Учение Вернадского о биосфере

Существуют два основных определения понятия биосфера, одно из которых известно со времени появления в науке данного термина. Это понимание биосферы как совокупности всех живых организмов на Земле. Ученик Докучаева, создателя учения о почвах, В.И. Вернадский, изучавший взаимодействие живых и неживых систем, выдвинул принцип неразрывной связи живого и неживого, переосмыслив понятие биосферы. Он понимал биосферу как сферу единства живого и неживого. Такое толкование определило взгляд Вернадского на проблему происхождения жизни на Земле. Рассматривались следующие варианты: 1) жизнь возникла до образования Земли и была занесена на нее; 2) жизнь зародилась после образования Земли; 3) жизнь зародилась вместе с формированием Земли. Вернадский придерживался Последней из этих точек зрения и считал, что нет убедительных научных данных о том, что живое когда-либо не существовало на нашей Планете. Иными словами, биосфера была на Земле всегда.

Под биосферой, таким образом, Вернадский понимал тонкую оболочку Земли, в которой все процессы протекают под прямым воздействием живых организмов. Биосфера располагается на стыке литосферы, гидросферы и атмосферы, располагаясь в диапазоне от 10 км в глубь Земли до 33 км над Землей.

Занимаясь им же созданной биогеохимией, изучающей распределение химических элементов по поверхности планеты, Вернадский пришел к выводу, что нет практически ни одного элемента таблицы Менделеева, который не включался бы в живое вещество. Вернадский подчеркивал также важное значение энергии и называл живые организмы механизмами превращения энергии.

Эмпирические обобщения Вернадского

1. Первым выводом из учения о биосфере является принцип целостности биосферы. «Можно говорить о всей жизни, о всем живом веществе как о едином целом в механизме биосферы». Строение Земли, по Вернадскому, есть согласованный в своих частях механизм. «Твари Земли являются созданием космического процесса, необходимой и закономерной частью стройного космического механизма».

Узкие пределы существования жизни — физические постоянные, уровни радиации и т.п. — подтверждают это. Как будто кто-то создал такую среду, чтобы жизнь стала возможна. Какие условия и константы имеются в виду? Гравитационная постоянная, или константа всемирного тяготения, определяет размеры звезд, температуру и давление в них, влияющие на ход реакций. Если она будет чуть меньше, звезды станут недостаточно горячими для протекания в них ядерных реакций; если чуть больше, звезды превзойдут «критическую массу» и обратятся в черные дыры, выпав тем самым из круговорота материи. Константа сильного взаимодействия определяет ядерный заряд в звездах. Если ее изменить, цепочки ядерных реакций не дойдут до углерода и азота. Постоянная электромагнитного взаимодействия определяет конфигурацию электронных оболочек и прочность химических связей; ее изменение делает Вселенную мертвой. К этому добавляется еще антропный принцип, с которым мировые константы как бы подгоняются к возможности существования жизни.

2. С принципом целостности биосферы и неразрывной связи в ней живых и косных компонентов связан и принцип гармонии биосферы и ее организованности. В биосфере, по Вернадскому, «все учитывается и все приспособляется с той же точностью, с той же механичностью и с тем же подчинением мере и гармонии, какую мы видим в стройных движениях небесных светил и начинаем видеть в системах атомов вещества и атомов энергии».

3. Роль живого в эволюции Земли. «На земной поверхности нет химической силы, более постоянно действующей, а потому и более могущественной по своим конечным последствиям, чем организмы, взятые в целом... Все минералы верхних частей земной коры — свободные алюмокремниевые кислоты (глины), карбонаты (известняки и доломиты), гидраты окиси Fe и А1 (бурые железняки и бокситы) и многие сотни других непрерывно создаются в ней только под влиянием жизни».

Лик Земли как небесного тела, заключает Вернадский, фактически сформирован жизнью.

4. Космическая роль биосферы в трансформации энергии. Можно рассматривать всю эту часть живой природы как дальнейшее развитие одного и того же процесса превращения солнечной световой энергии в действенную энергию Земли.

5. Растекание жизни есть проявление ее геохимической энергии. Живое вещество, подобно газу, растекается по земной поверхности в соответствии с правилом инерции. Мелкие организмы размножаются гораздо быстрее, чем крупные. Скорость передачи жизни зависит от плотности живого вещества.

6. Понятие автотрофности. Автотрофными называют организмы, которые берут все нужные им для жизни химические элементы в биосфере из окружающей их косной материи и не требуют для построения своего тела готовых соединений другого организма. Поле существования этих зеленых автотрофных организмов определяется прежде всего областью проникновения солнечных лучей.

7. Космическая энергия вызывает давление жизни, которое достигается размножением. Размножение организмов уменьшается по мере увеличения их количества.

8. Формы нахождения химических элементов: 1) горные породы и минералы; 2) магмы; 3) рассеянные элементы; 4) живое вещество. Закон бережливости в использовании живым веществом простых химических тел: раз вошедший элемент проходит длинный ряд состояний, и организм вводит в себя только необходимое количество элементов.

9. Жизнь целиком определяется полем устойчивости зеленой Растительности. Пределы жизни определяются в конце концов физико-химическими свойствами соединений, строящих организм, их Неразрушимостью в определенных условиях среды. Максимальное поле жизни определяется крайними пределами выживания организмов. Верхний предел жизни обусловливается лучистой энергией, присутствие которой исключает жизнь и от которой предохраняет озоновый щит. Нижний предел связан с достижением высокой температуры. Интервал в 433С (от -252С до+180С) является предельным тепловым полем.

10. Биосфера в основных своих чертах представляет один и тот же химический аппарат с самых древних геологических периодов. Жизнь оставалась в течение геологического времени постоянной, менялась только ее форма. Само живое вещество не является случайным созданием.

11. Всюдность жизни в биосфере. Жизнь постепенно, медленно приспосабливаясь, захватила биосферу, и захват этот не закончился. Поле устойчивости жизни есть результат приспособленности в ходе времени.

Биосфера, гидросфера, литосфера

 Гидросферу формируют различные водоемы - океаны, моря, озера, реки и т. д., занимающие свыше 70% поверхности Земли. Литосфера представляет собой твердую оболочку, состоящую из двух слоев - поверхностного, гранитного, мощность которого колеблется от 10 до 40 км, и нижнего, базальтового (30 км). Помимо этих трех минеральных оболочек, Земля окружена еще особой оболочкой - биосферой, охватывающей всю область распространения живых существ. Хотя термин «биосфера» был введен в науку еще в XVIII в. Ж. Б. Ламарком, учение о биосфере и ее роли в процессах, протекающих на поверхности Земли, было создано академиком В. И. Вернадским. В свете этого учения биосфера представляет собой термодинамическую оболочку с температурой от +50 до -50°. Биосфера возникла с появлением на Земле живых существ и формировалась в процессе их эволюции. Она занимает прежде всего всю поверхность суши от уровня моря и до вершин горных хребтов. Отдельные виды растений и животных достигают самых высоких точек земной поверхности. Альпийская галка (Pyrrho-corax pyrrhocorax), например, была обнаружена на Эвересте на высоте свыше 8 км. Биосфера вторгается во все три минеральные оболочки, но не в одинаковой степени. Зарегистрированная верхняя граница жизни в атмосфере находится на высоте 22 км, куда проникают споры бактерий и грибов. Однако вполне вероятно нахождение микроорганизмов и выше в стратосфере, до границ озоновых слоев, которые на высоте 20-50 км образуют окружающий Землю озоновый экран, отражающий космические излучения и ультрафиолетовые лучи солнца, губительно действующие на живой организм. Наибольшая масса организмов, поднимающихся в воздух, сосредоточена примерно до 50-70 м над поверхностью Земли.Еще меньшее распространение имеет жизнь в литосфере, где она концентрируется в основном в поверхностном слое глубиной до 6-8 м, хотя отдельные микроорганизмы и проникают до нефтеносных слоев, расположенных на глубине 2-3 км. Только в гидросфере жизнь распространяется фактически на всю глубину этой оболочки, имеющей максимальную толщину в Мировом океане до 11,5 км. Водная среда представляет исключительные преимущества для обитающих в ней животных и растений. Благодаря ее прозрачности солнечные лучи могут проникать иногда до 200 м. Она допускает существование организмов во взвешенном состоянии, так как удельный вес многих морских животных и растений близок к удельному весу воды. Наконец, вода является хорошим растворителем многих веществ и к тому же обладает очень высоким показателем теплоемкости. Толщина морского слоя, плотно заселенного организмами, обычно достигает нескольких сот метров. Растения и связанные с ними растительноядные животные концентрируются в верхних слоях океана на глубинах до 300-500 м. В то же время существует специфический комплекс глубоководных животных, проникающий до самых больших глубин океана. Круговорот веществ в биосфере. Специфической чертой биосферы как особой оболочки Земли является непрерывно происходящий в ней круговорот веществ, регулируемый деятельностью живых организмов. Хотя биомасса, т. е. все живое вещество, содержащееся в одновременно существующих организмах, не превышает в биосфере по весу 0,01% всего находящегося в ней вещества, она представляет собой центральное звено, которое обусловливает и направляет сложнейшие биогеохимические процессы, протекающие в этой оболочке. Прежде всего, согласно учению В. И. Вернадского, живые организмы, обитающие на Земле, представляют сложный механизм преобразования энергии солнечных лучей в потенциальную, а затем и в кинетическую энергию геохимических процессов. Особая роль в этом отношении принадлежит зеленым растениям, роль, которую К- А. Тимирязев назвал космической. Она заключается в том, что «зеленое зерно хлорофилла является фокусом, точкой в мировом пространстве, в которую с одного конца притекает энергия солнца, а с другого берут начало все проявления жизни на Земле» '. Ежегодно на Землю поступает огромное количество энергии солнца (1,26- 1024 кал), 42% которой отражается в мировое пространство. Используя часть энергии солнечных лучей, зеленые растения утилизируют углекислый газ воздуха в качестве источника углерода в процессе синтеза органических веществ. Но зеленое растение не только получает для себя пищу из неорганической природы, оно, по словам Тимирязева, является посредником между небом и Землей. Энергия, полу­ченная от солнечного луча, аккумулируется в растении и в этом виде вместе с накопленным в его теле органическим веществом поступает в организм других растений или животных, питающихся растительной пищей. Последние в свою очередь служат пищей для других гетеротрофных организмов (рис. 41). Выделяемый в процессе фотосинтеза кислород оказывается необходимым для жизни всех аэробных организмов, которые в процессе дыхания поглощают его из воздуха, одновременно выделяя углекислый газ. Такое постоянное поступление углекислого газа в атмосферу имеет колоссальное значение в круговороте веществ. По приблизительным подсчетам, растительный покров земного шара ежегодно ассимилирует из углекислого газа свыше 140 млрд. т углерода, что примерно составляет 3 г на гектар. Всего в атмосфере содержится около двух тысяч биллионов килограммов углекислого газа, которого не хватило бы и на 100 лет, если бы он не поступал в атмосферу и гидросферу в процессе жизнедеятельности организмов. А между тем за время существования на Земле фотосинтезирующих растений ими накоплены большие запасы углерода, порядка 10 000 млрд. т, сохранившиеся в виде нефти, залежей каменного угля, торфа и других горючих ископаемых.

 Круговороты веществ в биосфере.

Круговорот воды

Вода находится в постоянном движении. Испаряясь с поверхности водоемов, почвы, растений, вода накапливается в атмосфере и, рано или поздно, выпадает в виде осадков, пополняя запасы в океанах, реках, озерах и т.п. Таким образом, количество воды на Земле не изменяется, она только меняет свои формы - это и есть круговорот воды в природе. Из всех выпадающих осадков 80% попадает непосредственно в океан. Для нас же наибольший интерес представляют оставшиеся 20%, выпадающие на суше, так как большинство используемых человеком источников воды пополняется именно за счет этого вида осадков. Упрощенно говоря, у воды, выпавшей на суше, есть два пути.

Либо она, собираясь в ручейки, речушки и реки, попадает в результате в озера и водохранилища - так называемые открытые (или поверхностные) источники водозабора. Либо вода, просачиваясь через почву и подпочвенные слои, пополняет запасы грунтовых вод. Поверхностные и грунтовые воды и составляют два основных источника водоснабжения. Оба этих водных ресурса взаимосвязаны и имеют как свои преимущества, так и недостатки в качестве источника питьевой воды.

Круговорот воды является одним из грандиозных процессов на поверхности земного шара. Он играет главную роль в связывании геологического и биотического круговоротов. В биосфере вода, непрерывно переходя из одного состояния в другое, совершает малый и большой круговороты. Испарение воды с поверхности океана, конденсация водяного пара в атмосфере и выпадение осадков на поверхность океана образуют малый круговорот. Если же водяной пар переносится воздушными течениями на сушу, круговорот становится значительно сложнее. В этом случае часть осадков испаряется и поступает обратно в атмосферу, другая - питает реки и водоемы, но в итоге вновь возвращается в океан речным и подземным стоком, завершая тем самым большой круговорот. Важное свойство круговорота воды заключается в том, что он, взаимодействуя с литосферой, атмосферой и живым веществом, связывает воедино все части гидросферы: океан, реки, почвенную влагу, подземные воды и атмосферную влагу. Вода - важнейший компонент всего живого. Грунтовые воды, проникая сквозь ткани растения в процессе транспирации, привносят минеральные соли, необходимые для жизнедеятельности самих растений.  Наиболее замедленной частью круговорота воды является деятельность полярных ледников, что отражают медленное движение и скорейшее таяние ледниковых масс. Наибольшей активностью обмена после атмосферной влаги отличаются речные воды, которые сменяются в среднем каждые 11 дней. Чрезвычайно быстрая возобновляемость основных источников пресных вод и опреснение вод в процессе круговорота являются отражением глобального процесса динамики вод на земном шаре.

Круговорот углерода

Углерод в биосфере часто представлен наиболее подвижной формой - углекислым газом. Источником первичной углекислоты биосферы является вулканическая деятельность, связанная с вековой дегазацией мантии и нижних горизонтов земной коры.   Миграция углекислого газа в биосфере Земли протекает двумя путями. Первый путь заключается в поглощении его в процессе фотосинтеза с образованием органических веществ и в последующем захоронении их в литосфере в виде торфа, угля, горных сланцев, рассеянной органики, осадочных горных пород. Так, в далекие геологические эпохи сотни миллионов лет назад значительная часть фотосинтезируемого органического вещества не использовалась ни консументами, ни редуцентами, а накапливалась и постепенно погребалась под различными минеральными осадками. Находясь в породах миллионы лет, этот детрит под действием высоких температур и давления (процесс метаморфизации) превращался в нефть, природный газ и уголь, во что именно - зависело от исходного материала, продолжительности и условий пребывания в породах. Теперь мы в огромных количествах добываем это ископаемое топливо для обеспечения потребностей в энергии, а сжигая его, в определенном смысле завершаем круговорот углерода. Если бы ни этот процесс в истории планеты, вероятно, человечество имело бы сейчас совсем другие источники энергии, а может быть и совсем другое направление развития цивилизации.  

По второму пути миграция углерода осуществляется созданием карбонатной системы в различных водоемах, где CO2 переходит в H2CO3, HCO31-, CO32-. Затем с помощью растворенного в воде кальция (реже магния) происходит осаждение карбонатов CaCO3 биогенным и абиогенным путями. Возникают мощные толщи известняков. Наряду с этим большим круговоротом углерода существует еще ряд малых его круговоротов на поверхности суши и в океане. В пределах суши, где имеется растительность, углекислый газ атмосферы поглощается в процессе фотосинтеза в дневное время. В ночное время часть его выделяется растениями во внешнюю среду. С гибелью растений и животных на поверхности происходит окисление органических веществ с образованием CO2. Особое место в современном круговороте веществ занимает массовое сжигание органических веществ и постепенное возрастание содержания углекислого газа в атмосфере, связанное с ростом промышленного производства и транспорта.

 

Круговорот кислорода

Кислород - наиболее активный газ. В пределах биосферы происходит быстрый обмен кислорода среды с живыми организмами или их остатками после гибели. В составе земной атмосферы кислород занимает второе место после азота. Господствующей формой нахождения кислорода в атмосфере является молекула О2. Круговорот кислорода в биосфере весьма сложен, поскольку он вступает во множество химических соединений минерального и органического миров. Свободный кислород современной земной атмосферы является побочным продуктом процесса фотосинтеза зеленых растений и его общее количество отражает баланс между продуцированием кислорода и процессами окисления и гниения различных веществ. В истории биосферы Земли наступило такое время, когда количество свободного кислорода достигло определенного уровня и оказалось сбалансированным таким образом, что количество выделяемого кислорода стало равным количеству поглощаемого кислорода.   Ноосфера.

Наружные слои Земли, преобразованные в результате деятельности социальных систем, именуются ноосферой. Иногда её именуют “мыслящей” оболочкой земного шара, техносферой, антропосферой и социосферой.

Ноосфера - это сложная, динамично развивающаяся система. Её фундаментом является биосфера. Именно её в первую очередь структуризует, упорядочивает человек.

В последние годы человек вышел за пределы непосредственно земной оболочки и начал включать в ноосферу окружающее её космическое пространство.

Представляется, что ноосфера, как единый, хотя и очень сложный, объект природы только формируется. Во всяком случае, пока не прослеживаются внутренние обратные связи, которые бы обеспечивали устойчивое её развитие. Очевидно, что, создавая объекты гармонии с высокой плотностью информации, человек неизбежно должен в ещё большей степени наращивать энтропию хаоса, т.е. разрушать биосферу. Очевидно, должна возникнуть естественная, природная, не зависящая от воли конкретных людей обратная связь, которая бы поддерживала баланс создаваемой гармонии и вносимого тем самым в природу хаоса. Отсутствие перманентного, непрерывного механизма сохранения такого баланса чревато возникновением скачкообразного, катастрофического выравнивания возможности биосферы и гипертрофированно выросшей ноосферы. Признаками наступающей катастрофы являются:

• наступление так называемого “парникового эффекта” вследствие повышение процентного содержания диоксида углерода в атмосфере и резкого возрастания потребления тепловой энергии из минерального сырья;

• разрушение озонового слоя, защищающего всю биосферу от ультрафиолетового облучения;

• ликвидация многочисленных популяций животных и растений, приводящая к нарушению структуры биосферы;

• возникновение огромных пространств суши и гидросферы, захламленных отходами промышленной и военной деятельности людей.

Пока не ясно, как сформируется система обратной связи - сознательно, т.е. будет изобретена и осуществлена людьми, как некий объект социальной системы, - или бессознательно, путём развития естественного инстинкта самосохранения (т.е. также, как бессознательно возник рынок или государство). Однако совершенно очевидны механизмы действия этой системы.

Во-первых, ясно, что люди формируют гармонию чрезвычайно неэкономично. Это путь создания так называемых интеллектуальных технологий.

Во-вторых, обществу придётся научиться выводить все отходы за пределы земной атмосферы (так называемые безотходные технологии).

В-третьих, закрепить все объекты природы за хозяевами, защитив их тем самым от хищнического истребления.

Возможно, возникающие сейчас стихийно общественные течения и законодательно формируемые государственные природоохранные организации и являются зародышами возникающей структуры ноосферы. Ясно одно, что без такой структуры развитие человечества будет сопровождаться болезненными (а может быть и губительными) катастрофами.