Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
Лекция № 6. Учение о Биосфере
В процессе эволюции на Земле образовалась особая оболочка –биосфера
(греч. Bios) «жизнь».
Термин «биосфера» был предложен и введен в геологию австрийским ученым и палеонтологом Э. Зюссом (1875 г.). Хотя ранее Ж.Б. Ламарк в биологии говорил о специфической оболочке, населенной живыми организмами – «области жизни». Современное учение о биосфере разработал академик Вернадский В.И.
6.1 Краткая история становления и развития учения о биосфере
6.1.1.Основные этапы развития учения о биосфере
К понятию «биосфера» (без самого термина) еще в начале XIX в. подошел Ламарк.
Ж.Б.Ламарк. (1744 – 1829)- первым из биологов, который ясно указал на огромную роль живых организмов в образовании земной коры. Он подчеркивал, что все вещества, находящиеся на поверхности земного шара и образующие его кору, сформировались благодаря деятельности живых организмов.
Позднее (1863 г.) французский исследователь Реют применил термин «биосфера» для обозначения области распространения жизни на земной поверхности.
В 1875 г. австрийский геолог Зюсс назвал биосферой особую оболочку Земли, включающую совокупность всех организмов, противопоставив ее другим земным оболочкам. Начиная с работ Зюсса, биосфера трактуется как совокупность населяющих Землю организмов.
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.
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".
6.1.2.Учение академика В.И. Вернадского о биосфере
Одним из выдающихся естествоиспытателей, посвятивших себя изучению процессов, протекающих в биосфере, был академик Владимир Иванович Вернадский (1864-1945). Он является основоположником научного направления, названного им биогеохимией, которое легло в основу современного учения о биосфере.
В 1926 г. В.И. Вернадский опубликовал книгу «Биосфера», состоящую из двух очерков: «Биосфера и космос» и «Область жизни», которая ознаменовала собой рождение новой науки о природе и взаимосвязи с ней человека. Биосфера впервые показана как единая динамическая система, населенная и управляемая жизнью, живым веществом планеты: «Биосфера — организованная, определенная оболочка земной коры, сопряженная с жизнью
Позднее эти же идеи были развиты в большой монографии «Химическое строение биосферы Земли и ее окружения», которая, к сожалению, была опубликована только через 20 лет после его смерти.
Исследования В.И. Вернадского привели к осознанию роли жизни и живого вещества в геологических процессах. Облик Земли, ее атмосфера, осадочные породы, ландшафты — все это результат жизнедеятельности живых организмов.
Особую роль в становлении лика нашей планеты Вернадский отводил человеку. Он представил деятельность человечества как стихийный природный процесс, истоки которого теряются в глубинах истории.
Будучи выдающимся теоретиком, В.И. Вернадский стоял у истоков таких новых и общепризнанных ныне наук, как радиогеология, биогеохимия, учение о биосфере и ноосфере, науковедение.
6.2. Эволюция биосферы
Важнейшей частью учения Вернадского о биосфере является его представление о возникновении и развитии биосферы. Современная биосфера возникла не сразу, а в результате длительной эволюции, в процессе постоянного взаимодействия абиотических и биотических факторов.
Основные этапы эволюции биосферы как глобальной среды жизни на Земле целесообразно рассмотреть с точки зрения закономерности и последовательности формирования основных сред жизни.
Возраст Земли составляет ~ 4,6–4,7 млрд. лет. В атмосфере древней Земли гремели грозы, ее пронизывало жесткое УФ-излучение Солнца, на планете извергались вулканы. Под влиянием этих воздействий образовывались органические соединения, которыми насыщались воды океана.
Атмосферными газами на данном историческом этапе были метан CH4, аммиак NH3, пары воды H2O, азот N2, углекислый газ CO2, водород H2. В атмосфере не было кислорода, а, следовательно, и озонового слоя, который мог защитить от жесткого УФ-излучения. Жизнь могла существовать в бескислородной атмосфере только под защитой слоя воды. Слой воды толщиной 2–3 м поглощает кванты жесткого излучения, как и озоновый слой. Таким образом, древнейшая биосфера возникла в гидросфере, существовала в ее пределах и носила гетеротрофный характер. Вода является первой средой жизни на Земле.
~3,5 млрд. лет назад появились первые простейшие живые организмы, анаэробы, живущие в воде. Питались эти простейшие органическими веществами, содержащимися в воде.
Первыми автотрофами стали прокариоты – организмы, не обладающие оформленным клеточным ядром – синезеленые водоросли. Побочным продуктом их жизнедеятельности был кислород.
1,5–2 млрд. лет назад появились одноклеточные эукариоты – живые организмы с обособленным клеточным ядром и внутриклеточными органоидами, произошел мощный популяционный взрыв автотрофных водорослей. Это привело к избытку кислорода в воде и его выделению в атмосферу.
1,4 млрд. лет назад – развиваются многоклеточные организмы – настоящие водоросли.
600 млн. лет назад содержание кислорода в атмосфере достигло 0,6 % (современный уровень ~ 21 %). Появляются губки, кораллы, черви, моллюски, первые позвоночные животные – рыбы. Формируется вторая среда жизни – живой организм (развиваются паразиты).
В результате выхода растений на сушу резко возрастает концентрация кислорода в атмосфере, становится возможным выход животных на сушу. Происходит формирование еще двух сред жизни – почвы и воздушно-наземной среды.
400–350 млн. лет назад концентрация кислорода достигла современного уровня (21 %). В этот период появляется наземная растительность, пресмыкающиеся, происходит бурный рост лесов, затем появляются первые насекомые, крупные животные.
Таким образом, в пределах биосферы сформировались четыре среды жизни: две мертвые – вода и воздух, одна биокосная – почва и одна живая – живой организм.
Появление человека как биологического вида открывает социальный этап эволюции биосферы.
В сжатом виде идеи В. И. Вернадского об эволюции биосферы могут быть сформулированы следующим образом:
1. Вначале сформировалась литосфера — предвестник окружающей среды, а затем после появления жизни на суше — биосфера.
2. В течение всей геологической истории Земли никогда не наблюдались азойные геологические эпохи (т. е. лишенные жизни). Следовательно, современное живое вещество генетически связано с живым веществом прошлых геологических эпох.
3. Живые организмы — главный фактор миграции химических элементов в земной коре, «по крайней мере, 90% по весу массы ее вещества в своих существенных чертах обусловлено жизнью» (В. И. Вернадский, 1934).
4. Грандиозный геологический эффект деятельности организмов обусловлен тем, что их количество бесконечно велико и действуют они практически в течение бесконечно большого промежутка времени.
5. Основным движущим фактором развития процессов в биосфере является биохимическая энергия живого вещества.
6.3. Строение биосферы
Биосфера – это своеобразная оболочка Земли, содержащая всю совокупность живых организмов и ту часть вещества планеты, которая находится в непрерывном обмене с этими организмами
Земля сформировалась как планета ~4,7 млрд. лет назад.
Наша планета состоит из концентрических оболочек (геосфер) – внутренних и внешних:
· внутренние оболочки – это ядро, мантия.
· внешние оболочки – это литосфера, гидросфера, атмосфера, биосфера.
Биосфера включает в себя следующие части:
1. аэробиосфера – нижняя часть атмосферы до высоты 25–30 км (ограничена озоновым слоем);
2. гидробиосфера – гидросфера, совокупность всех вод Земли;
3. литобиосфера – верхние горизонты твердой земной оболочки литосферы (до глубины 3 км).
Верхней границей биосферы является озоновый экран – слой атмосферы, расположенный на разной высоте от поверхности Земли и имеющий наибольшую плотность (концентрацию) озона на высоте 22–26 км.
Высота озонового слоя у полюсов оценивается в 7–8 км, у экватора – 17–18 км, максимальная высота, где встречается озон, равна 45–50 км. Озоновый слой является преградой для мощного УФ-излучения Солнца, губительного для всего живого. Выше озонового слоя существование жизни без специальной защиты невозможно.
Нижняя граница биосферы (метабиосфера) не опускается ниже 10–15 км. Обусловлена эта величина глубиной гидросферы и повышением температуры в литосфере: на глубине 3–3,5 км температура в земных недрах достигает 100 °
С учетом протяженности всех названных слоев мощность биосферы по вертикали оценивается в 33–35 км. Хотя реально границы распространения живых организмов намного уже (эубиосфера – 12–17 км).
Совокупная биомасса Земли составляет примерно 2,4 ∙ 1012 т (около 0,01 % массы всей биосферы). 97 % из этого количества занимают растения, 3 % – животные. В настоящее время на Земле известно несколько миллионов видов живых организмов
.
Рис 1. Строение биосферы (по В.И. Вернадскому)
В.И. Вернадский отмечал, что пределы биосферы обусловлены прежде всего полем существования жизни. На развитие жизни, а следовательно, на границы биосферы оказывают влияние многие факторы:
6.3.1.Категории веществ в биосфере
Согласно учению Вернадского В.И. биосфера состоит из нескольких компонентов.
1. Живое вещество – совокупность живых организмов, населяющих планету Земля. Живое вещество или биотические компоненты биосферы включают в себя растения, животных и микроорганизмов. Суммарная масса живых организмов (биомасса) оценивается в ~ 2,42 ∙1012 т, ~ 97 % которых составляют растения, ~ 3 % – животные.
Если вещество распределить по всей поверхности планеты, то получится слой всего в полтора сантиметра. Эта «пленка жизни» составляет менее 10–6 массы других оболочек Земли и является «одной из самых могущественных геохимических сил нашей планеты».
2. Косное вещество – неживое вещество, образованное процессами, в которых живое вещество участия не принимало (магматические породы).
Косное вещество резко преобладает по массе и объему.
3. Биокосное вещество – структура из живого и косного вещества, которая создается одновременно косными процессами и живыми организмами. Примером является почва, состоящая на 93 % из минеральных, косных веществ, на 7 % - из живых и биогенных веществ.
4. Биогенное вещество – вещество, которое возникло в результате разложения остатков живых организмов, но еще не полностью минерализовано (нефть, торф, уголь и др.)
5. Радиоактивное вещество
6. Вещество космического происхождения (метеориты)
7. Рассеянные атомы
Все эти семь различных категорий веществ геологически связаны между собой.
6.3.2.Основные функции биосферы
В.И. Вернадский сформулировал пять постулатов, относящихся к функции биосферы.
Первый постулат: «С самого начала биосферы жизнь, в нее входящая, должна была быть уже сложным телом, а не однородным веществом, поскольку связанные с жизнью ее биогеохимические функции по разнообразию и сложности не могут быть уделом какой-нибудь одной формы жизни». Другими словами, первобытная биосфера изначально отличалась богатым функциональным разнообразием.
Второй постулат: «Организмы проявляются не единично, а в массовом эффекте... Первое появление жизни... должно было произойти не в виде появления одного какого-нибудь вида организмов, а их совокупности, отвечающей геохимической функции жизни. Должны были сразу появиться биоценозы».
Третий постулат: «В общем монолите жизни, как бы ни менялись его составные части, их химические функции не могли быть затронуты морфологическим изменением». То есть первичная биосфера была представлена «совокупностями» организмов типа биоценозов, которые и были главной «действующей силой» геохимических преобразований. Морфологические изменения «совокупностей» не отражались на «химических функциях» этих компонентов.
Четвертый постулат: «Живые организмы... своим дыханием, своим питанием, своим метаболизмом... непрерывной сменой поколений... порождают одно из грандиознейших планетных явлений... — миграцию химических элементов в биосфере», поэтому «на всем протяжении протекших миллионов лет мы видим образование тех же минералов, во все времена шли те же циклы химических элементов, какие мы видим и сейчас».
Пятый постулат: «Все без исключения функции живого вещества в биосфере могут быть исполнены простейшими одноклеточными организмами».
6.4.Основные положения учения В.И. Вернадского о биосфере .
6.4.1. Эмпирические обобщения В.И. Вернадского
Первым выводом из учения о биосфере является принцип целостности биосферы. Строение Земли представляет собой согласованную систему. Живой мир — единая система, сцементированная множеством цепочек питания и иных взаимозависимостей. Если даже небольшая часть ее погибнет, разрушится и все остальное.
Принцип гармонии биосферы и ее организованности. В биосфере «все учитывается и все приспособляется с той же точностью и с тем же подчинением мере и гармонии, какую мы видим в стройных движениях небесных светил и начинаем видеть в системах атомов веществ и атомов энергии».
Роль живого в эволюции Земли. Лик Земли фактически сформирован жизнью. «Все минералы верхних частей земной коры — свободные алюмокремниевые кислоты (глины), карбонаты (известняки и доломиты), гидраты окиси железа и алюминия (бурые железняки и бокситы) и многие сотни других — непрерывно создаются в ней только под влиянием жизни».
Космическая роль биосферы в трансформации энергии. В. И. Вернадский подчеркивал важное значение энергии и называл живые организмы механизмами превращения энергии.
Космическая энергия вызывает давление жизни, которое достигается размножением. Размножение организмов уменьшается по мере увеличения их количества. Размеры популяции возрастают до тех пор, пока среда может выдержать их дальнейшее увеличение, после чего достигается равновесие. Численность колеблется вблизи равновесного уровня.
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.
Понятие автотрофности. Автотрофными называются организмы, которые берут все нужные им для жизни химические элементы из окружающей их костной материи и не требуют для построения своего тела готовых соединений другого организма. Поле существования этих автотрофных зеленых организмов определяется областью проникновения солнечных лучей.
Жизнь целиком определяется полем устойчивости зеленой растительности, а пределы жизни — физико-химическими свойствами соединений, строящих организм, их нерушимостью в определенных условиях среды. Максимальное поле жизни определяется крайними пределами выживания организма. Верхний предел жизни обусловливается лучистой энергией, присутствие которой исключает жизнь и от которой предохраняет озоновый щит. Нижний предел связан с достижением высокой температуры.
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.
«Всюдность» жизни в биосфере. Жизнь постепенно, медленно приспосабливаясь, захватила биосферу, и захват этот не закончился. Поле устойчивости жизни есть результат ее приспособленности в ходе времени.
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.
Постоянство количества живого вещества в биосфере. Количество свободного кислорода в атмосфере того же порядка, что и количество живого вещества. Живое вещество является посредником между Солнцем и Землей и, стало быть, либо его количество должно быть постоянным, либо должны меняться его энергетические характеристики.
Всякая система достигает устойчивого равновесия, когда ее свободная энергия равняется или приближается к нулю, т.е. когда вся возможная в условиях системы работа произведена.
В. И. Вернадский сформулировал идею автотрофности человека, которая приобрела важное значение в рамках обсуждения проблемы создания искусственных экосистем в космических кораблях. Создание таких искусственных экосистем явится важным этапом развития экологии. В их построении соединяется инженерная цель — создание нового — и экологическая направленность на сохранение имеющегося, творческий подход и разумный консерватизм. Это и будет осуществлением принципа «проектирования вместе с природой».
Пока искусственная экосистема представляет собой очень сложное и громоздкое построение. То, что в природе функционирует само собой, человек может воспроизвести только ценой больших усилий. Но ему придется это делать, если он хочет освоить космос и совершать длительные полеты. Необходимость создания искусственной экосистемы в космических кораблях поможет лучше понять экосистемы естественные.
6.4.2. Значение учения Вернадского В.И. .
Исключительная значимость его учения во весь рост проявилась лишь во второй половине прошлого века. Этому способствовало развитие экологии, и прежде всего глобальной экологии, где биосфера является основополагающим понятием.
Учение В. И. 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.
Сущность учения В. И. Вернадского заключена в признании исключительной роли «живого вещества», преобразующего облик планеты. Суммарный результат его деятельности за геологический период времени огромен.
По словам В. И. Вернадского, «на земной поверхности нет химической силы более постоянно действующей, а потому более могущественной по своим конечным последствиям, чем живые организмы, взятые в целом». Именно живые организмы улавливают и преобразуют лучистую энергию Солнца и создают бесконечное разнообразие нашего мира.
Вторым главнейшим аспектом учения В. И. Вернадского является разработанное им представление об организованности биосферы, которая проявляется в согласованном взаимодействии живого и неживого, взаимной приспособляемости организма и среды. «Организм, — писал В. И. Вернадский, — имеет дело со средой, к которой он не только приспособлен, но которая приспособлена и к нему» (В. И. Вернадский, 1934).
В. И. Вернадский обосновал также важнейшие представления о формах превращения вещества, путях биогенной миграции атомов, т. е. миграции химических элементов при участии живого вещества, накоплении химических элементов, о движущих факторах развития биосферы и др.
6.5.Ноосфера
Венцом творчества В. И. Вернадского стало учение о ноосфере, т. е. сфере разума.
В процессе развития биосферы выделяют 3 этапа :
1.Биосфера (где человек воздействовал на природу незначительно. Возраст человечества примерно 1,5 млн. лет).
2.Биотехносфера
Современная биосфера - это результат длительной эволюции органического мира и неживой природы. Человеческое общество - это один из этапов развития жизни на Земле. Деятельность человека следует рассматривать как составную часть биосферы.
Сегодняшний период развития биосферы называется техносферой. Этот этап ставит задачи срочного принятия мер по охране окружающей среды – внедрение малоотходных технологий, оборотного водоснабжения, рационального природопользования
3.Ноосфера - сфера разума.
Это понятие ввел французский математик и философ Ле-Руа в 1927 году, а обосновал Вернадский в 1944 г. Это высшая стадия развития биосферы, когда разумная деятельность человека становится главным, определяющим фактором развития. В ноосфере человек становится крупной геологической силой, он перестраивает своим трудом и мыслью область своей жизни. Человек неразрывно связан с биосферой, уйти из нее не может. Природные процессы обмена веществ и энергии будут контролироваться обществом. Биосфера будет преобразовываться людьми соответственно познанным и освоенным законам ее строения и развития. Именно движение человечества к устойчивому развитию должно привести к достижению гармонии между Обществом и Природой, к формированию предсказанной Вернадским В.И. сферы разума.