Основы учения В.И. Вернадского о биосфере, категории экологических факторов, закономерности их действия, адаптация организмов к действию экологических факторов, структура и динамика популяций, экосистем, их гомеостаз,
сукцессия, основные принципы функционирования экосистем, естественные и антропогенные помехи в экосистемах.
Учение о биосфере Земли- одно из крупнейших и наиболее интересных обобщений современного естествознания. Оно является научной основой для исследования природных объектов и комплексного подхода при организации современного производства.
Землю нередко сравнивают с космическим кораблем, а человека- с пассажиром. В бескрайних просторах космоса, в известной нам части Вселенной, только одна Земля- планета жизни. И только на ней могут жить люди. Системой жизнеобеспечения для них является биосфера- область существования "живого вещества- совокупности живых организмов" . Колыбель. Ноmоsapiens, основа его физического и духовного развития, источник всех природных ресурсов- все это биосфера И в познании законов ее эволюции и организованности лежит ключ к разумному преобразованию трудом и социальной мыслью человека.
Величие В.И. Вернадского в том, что он впервые понял и научно обосновал единство человека и биосферы.
Владимир Иванович Вернадский (1863-1945) - крупный отечественный ученый, минералог и кристаллограф, один из основоположников геохимии и биогеохимии. Основные его идеи по проблеме биосферы сложились в начале текущего столетия: он излагал их в лекциях в Париже. В 1925г. появилась статья В.И. Вернадского "Ход жизни в биосфере", а в 1926 г. вышла книга "Биосфера". Затем различные стороны учения В.И. Вернадский неоднократно рассматривал в статьях и в большой, опубликованной только через 20 лет после его смерти, монографии "Химическое строение биосферы Земли и ее окружения".
Рассмотрим некоторые самые основные положения учения В.И. Вернадского о биосфере.
В основе учения лежит представление о планетарной геохимической роли живого вещества в образовании биосферы как продукта длительного превращения вещества и энергии в ходе геологического развития Земли.
Прежде всего, В.И. Вернадский определил пространство, охватываемое биосферой Земли.
Биосфера (гр. "биос" - жизнь; "сфера" - шар) - оболочка Земли, в которой развивается жизнь разнообразных организмов, населяющих поверхность суши, почву, нижние слои атмосферы, гидросферу.
Будучи человеком щепетильным в вопросах научной этики, В.И. Вернадский неоднократно повторял, что термин "биосфера" принадлежит не ему, что впервые его еще в начале прошлого века употребил французский биолог Ж.-Б. Ламарк, разработавший первую эволюционную концепцию. Определенный геологический смысл в 1875г. вложил в термин "биосфера" австрийский ученый Э. Зюсс. Однако связанное с этим термином законченное учение создал В.И. Вернадский.
Планета Земля характеризуется наличием трех поверхностных геосфер - гидросферы, литосферы, атмосферы.
Гидросфера, или водная оболочка Земли, представлена океанами, морями, озерами, реками и искусственными водоемами. Водная оболочка покрывает около 71% поверхности земного шара, наибольшая глубина в западной части Тихого океана достигает 11,5 км (Марианская впадина).
Литосфера, или земная кора, представляет собой внешнюю твердую оболочку земного шара мощностью в несколько десятков километров.
Атмосфера, или воздушная оболочка, состоит из нескольких слоев: тропосферы до 15 км высоты над поверхностью Земли; стратосферы, с озоновым экраном, простирающейся до 100 км высоты; ионосферы, представляющей слой разреженного газа, высотой до 500 км.
Биосфера охватывает, таким образом, верхнюю часть литосферы (до 15 км глубины), всю гидросферу и нижнюю часть атмосферы (тропосферу и нижние слои стратосферы, до 25 км высоты). Следовательно, в целом биосфера представляет слой распространения жизни мощностью по вертикали около 40 км, хотя реальные границы распространения живого более сужены.
Биосфера имеет мозаичное строение, слагаясь из экосистем, которые представляют собой уменьшенную модель биосферы. Сама же биосфера - глобальная экологическая система.
Совокупность живых организмов, населяющих биосферу, В.И. Вернадский называет живым веществом. Красной нитью в учении проходит мысль о том, что живое вещество - "функция биосферы", а биосфера - результат развития живого вещества.
В любой экосистеме живое вещество представлено тремя группами организмов:
1) автотрофы (продуценты) - самопитающиеся (от гр. "трофе" - питаюсь, "аутос" - сам, от лат. "продуцентис" - производящий). Это растения, которые используют световую энергию, чтобы продуцировать все сложные органические соединения своего тела из простых неорганических, присутствующих в окружающей среде;
2) гетеротрофы (консументы) - питающиеся другими существами (от гр. "гетерос" - другой; от лат. "консумо" - потребляю). К ним относятся самые разнообразные существа - от простейших до млекопитающих, включая человека. Животные, питающиеся непосредственно продуцентами, называются консументами первого порядка, или первичными. Их самих употребляют в пищу вторичные консументы. Бывают консументы более высоких порядков, причем некоторые виды соответствуют нескольким таким уровням. Первичные консументы называются растительноядными, или фитофагами. Консументы второго и более высоких порядков – плотоядные;
3) миксотрофы (редуценты) - разлагающие живые вещества (от греч. "миксис" - смешение; от лат. "редукцио" – возврат). Эти организмы (преимущественно бактерии, грибы, простейшие) в процессе жизнедеятельности разлагают органические остатки до минеральных веществ.
Суммарная масса (биомасса) живых организмов оценивается примерно в 2,4.1012 т.
Кроме живого вещества, В.И. Вернадский различал еще 3 категории веществ, т.е. всего 4: 1) живое вещество; 2) биогенное вещество - то, что возникло из живого (каменный уголь, нефть, торф, мел); 3) биокосное вещество - преобразованная организмами неорганика (почва, осадочные породы); 4) косное вещество - все, что не имело связи с живым (застывшая лава, вулканический пепел).
В пределах биосферы существуют 4 среды жизни: две мертвые (вода, воздух), одна биокосная (почва) и одна живая (организм). Среды жизни в пределах биосферы населены монобионтами (обитателями одной среды), дибионтами (обитателями двух сред) и полибионтами (живущими в трех или четырех средах).
Процессы, протекающие в экосистеме (число живых организмов, скорость их развития и т.п.), зависят от количества энергии, поступающей в экосистему, и от циркуляции веществ в экосистеме. Биосфера является энергетически незамкнутой системой, в которой идет поглощение энергии из внешней среды.
Рис. 1 . Поток энергии в биосфере
Непрерывный поток солнечной энергии, воспринимаясь молекулами живых клеток, преобразуется в энергию химических связей (рис. 1). Создаваемые таким образом (например, при фотосинтезе) химические вещества последовательно переходят от одних организмов к другим: от растений к растительноядным животным, от них - к плотоядным животным первого порядка, затем второго и т.д. Этот переход рассматривается как последовательный упорядоченный поток вещества и энергии. Поток энергии в экосистемах полностью соответствует началам термодинамики. Часть потенциальной химической энергии пищи, высвобождаясь, позволяет организму осуществлять свои жизненные функции, т.е. "работать", и параллельно теряется в виде тепла, увеличивая энтропию, которая рассматривается как мера неупорядоченности системы.
Если бы поток солнечной энергии, поступающей на Землю, только рассеивался, то жизнь была бы невозможна, (система находилась бы в состоянии максимальной энтропии). Для того, чтобы энтропия системы не возрастала, организм или система должны извлекать из окружающей среды отрицательную энтропию - негэнтропию, т.е. работать против градиента. Для работы против градиента экологическая система должна получать энергетическую дотацию, которая и поступает в виде энергии Солнца. Живой организм извлекает негэнтропию из пищи, используя упорядоченность ее химических связей. Часть энергии теряется, расходуясь, например, на поддержание жизненных процессов, часть передается другим организмам. В начале же этого потока находится процесс автотрофного питания растений - фотосинтез, при котором повышается упорядоченность деградировавших органических и минеральных веществ. При этом энтропия уменьшается за счет поступления энергии Солнца.
Таким образом, все превращения энергии в экосистеме всегда соответствуют термодинамической модели незамкнутой системы.
За миллиарды лет своего существования биосфера прошла сложный путь развития, называемый эволюцией. На Земле широко распространены осадочные горные породы. Изучение их состава и заключенных в них органических ископаемых остатков дало возможность уже в первой половине ХIХ века установить определенную последовательность в их напластованиях. Были выделены слои с характерными для них останками животных и растений. Этим слоям дали наименования. По характерным горным породам были названы меловый и каменноугольный слои. Другие группы слоев получили свое название по местности, в которой их впервые обнаружили и изучили. Так появились отложения юрской, девонской, пермской, кембрийской и других систем.
Радиогеохронологический метод (исследование радиоактивного распада урана, содержащегося в минералах и горных породах, и превращения его в свинец) позволил установить начало и продолжительность каждого геологического периода. Самые древние горные породы были обнаружены в Сибири и в Австралии. Установлено, что общий возраст нашей Земли - немногим более 4,2 млрд. лет .
В.И. Вернадский сам не занимался проблемой возникновения жизни. Он рассматривал ее появление на Земле как некоторое "эмпирическое обобщение", т.е. как факт, данный нам в опыте - "так есть на самом деле". Вместе с тем он считал жизнь явлением космическим, не считая ее исключительной привилегией Земли .
В работе высказываются предположения о том, что в период формирования планеты Земля извне на нее попало вещество углистых хондритов, богатое водой, за счет которой могла сформироваться гидросфера. Углистые хондриты содержат разнообразные органические соединения, в том числе нуклеотиды, аминокислоты, порфирины, образующие ядра молекул хлорофилла. Поэтому в первичных водоемах концентрация органических соединений изначально могла быть высокой.
Первые следы жизни найдены в слоях литосферы, образовавшихся около 3 млрд. лет назад.
По одной из гипотез, возникновению жизни предшествовало образование сложных органических молекул таких, как аминокислоты, которые образовались из метана, аммиака, водорода и паров воды в условиях высоких температур, ультрафиолетового излучения Солнца и повышенной вулканической деятельности .
Неравномерное распределение органических молекул в толще воды привело к образованию коллоидных сгущений - коацерватов ("коацерватус", лат. - собранный). Это первые предбиологические системы, которые обладали способностью к делению, избирательному поглощению веществ из окружающего раствора и могли избавляться от ненужных им соединений. Это явилось началом обмена веществ, возникновения процессов переноса энергии, обмена информацией.
В результате качественного скачка коацерватные капли приобрели способность к самовоспроизведению и превратились в простейшие живые организмы.
Следовательно, согласно рассматриваемой гипотезе, первый этап - возникновение и формирование биосферы, характеризуется развитием в гидросфере простейших водных монобионтов (гидробионтов). Это были одноклеточные прокариоты (организмы, не имеющие оформленного ядра), которые в ходе эволюции дифференцировались по разным линиям приспособления - на одноклеточных и многоклеточных, растения и животных, особей мужского и женского пола, продуцентов, консументов и редуцентов .
Постепенное увеличение в воде количества кислорода за счет жизнедеятельности организмов и его диффузия в атмосферу сделали возможным быстрое распространение жизни и развитие эукариотических (обладающих оформленным ядром) клеток, что привело к эволюции более сложных живых систем.
Считается, что первые клетки с ядром появились после того, как содержание кислорода в атмосфере достигло 3-4 %, что произошло примерно 1 млрд. лет назад.
Когда содержание кислорода около 700 млн. лет назад достигло примерно 8 %, появились первые многоклеточные организмы.
Примерно 600 млн. лет назад произошел эволюционный взрыв новых форм жизни таких, как губки, кораллы, черви, моллюски, морские водоросли и др.
Таким образом, длительный период (3500 - 400 млн. лет назад) вода была главной средой жизни, а эволюция в ней дошла до высших растений и позвоночных животных.
Вторым этапом эволюции биосферы можно считать появление у гидробионтов паразитов (временных вредных сожителей) и симбионтов (постоянных полезных сожителей). Это привело к формированию второй среды жизни - организма. Явление симбиоценоза (и паразитоценоза) продолжало развиваться и с появлением новых сред жизни (воздух, почва). Некоторые "сожители" вошли в столь тесные отношения с "хозяином", что стали своеобразными "органами" его тела. Например, человек получает витамин В1 от кишечной палочки. Известно, что в ряде случаев, если нет симбионтов, не развивается иммунитет.
Третий этап эволюции биосферы - выход организмов из водной среды на сушу, где под их непосредственным влиянием сформировались новые среды жизни - воздух и почва. Около 400 млн. лет назад имели место две фазы каледонского тектонического цикла, связанного с обнажением больших площадей мелководных морских акваторий. Органические остатки морских организмов, по-видимому, и были той первичной основой, на которой могли появиться сначала земноводные, а затем и сухопутные формы растений.
Выход растений на сушу представлял собой настоящую революцию в истории биосферы, так как развитие окислительной атмосферы в результате фотосинтеза способствовало возникновению многоклеточности, обеспечило выход жизни на сушу, стало причиной появления минералов в окисленной форме. Образование почвы изменило структуру поверхностного слоя планеты, создав условия для мощного развития растительности. Это создало предпосылки для выхода на сушу различных животных. В ископаемых остатках этого периода уже встречаются скорпионы, клещи, насекомые. Началось формирование наземных позвоночных. Некоторые амфибии приобрели способность размножаться вне воды. Появились первые пресмыкающиеся. Насекомые начали завоевывать воздушную среду. 190-230 млн. лет назад на суше имело место взрывное развитие пресмыкающихся. Это было время динозавров. Около 190 млн. лет назад появились первые млекопитающие, птицы.
Таким образом, около 400-350 млн. лет тому назад в биосфере сформировались четыре среды жизни, существующие и поныне: вода, почва, воздух и организм. На протяжении последующей истории Земли шло развитие этих сред жизни, обогащался их химический состав, возникали новые обитатели.
Особое значение в эволюции живого вещества имел переход от бесполого размножения к половому и появление живорождения. Четвертым этапом эволюции биосферы следует считать появление живорождения у животных, которое привело к возникновению принципиально нового типа дибионтных организмов: до рождения развивающихся в специальных органах тела матери, а после рождения ведущих свободный образ жизни в воде, воздухе или почве .
На протяжении последнего миллиона лет в биосфере появляется человек, внесший коренные изменения в ход ее дальнейшего развития. Поэтому пятым этапом эволюции биосферы следует считать социальный, когда человек из обычного биологического вида стал биосоциальным существом.
На данном этапе эволюции биосферы развивающийся человек все более активно входит в различные биоценозы и экосистемы. Он истребляет одни виды, приручает и окультуривает другие, создает новые сорта растений и породы животных. С самого начала своего разумного существования человек отличался неразумием по отношению к природе.
Сегодняшний период развития биосферы, нередко именуемый техносферой, ставит задачи срочного принятия мер по охране окружающей среды - внедрение малоотходных технологий, оборотного водоснабжения, рационального природопользования.
Шестой этап эволюции биосферы связан с ее переходом под влиянием разумной деятельности человека в состояние ноосферы (сферы Разума). Развитие жизни (биогенез), по представлениям В.И. Вернадского, пойдет по пути развития разума (ноогенеза).
В связи с развитием общества и усилением его отрицательных воздействий на биосферу, особенно с наступлением эпохи научно-технической революции, приведшей биосферу в состояние глобального экологического кризиса, переход биосферы в ноосферу отодвинулся на неопределенное время. Техносферу не следует считать особым этапом развития биосферы, а лишь результатом воздействия человека на окружающую среду в условиях развития современного общества, задерживающего переход к ноосфере. Следует отметить, что предотвратить изменение среды невозможно, как невозможно остановить прогресс человеческого общества. Очевидно, необходимо так управлять процессами взаимоотношений между человеком и биосферой, чтобы они были взаимно выгодны и чтобы развитие общества не привело к деградации биосферы.
В.И. Вернадскому принадлежит, в частности, идея о возможности превращения человеческого общества из гетеротрофной категории в социально автотрофную. В данном случае понятие "автотрофность" означает относительную независимость человека от продуктов, создаваемых биосферой. В силу своих биологических особенностей человек не может перейти к автотрофной ассимиляции, но общество способно осуществлять так называемый автотрофный способ производственной деятельности, под которым подразумевается замена высокомолекулярных природных соединений низкомолекулярными. Идея автотрофности привлекает тем, что подобное функционирование общества может быть минимально связано с нарушением природной среды.
Дальнейшее развитие биосферы и превращение ее в ноосферу не может быть стихийным процессом, а требует четкого управления; при стихийном развитии биосферы вероятны катастрофические в ней изменения из-за появления необратимых процессов, и губительных для всего живого веществ.
Для управления процессом развития биосферы необходимы правильные представления о самих процессах ее развития. Ключевым здесь является вопрос теоретического осмысления природы глобального экологического кризиса.
Поможем написать любую работу на аналогичную тему