- •Содержание
- •Введение
- •Глава 1. Естествозн ан и е как единая наука о природе
- •1.1. Естественно-научная и гуманитарная культуры
- •1.2. Месте науки в системе культуры и ее структура
- •1.3. Характерные черты науки
- •1.4. Естествознание - фундаментальная наука
- •Глава 2. Характеристика естественно-научного познания
- •2.1. Структура научного познания
- •2.2. Основные методы научного исследования
- •2.3. Динамика развития науки. Принцип соответствия
- •Глава 3. Важнейшие этапы развития естествознания
- •3.1. Система мира ангинных философов
- •3.2. Геоцентрическая и гелиоцентрическая системы строения мира
- •3.3. Механистическая и электромагнитная картины мира
- •3.4. Современная естественно-научная картина мира
- •Глава 4. Концепция относительности пространства и времени
- •4.1. Понятие пространства и времени
- •4.2. Измерение времени
- •4.3. Пространство и время в специальной теории относительности
- •4.4. Общая теория относительности о пространстве и времени
- •Глава 5. Строение материального мира
- •5.1. Структурное строение материального мира
- •5.2. Краткая характеристика микромира
- •5.3. Краткая характеристика макромира
- •5.4. Краткая характеристика мегамира
- •Глава 6. Взаимодействия и движение структур мира
- •6.1. Четыре вида взаимодействий и их характеристика
- •6.2. Концепции близкодействия и дальнодействия
- •6.3. Вещество, поле, вакуум. Принцип суперпозиции
- •6.4. Фундаментальные постоянные мироздания
- •6.5. Антропный космологический принцип
- •6.6. Характер движения структур мира
- •Глава 7. Основные закономерности микромира
- •7.1. Элементарные частицы
- •7.2. Корпускулярно-волновая природа микрообъектов
- •7.3. Концепция дополнительности
- •7.4. Вероятностный характер законов микромира. Концепции неопределенности и причинности
- •7.5. Электронная оболочка атома
- •Глава 8. Концепции вещества и энергии
- •8.1. Многообразие форм материи
- •8.2. Вещество и его состояния
- •8.3. Энергия и ее проявления в природе
- •8.4. Законы сохранения в природе
- •8.5. Законы сохранения и принципы симметрии
- •Глава 9. Состав, структура и взаимопревращения веществ
- •9.1. Концептуальные уровни в познании веществ
- •9.2. Состав вещества и химические системы
- •9.3. Структура вещества и его свойства
- •9.4. Химические процессы
- •9.5. Эволюция химических систем и перспективы химии
- •Глава 10. Природа мегамира
- •10.1. Расстояния и размеры в мегамире
- •10.2. Земля как планета и природное тело
- •10.3. Состав и строение Солнечной системы
- •10.4. Солнце, звезды и межзвездная среда
- •10.5. Галактики
- •Глава 11. Характер естествен нон ауч н ых закономерностей природы
- •11.1. Детерминизм процессов природы
- •11.2. Термодинамика и концепция необратимости
- •11.3. Проблема "тепловой смерти Вселенной"
- •Глава 12. Происхождение и эволюция вселенной
- •12.1. Большой взрыв и расширяющаяся Вселенная
- •12.2. Начальная стадия Вселенной
- •12.3. Космологические модели Вселенной
- •Глава 13. Происхождение и эволюция небесных тел, земли
- •13.1. Происхождение и эволюция галактик и звезд
- •13.2. Происхождение планет Солнечной системы
- •13.3. Происхождение и эволюция Земли
- •13.4. Космос и Земля
- •Глава 14. Концепции происхождения жизни
- •14.1. Концепции происхождения жизни но Земле
- •14.2. Классификация уровней биологических структур и организация живых систем
- •14.3. Генная инженерия и биотехнология
- •14.4. Проблемы происхождения жизни во Вселенной
- •Глава 15. Эволюция живой природы
- •15.1. Доказательства эволюции живого
- •15.2. Пути и причины эволюции живого
- •15.3. Эволюционная теория Дарвина
- •15.4. Современная теория органической эволюции
- •15.5. Синтетическая теория эволюции
- •15.6. Другие концепции эволюции живого
- •Глава 16. Концепция происхождения и эволюции человека
- •16.1. Человек как предмет естественно-научного познания
- •16.2. Сходства и отличия человека от животных
- •16.3. Концепции появления человека на Земле. Антропология
- •16.4. Эволюция культуры человека. Социобиология
- •16.5. Проблемы поиска внеземных цивилизаций
- •16.6. Проблема связи с внеземными цивилизациями
- •Глава 17. Человек
- •17.1. Физиология человека
- •17.2. Эмоции и творчество
- •17.3. Здоровье и работоспособность
- •17.4. Вопросы биомедицинской этики
- •Глава 18. Учение о биосфере и экологии
- •18.1. Биосфера
- •18.2. Экология
- •18.3. Современные проблемы экологии
- •18.4. Ноосфера
- •18.5. Демографическая проблема
- •Глава 19. Методы современного естествознания
- •19.1. Системный метод исследования
- •19.2. Кибернетика - наука о сложных системах
- •19.3. Методы математического моделирования
- •19.4. Математическое моделирование в экологии
- •Глава 20. Самоорганизация в природе
- •20.1. Парадигма самоорганизации
- •20.2. Синергетика
- •20.3. Особенности эволюции неравновесных систем
- •20.4. Самоорганизация - источник и основа эволюции
- •20.5. Самоорганизация в различных видах эволюции
- •Глава 21. Современное естествознание и будущее науки
- •21.1. Особенности современного этапа развития науки
- •21.2. Естествознание и мировоззрение
- •21.5. Общие закономерности современного естествознания
- •21.6. Современная естественно-научная картина мира и Человек
- •21.7. Особенности в развитии современной науки
- •Литература
- •140010, Г. Люберцы Московской обл., Октябрьский пр-т, 403. Тел.: 554-21-86
Глава 18. Учение о биосфере и экологии
Во всем подслушать
жизнь стремясь,
Спешат явленья обездушить,
Забыв, что если в них нарушить
Одушевляющую связь,
То больше нечего и слушать.
Гёте
18.1. Биосфера
Под биосферой понимают тонкую оболочку Земли, в которой все процессы протекают под прямым воздействием живых организмов. Биосфера находится на стыке литосферы, гидросферы и атмосферы, располагаясь в диапазоне от 11 км в глубь Земли до 33 км над Землей. Живые организмы, включающие в себя все известные химические элементы, в процессе жизнедеятельности осуществляют превращение энергии. Все живое разделено на пять царств: бактерии, водоросли, грибы, растения и животные.
Современная наука считает, что примерно 1 млрд лет назад произошло разделение живых существ на царства растений и животных. Различия между ними можно разделить на три группы: 1) по структуре клеток и их способности к росту; 2) по способу питания; 3) по способности к движению. У животных клеток есть центриоли, но нет хлорофилла и клеточной стенки, мешающей изменению формы. Большинство растений необходимые для жизни вещества получают в результате поглощения минеральных соединений. Животные питаются готовыми органическими соединениями, которые создают растения в процессе фотосинтеза. Классификация растений и животных построена
448
в соответствии с их отличительными признаками. Основной структурной единицей был признан вид, а более высокие уровни составили последовательно род, отряд, класс.
На Земле существует 500 тыс. видов растений и 1,5 млн видов животных, в том числе позвоночных — 70 тыс., птиц 16 тыс., млекопитающих — 12 540 видов. Подобная систематизация различных форм жизни создала предпосылки для изучения живого вещества как целого, что впервые осуществил выдающийся русский ученый Владимир Иванович Вернадский в своем учении о биосфере. Основные выводы учения Вернадского о биосфере сводятся к следующему:
Принцип целостности утверждает, что биосфера, жизнь существуют как единое целое. Жизнь является необходимой и закономерной частью стройного космического механизма.
Принцип гармонии биосферы заключается в ее организованности, стройности, неразрывной связи в ней живых и неживых компонентов.
Принцип значительности роли живого в эволюции Земли утверждает, что на земной поверхности нет химической силы, более постоянно действующей и более могущественной по своим конечным последствиям, чем организмы, взятые в целом. Облик Земли как небесного тела фактически сформирован жизнью.
Основная роль биосферы состоит в трансформации солнечной энергии в действенную энергию Земли. Космическая энергия вызывает развитие жизни, которое достигается размножением.
Правило инерции заключается в распространении жизни по земной поверхности из-за проявления ее геохимической энергии. Мелкие организмы размножаются гораздо быстрее, чем крупные.
Закон бережливости в использовании живым веществом простых химических тел утверждает, что раз вошедший в организм элемент проходит длинный ряд состояний и при этом организм вводит в себя только необходимое количество элементов.
Пределы жизни определяются физико-химическими свойствами соединений, строящих организм, их неразрушимос-
449
тью 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. Например, интервал температуры жизни в 430° (от -250 °С до +180 °С) является предельным тепловым полем.
8. Жизнь постепенно, медленно приспосабливаясь, захватила биосферу, и захват этот не закончился. Поле устойчивости жизни есть результат приспособленности в ходе времени.
Биосфера, по В. И. Вернадскому, — это организованная, определенная оболочка земной коры, сопряженная с жизнью. Пределы биосферы обусловлены прежде всего полем существования жизни. Биосфера — не просто одна из существующих оболочек Земли, подобно литосфере, гидросфере или атмосфере. Основное отличие биосферы состоит в том, что она — организованная оболочка. Быть живым — значит быть организованным, отмечал В. И. Вернадский, и в этом состоит суть понятия биосферы как организованной оболочки Земли.
По В. И. Вернадскому, вещество биосферы разнородно по своему физико-химическому составу, а именно:
живое вещество — совокупность живых организмов;
биогенное вещество — непрерывный биогенный поток атомов из живого вещества в косвенное вещество биосферы и обратно;
косное вещество (атмосфера, газы, горные породы и пр.);
биокосное вещество, например почвы, илы, поверхностные воды, сама биосфера, т. е. сложные закономерные косно-живые структуры;
радиоактивное вещество;
рассеянные атомы;
вещество космического происхождения.
Хотя границы биосферы довольно узки, живые организмы в их пределах распределены очень неравномерно. На большой высоте и в глубинах гидросферы и литосферы организмы встречаются относительно редко. Жизнь сосредоточена главным об-
450
разом на поверхности Земли, в почве и в приповерхностном слое океана. Общую массу живых организмов оценивают в 2,43 • 1012т. Биомасса организмов, обитающих на суше, на 99,2% представлена зелеными растениями и на 0,8% — животными и микроорганизмами. Напротив, в океане на долю растений приходится 6,3%, а на долю животных и микроорганизмов — 93,7% всей биомассы. Жизнь сосредоточена главным образом на суше. Суммарная биомасса океана составляет всего 0,03 1012, или 0,13% биомассы всех существ, обитающих на Земле. В распределении живых организмов по видовому составу наблюдается важная закономерность. Из общего числа видов 21% приходится на растения, но их вклад в общую биомассу составляет 99%. Среди животных 96% видов — беспозвоночные и только 4% — позвоночные, из которых десятая часть — млекопитающие. Масса живого вещества составляет всего 0,01-0,02% от косного вещества биосферы, однако она играет ведущую роль в геохимических процессах. Вещества и энергию, необходимую для обмена веществ, организмы черпают из окружающей среды. Ограниченные количества живой материи воссоздаются, преобразуются и разлагаются. Ежегодно, благодаря жизнедеятельности растений и животных, воспроизводится около 10% биомассы. Кроме растений и животных В. И. Вернадский включает в понятие "живое вещество" и человечество, влияние которого на геохимические процессы отличается от воздействия остальных живых существ, во-первых, своей интенсивностью, увеличивающейся с ходом геологического времени; во-вторых, тем воздействием, какое деятельность людей оказывает на остальные живые существа.
Жизнь на Земле ныне полностью зависит от фотосинтеза. Фиксируя энергию солнечного света в продуктах фотосинтеза, растения выполняют космическую роль энергетического очага на Земле. Под фотосинтезом понимается превращение зелеными растениями и фотосинтезирующими микроорганизмами при участии энергии света и поглощающих свет пигментов (хлорофилл и др.) простейших соединений (воды, углекислого газа и минеральных элементов) в сложные органические вещества, необходимые для жизнедеятельности всех организмов. Еже-
451
годно растения образуют до 100 млрд т органических веществ и фиксируют 9 • 1020 Дж энергии солнечной радиации. При этом растения усваивают из атмосферы до 170 млрд т углекислого газа и разлагают до 130 млрд т воды, выделяя до 115 млрд т свободного кислорода.
Таким образом, все биотические компоненты экосистемы разделены на три основные группы: продуценты (зеленые растения и организмы, могущие использовать химическую энергию, — хемосинтетики), консументы, или потребители (могут быть нескольких трофических уровней), и редуценты, или разрушители (организмы, преобразующие, минерализующие органику и тем самым замыкающие биологический круговорот). Все живые организмы, так или иначе используя друг друга, образуют гигантский биологический круговорот биосферы. 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 таких биогенных пород, как каменный уголь, торф, сапропель и т. п.
В этом большом биогеохимическом круговороте вещества и энергии выделяется целый ряд более частных круговоротов веществ — воды, углерода, кислорода, азота, серы, фосфора и др., в ходе которых происходит обмен химических элементов между живыми организмами и неорганической средой. Существование этих биогеохимических круговоротов определяет облик современных экосистем, устойчивость и саморегуляцию биосферы в целом. Поэтому как бы сложны и многообразны ни были проявления жизни на Земле, все формы жизни связаны между собой через круговорот вещества и энергии.
В этой связи можно выделить три этапа эволюции биосферы. Первый этап — возникновение биотического круговорота, означавшего формирование биосферы. Второй этап — усложнение жизни на планете, обусловленное появлением многоклеточных организмов. Третий этап — формирование человеческого
452
общества, оказывающего своей хозяйственно-экономической деятельностью все большее влияние на эволюцию биосферы (ноосфера). Попытки выделить основные этапы эволюции биосферы заслуживают внимания уже тем, что ставят эту проблему в качестве одной из важных задач современной эволюционной теории.