Учебное пособие для студентов всех форм обучения Москва 2008 г



страница1/3
Дата27.04.2016
Размер0.58 Mb.
ТипУчебное пособие
  1   2   3
Институт экономики и предпринимательства

(ИНЭП)

М.Д. Андреев
Концепции современного естествознания
( концепция – «Биосфера»)


Учебное пособие для студентов всех форм обучения

Москва – 2008 г.

Введение
Исследование по теории любой науки всегда начинается с анализа существующих концепций, которые, согласно логике развития познания, должны быть включены в исторически более полную теорию. Одной из наиболее важных концепций современного естествознания является концепция становления и развития биосферы. Для анализа любого исследования нужна исходная концепция, позволяющая рассматривать те или иные процессы, происходящие в природе с определенной позиции. В современном естествознании одной из них является учение В.И. Вернадского о биосфере.

В современном естествознании одной из концепций взаимной связи между живой и неживой природы, является учение о биосфере как особой сферы жизни, в пределах которой осуществляется единый круговорот вещества и энергии. Биосфера-это качественно своеобразная оболочка Земли, развитие которой в значительной мере определяется деятельностью живых организмов.

В.И. Вернадский, используя этот термин, создал науку « биосфера», ввел понятие « живого вещества», а также отвел живым организмам роль главнейшей преобразующей силы планеты Земля, учитывая деятельность организмов не только в настоящее время, но и в прошлое.

При этом следует отметить, что идеям В.И.Вернадского предстоит сыграть ключевую роль, во все возрастающей роли формирования мировоззрения современного человека, понимании им своего места в природе, прямой ответственности за будущее биосферы, воспитании новой экологической морали и этики. Учение В.И. Вернадского будет необходимо для непосредственного действия, и, прежде всего для разработки научных основ устойчивого развития человечества в биосфере.




История становления учения о биосфере.
Понятие биосферы появилось в биологии в 18 веке, однако первоначально оно имело совсем иной смысл, чем теперь. Биосферой именовали небольшие гипотетические глобулы (ядра органического вещества), которые якобы составляют основу всех организмов. К середине 19 века в биологии уточняются научные представления о реальных органических клетках. И термин « биосфера» утрачивает прежний смысл.

К идее биосферы в ее современной трактовке пришел Ж.-Б. Ламарк (1744-1829), основатель первой целостной концепции эволюции живой природы, которой, однако, данный термин не использовал. Впервые понятие

« биосфера» (близкой к современному смыслу) ввел австрийский геолог Э Зюсс, определивший ее в книге « Происхождение Альп» (1873) как особую, образуемую организмами оболочку Земли, где сосредоточена основная масса живых организмов и где происходит наиболее активное взаимодействие между всеми экологическими компонентами. При этом подразумевалась область взаимодействия основных оболочек Земли: атмосферы, гидросферы и литосферы, где встречаются живые организмы.

Заслуга создания целостности учения о биосфере принадлежит В.И.Вернадскому. Используя этот термин, он создал науку «биосфера». Ту часть биосферы, где живые организмы встречаются в настоящее время, обычно (в специальной литературе) называют современной биосферой или необиосферой, а древние биосферы относят к былым биосферам, иначе палеобиосферам или мегабиосферам. Примеры последних – безжизненные скопления органических веществ (залежи угля, нефти, газа др.) или запасы иных соединений, образовавшихся при непосредственном участии живых организмов (известняки, ракушечники, образования мела, ряд руд и многое другое).

Эволюция Земли, а затем образование и развитие биосферы В.И. Вернадский объединил тремя факторами макроэволюции – космическим, геологическим и геохимическим, которое тесным образом связаны с биологической эволюцией и все участвуют в энергетических процессах биосферы.


Учение В.И. Вернадского о биосфере
Научное и практическое значение В.И.Вернадского как основателя учения о биосфере состоит в том, что он впервые глубоко обосновал единство человека и биосферы. Открытие биосферы В.И. Вернадским в начале ХХ столетия принадлежит к величайшим научным открытиям человечества, соизмеримым с теорией видообразования, законом сохранения энергии, общей теорией относительности, открытием наследственного кода у живых организмов и теорией расширяющейся Вселенной. В.И. Вернадский доказал, что жизнь на земле - явление общепланетарные и космическое, что биосфера - это вещественно-энергетическая система, обеспечивающая биологический круговорот химических элементов и эволюцию всех живых организмов, включая и человека. Владимир Иванович Вернадский был первым, кто увидел в биосфере сложную и хорошо отрегулированную общепланетарную биогеохимическую систему. Не только составом атмосферы и гидросферы обязаны мы работе биосферы, но и сама земная кора – это продукт биосферы. В.И. Вернадский определил биосферу как особую охваченную жизнью оболочку Земли.

В физико-химическом составе биосферы Вернадский выделяет следующие компоненты:

- живое вещество – совокупность всех живых организмов биосферы Земли, растений и животных, включая человечество, выраженная в элементарном химическом составе, массе и энергии;

- косное вещество - неживые тела или явления (газы атмосферы, горные породы магматического, неорганического происхождения и т.п.);

- биокосное вещество – разнородные природные тела (почвы, поверхностные воды и т.п.);
- биогенное вещество – продукты жизнедеятельности живых организмов (гумус почвы, каменный уголь, торф, нефть, сланцы и т.п.)
- радиоактивное вещество;
- рассеянные атомы;
- вещество космического происхождения (космическая пыль, метеориты).
Согласно воззрениям Вернадского весь облик Земли, ее ландшафты, атмосфера, химический состав вод, толща осадочных пород обязаны своим происхождением живому веществу. Жизнь- это связующее звено между Космосом и Землей, которое, используя энергию, приходящую из космоса, трансформирует косное вещество, создает новые формы материального мира.

Так, живые организмы создали почву, наполнили атмосферу кислородом, оставили после себя километровые толщи осадочных пород и топливные богатства недр, многократно пропустили через себя весь объем Мирового океана. Вернадский не занимался проблемой возникновения жизни. Он понимал жизнь как естественный этап самоорганизации материи в любой части космоса, приводящий к возникновению все новых форм ее существования.

Учение Вернадского нацеливало на изучение живых, косных и биокосных тел в их неразрывном единстве, что подготовило почву для целостного восприятия природных систем естествоиспытателями. С учетом современных представлений, биосфера включает оболочку Земли, которая содержит всю совокупность живых организмов и часть вещества планеты, находящуюся в непрерывном обмене с этими организмами. Иными словами, биосфера – это область активной жизни, которая охватывает нижнюю часть атмосферы, всю гидросферу и верхние горизонты литосферы. В учении о биосфере В.И. Вернадского, в сущности, заложены основные положения возникшего позднее понятия о географической оболочке; биогеохимические идеи, рассматриваемые, в географическом аспекте привели к обоснованию ноосферы. Особое значение для уяснения масштабов воздействия человеческого общества на природу в настоящее время приобретает следующее его высказывание: « Человечество, взятое в целом, становится мощной геологической силой. И перед ним, перед его мыслью и трудом становится вопрос о перестройке биосферы в интересах свободно мыслящего человечества как единого целого».

В.И. Вернадский впервые в истории наук о Земле обосновал понятие, о земном планетном пространстве, которое, по его мнению, в соответствии с внутренней спецификой планетных явлений модифицируется на различные состояния.

Целостное учение о биосфере представлено в его ставшей классической работе « Биосфера» (1926).

В.И. Вернадский рассматривал эволюцию биосферы как единство космического, геологического, биогенного и антропогенного процессов.

Организованность биосферы имеет тенденцию к возрастанию. Рост ее организованности привел к возникновению человечества и науки. С развитием науки биосфера переходит на уровень ноосферы – сферы разума, где природные и социальные законы составляют единое целое.

Современные представления о биосфере

Согласно современным представлениям, биосфера - это своеобразная оболочка Земли, содержащая всю совокупность живых организмов и ту часть вещества планеты, которая находится в непрерывном обмене с этими организмами. По мере развития понятия биосферы и решения некоторых частных и общих задач, были установлены общие эволюционные свойства биосферы, включая и новейшие представления об эфире.

1) Всевозрастающая помехоустойчивость биосферы, устремленная к свойству и качествам гомеостата, выводит жизненные процессы Земли в ранг геолого-геофизических факторов эволюции планеты.

2) Мозаичность общего строения и функционирования жизненных сообществ осуществляется в отдельных "квантах" биосферы, находящихся в энерговещественной связи с Космосом и геолого-геофизической средой, т.е. реализована доменная структура.

3) Экосистемная модель (термин "экосистема" введен А.Тэнели, 1935 г.) подчеркивает домен биосферы в способности к саморегуляции и самопересозданию, т.е. полному самовозобновлению биоты.
4) Междоменное взаимодействие биосферных отдельностей постоянно поддерживает гигантский кругооборот вещества и энергии и информации (биосферной системы связей на основе разнообразных физических сигналов).
5) Невозможность существования биосферы вне вертикальных вещественных обменов и энергоперетоков между глубинами и поверхностью Земли и между Солнцем и поверхностью планеты.
Как видно из перечисленных биосферных свойств, очень трудно, оказывается, установить границы биосферы, и в этом отношении она представляет собой пример открытой системы. Уже в середине 70-х годов двадцатого столетия Н.Б.Вассоевичем был поднят вопрос о функциональных нормах биосферы по отношению к существующим организмам. Была введена биосферная дихотомия по отношению к носителям жизни в веществе тел:

1. Биосферное поле устойчивости жизни — это такие условия жизни, при которых организм способен только выживать.

2. Биосферное поле существования жизни — это условия, в которых жизненные отдельности — организмы — могут развиваться с наращиванием жизненной массы и энергии.

По мере наращивания знаний о биосфере, Дж. Хатчинсон счел необходимым ввести дополнительное биосферное подразделение и назвал его парабиосферой, которая сверху примыкает к приземной биосфере. В последующем была предложена общая схема деления биосферы на подбиосферы:

- внешние оболочки Земли: 1) апобиосфера — верхи атмосферы Земли, не обнаруживающие признаков наличия жизни — анабиотическое пространство; 2) парабиосфера; 3) биосфера.

- внутренние оболочки Земли: 4) метабиосфера — некий аналог того, что В. И. Вернадский называл "былой биосферой", т.е. имеющейся на каждый данный лик Земли, результат деятельности глобальных и жизненных тотальных процессов.

Естественно отметить, что эти классификационные попытки уточнить и расширить понятие биосферы, прямо не касались физической природы жизненных процессов и их движущих сил. Они отображали геометрические особенности размещения систем и подсистем биосферы, ее, так сказать, конструктивные пространственные характеристики. Концептуально эти работы продолжали работы школы Берталанфи, но на другом масштабном уровне.

Многое из того, о чем писал Вернадский, становится достоянием сегодняшнего дня. Современны и понятны нам его мысли о целостности, неделимости цивилизации, о единстве биосферы и человечества.

С учетом современных представлений, биосфера включает оболочку Земли, которая содержит всю совокупность живых организмов и часть вещества планеты, находящуюся в непрерывном обмене с этими организмами. Иными словами, биосфера – это область активной жизни, которая охватывает нижнюю часть атмосферы, всю гидросферу и верхние горизонты литосферы.

Эволюция биосферы процесс непрерывного, одновременного и взаимосвязанного изменения: а) характера живого вещества (возникновения, развития и вымирания видов, формирования и разрушения биотических сообществ); б) свойств биосферы как оболочки Земли, преобразуемой этим сообществом, и в) экосферы-1 планеты.

Структура биосферы представляет собой совокупность газовой, водной и твердой оболочек планеты и живого вещества, их населяющего. Масса биосферы составляет приблизительно 0,05% массы Земли, а ее объем – 0,4 % объема планеты. Границы биосферы определяют распространение в ней живых организмов. Несмотря на различную концентрацию и разнообразие живого вещества в разных районах земного шара, считается, что горизонтальных границ биосфера не имеет. Верхняя же вертикальная граница существования жизни обусловлена не столько низкими температурами, сколько губительным действием ультрафиолетовой радиации и космического излучения солнечного и галактического происхождения, от которого живое вещество планеты защищено озоновым экраном. Максимальная концентрация молекул озона (трехатомарного кислорода) приходится на высоту 20-25 км, где толщина озонового слоя составляет 2,5-3 мм. Озон интенсивно поглощает радиацию на участке солнечного спектра с длиной волны менее 0,29 мкм.

Поскольку граница биосферы обусловлена полем существования жизни, где возможно размножение, то она совпадает с границей тропосферы (нижнего слоя атмосферы), высота которой от 8 км над полюсами до 18 км над экватором Земли. Однако в тропосфере происходит лишь перемещение живых организмов, а весь цикл развития, включая размножение, они осуществляют в литосфере, гидросфере и на границе этих сред с атмосферой. В состав биосферы полностью входит гидросфера (океаны, моря, озера, подземные воды, реки, ледники), глубина которой достигает 11 км. Наибольшая концентрация жизни сосредоточена до глубины 200 м, в так называемой эвфотической зоне, куда проникает солнечный свет и где возможен фотосинтез. Именно здесь сконцентрированы все фотосинтезирующие растения и продуцируется первичная биологическая продукция. Глубже начинается дисфотическая зона, где царит темнота и отсутствует фотосинтезирующие растения, но активно перемещаются представители животного мира, непрерывным потоком опускаются на дно отмершие растения и останки животных. Нижняя граница биосферы в пределах литосферы лежит в среднем на глубине 3 км от поверхности суши и 0,5 км ниже дна океана. О более глубоком проникновении жизни в толщи литосферы сведений нет.

На границе нижней части атмосферы (тропосферы), гидросферы и литосферы сконцентрирована наибольшая масса живого вещества, и эта земная оболочка названа биогеосферой, или пленкой жизни. Только в ее пределах возможна жизнедеятельность и существование человека. Суммарная биомасса живого вещества биосферы составляет 2-3 трлн. т, причем 98% ее - это биомасса наземных растений. Биосферу населяют около 1,5 млн. видов животных и 500 тыс. видов растений. Однако, если мысленно равномерно распределить все живое вещество по поверхности планеты, то получится слой толщиной всего 2 см. Вместе с тем в процессах самоорганизации биосферы живое вещество играет сегодня ведущую роль и выполняет следующие функции:

1. энергетическую – перераспределение солнечной энергии между компонентами биосферы;

2. средообразующую (газовую) – в процессе жизнедеятельности живого вещества создаются основные газы (азот, кислород, углекислый газ, метан и др.);

3. концентрационную – извлечение и накопление живыми организмами биогенных элементов (кислорода, углерода, водорода, азота, натрия, магния, калия, алюминия, серы и др.) в концентрациях, в сотни тысяч раз превышающих их содержание в окружающей среде;

4. деструктивную (проявляется в минерализации органического вещества);

5. окислительно-восстановительную (заключается в химическом превращении веществ биосферы).


Потоки энергии и круговорот веществ в биосфере

Развивая учение о биосфере, Вернадский пришел к следующим выводам: "Биогенная миграция химических элементов в биосфере стремится к максимальному своему проявлению". Вовлекая неорганическое вещество в "вихрь жизни", в биологический круговорот, жизнь способна со временем проникать в ранее недоступные ей области планеты и увеличивать свою геологическую активность. Вернадский рассматривал биосферу как область жизни, основа которой - взаимодействие живого и костного вещества. Он писал: "Живые организмы являются функцией биосферы и теснейшим образом материально и энергетически с ней связаны, являются огромной геологической силой, ее определяющей". Взаимодействие живого и костного вещества характеризуется, прежде всего, тем, что часть энергии костного вещества усваивается, ассимилируется живым веществом. Эта новая геологическая сила изменяет организацию поверхности Земли. Количество накопленной потенциальной энергии увеличивается. Живое вещество становится, таким образом, регулятором действительной энергии биосферы. Он так же отмечал, что особую роль в биосфере играют биологические круговороты, где важнейшим процессом является фотосинтез, осуществляемый растительностью планеты, которая оказывает влияние на все компоненты природного комплекса биосферы - атмосферу, гидpосфеpу, почву, животный миp. Велика роль растений в жизни человеческого общества. Они создают необходимую среду существования и снабжают ее различными веществами. Перенос вещества и энергии осуществляется затем посредством пищевых цепей. К своеобразной разновидности круговоротов в биосфере относятся ее ритмические изменения. Ритмикой называется повторяемость во времени комплекса процессов, которые каждый развиваются в одном направлении. При этом различают две ее формы: периодическую - это ритмы одинаковой длительности (время оборота Земли вокруг оси) и циклическую - ритмы переменной длительности. Периодичность в биосфере проявляется во многих процессах: тектонических, осадконакоплении, климатических, биологических и многих других. Ритмы бывают разной продолжительности: геологические, вековые, внутривековые, годовые, суточные и т.д. Ритмичность - это форма своеобразной пульсации биосферы как целостной системы, причем ритмы, как и круговороты веществ, замкнуты в себе. Знание и учет ритмических явлений необходимы при рациональном природопользовании и охране естественных pесуpсов нашей планеты. Живое вещество находится в постоянном энергетическом обмене с внешним миром. Оно является основным организующим элементом, а в поддержании круговорота вещества, обеспечении динамического равновесия геологических систем. Процесс создания органического вещества в биосфере происходит одновременно с противоположными процессами потребления и разложения его гетеротрофными организмами на исходные минеральные соединения (вода, углекислый газ и др.). Так осуществляется круговорот органического вещества в биосфере при участии всех населяющих ее организмов, получившей название малого, или биологического (биотического) круговорота веществ. В отличие от вызываемого солнечной энергией большого, или геологического, круговорота, наиболее ярко проявляющегося в круговороте воды и циркуляции атмосферы. Большой (геологический) круговорот происходит на протяжении всего геологического развития Земли и проявляется в переносе воздушных масс, продуктов выветривания, воды, растворенных минеральных соединений, загрязняющих веществ (в том числе радиоактивных). Малый (биологический) круговорот начинается с возникновения органического вещества в результате фотосинтеза зеленых растений, т.е. образования живого вещества из углекислого газа, воды и простых минеральных соединений с использованием лучистой энергии Солнца. Растения (продуценты) извлекают из почвы в растворенном виде серу, фосфор, медь, цинк и другие элементы. Растительноядные животные (консументы первого порядка) поглощают соединения этих элементов в виде пищи растительного происхождения. Хищники (консументы второго порядка) питаются растительноядными животными, потребляя пищу более сложного состава, включая белки, жиры, аминокислоты и т.д. Останки животных и отмершие растения перерабатываются насекомыми, грибами, бактериями (редуцентами), превращаясь в минеральные и простейшие органические соединения, поступающие в почву и вновь потребляемые растениями. Так начинается новый виток биологического круговорота. В отличие от большого круговорота, малый круговорот имеет разную продолжительность: различают сезонные, годовые, многолетние и малые вековые круговороты. Биосфера является чрезвычайно сложной экосистемой, работающей в стационарном режиме на основе тонкой регуляции всех составляющих ее частей и процессов. Как свидетельствует данные исследований, по крайней мере, последние 600 млн. лет характер основных круговоротов на Земле существенно не менялся, изменялась лишь скорость геохимических процессов. Стабильное состояние биосферы обусловлено в первую очередь деятельностью живого вещества, обеспечивающей определенную скорость трансформации солнечной энергии и биогенной миграции атомов, вещество живое – совокупность тел живых организмов, населяющих Землю вне зависимости от их систематический принадлежности. Общий вес живого вещества оценивается величиной 2,4-3,6х 10(в 12 степени) т. (в сухом весе). В.И. Вернадский неоднократно указывал на то, что вещество живое неотделимо от биосферы, является ее функцией и одновременно « одной из самых могущественных геохимических сил нашей планеты». Вещество живое представляет собой неразрывное молекулярно-биохимическое единство. Системное целое с характерными для каждой геологической эпохи чертами. Уничтожение многих видов вещества живого человеком может нарушить это единство. Что приведет к резкому изменению молекулярно-биологических свойств вещества живого и невозможности существования многих, ныне живущих высокоорганизованных видов, в то числе, весьма вероятно, и самого человека. Отсюда вытекает вывод о важности сохранения видов целого живого вещества современного геологического периода.

Энергетика биосферных процессов
Взаимосвязь энергетики и биосферы определяется не только изъятием природных ресурсов в результате антропогенной деятельности, но и обратным воздействием индустриального общества в виде выбросов и отходов, в масштабах, приводящих к нарушению естественных биофизических природных циклов. Наибольшее внимание уделяется сейчас углеродным циклам, которые связаны с глобальными процессами климата и изменениями т. н. экологического климата территории.

К настоящему времени разработана система математических моделей глобальных и региональных биосферных процессов. В модели биогеохимического цикла углерода рассмотрены глобальные и региональные процессы в системе атмосфера - растения - почва -

Результаты моделирования показывают, что реакция биосферы на антропогенные воздействия пока еще происходит по механизму отрицательной обратной связи, биосфера определенным образом компенсирует эти воздействия.

В любой устойчиво эволюционирующей системе задействованы не только прямые связи между основным и сопряженным процессом (согласно которым сопряженный процесс не возможен без основного), но и обратные (отрицательные) связи ¾ функция сопряженной системы по отношению к основной.

Человек сопряжен с биосферой (прямая связь). Вместе с тем, имеется биосферная функция человека ¾ поддержание устойчивости природных систем (обратная связь). Она осуществляется тремя основными способами: сжиганием древесины и ископаемого топлива, экохозяйственной деятельностью (восстановление флоры, фауны) и сохранением естественных экосистем.

Действительно, человек изымает биопродукцию (прямая связь). Это частично компенсируется на основе экохозяйственной деятельности и заповедного дела (обратная связь). Сжигая древесину и ископаемое топливо, человек поставляет в атмосферу СО2 ¾ «пищу» растений. При росте СО2 увеличивается биопродуктивность (еще одна обратная связь). Тем самым частично компенсируется антропогенное изъятие биопродукции.

Если темпы роста энергетики и соответствующих выбросов двуокиси углерода в атмосферу будут слишком быстрыми, то в ХХI веке возможна смена отрицательных связей на положительные: при этом биосфера будет не компенсировать воздействия, а наоборот, усиливать их.

Биосфера, согласно учению В.И. Вернадского, - это не только пленка «живого вещества» на поверхности планеты, но и все продукты ее жизнедеятельности за геологическое время: почвы, осадочные и метаморфические породы и свободный кислород воздуха. Все живое представляет непрерывно изменяющуюся совокупность организмов, между собою связанных и подверженных эволюционному процессу в течение геологического времени. Это динамическое равновесие, стремящееся с ходом времени перейти в статическое равновесие. Чем более длительно существование, если нет никаких равноценных явлений, действующих в противоположную сторону, тем ближе к нулю будет свободная энергия.

При этом стоить отметить, что косное вещество планеты подчинено закону возрастания энтропии. А живое вещество, наоборот, обладает антиэнтропийными свойствами. И все это многообразие живого и косного связано « биогенной миграцией атомов» или « биогеохимической энергией живого вещества биосферы».

Эта форма энергии столь же реальна и действенна, как и прочие, изученные физиками. И она, подобно им, подчиняется закону сохранения энергии, т. е. может быть выражена в калориях и килограммометрах. За геологическое время наша планета обогащалась энергией, поглощая: 1) лучистую энергию Солнца; 2) атомную энергию радиоактивного распада внутри Земли; 3) космическую энергию рассеянных элементов, исходящую из нашей галактики.

И эта форма энергии заставляет организмы размножаться до возможных пределов, т.е. действует закон предельного распространения действительный для всех живых существ биосферы.

Однако сама биосфера ставит границы организмам, ее составляющим. Биосфера мозаична: одни виды животных или растений ограничивают другие, и возникает гармония жизни – динамическое равновесие биоценозов большего или меньшего масштаба. Поэтому геобиоценозы, которые можно интерпретировать как сложные системы их живых и косных элементов, устойчивы. В них идут постоянные процессы, обеспечивающие циркуляцию энергии среди растений и животных одного местообитания, т.е. конверсия биоценоза. Образуется своего рода « замкнутая система» биоценоза, а в соответствии с процессами термодинамики, в замкнутой системе энтропия непрерывно увеличивается. Следовательно, система организмов должна систематически удалять накапливающуюся энтропию. Поэтому живое вещество должно постоянно обмениваться с окружающей средой энергией и энтропией.



  1   2   3


База данных защищена авторским правом ©ekollog.ru 2017
обратиться к администрации

войти | регистрация
    Главная страница


загрузить материал