Учение Вернадского о биосфере. Концепция ноосферы

Вся жизнь на нашей планете существует только в определенных пределах тех или иных экологических систем. В свою очередь, совокупность всех водных и наземных экосистем, природных и антропогенных экосистем образует единое целое – биосферу.

Определение биосферы как особой оболочки земли и само ее название было предложено видным австрийским геологом Зюссом в 1875 г. Но подробного освещения сути и роли биосферы он не дает. Широкое и глубокое понимание биосферы было предложено отечественным ученым В.И. Вернадским (1863-1945).

Основные идеи Вернадского по проблемам биосферы сложились в начале прошлого столетия. В 1926 г. они были опубликованы в книге «Биосфера». После этого различные стороны учения о биосфере рассматривались им во многих статьях и в большой опубликованной через 20 лет после его смерти, монографии «Химическое строение биосферы земли и ее окружения».

И так, Биосфера – это своеобразная оболочка земли, содержащая всю совокупность живых организмов и ту часть вещества планеты, которая находится в непрерывном обменен с этими организмами.

Земля и окружающая ее среда сформировались в результате закономерного развития всей Солнечной системы. Возраст планеты составляет около 4, 6 млрд. лет. В течение этого времени на Земле происходили процессы превращения, и перемещения материи, в результате чего образовалось ряд оболочек.

Атмосфера – воздушная оболочка Земли, простирающаяся до высоты 1000 км. Более 50 % массы атмосферы сосредоточено в нижнем слое толщиной 5,5 км, а в слое толщиной 40 км – более 99%. Атмосфера обладает наименьшей массой из всех других геосфер планеты: она составляет примерно 1/1000 массы гидросферы и 1/10000 массы земной коры. Сухой чистый воздух до высоты 100 км в объемных процентах содержит 78% азота, 21% кислорода, около 1% благородных газов и 0, 003% углекислого газа. Остальные компоненты атмосферы содержатся в ней в переменных количествах. Большая часть пыли в составе атмосферы поднята с поверхности земли, но также присутствует космическая и бактериальная пыль.

Состав и свойства атмосферы на разных высотах не одинаковы, поэтому ее подразделяют на тропо-, страто-, мезо-, ионосферы.

Через атмосферу осуществляется обмен вещества Земли с Космосом. Земля получает космическую пыль и метеоритный материал, теряет водород и гелий. Атмосфера Земли насквозь пронизывается мощной радиацией Солнца. Одним из важнейших компонентов атмосферы является озон. Его образование и разложение связано с поглощением ультрафиолетовой радиации Солнца, которая губительна для живых организмов.

Гидросфера – водная оболочка Земли. Вследствие высокой подвижности воды проникают повсеместно в различные природные образования. Они находятся в виде паров и облаков в земной атмосфере, формируют океаны и моря, существуют в замороженном состоянии в высокогорных районах континентов и в виде мощных ледяных панцирей покрывают полярные участки суши. Атмосферные осадки проникают в толщи осадочных пород, образуя подземные воды. Вода способна растворять в себе многие вещества, поэтому любые воды гидросферы можно рассматривать в качестве естественных растворов разной концентрации. Даже наиболее чистые атмосферные воды содержат 10-50 мг/л растворенных веществ.

Подавляющая часть массы природных вод (94%) слагает мировой океан, который представляет собой уникальную природную систему. В ней происходит грандиозный процесс обмена и трансформации энергии и вещества нашей планеты. Морская вода, которая в гидросфере преобладает, представляет собой раствор со средней концентрацией вещества 35 г/л. В настоящее время можно считать, что в морской воде присутствуют все химические элементы периодической системы. Однако преобладающими являются элементы, которые образуют следующие катионы: Na¹⁺,Mg²⁺, Ca²⁺, Cl^-, SO₄^2-, HCO₃^1-, CO₃^2-.

Гидросфера находится в тесной взаимосвязи с литосферой, атмосферой и живыми организмами, в которые она входит в качестве обязательного компонента.

Литосфера – твердая оболочка Земли, включающая земную кору. Земная кора сложена горными породами различного типа и различного происхождения – более 70% приходится на базальты, граниты и другие магматические породы, около 17 % - на метаморфические и чуть больше 12% на осадочные. Общий химический состав земной коры определяют немногие элементы: кислород, кремний, алюминий, железо, кальций, магний, натрий и калий – слагают основную ее массу.

Поскольку в определении «биосферы» говорится об оболочке, то она должна иметь определенные границы – в данном случае верхнюю и нижнюю.

Верхняя граница распространения жизни в атмосфере определяется, по всей видимости, не столько низкими температурами, сколько губительным действием радиации, т.о. лимитирующим фактором распространения жизни является озоновый экран. Верхняя граница полета орлов составляет 7 км, растения в горных системах и насекомые в воздушной среде не распространяются выше 6 км. Верхняя граница постоянного обитания человека – 5 км, леса в горных системах тропиков не растут выше 4 км, на высоте 15 км обнаружены пыльца растений и споры бактерий.

В состав биосферы полностью включается гидросфера – озера, реки, моря и океаны. В морях и океанах наибольшая концентрация жизни приурочена к зоне, куда проникает солнечный свет (200 м) именно здесь сосредоточены все фотосинтезирующие организмы. Глубже живут животные и непрерывным потоком опускаются на дно морей и океанов отмершие растения, выделения и трупы животных.

Проникновение жизни вглубь литосферы ограничено высокими температурами земных недр и наличием жидкой влаги. Нижняя граница жизни по литосфере не опускается глубже 3-4, максимум 6 – 7 км.

Таким образом, биосфера – внешняя наружная оболочка Земли, в которую входят часть атмосферы (до озонового слоя), практически вся гидросфера и верхняя часть литосферы. Особенностью этих частей является то, что они населены живыми организмами, составляющими «живое вещество» планеты. Живое вещество – это совокупность всех живых организмов на планете. Косное вещество – вещество планеты, в образовании которого живые организмы не участвовали (минералы и горные породы). Биокосное вещество – особая категория вещества, в образовании которого участвовали живые организмы и абиогенные процессы (почва). Биогенное вещество – неживые тела, образующиеся в результате жизнедеятельности живых организмов (известняки, мел, нефть, газ, уголь, кислород атмосферы и т.д.).

Вернадский рассматривал биосферу как область жизни, основу которой составляет взаимодействие живого и косного вещества. Он писал: «Живые организмы являются функцией биосферы и теснейшим образом материально и энергетически с ней связаны, являются огромной геологической силой ее определяющей. …Организмы представляют живое вещество. …Оно связано с окружающей средой биогенным током атомов: своим дыханием, питанием и размножением». Таким образом, по Вернадскому, самая существенная особенность биосферы – это биогенная миграция атомов химических элементов, вызываемая лучистой энергией солнца и проявляющаяся в процессе обмена веществ, росте и размножении организмов. Важнейшим свойством биосферы является взаимодействие живого и неживого, нашедшего отражение в законе биогенной миграции атомов В. И. Вернадского.

З акон биогенной миграции атомов: «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 (О₂, СО₂) обусловлены живым веществом».

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

1. Биогенная миграция химических элементов в биосфере всегда стремится к максимальному своему проявлению.

2. Эволюция видов в ходе геологического времени, приводящая к созданию устойчивых в биосфере форм жизни, идет в направлении, усиливающем биогенную миграцию атомов.

3. Живое вещество находится в непрерывном химическом обмене с окружающей его средой, создающейся и поддерживающейся на Земле космической энергией Солнца.

Данные геохимические принципы соотносятся со следующими выводами Вернадского:

- каждый организм может существовать только при условии постоянной тесной связи с другими организмами и неживой природой;

- жизнь со всеми ее проявлениями произвела глубокие изменения на нашей планете. Совершенствуясь в процессе эволюции, живые организмы все шире распространялись по планете, стимулируя перераспределение энергии и вещества.

Эти закономерности проявляются, прежде всего, в стремлении живых организмов «захватить» все более или менее приспособленные к жизни пространства, создавая экосистему или ее часть.

Живое вещество образует ничтожно тонкий слой в общей массе геосфер Земли. По подсчетам ученых масса живого вещества составляет 2420 млрд. т, что более чем в две тысячи раз меньше атмосферы. Но эта ничтожная масса живого вещества встречается практически повсюду. В настоящее время живые существа отсутствуют лишь в области обширных оледенений и в кратерах действующих вулканов. Каков же средний химический состав живого вещества?

По относительному содержанию элементы, входящие в состав живых организмов, принято делить на три группы:

- макроэлементы – H, O, C, N (в сумме составляют около 98-99 %, их еще называют основные), Сa, Cl, K, S, P, Mg, Na, Fe, Si (в сумме составляют около 1-2 %). Макроэлементы составляют основную массу процентного состава живых организмов;

- микроэлементы – Mn, Co, Zn, Cu, B, I и др. Их суммарное содержание в организме составляет порядка 0,1 %;

- ультрамикроэлементы – Au, Se, Ra и др. Их содержание в организме очень незначительно, а физиологическая роль для большинства из них не раскрыта.

Химические элементы, которые входят в состав живых организмов и при этом выполняют биологические функции, называют биогенными. Даже те из них, которые содержатся в клетках в ничтожно малых количествах, ни чем не могут быть заменены и необходимы для жизни.

Вся масса «живого вещества» Земли составляет ее биомассу. Это всего лишь 0,25 % всего вещества биосферы, но благодаря обмену веществ «живое вещество» играет ведущую роль в биогеохимических процессах. Деятельность живых организмов обуславливает химический состав атмосферы и гидросферы, формирование почвенного покрова литосферы. Живое вещество играет огромную роль в круговороте веществ в природе и осуществляет важнейшие биогеохимические функции. Вернадский дал представление об основных биогеохимических функциях живого вещества.

Первая функция – энергетическая (биохимическая). Связывание и запасание солнечной энергии в органическом веществе, и последующее рассеяние энергии при потреблении и минерализации органического вещества. Эта функция связана с питанием, дыханием, размножением и другими процессами жизнедеятельности организмов. Основной источник биогеохимической активности организмов – солнечная энергия, используемая в процессе фотосинтеза зелеными растениями и некоторыми микроорганизмами для создания органического вещества, обеспечивающего пищей и энергией все остальные организмы. Круговорот веществ, который осуществляется при участии всех организмов биосферы, заключается в циркуляции веществ между почвой, атмосферой, гидросферой и живыми организмами. Благодаря круговороту веществ возможно длительное существование и развитие жизни при ограниченном запасе элементов в природе.

Вторая функция – газовая. Большинство газов верхних горизонтов планеты порождено жизнью. Кислород атмосферы образуется в процессе фотосинтеза. Подземные горючие газы – продукты разложения органических веществ растительного происхождения, ранее захороненных в осадочных толщах.

Третья функция – концентрационная. Организмы накапливают в своих телах многие химические элементы. На первом месте, естественно, стоит углерод. В углях содержание углерода по степени концентрации в тысячи раз больше, чем в среднем для земной коры. Нефть – концентратор углерода и водорода, поскольку она имеет биогенное происхождение. По концентрации металлов первое место занимает кальций. Целые горные хребты сложены останками животных с известковым скелетом. Концентраторами кремния выступают диатомовые водоросли, радиолярии и некоторые губки, йода – водоросли ламинарии, железа и марганца – особые бактерии. Фосфор накапливается позвоночными животными, сосредотачиваясь в их костях.

Четвертая функция – окислительно-восстановительная. Живые организмы окисляют и восстанавливают различные вещества, например, восстановление диоксида углерода до углеводов в процессе фотосинтеза и окисление их в процессе дыхания.

6СО₂ + 6Н₂О àC₆H₁₂O₆ + 6O₂

Под влиянием живых организмов происходит интенсивная миграция атомов элементов с переменной валентностью (Fe, Mn, Cr, S, P, N, W), создаются их новые соединения, происходит отложение сульфидов и минеральной серы, образование сероводорода и т.п.

Пятая функция - деструктивная. Р азрушение организмами и продуктами их жизнедеятельности, в том числе и после их смерти, как остатков органического вещества, так и косных веществ. Наиболее существенную роль в этом отношении выполняют редуценты – сапрофитные грибы и бактерии.

Шестая функция – транспортная. Перенос вещества и энергии в результате активной формы движения организмов. Такой перенос может осуществляться на огромные расстояния, например, при миграциях и кочевках животных. С транспортной функцией в значительной мере связана концентрационная роль сообществ организмов, например, в местах их скоплений (птичьи базары и другие колониальные поселения).

Седьмая функция – средообразующая. Преобразование физико-химических параметров среды. Эта функция является в значительной мере интегральной – представляет собой результат совместного действия других функций. Она имеет разные масштабы проявления. Результатом средообразующей функции является и вся биосфера, и почва как одна из сред обитания, и более локальные структуры. К средообразующим свойствам растительного покрова относятся: создание микроклимата, очистка воздуха и вод от загрязняющих веществ, усиление питания грунтовых вод, защита почв от эрозии и т.п.

Восьмая функция - рассеивающая. Функция, противоположная концентрационной – рассеивание веществ в окружающей среде. Она появляется через трофическую и транспортную деятельность организмов. Например, рассеивание вещества при выделении организмами экскрементов, смене покровов и т.п. Железо гемоглобина крови рассеивается кровососущими насекомыми.

Девятая функция – информационная. Накопление живыми организмами определенной информации, закрепление ее в наследственных структурах и передача последующим поколениям. Это одно из проявлений адаптационных механизмов.

Десятая функция – биогеохимическая деятельность человечества. Деятельность человека превратилась в мощный экологический фактор, нарушивший равновесие в биосфере. В результате деятельности человека (извлечение полезных ископаемых, отходы промышленности, химизация сельского хозяйства и пр.) нарушается круговорот веществ.

Основных круговоротов веществ в природе два: большой (геологический) и малый (биогеохимический). Движущей силой геологического круговорота являются эндогенные (тектонические движения, землетрясения, магматизм, метаморфизм) и экзогенные (выветривание, образование осадочных пород, удаление продуктов разрушения с одних участков земной коры и перенос их на новые участки, геологическая деятельность атмосферы, гидросферы) геологические процессы. Таким образом, геологический круговорот веществ протекает без участия живых организмов и осуществляет перераспределение вещества между биосферой и более глубокими слоями Земли.

Малый круговорот веществ (биогеохимический) осуществляется лишь в пределах биосферы. Сущность его в образовании живого вещества из неорганических соединений в процессе фотосинтеза и в превращении органического вещества при разложении вновь в неорганические соединения. Этот круговорот для жизни биосферы – главный, и он сам является порождением жизни. Изменяясь, рождаясь и умирая, живое вещество поддерживает жизнь не нашей планете, обеспечивая биогеохимический круговорот веществ. Главным источником энергии круговорота является солнечная радиация. В экосистеме органические вещества синтезируются автотрофами из неорганических веществ. Затем они потребляются гетеротрофами. В результате выделения в процессе жизнедеятельности или после гибели организмов (как автотрофов, так и гетеротрофов) органические вещества подвергаются минерализации и могут быть вновь использованы для синтеза автотрофами органических веществ.