от стадии гетеротрофного режима к новому – автотрофному, основанному на фотосинтезе.

   Интенсивное развитие  наземной растительности связано  было с возникновением более  высокоорганизованных форм, чем  водоросли. Массовое завоевание  континентов растениями началось  в силурийский период палеозоя. Появились псилофиты – споровые низкорослые растения, напоминающие плауты.

   История животных  ведет свое начало от одноклеточных  организмов, которые ответвились  от общего ствола с растениями  ещё в протерозойскую эру –  в среднем докембри.

   В начале клетки, входящие в состав колоний, были одинаковыми. Но затем началось из разделение по выполняемым функциям. Возникла дифферекциация клетки: воспринимающие пищу, определяющие подвижность и воспроизводимые. Необходимость быстрого движения вызвала в начале дифференциацию клеток по способу питания и обмена веществ, движения, а затем и все другие прогрессивные изменения.

   Все особенности органического  мира на Земле в этой или  иной мире затрагивали остальные  части биосферы. В свете современных  космических, геохимических и  палеонтологических данных эволюции биосферы Земли можно рассматривать как последовательную смену трех главных этапов.

   Первый этап – восстановительный – начался ещё в космических условиях и завершился появлением на Земле первой гетеротрофной биосферы. Именно на этом этапе происходили каталитические и радиохимические реакции синтеза сложных органических соединений, давших начало жизни на Земле.

   Второй этап  – слабоокислительный – отмечен появлением фотосинтеза, косвенные следы которого мы встречаем в формациях 3,8 – 4 млрд. лет тому назад и завершился осадконакоплением полосчатых железистых формаций раннего и среднего докембри.

   Третий этап  – окислительный – выразился в развитии фотоавтотрофной биосферы. Медленный рост кислородной атмосферы сменился значительным ускорением, особенно после появления растительного покрова на континентах, что резко повысило общую продукцию фотосинтеза. В ходе развития биосферы на этом этапе появилось такое количество свободного кислорода, которое было достаточным для появления и развития животных, потребляющих его при дыхании.

   В течении веков  на Земле осуществлялся огромный  круговорот веществ, включающий  формирование магматических, осадочных  и метаморфических горных пород.  Однако в свете имеющихся геологических  данных интенсивность и характер этого глобального круговорота менялись.

   В ходе эволюции  биосферы усиливается дифференциация  осадочного материала.