IV. Основные концепции биосферы

1) Социальные концепции биосферы известны под названием экологических моделей мира будущего. Эта концепция стала широко известна во всем мире после публикации в 1972 г. доклада Римскому клубу «Пределы роста». Доклад подготовлен группой исследователей под руководством 30-ти летнего Денниса Л. Медоуса. (Массачусетский технологический университет, США).

В докладе была сделана первая в глобалистике попытка количественной оценки процессов, происходящих на планете. Для решения этой проблемы была построена модель, в которой взаимосвязаны население, капиталовложения, земное пространство, природные ресурсы, производство продуктов питания и загрязнение окружающей среды.

Основные выводы прогноза свидетельствовали о реально существующей угрозе экологической катастрофы, раскрывали ее характер, механизм и обосновывали необходимость в связи с этим разработки коллективных мер, направленных на создание устойчивой мировой системы.

Группа Медоуза выдвинула концепцию глобального равновесия (нулевых темпов роста). Итоги математических и кибернетических исследований этой группы можно сформулировать так. Если сохраняются современные темпы роста населения и экономики, то в ближайшее столетие настолько истощатся природные ресурсы и так ухудшится качество окружающей среды, что неизбежна массовая гибель людей и сокращение производства.

Чтобы избежать катастрофы необходимо обеспечить состояние глобального равновесия: нулевые темпы роста населения и национального продукта.

Медоуз предлагал начать стабилизацию численности населения с 1975 г., а экономического развития – с 1985 г.

Считали, что такое равновесие не ведет к застою. Постоянными должны быть только 2 величины – население и капитал. Это будто бы не помешает трансформации более высокой производительности труда в более высокий уровень жизни, в большее количество свободного времени, более благоприятную среду обитания.

Однако на деле нулевые темпы роста означают не что иное, как замораживание экономики. Кроме того, добиться нулевых темпов роста населения в короткий срок просто невозможно, поэтому уровень жизни в развивающихся странах понизится еще более. Т.е. концепция нулевых темпов роста, выдвинутая как формула защиты интересов человечества, как бы закрепляла привилегированное положение развитых стран и бедственное состояние развивающихся.

Глобальным моделированием занимались и другие группы в разных странах. Это социальные концепции биосферы.

2) Исторически первой концепцией биосферы является географическая. Учение о природных зонах А. Гумбольдта и В.В. Докучаева составляет основу этой концепции. Структура биосферы представлена в ней физико-географическими поясами, состоящими в свою очередь из географических зон, подзон, областей, различающихся по тепловому балансу. Выделяют семь основных поясов: полярный (арктический и антарктический), субполярный (субарктический и субантарктический), умеренный (северный и южный), субтропический (северный и южный), тропический (северный и южный), субэкваториальный (северный и южный), экваториальный.

В рамках данной концепции рассчитаны радиационный и тепловой балансы Земли, разработаны различные формы районирования поверхности: физико-географическое, экономико-географическое, социально-географическое, климатическое, геоморфологическое, почвенное, геоботаническое, зоогеографическое и др.

Соотношение тепла и влаги определяет тип растительности и животный мир в каждой географической единице биосферы.

3) Наиболее всеобъемлющей является биогеохимическая концепция биосферы В.И. Вернадского. Ее можно рассматривать как самый крупный синтез естественнонаучного и гуманитарного знания XX в лежащий в основе новой картины мира.

В физической картине мира, доминирующей к началу ХХ в. в научном мировоззрении, отсутствует понимание живого как элемента мироздания (парадокс Паскаля). Биосферная основа новой картины мира вводит его как обязательный элемент.

Созданию биогеохимической концепции Вернадского предшествовала длинная история возникновения геохимии как науки, имеющей своей задачей изучение истории атомов, понимаемых как химические элементы на нашей планете. Конкретно такое выделение новой науки происходило более или менее независимо в разных местах культурного мира.

Представление о геохимии возникло на фоне новой атомистики, новой химии и физики в тесной связи с работами в Московском университете в 1890—1911 гг. - А. Е. Ферсман, Я. В. Самойлов (1870— 1925) прочно установили в нашей стране традиции гео­химической работы.

Медленно проникло в науку представление о тождественности химических элементов, входящих в живой организм и в мертвую косную материю.

В связи с этим от геохимии начинает обособляться биогехимия – наука, изучающая геохимические процессы, происходящие в биосфере с участием живых организмов.

Термин "биогеохимия" впервые предложен В.И. Вернадским и поддержан в дальнейшем Дж. Хатчинсоном и другими экологами. Биогеохимия изучает обмен веществ между живыми и неживыми компонентами биосферы.

Создание этого направления связано с именем В.И. Вернадского, который на базе биогеохимической концепции создал учение о биосфере.

Методологической основой биогеохимии являются разработанные Вернадским в 1924 г. принципы взаимодействия между живым и косным веществом.

При Академии Наук в нашей стране в 1927 г. создан центр работы в этой области биогеохимическая лаборатория. биогеохимия – интенсивно развивающееся в наше время направление.

V. Понятие «биосфера». Трансформация и неоднозначность трактовки понятия «биосфера» во времени. Живое вещество планеты по Вернадскому. Структура и функциональное строение биосферы. Основные компоненты биосферы. Границы биосферы, ограничивающие факторы, общая мощность, зависимость от широты

В 1926 году Вернадский опубликовал в Ленинграде книгу под названием «Биосфера», которая ознаменовала рождение новой науки о природе, о взаимосвязи с ней человека.

Содержание понятия «Биосфера» (bios - жизнь, sphera - шар) не всегда было однозначным. До середины ХIХ века во Франции продержалось понятие биосфер как гипотетических глобул, как бы составлявших живую основу всех организмов.

Термин биосфера как область жизни, как пространство на поверхности земного шара, в котором распространены живые существа, был введен австрийским геологом Эдуардом Зюссом в 1875 г., но он был употреблен в топологическом смысле и вошел в обиход, не имея четкого определения и научного содержания.

Элементы современной концепции биосферы были развиты в трудах Ж.Б. Ламарка - великого французского натуралиста, ботаника, зоолога, геолога, автора «философии зоологии», понимавшего природу как единое целое. Идеи Ламарка в 1875 г. в более расширенном понимании использовал известный австрийский геолог Эдвард Зюсс: наряду с гидросферой, атмосферой и литосферой он выделил в качестве самостоятельной оболочки Земли биосферу – сферу жизни на нашей планете. Обсуждая особенности Земли как планеты, он писал: " Одно кажется чужеродным на этом большом, состоящем из сфер небесном теле, а именно органическая жизнь: На поверхности материков можно выделить самостоятельную биосферу ". Т.е. термин "биосфера" был употреблен в топологическом смысле и вошел в обиход, не имея четкого определения. Т.о., Зюсс не дал ни определения этого термина, ни обоснования его применения, ни его связи с земной корой.

Это понятие не вошло в научный обиход того времени, хотя многие ученые (Н.М. Сибирцев, Д.Н. Анучин, П.И Броунов, Дж. Бернал, Э.Леруа, П.Тейяр де Шарден) на рубеже ХIХ и ХХ веков, взяв за основу определение Зюсса, трактовали биосферу как совокупность организмов, населяющих Землю, как живую оболочку планеты. Это понятие трактовалось даже в идеалистическом плане: согласно Тейяру, биосфера – живой пласт планеты, одна из стадий воплощения бога.

По мнению антрополога В.П. Алексеева, и термин, и скрывающееся за ним понятие имели до работ Вернадского длительную историю, однако после гениальных обобщений и блестящих работ Вернадского они воспринимаются в лучшем случае как предыстория. Зачатки предложенного Вернадским содержания понятия «биосфера» можно видеть также в трудах ряда ученых в различных областях естествознания ХIХ века – геологии, химии, биологии: Ж.Б. Ламарка, А. Гумбольда, В.В. Докучаева, но, по мнению академика М.М. Казначеева, несомненно, что создание учения о биосфере, ее значимости в формировании облика планеты принадлежит Вернадскому. Сам Вернадский отмечает появление этих идей уже в трудах естествоиспытателей ХVII в. (Х. Гюйгенс, Ж.Л. де Бюффон, Ф.Вик д-Азир и Ж. Ламарк).

Лишь 40 лет спустя в 1926 г. представление Зюсса о биосфере как об особой оболочке Земли использовал Вернадский, вложив в него, однако, существенно иное, биогеохимическое содержание.

Структура и функциональное строение биосферы. Вернадский, в отличие от предшественников, наполнил понятие биосферы глубоким, систематически обоснованным научным содержанием.

Биосфера по Вернадскому – область распространения жизни, включающая наряду с организмами и среду их обитания, которая в ходе эволюции закономерно жизнью переработана и организована.

Следовательно, биосфера есть геологическая оболочка Земли, переработанная жизнью и космическими излучениями, границы которой определяются наличием живых организмов. Итак, в биогеохимическом аспекте это оболочка Земли, в пределах которой распространена жизнь, оболочка, включающая тропосферу, гидросферу и часть стратисферы (кору выветривания), состав которых определяется деятельностью живых организмов, результатом их совокупной химической активности в настоящем и прошлом.

Определяя биосферу как естественно-природное явление, Вернадский в основе видит, прежде всего, процесс – космопланетарную эволюцию Земли и роль в этой эволюции живого вещества как главного системообразующего фактора биосферы. Биосфера в условиях Земли является своеобразным вместилищем живого вещества, она включает его как основу.

В книге под названием «Биосфера»(1926) биосфера впервые показана как единая динамическая система, населенная и управляемая жизнью, живым веществом планеты. «Биосфера – организованная, определенная оболочка земной коры, сопряженная с жизнью». В работах по биосфере ученый показал, что взаимодействие живого вещества с веществом косным есть часть большого механизма земной коры, благодаря которому происходят разнообразные геохимические и биогенные процессы, миграции атомов, осуществляется их участие в геологических и биологических циклах.

Биосфера предстает как сложная саморегулирующаяся космопланетарная система. В то же время биосфера – это активно функционирующая система, поглощающая солнечную энергию и космические излучения и превращающая ее в высокоорганизованные живые и биокосные тела. Почти за 4 млрд. лет живым веществом биосферы геохимически переработана верхняя часть литосферы Земли, а состав тропосферы и гидросферы есть в основном ее производные. По-видимому, космопланетарные связи во всех этих отношениях значительно многообразнее и космопланетарное единство значимо для процессов эволюции Земли, ее биосферы, включая и человечество. Многочисленные результаты современных астрофизических исследований все более подтверждают эту мысль Вернадского. Имеет место некое установившееся динамическое равновесие – материально-энергетический обмен планеты с окружающей ее космической средой.

Таким образом, биосфера, по В.И. Вернадскому, представляет собой одну из геологических оболочек земного шара, глобальную экосистему Земли, в которой геохимические и энергетические превращения определяются суммарной активностью всех живых организмов - живого вещества.

Основу биосферы составляет живое вещество планеты – это совокупность живых организмов, которые, взятые вместе, выступают как один тип вещества, характеризующийся массой, средним химическим составом, запасом свободной энергии и характерными функциями в биосфере.

Предложенная Вернадским новая мерка изучения жизни, совершенно отличная от обычной, позволила «внести меру и число в систематическое изучение капризного явления жизни» (Б.Л. Лисичков). Это дало возможность количественного учета биомассы и биологической продуктивности различных экосистем и обобщений на базе не качественных зависимостей биологии, а на основе точных количественных наблюдений. Интересно, что количественный учет живого вещества биосферы проводился по Международной биологической программе, проводится в настоящее время по программе «Человек и биосфера», он стал достоянием экологов, и это одно из крупнейших достижений современной науки.

Вернадский рассматривал биосферу как оболочку Земли, населенную живыми организмами и продукты их жизнедеятельности, подчеркивая также, что состав биосферы определяется деятельностью живых организмов, является результатом их совокупной химической активности в настоящем и прошлом.

Вернадским были определены основные компоненты, слагающие биосферу.

· Живое вещество – совокупность организмов растительного, животного мира и микроорганизмов. Распределение живого вещества на планете неравномерно. «Сгущение жизни» (биомасса) наиболее велико в приземном слое и не превышает несколько десятков метров в высоту, а по горизонтали наиболее велико в экваториальных тропических лесах и наименьшее в пустынях и зонах полюсов. Человечество входит в эту систему как ее составная часть: " Человечество как живое вещество непрерывно связано с материально-энергетическими процессами определенной геологической оболочки Земли - с ее биосферой. Оно не может физически быть от нее независимым ни на одну минуту " (В.И.Вернадский, 1944).

· Биогенное вещество – геологические породы, созданные деятельностью живого вещества. Они подразделяются на фитогенные, состоящие в основном из растительных остатков (напр., каменный уголь), и зоогенные породы, состоящие из остатков животных организмов (напр., меловые отложения). Вернадский считал, что земная кора представляет собой остатки былых биосфер.

· Косное вещество – геологические образования, не входящие в состав живых организмов и не созданные ими (горные породы, в основном магматического неорганического происхождения, слагающие земную кору). Различные специфические компоненты косного вещества и энергетические потоки (планетарные и космические) включаются в многокомпонентную иерархическую организованность биосферы, определяемую живым веществом

· Биокосное вещество – новый класс природных систем, в которых живое вещество и неорганическая материя тесно между собой связаны, взаимообусловлены и образуют единое целое. Впервые идея биокосного вещества была выдвинута во второй половине ХХ столетия известным геохимиком и основателем почвоведения В.В. Докучаевым. Классическим примером биокосной системы является почва – поверхностный слой земной коры, которому присущи свойства как живой, так и неживой (косной) природы, продукт преобразования материнской породы (литосферы) под воздействием воздуха, воды и живого вещества, в первую очередь растений и микроорганизмов. Развивая идеи Докучаева, Вернадский сформулировал понятие о биокосных системах («телах» по Вернадскому). Биокосные тела различаются по уровням организации: к более низкому относятся почвы, илы, коры выветривания, водоносные горизонты, к более высокому – ландшафты, к еще более высокому – артезианские бассейны, моря и океаны, к наивысшему – биосфера в целом.

· К компонентам, слагающим биосферу, Вернадский относит также радиоактивное вещество (поступающее в результате естественных ядерных превращений и при извержении вулканов), рассеянные атомы, активно вовлекаемые в процессы миграции вещества, и вещества космического происхождения (космическая пыль, метеориты), оказывающее существенное влияние на тепловой режим планеты и прохождение солнечных лучей к поверхности Земли.

Биогенные и биокосные образования в масштабах геологического времени частично выходят за пределы биосферы и образуют области (фации) других биосфер – таковы, например, мраморовидные известняки, парагнейсы, а возможно и граниты.

Каждая из геологических оболочек планеты имеет свои специфические свойства, определяющие не только набор форм живых организмов, обитающих в данной части биосферы, но и их основные морфофизиологические особенности, формируя своим влиянием принципиальные пути эволюции и становление фундаментальных черт жизненных форм наземных, водных и почвенных организмов. Таким образом, воздушная, водная и почвенная оболочки земного шара представляют собой не просто пространство, заполненное жизнью, но выступают как основные среды жизни, активно формирующие ее состав и биологические свойства.

На границах трех сред: гидросферы, атмосферы и литосферы - происходит интенсивный обмен веществ, причем здесь часто обитает больше видов, чем в близлежащих участках отдельных сред.

Границы биосферы в большей степени условны.

Различают три среды:

1. Аэробиосфера, населенная аэробионтами, субстратом жизни которых служит влага воздуха - специфический слой образованный микроорганизмами.

2. Гидробиосфера - населенный гидробионтами мировой океан и моря.

3. Геобиосфера - населенный геобионтами слой Земли – литосфера.

Верхняя граница биосферы, по Вернадскому, проходит на высоте 15-20 км, охватывая всю тропосферу и нижнюю часть стратосферы, и соответствует озоновому слою планеты, который находится у полюсов в слое 8-30 км, в тропиках – 15-30 км. Основные лимитирующие факторы проникновения жизни в верхние слои атмосферы - наличие капель воды и положительных температур, а также твердых аэрозолей, поднимающихся с поверхности Земли и космическое излучение (коротковолновые, ультрафиолетовые лучи, губительные для ДНК).

Жизнь в океанах достигает их дна. Живые организмы встречаются и на глубине более 11 км. Нижняя граница биосферы определяется не столь однозначно. Она ограничена областью, в которой по условиям температуры, химической активности, физического состояния вещества явления жизни иметь место не могут - эта граница определяется отложениями на дне океанов (до глубины свыше 10 км) и глубиной проникновения в недра Земли организмов и воды в жидком состоянии, то есть литосфера до слоев с температурой, ограничивающей деятельность бактерий. Считается что это сейсмогенный слой Мохоровичича (слой Мохо или МО).

Вернадский выделяет три явления, которые проявляются с углублением внутрь планеты: 1) повышение температуры по направлению к центру планеты, геотермическая ступень которого в разных местах планеты на одном и том же уровне резко различна в зависимости прежде всего от характера пород; 2) переход воды в газообразное состояние и 3) исчезновение трех физических состояний химических соединений и замена их единым глубинно-планетарным состоянием материи. Он писал, что все эти три процесса наблюдаются повсюду на суше в биосфере по мере углубления и вызываются одной и той причиной. Уже на небольшой относительно глубине температура приближается к 100^оС, при которой живое вещество неизбежно отсутствует.

Нижняя граница биосферы на суше не опускается обычно глубже 3-4 км (максимум 6-7 км) от поверхности земной коры, в Мировом океане - до дна самых глубоких впадин (самая глубокая впадина (11022 м) – Марианская), как правило, не более 1-2 км ниже дна океана.

В работах последнего десятилетия жизни Вернадский не считал границы биосферы постоянными. Он подчеркивал расширение их в прошлом как итог выхода живого вещества на сушу, появления высокоствольной растительности, летающих насекомых, а позднее летающих ящеров и птиц.

Иногда в границы биосферы включают также и области былых биосфер, «стратосферу и стратисферу» - как область распространения живых организмов и продуктов их деятельности и область планеты, где проявляется влияние живого вещества.

Тем не менее, следует согласиться с тем, что живое вещество, будучи лишь частью более сложного, может существовать только в этом целом, только в определенной области Земли - биосфере, а влияние живого вещества и распространение продуктов его деятельности в геологическом времени могут выходить за пределы биосферы, т.е. в ее окружение.

Общая мощность биосферы оценивается от 12 до 16 км.

В биосфере встречаются во взаимодействии космические и планетарно-геологические потоки вещества и энергии. В биосфере эти потоки регулируются и направляются наполняющим ее живым веществом.

Дата добавления: 2015-06-27