Геохимия и геофизика / Геохимия и геофизика / 8. Биокосные системы

Биосфера и биокостные системы

Термин «биосфера» был впервые использован австрийским геологом и палеонтологом Э.Зюссом в 1875 г. («Лик Земли») и означает сферу жизни, «совокупность организмов, ограниченную в пространстве и обитающую на поверхности Земли».  Ни Зюсс, ни его предшественники, использовавшие  понятия» пространство жизни», «живая оболочка Земли», не могли определить биосферу как единую природную систему взаимосвязанных элементов – живой и неживой природы. Влияние организмов на состояние неорганической природы во внимание не принималось.

    Факты о существовании обратной связи между живой и неживой природой обобщил и проанализировал русский ученый В.И.Вернадский. Вернадский создал науку «биосфера», ввел понятие «живое вещество» - совокупность всех живых организмов, а также отвел живым организмам роль главнейшие преобразующей силы планеты. Занимаясь созданной им биогеохимией, изучая закономерности распределения организмов  по поверхности планеты, В.И.Вернадский пришел к выводу, что в живое вещество включена вся система Менделеева. Он разделил все вещество планеты на несколько  видов:

    По современным представлениям биосфера – область системного взаимодействия живого и косного вещества планеты, глобальная экосистема.

    Средообразующие функции живого вещества:

газовая; концентрационная; окислительно-восстановительная; деструктивная; транспортная; рассеивающая; энергетическая; информационная.

Биогеохимические принципы В.И.Вернадского

1. Биогенная миграция химических элементов в биосфере всегда стремится к максимальному своему проявлению.

2. Эволюция видов в ходе геологического времени приводящая к созданию устойчивых форм жизни идет в направлении, усиливающем биогенную миграцию атомов.

3. Живое вещество находится в непрерывном обмене с окружающей средой, которая создается и поддерживается на Земле энергией Солнца.

 

2. Структура  и границы биосферы.  Живое и биокосное вещество, их взаимопроникновение и перерождение в круговоротах вещества и превращениях энергии. Функциональная целостность биосферы.

Структура:

• аэробиосфера – нижняя часть атмосферы;

• гидробиосфера – вся гидросфера;

• литобиосфера – верхние горизонты литосферы.

Границы биосферы:

верхняя -  около 20 км (нижняя граница озонового слоя)

нижняя – дно Марианской впадины (11022 м) и глубина литосферы около 6000 м (температура 100 ⁰).

    В.И.Вернадский: « ..на земной поверхности нет химической силы более постоянно действующей, а потому более могущественной по своим конечным последствиям, чем живые организмы, взятые в целом».

    Живое вещество составляет по массе 0.01-0.02 % от косного вещества биосферы, однако играет ведущую роль в биогеохимических процессах. Ежегодная продукция живого вещества в биосфере составляет 232,25 млрд т сухого вещества. Живое вещество осуществляет гигантскую геохимическую работу, преобразовывая другие оболочки Земли в геологическом масштабе времени.

    Все химические элементы в биосфере циркулируют по характерным путям -биогеохимическим циклам(круговоротам).

    В каждом цикле различают два фонда: резервный и обменный.

    Резервный фонд – большая масса медленно движущихся веществ, в основном небиологический компонент;

обменный фонд – меньший, но более активный, для которого характерен быстрый обмен между организмами и их непосредственным окружением.

    В биосфере выделяют круговорот газообразных веществ, с резервным фондом в гидро- или атмосфере; и осадочный цикл с резервным фондом в земле. Наличие большие резервных фондов  в виде атмосферы или океана (круговороты углерода, кислорода, азота) способствует быстрой саморегуляции соответствующих биогеохимических циклов при различных местных нарушениях. Такие круговороты «хорошо забуферены» - их способность адаптироваться к изменениям велика, для них характерна саморегуляция по принципу обратной  связи.

    Характерная особенность  осадочных циклов – основная масса вещества малоподвижна и малоактивна, состередоточена в земной коре. Поэтому круговорот таких элементов, фосфор и железо, значительно менее самоконтролируем и достаточно легко нарушается даже при небольших местных помехах.  

3. Законы функционирования биосферы. Принцип устойчивости биосферы (закон Ле Шателье-Брауна). Закон физико-химического единства живого вещества планеты. Следствие из закона.

Принцип устойчивости биосферы:

Биосфера находится в состоянии устойчивого динамического равновесия. При  воздействии, выводящем систему из равновесия, равновесие смещается в том направлении, при котором эффект внешнего воздействия ослабляется.

Закон физико-химического единства:

Все живое на Земле физико-химически едино.

1-ое следствие:

То, что вредно для одной части биосферы, не может быть безразличным или полезным для другой части биосферы. Разница в последствиях для разных организмов объясняется разной степенью устойчивости.

2-ое следствие:

Внутри глобального живого вещества имеется сложная взаимосвязь – в данный геологический период существует единая «сеть жизни». Разрывы этой сети снижают устойчивость всей системы.

4. Закон константности. Правило обязательного заполнения экологических ниш.

    Количество живого вещества биосферы для данного геологического периода есть константа.

    Живое вещество, согласно закону биогенной миграции атомов, является энергетическим посредником между Солнцем и Землей. При постоянном потоке солнечной энергии и относительной неизменности термодинамического баланса нашей планеты количество живого должно оставаться постоянным,  или должны измениться энергетические  характеристики нашей планеты.

    Вымирание и формирование новых видов в процессе эволюции – процесс лавинообразный. Каждый вымерший вид увлекает за собой 7-11 других связанных с ним видов, образование нового вида крупного организма формирует свою группу с таким же числом взаимосвязанных видов.

Правило заполнения экологических ниш

любая пустующая экологическая ниша всегда бывает естественным образом заполнена.

5. Закон максимума биогенной энергии Вернадского - Бауэра.

    Любая биологическая или биокосная система, находясь в состоянии  динамического равновесия с окружающей её средой и эволюционно развиваясь, увеличивает свое воздействие на среду.

    Закон максимизации энергии и информации Ю.Одума:

    Наилучшими шансами на выживание обладает система, в наибольшей степени способствующая поступлению, выработке и эффективному использованию энергии и информации. Максимальная скорость поступления вещества как такового, не гарантирует системе успеха в конкурентной группе  аналогичных систем.

6. Основные этапы эволюции биосферы. Представления о ноосфере. Условия перехода биосферы в ноосферу.

    Эволюция органического мира, осуществлявшаяся на основании только биологических закономерностей жизнедеятельности и развития, происходила в два этапа:

• возникновение первичной биосферы с биотическим круговоротом (химическая эволюция по А.И.Опарину) примерно 4,6-3,5 млрд лет тому назад;

• усложнение биоценоза как результат появления многоклеточных организмов (органическая эволюция), начиная примерно с 3,5 млрд лет назад.

Возникновение на Земле человеческого общества способствовало выделению третьего этапа эволюции биосферы – ноосферы.

Ноосфера  (по В.И.Вернадскому) – высшая стадия развития биосферы, связанная с возникновением и становлением в ней цивилизованного человека, с периодом, когда разумная человеческая деятельность становится главным, определяющим фактором развития на Земле. Центральная мысль теории Вернадского о развитии биосферы – невозможность человечества существовать вне биосферы, неотделимость человечества от биосферы, которая и определяет главную цель построения ноосферы.

В современном понимании  ноосфера – это гипотетическая стадия развития биосферы, когда в будущем разумная деятельность людей станет главным определяющим фактором её устойчивого развития.

Гармония антропогенной деятельности человек и природы возможна при выполнении следующих условий:

• контроль численности человечества;

• разумное ограничение потребностей;

• рациональное использование природных ресурсов;

• экологизация промышленности;

• глобальный мониторинг за состоянием природной среды;

• отказ человечества от войн как способа регулирования конфликтов и т.д.

Определенный шаг в направлении перехода биосферы в ноосферу – осознание и провозглашение необходимости перехода мирового сообщества на позиции устойчивого развития.

6