Учение В. И. Вернадского о биосфере

Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования Пермский национально исследовательский политехнический университет Березниковский филиал Реферат по экологии на тему:

Учение В. И. Вернадского о биосфере Выполнил Нужин Ю.А.

студент группы ТМО-12 В Проверила: Морозова О.В.

Березники 2013 г.

Биосфера — «живая оболочка земли», пространство на поверхности земного шара, в котором находятся живые существа. Термин был введен в 1875 г. австрийским геологом Эдуардом Зюссом. Он рассматривал биосферу в топологическом смысле — как пространство, заполненное жизнью. Термин начал использоваться, не имея четкого определения. Еще раньше, в 1802 г., знаменитый французский ученый Ж. Б. Ламарк, не употребляя термина «биосфера», отметил планетарную роль жизни в формировании земной коры, как в настоящее время, так и в прошлые этапы истории планеты, измелил, таким образом, современный взгляд на это понятие.

Полное учение о биосфере создано и разработано академиком В. И. Вернадским, опубликовавшим в 1926 г. свой труд «Биосфера». Из его учения следует, что с одной стороны он рассматривает биосферу как оболочку Земли, в которой существует жизнь, с другой стороны, 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, где важнейшим процессом является фотосинтез.

В.И. Вернадский различает газовую (атмосфера), водную (гидросфера) и каменную (литосфера) оболочки земного шара как составляющие биосферы, области распространения жизни. 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, 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. 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.

Биосфера как арена жизни

Активная деятельность живых организмов охватывает относительно небольшой слой поверхностных оболочек нашей планеты. Его границы определяются комплексом условий, допускающих устойчивое существование сообществ живых организмов. По В. И. Вернадскому, как уже отмечено, в состав биосферы входят нижняя часть атмосферы, гидросфера и поверхностные слои литосферы, преимущественно подвергшаяся выветриванию с участием живых организмов ее часть — почва.

Гидросфера — включаются все типы водоемов. Эта среда наиболее однородна среди других. Она мало изменяется в пространстве, здесь нет четких границ между отдельными экосистемами. Химическая природа воды имеет большое значение и как фактор, обуславливающий отношения организма в водной среде. Практически у всех водных организмов существуют проницаемые для воды участки поверхности, через которые идет проходит поток воды. Направленность и сила его зависят от разницы концентраций солей и других активных веществ между водной средой и жидкостями организма. Постоянное наличие в воде растворенных веществ имеет большое значение как фактор питания; выделение в воду продуктов обмена не только освобождает организм от ненужных веществ, но и широко используется водными животными как средство химической коммуникации.

Таким образом, в понятие воды как среды жизни включается обязательное наличие растворенных в ней веществ, в том числе имеющих происхождение благодаря живым организмам. Жизнь распространена в гидросфере по всей ее толщине. Однако существуют области ее повышенной концентрации — на границах раздела разных сред: воды, воздуха и горных пород. Поверхностная и донная границы являются, по выражению В. И. Вернадского, «пленками жизни». В верхнем стометровом слое океанов сосредоточено 95% всего планктона. Наиболее полно развита жизнь и наиболее активны биогеохимические процессы в местах контакта всех трех сред: воды, воздуха и твердого вещества. Здесь в оптимально находятся все факторы, необходимые для жизни. На побережьях морей развиваются богатые и разнообразные сообщества, названные В. И. Вернадским «сгущениями жизни». Живое вещество океана вносит свой вклад не только в образование биомассы, но и в поддержание газового состава атмосферы, регулирования химического состава океанических вод, процессов образования осадочных горных пород, формирование берегов и подводного рельефа.

Атмосфера Земли — по химическому составу относится к азотно-кислородному типу. Своеобразие состава выражается в ничтожном содержании инертных газов (кроме аргона) и молекулярного водорода. Состав атмосферы сильно отличается от вулканических газов, за счет которых она возникла в далеком прошлом. Это свидетельствует о том, что в течение геологической истории Земли происходили мощные процессы, изменившие состав ее газовой оболочки. Эти процессы связывают с активностью живого населения биосферы. Воздух как среда жизни обладает определенными особенностями, направляющими общие пути эволюции обитателей этой среды. Так, высокое содержание кислорода определяет возможность формирования высокого уровня энергетического обмена веществом. Не случайно именно в этой среде возникли теплокровные животные, отличающиеся высоким уровнем энергетики организма, большой степенью автономности от внешних воздействий и высокой биологической активностью в экосистемах. Одной из важнейших особенностей атмосферы как арены жизни является низкая плотность воздуха. Жизнь в воздушной среде сосредоточена вблизи поверхности земли, проникая в толщу атмосферы на высоту не более 85 м.

Циклы биогенного круговорота в своей основе определяются условиями ландшафтно-климатических зон, хотя в целом круговорот веществ является единым процессом. В его основе в наземной среде ярко выражена ведущая роль зеленых растений. Фотосинтез — процесс, в котором, с одной стороны, создается органическое вещество (главным образом, углеводы) из неорганических составляющих, а с другой стороны — открывается возможность использования выделяемого кислорода для дыхания, как самих растений, так и гетеротрофных организмов. На этом основывается сама возможность биологического круговорота веществ.

Литосфера — это «каменная оболочка», верхняя часть земной коры. Рассматривая литосферу как часть биосферы, в первую очередь имеется в виду ее поверхностная часть, измельченная в процессе физического, химического и биологического выветривания и содержащая помимо минерального также и органическое вещество. Эта часть литосферы представляет собой сложное биокосное тело, обладающее особыми свойствами и функциями и называемое почвой. Почва представляет собой довольно сложную систему, включающую три фазы: твердую (минеральные частицы), жидкую (почвенная влага) и газообразную. Почва — наиболее насыщенная живыми организмами часть биосферы (почвенная пленка жизни). Органическое вещество является обязательным компонентом почвы. Оно образуется в результате разложения мертвых организмов. Часть органического вещества формируется в самой почве, значительная часть его попадает в почву из наземных экосистем. Состав органических веществ многообразен и включает компоненты, образующиеся на разных стадиях разложения сложных углеводов, белков, жиров и других веществ.

Как среда жизни почва занимает как бы промежуточное положение между атмосферой и гидросферой: оно обладает структурированностью, здесь возможно обитание организмов, дышащих как по водному, так и по воздушному типу.

Основные свойства биосферы

Биосфере, как и составляющим ее другим экосистемам, более низкого ранга, присуща система свойств, которые обеспечивают ее функционирование, саморегулирование, устойчивость и другие параметры. Важнейшей чертой биосферы является ее постоянный материально-энергетический обмен с космосом и существование исключительно в ее пределах живого вещества. Последнее обстоятельство имеет особое, огромное по своей важности значение. Благодаря живому веществу структура биосферы представляет собой подвижное динамическое равновесие. Биогеохимические функции биосферы многообразны, но это многообразие имеет единую сущность: в своем глобальном космическом проявлении «сфера жизни» выступает как гигантский аккумулятор и уникальный трансформатор лучистой энергии Солнца. Благодаря биосфере — приемнику космического излучения на всей нашей планете — осуществляется активная связь Земли с космосом. Если бы на Земле не было жизни, не было биосферы, работа солнечного луча сводилась бы лишь к перемещению газообразных, жидких и твердых тел по поверхности планеты и временному их нагреванию. Солнечная энергия не совершила бы на Земле созидательной деятельности, т.к. она не могла бы не удержаться на ней, не преобразоваться в необходимую для этого форму.

Благодаря геохимической работе живого вещества и прежде всего зеленых хлорофилловых растений, осуществляющих процесс фотосинтеза, соединения атомов в биосфере отличаются особой сложностью строения и большими запасами заключенной в них энергии. Явление фотосинтеза было открыто задолго до В. И. Вернадского. Однако исследователи фотосинтеза обращали, прежде всего, внимание лишь на собственно-биологическую сторону процесса, на самоподдержание жизни путем улавливания излучений. Вернадский же показал, что роль фотосинтеза еще более велика: благодаря ему меняется весь облик Земли. Преобразуя космическую (главным образом солнечную) энергию в свободную земную (химическую, механическую, тепловую, электрическую и пр.), живое вещество постоянно нарушает то относительное химическое спокойствие, которое присуще поверхности планеты самой по себе. Улавливание солнечного излучения осуществляется только растительным миром. Но в удержании и в преобразовании энергии Солнца принимает участие все живое вещество планеты. Количество солнечной энергии, аккумулируемой живым веществом, колоссально. Поглощая постоянно из окружающей среды высококачественную энергию (зеленые растения — непосредственно в форме квантов солнечного света, другие организмы — в форме приготовленного растениями органического материала), живые существа накапливают ее, в результате чего количество энергии в биосфере повышается.

«Организованность» биосферы, тесно связанная с пониженным значением ее начального и конечного положения, наиболее ярко проявляется во взаимной приспособляемости организма и среды, их взаимосогласованности и взаимовлиянии. Первая сторона такого взаимодействия — зависимость организма от среды — была полно раскрыта от Ламарка до Мичурина. Но обратное явление — отражение жизни на среде — почти не привлекало внимание до В. И. Вернадского. Указывая, что связь живого и неживого в биосфере является взаимной, ученый писал: «Организм имеет дело со средой, к которой он не только приспособлен, но которая приспособлена и к нему».

Биосфера — не только «организованность». Она — своеобразный «механизм», в котором связь и соотношение между живым и неживым веществом подчиняется точным, строго математическим закономерностям. Улавливая и перерабатывая космическую — прежде всего солнечную — энергию, живое вещество переносит эту энергию по земной поверхности, а также с вешней в глубинные оболочки планеты. Геохимически эта работа жизни осуществляется благодаря размножению организмов.

Размножение — главный и основной вид того метаболического «вихря» атомов, благодаря которому не прекращается материально-энергетическая связь между организмом и средой, и в которой ярче всего проявляется геохимическая энергия жизни. Постоянство темпа размножения живого вещества обусловило большую устойчивость всех химических реакций земной коры. Важное свойство биосферы — наличие в ней механизмов, обеспечивающих круговорот веществ и связанную с ним неисчерпаемость отдельных химических элементов и их соединений. При отсутствии круговорота, например, за короткое время был бы исчерпан основной «строительный материал» живого — углерод, который практически единственный способен образовывать межэлементные связи и создавать огромное количество органических соединений. Биосфера как глобальная экосистема характеризуется максимальным среди других систем разнообразием.

геологический биосферный живой организм

Живое вещество, его средообразующие свойства и функции в биосфере

Этот термин в литературу ввел В. И. Вернадский. Под ним он понимал совокупность всех живых организмов, выраженную через массу, энергию и химический состав. Живое вещество — основа биосферы, хотя и составляет незначительную ее часть. В живых организмах на порядок или несколько порядков увеличиваются скорости химических реакций в процессе обмена веществ. В. И. Вернадский в связи с этим живое вещество назвал чрезвычайно активизированной материей. Живое вещество способно быстро занимать (осваивать) все свободное пространство. Данное свойство дало основание В. И. Вернадскому сделать вывод, что для определенных геологических периодов количество живого вещества было примерно постоянным.

Способность быстрого освоения пространства связана как с интенсивным размножением, так и со способностью организмов интенсивно увеличивать поверхность своего тела.

И до В. И. Вернадского было известно, что живые организмы участвуют в круговороте многих химических элементов, в образовании так называемых органогенных горных пород и минералов. Но только Вернадский указал на участие живого вещества в круговороте всех химических элементов.

В.И. Вернадский показал, что проявления жизни глубочайшим образом меняют течение всех химических реакций в земной коре, что живое вещество изменяет историю почти всех химических элементов, что чуть ли не каждый из них проходит в общей цепи превращений через биогеохимическое звено. Жизнедеятельность организмов — это глубокий и мощный геологический процесс. Химические реакции в биосфере протекают или при непосредственном участии живых организмов или в среде, физико-химические особенности которой во многом обусловлены деятельностью организмов на протяжении всей геологической истории. Масштабы геохимической работы живого вещества таковы, что в течение краткого момента времени через живые организмы может пройти все вещество биосферы. Так, весь кислород земной атмосферы, являясь продуктом процесса фотосинтеза, обновляется благодаря зеленым хлорофилловых растений каждые 2000 лет, а все молекулы углекислоты, участвующей в процессе фотосинтеза, — каждые 300 лет.

После смерти и разрушения живых организмов большая часть составляющих их атомов опять возвращается в живое вещество. Но некоторая, очень незначительная их часть на долгое время выходит из жизненного цикла за пределы биосферы. Живое вещество, несмотря на огромное разнообразие слагающих его организмов, едино в своей вещественной, атомно-изотопической основе. Но процесс атомной миграции связывает между собой не только сами организмы. Ни на секунду не прекращается биогеохимическая миграция из организма в среду и обратно. Эта миграция была бы невозможна, если бы химический элементарный состав организмов не был близок к химическому составу земной коры. Но последний, отмечал ученый, определяется, в конечном счете, не чисто геологическими причинами, а факторами и закономерностями космического характера — строением атомов. Космические, ядерные процессы оставили свой след и на облике планеты, и на материальном субстрате планетного явления — жизни.

Поэтому изучение химического состава биосферы представляет большой интерес и имеет важное научное значение. В. И. Вернадский разработал широкую программу таких исследований. Ученый установил средний химический состав живого вещества. Оказалось, что в организмах явно преобладают легкие элементы: H, C, N, O, Na, Mg, Al, Si, P, S, Cl, K, Ca (из тяжелых распространенным является лишь один — Fe). Эти элементы дают в организмах также соединения, которые, как правило, вне живого вещества не наблюдаются. Особое значение в жизни организмов имеют радиоактивные элементы. Всю деятельность живых организмов в биосфере можно, с определенной долей условности, свести к нескольким основополагающим функциям, которые позволяют значительно дополнить представление об их преобразующей, биосферно-геологической роли.

В.И. Вернадский выделял девять функций живого вещества. Основные из них — газовая, кислородная, окислительная, восстановительная, концентрационная.

Газовая — способность изменять и поддерживать определенный газовый состав среды обитания и атмосферы в целом. В частности, включение углерода в процессы фотосинтеза, а затем в цепи питания обусловливало аккумуляцию его в биогенном веществе. В результате этого шло постепенное уменьшение содержания углерода и его соединений, прежде всего двуокиси в атмосфере с десятков процентов до современных 0,03%.

Кислородная — близка к газовой функции, связана с накоплением в атмосфере кислорода и уменьшением его в результате горения и дыхания.

Окислительная — связана с интенсификацией под влиянием живого вещества процессов окисления, благодаря обогащению среды кислородом.

Восстановительная — связана с интенсификацией процессов восстановления прежде всего в тех случаях, когда идет разложение органических веществ при дефиците кислорода. Восстановительные процессы обычно сопровождаются образованием и накоплением сероводорода, а также метана. Это делает практически безжизненными глубинные слои болот, а также значительные придонные толщи воды (например, в Черном море). Данный процесс в связи с деятельностью человека прогрессирует.

Концентрационная — способность организмов концентрировать в своем теле рассеянные химические элементы, повышая их содержание по сравнению с окружающей организмы средой на несколько порядков (по марганцу, например, в теле отдельных организмов — в миллионы раз). Результат концентрационной деятельности — залежи горючих ископаемых, известняки, рудные месторождения и т. п. В широком понимании результатом средообразующая функции является вся природная среда. Она создана живыми организмами, они же и поддерживают в относительно стабильном состоянии ее параметры практически во всех геосферах. В более узком плане эта функия живого вещества проявляется, например, в образовании почв. В. И. Вернадский, как отмечалось выше, почву называл биокосным телом, подчеркивая тем самым большую роль живых организмов в ее создании и существовании.

В обобщающем виде роль живого вещества сформулирована в виде «Закона биогенной миграции атомов» (В.И. Вернадского): «Миграция химических элементов на земной поверхности и в биосфере в целом осуществляется или при непосредственном участии живого вещества, или же она протекает в среде, геохимические особенности которой обусловлены живым веществом, существовавшим и существующим в биосфере со времени ее образования…». В соответствии с этим законом понимание процессов, протекающих в биосфере, невозможно без учета биотических и биогенных факторов. Воздействуя на живое население Земли, люди тем самым изменяют условия миграции атомов, а, следовательно, воздействуют на основополагающие геологические процессы.

Место человека в биосфере

Сложные взаимоотношения, поддерживающие устойчивый круговорот веществ, а с ним и существование жизни как глобального явления нашей планеты, сформировались на протяжении длительной геологической истории Земли. В последнее время положение резко изменилось. В течение практически всего одного столетия стремительный прогресс науки и техники привел к тому, что по масштабам влияния на биосферные процессы деятельность человека стала сопоставимой с естественными факторами, определявшими развитие биосферы на протяжении предыдущей ее истории. В наши дни вступает в силу концепция ноосферы В. И. Вернадского. Ноосфера — сфера ведущего значения человеческого разума. «Человечество, взятое в целом, — писал В. И. Вернадский, — становится мощной геологической силой. И перед ним, перед его мыслью и трудом встает вопрос о перестройке биосферы в интересах свободно мыслящего человечества как единого целого. Это новое состояние биосферы, к которому мы, не замечая этого, приближаемся, и есть ноосфера».

Мысль о роли человечества, на базе научных знаний преобразующего биосферу на благо каждого человека, не оставляла Вернадского весь последний период его жизни. «Ноосфера есть новое геологическое явление на нашей планете». «В ней впервые человек становится крупнейшей геологической силой. Он может и должен перестраивать своим трудом и мыслью область своей жизни».

Ключевые положения концепции В. И. Вернадского:

а) человечество — великая геологическая сила;

б) эта сила есть воля и разум человека как существа социально организованного;

в) лик планеты изменен человеком настолько глубоко, что оказался затронутым ее биогеохимический метаболизм;

г) человечество эволюционирует в сторону обособления от остальной биосферы.

Если синтезировать все характеристики ноосферы, данные Вернадским, то она представляется как сфера человеческой культуры с широким спектром духовных и материальных проявлений. Воздействие человека принципиально отличается от результатов жизнедеятельности остальных организмов: оно связано в первую очередь не с биологической, а с производственной деятельностью. Мощь человечества, по словам Вернадского, связана не с его материей, но с его мозгом, с его разумом и направленным этим разумом его трудом. Будущее биосферы — ноосферы может быть прекрасным.

Однако В. И. Вернадский видел и предсказывал негативные последствия антропогенного воздействия на природу. В геологической истории биосферы перед человеком открывается огромное будущее, если он поймет это, и не будет употреблять свой разум и свой труд на самоистребление. Лик планеты, пишет Вернадский, резко меняется человеком сознательно и, главным образом, бессознательно: меняются физически и химически почва, воздушная оболочка Земли, природные воды суши, прибрежные моря и части океана.

К сожалению, концепция В. И. Вернадского о человеческом разуме как ведущей силе преобразования биосферы пока оправдалась лишь частично. Действительно, прогресс разума в виде научных, технических и технологических достижений дал в руки человека силы, достаточные для изменения биосферных процессов, извлечения непосредственной пользы из ресурсов биосферы. Того же разума не хватило, чтобы эксплуатировать эти ресурсы, не входя в противоречие с естественными законами существования биосферы как единого целого. В результате современное человечество, обладая огромными возможностями, реализует их против собственных интересов, нарушая сложившиеся за многие миллионы лет эволюции взаимоотношения, поддерживающие устойчивость биосферы.

Заключение

Я считаю что Вернадский сделал выдающееся открытие, и смог доказать что все процессы в биосфере взаимосвязаны, что природа тоже подстраивается под живое вещество. Человек меняя или разрушая один процесс, на самом деле меняет окружающую его среду, занимается разрушением, самоискорененнием, в погоне за прибылью. Пока люди в погоне за прибылью, нам ни когда не удастся пользоваться биосферой во благо себе. Мы так и будем разрушать биосферу, пока не станет поздно.