Учение В.И. Вернадского о биосфере

 

Введение

 
     «Биосфера – это среда нашей жизни, это та природа, которая нас окружает, о которой мы говорим в разговорном языке. Человек – прежде всего – своим дыханием, проявлением своих функций, неразрывно связан с этой «природой», хотя бы он жил в городе или в уединенном домике».

В. И. Вернадский¹

Биосфера (греч. bios – жизнь, sphaira – шар, сфера) – сложная наружная оболочка Земли, населенная организмами, составляющими в совокупности живое вещество планеты. Это одна из важнейших геосфер Земли, являющаяся основным компонентом природной среды, окружающей человека. ²

Впервые термин «биосфера» был введен в науку геологом из Австрии Эдуардом Зюссом в 1875 г. Он понимал  под биосферой тонкую пленку жизни  на земной поверхности. Роль и значение биосферы для развития жизни на нашей  планете оказалась настолько велика, что уже в первой трети XX в. возникло новое фундаментальное научное направление в естествознании - учение о биосфере, основоположником которого является великий русский ученый В. И. Вернадский.

Однако задолго  до этого под другими названиями, в частности "пространство жизни", "картина природы", "живая  оболочка Земли" и т.п., содержание термина биосфера рассматривалось  многими другими естествоиспытателями.

Первоначально под  всеми этими терминами подразумевалась  только совокупность живых организмов, обитающих на нашей планете, хотя иногда и указывалась их связь  с географическими, геологическими и космическими процессами, но при  этом скорее обращалось внимание на зависимость  живой природы от сил и веществ  неорганической природы. Даже автор  самого термина "биосфера" Э. Зюсс в своей книге "Лик Земли", опубликованной спустя почти тридцать лет после введения термина (1909 г.), не замечал обратного воздействия  биосферы и определял ее как "совокупность организмов, ограниченную в пространстве и во времени и обитающую на поверхности Земли".

Земля и окружающая ее среда сформировалась в результате закономерного развития всей Солнечной системы. Около 4,7 млрд. лет назад из рассеянного в протосолнечной системе газопылеватого вещества образовалась планета Земля. Как и другие планеты, Земля получает энергию от Солнца, достигающую земной поверхности в виде электромагнитного излучения. Солнечное тепло - одно из главных слагаемых климата Земли, основа для развития многих геологических процессов. Огромный тепловой поток исходит из глубины Земли.³

По новейшим данным, масса Земли составляет 6*10²¹ т, объем — 1,083*10¹² км³, площадь поверхности — 510,2 млн. км². Размеры, а, следовательно, и все природные ресурсы нашей планеты ограничены.

Наша планета  имеет неоднородное строение и состоит  из концентрических оболочек (геосфер) - внутренних и внешних. К внутренним относятся ядро, мантия, а к внешним - литосфера, гидросфера, атмосфера и сложная оболочка Земли - биосфера.

Понятие биосферы

Сущность  и структура биосферы

 

Первым из биологов, который ясно указал на огромную роль живых организмов в образовании  земной коры, был Ж. Б. Ламарк (1744 – 1829). Он подчеркивал, что все вещества, находящиеся на поверхности земного  шара и образующие его кору, сформировались благодаря деятельности живых организмов⁴.

Факты и положения  о биосфере накапливались постепенно в связи с развитием ботаники, почвоведения, географии растений и  других преимущественно биологических  наук, а также геологических дисциплин. Те элементы знания, которые стали  необходимыми для понимания биосферы в целом, оказались связанными с  возникновением экологии, науки, которая  изучает взаимоотношения организмов и окружающей среды. Биосфера является определенной природной системой, а  ее существование в первую очередь  выражается в круговороте энергии  и веществ при участии живых  организмов.

Очень важным для  понимания биосферы было установление немецким физиологом Пфефером (1845 – 1920) трех способов питания живых организмов:

• автотрофное – построение организма за счет использования веществ неорганической природы;
• гетеротрофное – строение организма за счет использования низкомолекулярных органических соединений;
• миксотрофное – смешанный тип построения организма (автотрофно-гетеротрофный).

Биосфера (в современном  понимании) – своеобразная оболочка Земли, содержащая всю совокупность живых организмов и ту часть вещества планеты, которая находится в  непрерывном обмене с этими организмами.

Биосфера, являясь  глобальной экосистемой, как и любая  экосистема, состоит из абиотической и биотической части.

Абиотическая часть представлена:

1. почвой и подстилающими ее породами до глубины, где в них еще есть живые организмы, вступающие в обмен с веществом этих пород и физической средой порового пространства.
2. Атмосферным воздухом до высот, на которых возможны еще проявления жизни.
3. Водной средой океанов, рек, озер и т.п.

Биотическая часть состоит из живых организмов всех таксонов, осуществляющих важнейшую функцию биосферы, без которой не может существовать сама жизнь: биогенный ток атомов. Живые организмы осуществляют этот ток атомов благодаря своему дыханию, питанию и размножению, обеспечивая обмен между всеми частями биосферы.

В основе биогенной  миграции атомов в биосфере лежат  два биохимических принципа:

• стремиться к максимальному проявлению, к «всюдности» жизни;
• обеспечивать выживание организмов, что увеличивает саму биогенную миграцию.
• Атмосфера – наиболее легкая оболочка Земли, которая граничит с космическим пространством; через атмосферу осуществляется обмен вещества и энергии с космосом.

Атмосфера имеет  несколько слоев:

• тропосфера – нижний слой, примыкающий к поверхности Земли (высота 9–17 км). В нем сосредоточено около 80% газового состава атмосферы и весь водяной пар;
• стратосфера;
• ноносфера – там “живое вещество” отсутствует.

Преобладающие элементы химического состава атмосферы: N2 (78%), O2 (21%), CO2 (0,03%).

• Гидросфера – водная оболочка Земли. Вследствие высокой подвижности вода проникает повсеместно в различные природные образования, даже наиболее чистые атмосферные воды содержат от 10 до 50 мгр/л растворимых веществ.

Преобладающие элементы химического состава гидросферы: Na⁺, Mg²⁺, Ca²⁺, Cl^–, S, C. Концентрация того или иного элемента в воде еще ничего не говорит о том, насколько он важен для растительных и животных организмов, обитающих в ней. В этом отношении ведущая роль принадлежит N, P, Si, которые усваиваются живыми организмами. Главной особенностью океанической воды является то, что основные ионы характеризуются постоянным соотношением во всем объеме мирового океана.

• Литосфера – внешняя твердая оболочка Земли, состоящая из осадочных и магматических пород. В настоящее время земной корой принято считать верхний слой твердого тела планеты, расположенный выше сейсмической границы Мохоровичича. Поверхностный слой литосферы, в котором осуществляется взаимодействие живой материи с минеральной (неорганической), представляет собой почву. Остатки организмов после разложения переходят в гумус (плодородную часть почвы). Составными частями почвы служат минералы, органические вещества, живые организмы, вода, газы.

Преобладающие элементы химического состава литосферы: O, Si, Al, Fe, Ca, Mg, Na, K.

 

 

 

 

 

Учение  В. И. Вернадского о биосфере

Характеристика  главных типов веществ биосферы

По современным  представлениям, биосфера – это  особая оболочка земли, содержащая всю  совокупность живых организмов и  ту часть вещества планеты, которая  находится в непрерывном обмене с этими организмами.

Эти представления  базируются на учении В. И. Вернадского(1863 –1945) о биосфере, являющимся крупнейшим из обобщений в области естествознания в ХХ в. Важнейшая значимость его  учения во весь рост проявилась лишь во второй половине века. Этому способствовало развитие экологии и, прежде всего глобальной экологии, где биосфера является основополагающим понятием.

Учение Вернадского  о биосфере – это целостное  фундаментальное учение, органично  связанное с важнейшими проблемами сохранения и развития жизни на Земле, знаменующее собой принципиально  новый подход к изучению планеты  как развивающейся саморегулирующейся системы в прошлом, настоящем  и будущем.

Развернутое учение о биосфере создано  и разработано академиком В.И.Вернадским, опубликовавшим в 1926 г. свой классический труд «Биосфера». Принципиальные положения  учения В.И. Вернадского о биосфере органически сочетают подходы его  предшественников. С одной стороны  он рассматривает биосферу как оболочку Земли, в которой существует жизнь. В этом плане В.И. Вернадский различает  газовую (атмосфера), водную (гидросфера) и каменную (литосфера) оболочки земного  шара как составляющие биосферы, области  распространения жизни. С другой стороны, В.И. Вернадский подчеркивал, что биосфера – не просто пространство, в котором обитают живые организмы; ее состав определяется деятельностью  живых организмов, представляет собой результат их совокупной химической активности в настоящем и в прошлом.

По представлениям В. И. Вернадского, биосфера включает в себя живое вещество, образованное совокупностью организмов; биогенное вещество, которое создается  в процессе жизнедеятельности организмов (газы атмосферы, каменный уголь, нефть, торф, известняки и др.); косное вещество, которое формируется без участия  живых организмов (магматические  горные породы); биокосное вещество, представляющее собой совместный результат  жизнедеятельности организмов и  небиологических процессов (например, почвы); а также радиоактивное  вещество, вещество космического происхождения (метеориты и др.) и рассеяные  атомы. Все эти семь типов веществ  геологически связаны между собой. Всю совокупность живых организмов он обозначил термином живое вещество, противопоставляя его косному веществу, к которому относил все геологические образования, не входящие в состав живых организмов и не созданные ими. Третья категория вещества в биосфере, по В.И. Вернадскому, это биокосное вещество. Сюда он причислял комплекс взаимодействующих живого и косного веществ (океанические воды, нефть и т. п.; важнейшее значение как биокосное вещество имеет почва). Наконец, существует биогенное вещество – геологические породы, созданные деятельностью живого вещества (известняки, каменный уголь и т.п.). В.И. Вернадский считал, что земная кора представляет собой остатки былых биосфер.⁵

Фундаментальным отличием живого вещества от косного является охваченность его  эволюционным процессом, непрерывно создающим  новые формы живых существ. Многообразие форм жизни и их многофункциональность создают основу устойчивого круговорота веществ и канализированных потоков энергии. В этом специфика и залог устойчивости биосферы как уникальной оболочки земного шара.

Таким образом, биосфера, по В.И. Вернадскому, представляет собой одну из геологических  оболочек земного шара, глобальную систему Земли, в которой геохимические  и энергетические превращения определяются суммарной активностью всех живых  организмов – живого вещества. Человечество входит в эту систему как ее составная часть. Как живое вещество оно непрерывно связано с материально–энергетическими  процессами биосферы.

 

Косное вещество биосферы.

Границы биосферы определяются факторами земной среды, которые делают невозможным существование  живых организмов. Верхняя граница  проходит примерно на высоте 20 км от поверхности  планеты и ограничена слоем озона, который задерживает губительные  для жизни коротковолновую часть  ультрафиолетового излучения Солнца. Таким образом, живые организмы  могут существовать в тропосфере и нижних слоях стратосферы. В  гидросфере земной коры организмы проникают  на всю глубину Мирового океана - до 10-11 км. В литосфере жизнь встречается  на глубине 3,5-7,5 км, что обусловлено  температурой земных недр и условием проникновения воды в жидком состоянии.

Атмосфера.

Газовая оболочка состоит в основном из азота и  кислорода. В небольших количествах  в ней содержится диоксид углерода (0,03%) и озон. Состояние атмосферы  оказывает большое влияние на физические, химические и биологические процессы на поверхности Земли и в водной среде. Для биологических процессов наибольшее значение имеют: кислород, используемый для дыхания и минерализации мертвого органического вещества, диоксид углерода, участвующий в фотосинтезе, и озон, экранирующий земную поверхность от жесткого ультрафиолетового излучения. Азот, диоксид углерода, пары воды образовались в значительной мере благодаря вулканической деятельности, а кислород - в результате фотосинтеза.

Гидросфера.

Вода - важнейший  компонент биосферы и один из необходимых  факторов существования живых организмов. Основная ее часть (95%) находится в  Мировом океане, который занимает около 70% поверхности земного шара и содержит 1300 млн. км³. Поверхностные воды (озера, реки) включают всего 0,182 млн. км³, а количество воды в живых организмах составляет всего 0,001 млн. км³. Значительные запасы воды (24 млн. км³) содержат ледники. Большое значение имеют газы, растворенные в воде: кислород и диоксид углерода. Их количество широко варьирует от температуры и присутствия живых организмов. Диоксида углерода, содержащегося в воде, в 60 раз больше, чем в атмосфере. Гидросфера формировалась в связи с развитием литосферы, которая в течение геологической истории Земли выделяла большое количество водяного пара.