Учение о биосфере В.И. Вернадского

Функционирование биосферы

Все экосистемы, даже самая крупная — биосфера, являются открытыми системами: они должны получать и отдавать энергию. Разумеется, экосистемы, входящие в биосферу, также в разной степени открыты для потоков веществ, для иммиграции и эмиграции организмов. Поэтому концепция экосистемы должна учитывать существование связанных между собой и необходимых для функционирования и самоподдержания экосистемы среды на входе и среды на выходе. Функционирующая реальная экосистема должна иметь вход и в большинстве случаев пути оттока переработанной энергии и веществ.

Принципиальное различие между потоками вещества и энергии в экосистеме заключается в том, что биогенные элементы, составляющие органическое вещество, могут многократно участвовать в круговороте веществ, тогда как поток энергии однонаправлен и необратим. Каждая порция энергии используется только однократно. В соответствии со вторым законом термодинамики на каждом этапе трансформации энергии значительная ее часть неизбежно теряется, рассеивается в виде теплоты.

Биосфера — глобальная экосистема. Она не образует сплошного слоя с четкими границами, а как бы «пропитывает» другие геосферы планеты, охватывая всю гидросферу, верхнюю часть литосферы и нижнюю часть атмосферы.

Биосфера — это совокупность частей земных оболочек (лито-, гидро- и атмосферы), которая заселена живыми организмами, находится под их воздействием и занята продуктами их жизнедеятельности.

Развернутое развитие учения о биосфере принадлежит В.И. Вернадскому, исключительно важное место в трудах В.И. Вернадского занимают пионерные представления о роли человека в эволюции природы Земли. Эти взгляды позднее стали известны как учение о ноосфере — сфере разума — человеческой «оболочке» Земли.

Согласно В.В. Вернадскому вещество биосферы состоит из:

• живого вещества — биомассы современных живых организмов;

• биогенном вещества — всех форм детрита, а также торфа, угля, нефти и газа биогенного происхождения;

• биокосного вещества — смесей биогенных веществ с минеральными породами небиогенного происхождения (почва, илы, природные воды, газо- и нефтеносные сланцы, часть осадочных карбонатов);

• косного вещества — горных пород, минералов, осадков, не затронутых прямым биогеохимическим воздействием организмов.

Вернадский подчеркивал, для строения биосферы характерны физико-химическая и геометрическая разнородности. Разнородность строения является господствующим фактором, резко отличающим биосферу от всех других оболочек земного шара. Живое вещество едва ли составляет 1-2 сотых процента по весу, но геологически оно является самой большой силой в биосфере, определяет все идущие в ней процессы. Биосфера состоящая из разнородных структур – живого и неживого вещества, поддерживает в состоянии динамического равновесия все протекающие в ней процессы благодаря непрерывному потоку (круговороту) атомов из косной материи через живое вещество снова в неживую природу. Геологическая роль живых организмов состоит в создании современного газового состава атмосферы, формировании горных пород, вод мирового океана. На основании учения Вернадского в настоящее время биосферу определяют как активную оболочку Земли, в которой совокупная деятельность живых организмов проявляется как геохимический фактор планетарного масштаба.

Одним из уникальных этапов эволюции биосферы явилось возникновение разума и интеллекта как высшей познавательной способности живого организма. Благодаря появлению разума возникает общество - совокупность индивидуумов, способных к совместному труду и к планомерной деятельности. Появление интеллекта радикальным образом ускорило темпы практически всех процессов, протекающих во внешней оболочке Земли – биосфере. Но, вследствие появления интеллекта развитие человека как биологического вида стало замедляться. Эволюция, морфологическое совершенствование человека, в том числе и развитие мозга, закончилось. Появление жизни на планете - это реализация одной из возможных форм самоорганизации материи. Поэтому необходимо понимать, что человек как биологический вид, обладающий разумом, есть явление уникальное и неповторимое, но он – всего-навсего одна из бесчисленного множества возможных реализаций самоорганизации материи и развиваться вопреки законам функционирования биосферы не может. Он просто будет уничтожен породившей его вселенной, в которой будут реализовываться все новые и новые формы самоорганизации материи, поэтому, мысля космическими категориями, у человека нет другого выхода и выбора, как действовать в согласии с планетарными объективными законами эволюции. Человек превращается в решающую геологообразующую силу, развитие окружающей среды и общества сделаются неразрывными, биосфера должна будет перейти однажды в сферу разума – в ноосферу, в результате чего развитие планеты сделается направленным – направляемым силой разума. Вернадский считал, что согласованное с природой развитие общества потребуют специальной организации общества, создания специальных структур, которые будут способны обеспечить это совместное согласованное развитие. Выполнение принципа совместного развития потребует от человечества регламентации своих действий, определенных ограничений.Уже сегодня человечество подвело планету к той предельной черте, дальше которой начинаются необратимые процессы.

Грозящая всему человечеству катастрофа состоит в том, что нарушен один из признаков, которым должна обладать экосистема: биосфера как экосистема деятельностью человека выведена из состояния устойчивости. В силу своих масштабов и многообразия взаимосвязей она не должна от погибнуть, она перейдет в новое устойчивое состояние изменив при этом свою структуру, прежде неживую, а вслед за ней неизбежно и живую. Человек как биологический вид меньше других имеет приспособиться к новым быстро изменяющимся условиям и, скорее всего, исчезнет первым. Поучительным и наглядным тому примером является история острова Пасхи.

На одном из полинезийских островов, носящем название острова Пасхи, в результате сложных миграционных процессов в VII веке возникла замкнутая изолированная от всего мира цивилизация. В благоприятном субтропическом климате она за сотни лет существования достигла известных высот развития, создав самобытную культуру и письменность, до наших дней не поддающуюся расшифровке. А в ХVII веке она без остатка погибла, уничтожив вначале растительный и животный мир острова, а затем погубив себя в прогрессирующей дикости и каннибализме. У последних островитян не осталось уже воли и материала, чтобы построить спасительные лодки или плоты. В память о себе исчезнувшее сообщество оставило полупустынный остров с гигантскими каменными фигурами - свидетелями былого могущества.

Биогеохимические приппипы В.И.Вернадского.

Первый.Биогенная миграция атомов химических элементов в биосфере всегда стремится к максимальному своему проявлению. Прогрессивная эволюция любой экосистемы ведет к увеличению суммарного протока энергии через нее. Эта закономерность проявляется в способности живого к распространению, к развитию, во «всюдности жизни» (выражение В.И. Вернадского).

Второй. Эволюция видов в ходе геологического времени, приводящая к созданию устойчивых в биосфере форм жизни, идет в направлении, усиливающем биогенную миграцию атомов. Согласно этому принципу преимущества в ходе эволюции получают те организмы, которые приобрели способность усваивать новые формы энергии или «научились» полнее использовать химическую энергию, запасенную в других организмах.

Третий.Живое вещество находится в непрерывном химическом обмене с космической средой, его окружающей, и создается и поддерживается на нашей планете космической энергией Солнца. Этот принцип очень важен для понимания тех процессов, которые обычно называют «самоорганизацией биологических структур».

Основные функции биосферы.

Благодаря способности трансформировать солнечную энергию в энергию химических связей растения и другие организмы выполняют ряд фундаментальных биогеохимических функций планетарного масштаба.

Газовая функция. Живые существа постоянно обмениваются кислородом и углекислым газом с окружающей средой в процессах фотосинтеза и дыхания растений и животных. Растения сыграли решающую роль в смене восстановительной среды на окислительную, в эволюции планеты и в формировании современной атмосферы. Они строго контролируют концентрацию кислорода и СО₂, оптимальные для всей современной биоты.

Концентрационная функция. Пропуская через свое тело большие обьемы воздуха и природных растворов, живые организмы осуществляют биогенную миграцию и концентрирование химических элементов. Это относится не только к биосинтезу органики, но и к таким явлениям, как образование толщ осадочных известняков, месторождений серы, некоторых металлических руд и т.п. Ранние этапы биологической эволюции проходили в водной среде. Организмы научились извлекать из разбавленного водного раствора необходимые для них вещества, многократно увеличивая их концентрацию в своем теле.

Окислительно-восстановительная функция живого вещества тесно связана с биогенной миграцией элементов и концентрированием веществ. Многие вещества в природе крайне устойчивы и не подвергаются окислению при обычных условиях. Например, молекулярный азот - один из важнейших биогенных элементов, является устойчивым. Но живые клетки располагают настолько эффективными катализаторами — ферментами, что способны осуществлять многие окислительно-восстановительные реакции в миллионы раз быстрее, чем это может происходить в абиогенной среде.

Информационная функция живого вещества биосферы. Именно с появлением первых примитивных живых существ на планете появилась и активная («живая») информация, отличающаяся от той «мертвой» информации, которая, по Л.Бриллюэну, является простым отражением структуры. Организмы оказались способными к получению информации путем соединения потока энергии с активной молекулярной структурой, играющей роль программы. Способность воспринимать, хранить и перерабатывать молекулярную информацию совершила опережающую эволюцию в природе и стала важнейшим экологическим системообразующим фактором.

Перечисленные функции живого вещества экосферы обращены в основном к внешним факторам существования. Все вместе они образуют мощную средообразующую функцию экосферы. Деятельность живых организмов обусловила современный состав атмосферы, от которой зависят радиационный и тепловой режимы на планете, спектральный состав достигающего поверхности Земли солнечного света. Растительный покров существенно определяет водный баланс, распределение влаги и климатические особенности больших пространств. Живые организмы играют ведущую роль в самоочищении воздуха, рек и озер, от них во многом зависит солевой состав природных вод и распределение многих химических веществ между сушей и океаном. Благодаря растениям, животным и микроорганизмам создается почва и поддерживается ее плодородие. Следует четко представлять, что окружающая нас среда - это не возникшая когда-то фиксированная и непреходящая физическая данность, а живое дыхание природы, каждое мгновенье создаваемое работой множества живых существ.

Средообразующая функция экосферы тесно связана со средорегулирующей функцией — биотической регуляцией окружающей среды. Таким образом, биота экосферы формирует и контролирует состояние окружающей среды.

Законы экологии

1. Все связано со всем (о всеобщей связи вещей и явлений в природе). Все живое на Земле подчинено единому потоку солнечной энергии, включено в глобальные круговороты веществ - все это связывает пространственно удаленные природные комплексы и придает биосфере признаки единой коммуникативной системы. Следствиями из этого закона являются:

Закон больших чисел - совокупное действие большого числа случайных факторов приводит к результату, почти не зависящему от общих условий, не случайному результату (хаотическое движение молекул в объеме газа приводит к определенным значениям температуры и давления).

Принцип Ле Шателье- Брауна - при внешнем воздействии, выводящем систему из состояния устойчивого равновесия, это равновесие смещается в направлении, при котором эффект внешнего воздействия уменьшается.На биологических уровнях он реализуется в виде способности экологических систем к авторегуляции:

· любое частое изменение в системе неизбежно приводит к развитию цепных реакций, идущих в сторону нейтрализации произведенного изменения;

· любая система функционирует с наибольшей эффективностью;

· любые изменения в природе оказывают прямое или опосредованное воздействие на человека.

2. Все должно куда-то деваться (о законах сохранения). В отличие от человеческого производства природв в целом безотходна - замкнутость круговорота веществ в биосфере. Деятельность человека привела к возникновению высоких концентраций ряда элементов и появлению стойких синтетических соединений, чужеродных живым организмам - ксенобиотикам. Поскольку из всего колоссального объема материалов и веществ, извлекаемых из недр, перерабатываемых и синтезируемых человеком в природный круговорот попадает лишь малая часть, в природе появляется мусор и нарушается замкнутость круговорота веществ. Законы сохранения имеют постулаты:

· закон развития системы за счет окружающей среды. Абсолютное саморазвитие невозможно.

· закон неустранимости отходом, согласно которому образующиеся отходы не могут быть устранены, они могут быть переведены из одной формы ы другую или перемещены в пространстве.

3. Ничто не дается даром (о цене развития).

· Системы эволюционируют в сторону усложнения и совершенствования организации.

· Любое новое приобретение в эволюции сопровождается утратой старых и возникновению новых свойств.

· С ростом сложности организации систем темпы эволюции возрастают.

· Не существует «бесплатных» ресурсов.

4. Природа знает лучше (о главном критерии эволюционного отбора). По изобретательности использования законов природы, совершенству, экономичности и эффективности технические устройства намного уступают биологическим системам. Сопоставим: гидравлический компрессор - сердце, компьютер - человеческий мозг и т.д. Все в природе должно было пройти жестокий конкурс на вакансию в биосфере. Главный критерий этого отбора - вписанность в глобальный биотический круговорот, увеличении его эффективности, заполнение всех экологических ниш. У любого вещества должен существовать разлагающий его фермент и продукты распада должны вновь вовлекаться в круговорот. Каждый биологический вид, нарушающий круговорот вымирал. Деятельность человека многократно нарушает естественные круговороты.

5. На всех не хватит (закон ограниченности ресурсов). В природе организмы размножаются с интенсивностью, обеспечивающей максимально возможное число. Масса питательных веществ на Земле ограничена. Поэтому значительное увеличение численности и массы каких-либо организмов может происходить только за счет уменьшения численности и массы других организмов. Этот закон - источник всех форм конкуренции, соперничества и антагонизма в природе.

Дата добавления: 2014-01-07