Тема 2: Учение Вернадского о биосфере

В биосфере всё учитывается, и всё приспособляется с той же точностью, с той же механичностью, с тем же подчинением мере и гармонии, какую мы видим в стройных движениях небесных светил и начинаем видеть в атомах вещества.

В. И. Вернадский

1. Биосфера. Её свойства;

2. Пределы биосферы: экологический подход, геометрический подход;

3. Вещественный состав биосферы.

4. Свойства живого вещества и биосферы в целом.

1. Биосфера. Её свойства.

Австрийский геолог Е. Зюсс в 1875 году первый выделил биосферу, как отдельную оболочку Земли, охваченную жизнью (биосфера от греческого bios – жизнь, sphairo – сфера), т. е. совокупность живых организмов.

Основоположником новой науки о природе является В.И. Вернадский, который в 1926 году опубликовал в Ленинграде свой труд «Биосфера». В этой работе биосфера – общепланетная оболочка, в состав которой входят нижние слои атмосферы, гидросфера, верхние слои литосферы. Состав и строение биосферы обусловлены современной и прошедшей жизнедеятельностью всей совокупности живых организмов - былых и современных.

До появления работ В.И. Вернадского роль живых организмов представлялась очень скромной. Казалось бы, какое может быть сравнение последствий их жизнедеятельности с мощью внутренних сил планеты, формирующих высокие горы, океаны, моря. Однако Вернадский доказал, что как бы ни был слаб каждый организм в отдельности, все они, вместе взятые, на протяжении длительного отрезка времени выступают как мощный геологический фактор, играющий существенную роль на нашей планете. Химическое состояние наружной части земной коры нашей планеты всецело находится под влиянием жизни и определяется деятельностью живых организмов.

Биосфера – природная система, состоящая из компонентов живой и неживой природы, в которой осуществляется непрерывный круговорот веществ, движение энергии и информации при непосредственном участии живых организмов.

Т.е., существование биосферы – следствие взаимодействия её живых и неживых компонентов, аккумуляции и перераспределения в ней огромного количества энергии.

К основным свойствам биосферы относятся – термодинамическая открытость, самоорганизация, саморегуляция, динамическое равновесие, устойчивость, глобальность.

2. Пределы биосферы

Согласно Вернадскому, существует два взаимодополняющих подхода к определению границ биосферы:

А). Геометрический подход (физические границы, (км)).

Б). Экологический подход, учитывающий экологические факторы;

Пределы биосферы

Экологический подход Геометрический подход

Поле существования жизни поле устойчивости жизни

Экологические факторы

(абиотические, биотические, антропогенные)

Рис.2 Пределы биосферы

Геометрический подход

Биосфера охватывает нижнюю часть атмосферы, гидросферу и верхнюю часть литосферы.

Верхняя граница биосферы, по В.И. Вернадскому, является лучистой. Проходит на высоте 20 – 25 км. Здесь наблюдается наибольшая концентрация озонового слоя в атмосфере, который является естественным экраном, защищающим живые организмы от жёсткого ультрафиолетового излучения. Активная жизнедеятельность живых организмов зафиксирована до высоты 20 –25 км, т.е. до верхней границы биосферы. Далее до высоты около 85 км были выявлены лишь споры микроорганизмов, что было обнаружено во время запусков геофизических ракет.

Нижняя граница биосферы является термической. Существование этой границы обусловлено повышением температуры при продвижении вглубь Земли каждые 33 метра в среднем на 1 ^оС. На суше термическая граница проходит на глубине 3-3,5 км от земной поверхности (у молодых складчатых областей это 1,5-2 км, на кристаллических щитах - 7-8 км). Исчезновение жизни на этих глубинах объясняется увеличением температуры среды до 100 *C. Биосфера охватывает практически всю гидросферу - реки, океаны и моря до глубин приблизительно 12 км.

Названных выше пределов достигают только низшие организмы – бактерии. Жизнь сосредоточена в основном на суше (почва и растительный покров), а также в Мировом океане – в верхнем слое воды глубиной до 200 м.

Очевидно, что толщина биосферы конечна – имеет определённые геометрические размеры и биологические возможности соответственно.

Наибольшая толщина биосферы на тропических широтах – до 22 км, наименьшая на полярных широтах – 11 км.

Экологический подход

Экологический подход учитывает влияние экологических факторов. Пределы биосферы в экологическом аспекте – пространство, в границах которого внешние условия (факторы) среды стимулируют активную жизнедеятельность.

Экологические факторы – элементы или условия окружающей среды, которые способны оказывать прямое или косвенное влияние на живые организмы даже на одной фазе их развития.

В приспособлении к меняющимся факторам окружающей среды организмам помогает заложенный в них природой механизм адаптации. Адаптивные возможности различных организмов рассчитаны на определённую силу воздействия экологических факторов. Например, повышение или понижение температуры за границы адаптационной возможности может привести к гибели организма.

Экологические факторы подразделяются на три основные группы: абиотические, биотические, антропогенные.

Абиотические факторы учитывают влияние неживой природы. Их разделяют на:

• климатические (свет, тепло, давление, влага, движение воздуха);

• эдафогенные (эдафос - почва);

• топографические (рельеф, высота над уровнем моря);

• химические (газовый состав воздуха, химический состав водных ресурсов, почвы и т.д.).

К абиотическим факторам относят также физические поля (гравитационное, магнитное, электромагнитное), ионизирующую и проникающую радиацию, движение сред – акустические колебания, волны, ветер, течения, приливы. Многие абиотические факторы могут быть охарактеризованы количественно и поддаются объективному измерению.

Биотические факторы включают в себя формы влияния одних живых организмов на другие. Все биотические факторы определены внутривидовыми и межвидовыми взаимодействиями. Окружающий органический мир – составная часть среды обитания каждого живого организма. Взаимоотношения между организмами сложнее абиотических воздействий. Большинство из них не имеет скалярных значений, трудно поддаётся прямому измерению, исключение составляют количественные оценки численности популяций, факторы, относящиеся к пищевым связям и некоторые другие.

Антропогенные факторы – факторы влияния человеческого общества на процессы, протекающие в биосфере. Антропогенные факторы приводят к изменению природы как среды существования тех или иных видов или же непосредственно влияют на их жизнь.

Сущность экологического подхода определяется двумя критериями В.И. Вернадского: полем устойчивости жизни и полем существования жизни.

Поле устойчивости жизни – условия, которые живые организмы выдерживают, находясь на грани своих возможностей.

Поле существования жизни – условия, при которых организм может давать потомство, т.е. увеличивать свою живую массу и действенную энергию планеты.

На развитие жизни, а, следовательно, на границы биосферы оказывают влияние многие факторы, например, наличие кислорода, углекислого газа, воды в её жидкой фазе. Ограничивают область распространения жизни слишком высокие или низкие температуры, дефицит или избыток элементов минерального питания. Например, лишены жизни подземные воды с концентрацией солей выше 270 г/л.

Для жизни организмов необходимо определенное сочетание условий. Если все условия среды обитания благоприятны, за исключением одного, то именно это условие становится решающим для жизни рассматриваемого организма. Оно ограничивает (лимитирует) развитие организма, поэтому называетсялимитирующим фактором. Первоначально было установлено, что развитие живых организмов ограничивает недостаток какого-либо компонента, например, минеральных солей, влаги, света и т.п. В середине XIX века немецкий химик-органик Юстас Либих первым экспериментально доказал, что рост растения зависит от того элемента питания, который присутствует в относительно минимальном количестве. Он назвал это явление законом минимума; в честь автора его еще называют законом Либиха.

В современной формулировке закон минимума звучит так: выносливость организма определяется самым слабым звеном в цепи его экологических потребностей. Однако, как выяснилось позже, лимитирующим может быть не только недостаток, но и избыток фактора, например, гибель урожая из-за дождей, перенасыщение почвы удобрениями и т.п. Понятие о том, что наравне с минимумом лимитирующим фактором может быть и максимум, ввел спустя 70 лет после Либиха американский зоолог В.Шелфорд, сформулировавший закон толерантности. Согласно закону толерантности лимитирующим фактором процветания популяции (организма) может быть как минимум, так и максимум экологического воздействия, а диапазон между ними определяет величину выносливости (предел толерантности) или экологическую валентность организма к данному фактору (рис. 3).

Рис.3. Зависимость результата действия экологического фактора от его интенсивности

Благоприятный диапазон действия экологического фактора называется зоной оптимума (нормальной жизнедеятельности). Чем значительнее отклонение действия фактора от оптимума, тем больше данный фактор угнетает жизнедеятельность популяции. Этот диапазон называется зоной угнетения. Максимально и минимально переносимые значения фактора - это критические точки, за пределами которых существование организма или популяции уже невозможно.

Принцип лимитирующих факторов справедлив для всех типов живых организмов - растений, животных, микроорганизмов и относится как к абиотическим, так и к биотическим факторам. Например, лимитирующим фактором для развития организмов данного вида может стать конкуренция со стороны другого вида. В земледелии лимитирующим фактором часто становятся вредители, сорняки, а для некоторых растений лимитирующим фактором развития становится недостаток (или отсутствие) представителей другого вида. Например, в Калифорнию из средиземноморья завезли новый вид инжира, но он не плодоносил, пока оттуда же не завезли единственный для него вид пчел-опылителей.

В соответствии с законом толерантности любой избыток вещества или энергии оказывается загрязняющим среду началом. Так, избыток воды даже в засушливых районах вреден и вода может рассматриваться как обычный загрязнитель, хотя в оптимальных количествах она просто необходима. В частности, избыток воды препятствует нормальному почвообразованию в черноземной зоне.

Экологические ограничения никогда не бывают абсолютными. Именно за счёт взаимодействия факторов пределы жизни могут быть несколько отодвинуты. Например, недостаточная освещённость для растений может быть частично компенсирована повышенной концентрацией углекислого газа, действие повышенной кислотности почвы отчасти нейтрализуется благоприятными окислительно-восстановительными условиями, то есть диаграмма выживания для одного фактора почти всегда изменяется под действием другого.

Пределы биосферы как глобальной экосистемы в экологическом аспекте – поле существования жизни, границы которого регламентируют экологические факторы.

3. Вещественный состав биосферы

Вещественный состав биосферы разнообразен, включает семь разнородных частей, появление которых явилось следствием длительных биологических процессов и геологического развития планеты.

• Живое вещество – совокупность всех живых организмов. Является мощным геологическим фактором (2420 млрд. тонн). Характеризуется элементарным составом, массой, энергией. В основе учения В.И. Вернадского о биосфере лежит представление о планетарной геохимической роли живого вещества в образовании биосферы.

• Биогенное вещество – органические и органоминеральные продукты, созданные живыми организмами на протяжении геологической истории планеты. К ним относятся: каменный уголь, торф, нефть, горючие сланцы;

• Косное вещество – неживое вещество, породы неорганического происхождения. К нему относятся песок, глина, вода и т.д. Косное вещество представляет собой среду обитания живых организмов;

• Биокосное вещество – продукты синтеза живого и косного вещества биосферы, к которым относятся осадочные породы, атмосфера, поверхностные воды, почва и т.д.;

• Вещество радиоактивного распада (элементы и изотопы уранового, радиевого, ториевого рядов);

• Рассеянные атомы земного вещества и космических излучений;

• Вещество космического происхождения в форме метеоритов и космической пыли.

Биосфера, несмотря на сложную структуру, в основных своих чертах представляет один и тот же химический аппарат с самых древних геологических периодов.