6 Основы учения в.И. Вернадского о биосфере

1. Возникновение и эволюция биосферы

Термин «биосфера» в научной литературе впервые появился в трудах австрийского геолога Э.Зюсса в 1875 г., однако учение о биосфере и ее эволюции было разработано в начале XX века русским ученым В.И. Вернадским.

Биосфера (от греческого bios – жизнь, sphaira – шар) – населенная организмами геологическая оболочка, состав, структура и энергетика которой определяются совокупной деятельностью живых организмов.

Биосфера представляет собой сложную динамическую систему, которую можно определить как целостную самоорганизующуюся экологическую систему глобального масштаба. Самоорганизация этой гигантской системы достигается за счет жизнедеятельности организмов.

Формирование биосферы как геологической оболочки осуществлялось постепенно. В результате длительного воздействия живых организмов на природу изменялся количественный и качественный состав геологических оболочек, что приводило к улучшению условий проживания организмов. Каждое последующее поколение изменяло окружающую среду в сторону повышения комфортности существования. Например, в результате длительно осуществлявшегося процесса фотосинтеза содержание кислорода в атмосфере Земли увеличилось до концентрации, позволившей сформировать озоновый экран, защищающий жизнь от губительного ультрафиолетового излучения. В результате организмы смогли расселиться на суше, что привело к появлению новых, более высокоорганизованных видов живых существ.

Последние научные данные говорят о том, что в древнейших горных породах уже встречаются сообщества микроорганизмов, которые представляли древнюю био­сферу Земли. Следовательно, возраст биосферы приближа­ется к возрасту Земли как планеты Солнеч­ной системы и составляет примерно 3,5 млрд. лет.

Большое значение в трудах В.И. Вернадского имеет концепция эволюции биосферы, где ученый выделяет три этапа. Первый — возникновение первичной биосферы с биотическим круговоротом веществ, то есть вовлечение организмов в природный круговорот веществ. Основные движущие факторы эволюции на этом этапе – геологические и климатические изменения на Земле. Второй этап — усложнение структуры биосферы в результате появления эукариотов – клеток с четко очерченным ядром. В результате усложнения структуры клеток, дифференциации их функций на Земле возникает большое количество разнообразных одноклеточных и многоклеточных организмов. На этом этапе ведущим фактором является биологическая эволюция. Третий этап — формирование человеческого общества, оказывающего своей хозяйственной деятельностью все большее влияние на состояние биосферы. Ведущим фактором здесь должна выступать разумная деятельность человека, характеризующаяся рациональным регулированием взаимоотношений общества и природы. Этот этап описывается учением о ноосфере.

6.2 Принципы устройства биосферы, ее состав и строение

Биосфера представляет собой экологическую систему (биогеоценоз) глобального масштаба. Границы этой системы определяются областью распространения живых организмов или «следами» их жизнедеятельности. Биосфера включает верхнюю часть литосферы (до глубины 3-7 км), воды рек, озер, морей, океанов (всю гидросферу) и нижнюю часть атмосферы до высоты озонового слоя (23–30 км). Однако на большой высоте и в глубинах гидросферы и литосферы организмы встречаются относительно редко. Жизнь сосредоточена главным образом на поверхности Земли, в почве и в приповерхностном слое океана (в так называемых «пленках жизни»).

Распределение массы живых организмов на суше и в океане имеет свои особенности. Биомасса суши на 99,2% представлена зелеными растениями и на 0,8% — животными и микроорганизмами. В океане картина обратная: на долю растений приходится 6,3%, а на долю животных и микроорганизмов — 93,7% всей биомассы.

Биоэнергетической основой функционирования биосферы являются растения, способные осуществлять фотосинтез. Значимость этого процесса состоит в трансформации энергии Солнца в химическую энергию органического вещества (белков, жиров, углеводов).

Все живое (биоценоз) в биосфере разделено на три основные группы: продуценты, консументы, редуценты. К продуцентам относятся зеленые растения, а также бактерии, способные усваивать углекислый газ за счет окисления неорганических соединений — хемосинтетики. Готовое органическое вещество потребляется консументами нескольких трофических (пищевых) уровней. Замыкают биотический круговорот веществ редуценты (от лат. возвращающий) - организмы, минерализующие органику. В результате химические вещества могут быть повторно использованы продуцентами в следующем цикле фотосинтеза. Однако, строго говоря, этот круговорот не полностью замкнут: кроме энергетического входа (солнечная энергия) он имеет и выход — часть отмирающего органического вещества после разложения микроорганизмами-минерализаторами может попадать в водные растворы и откладываться в виде осадочных пород, а другая часть образует отложения отдельных пород (каменный уголь, торф, сапропель).

Зеленые растения (фотосинтетики) и хемосинтетики составляют группу автотрофных (с греч. аutos – сам) организмов, которые берут все нужные для жизни химические элементы из окружающей косной материи. Консументы и редуценты представляют собой гетеротрофные (с греч. heteros – другой) организмы, использующие для построения своего тела только готовые органические вещества.

По В. И. Вернадскому вещество биосферы разнородно по своему физико-химическому составу и включает:

1. живое вещество - совокупность всех живых организмов;

1. биогенное вещество — результат жизнедеятельности организмов (например, горючие ископаемые, известняки и т.д.);

2. косное вещество – вещество, образованное без участия живых организмов (например, вулканическая лава);

3. биокосное вещество – продукт взаимодействия живой и косной материи (к примеру - почва, ил, поверхностные воды и т.д.);

2. радиоактивное вещество - нестабильные химические элементы, атомы которых способны к радиоактивному распаду (например, уран);

3. рассеянные атомы – атомы химических элементов, количество которых в биосфере чрезвычайно мало (например, золото или платина);

4. вещество космического происхождения (например, осколки метеоритов).

Одним из основных положений концепции биосферы является учение о живом веществе. Масса этого вещества составляет всего 0,02 % от массы косного вещества биосферы, но именно живое вещество выполняет основные биогеохимические функции:

- энергетическую: поглощение солнечной энергии и превращение ее в энергию земных процессов (химическую, механическую, тепловую, электрическую и пр.);

- средообразующую: живое вещество адаптируется к окружающей среде и приспосабливает ее к своим биологическим потребностям, изменяя при этом состав геологических оболочек;

- транспортную: живое вещество переносит химические элементы в вертикальном и горизонтальном направлениях;

- деструктивную: микроорганизмы разлагают неживое органическое вещество, благодаря чему поддерживается постоянство состава биосферы;

- концентрационную: организмы способны к избирательному накоплению определенных химических веществ.

В результате живое вещество и среда его обитания развиваются как единое целое, однако контроль состояния среды осуществляют живые организмы.

Биосфера как целостная система характеризуется рядом свойств, основными из которых являются:

1. организованность, которая создается и поддерживается совокупной деятельностью живых организмов;

2. централизованность - центральным звеном биосферы являются живые организмы;

3. открытость – ее существование невозможно без поступления солнечной энергии;

4. саморегуляция (гомеостаз) – способность сохранять равновесие вопреки внешним и внутренним возмущениям;

5. биологическое разнообразие – основа устойчивости биосферы (в настоящее время описано примерно 1,5 млн. видов животных и 0,5 млн. видов растений);

6. наличие механизмов, обеспечивающих круговорот веществ и связанную с ним неисчерпаемость химических элементов.

Среди основных принципов устройства биосферы как целостной геологической оболочки В.И. Вернадский выделял следующие:

1. целостности: самосогласованность всех процессов в биосфере;

2. гармонии: биосферные процессы являются отражением гармонии космоса;

3. значимости живого в эволюции Земли: на земной поверхности нет химической силы, более постоянно действующей и более могущественной по своим конечным последствиям, чем организмы, вместе взятые;

4. трансформации солнечной энергии в энергию Земли: Солнце как основной источник энергии биосферы регулирует жизненные процессы на Земле;

5. инерции: мелкие организмы размножаются гораздо быстрее, чем крупные;

6. бережливости в использовании живым веществом простых химических элементов: организм вводит в себя только необходимое количество элементов;

7. устойчивости жизни: жизнь в целом определяется полем устойчивости зеленой растительности; поле устойчивости жизни есть результат приспособления организмов к среде обитания (адаптации) на протяжении длительного времени;

8. распространения жизни: наличие живых организмов определяется крайними пределами их выживания. Эти границы обусловлены физико-химическими свойствами (неразрушимостью в определенных условиях) соединений, составляющих организм;

9. постоянства количества живого вещества в биосфере: эта постоянная величина сопряжена с количеством газов в атмосфере (прежде всего кислорода).