Учение В.И. Вернадского о биосфере

Основоположником современных представлений о биосфере как сфере жизни является выдающийся русский ученый В.И. Вернадский (1863-1945). В старое узкое понятие «биосфера», сформулированное еще в 70-х годах 19 столетия, которое в буквальном смысле рассматривало биосферу лишь как совокупность живых организмов и продуктов их жизнедеятельности, он вложил новое содержание.

Главным в переосмыслении понятия «биосфера», которое было сделано В.И. Вернадским, - это понимание биосферы как сферы единства живого и неживого биологического единства, ее целостности, это означает, что каждый организм может существовать только при условии постоянной тесной связи с другими организмами и неживой природой.

Современное естественнонаучное мышление только начинает постигать значение нарисованной им величественной картины мироздания. Научное творчество В.И. Вернадского, созданная им научно-исследовательская программа многоплановы. Весьма существенны многие аспекты вскрытого В.И. Вернадским взаимодействия живого и неживого вещества. Большое значение имеют обобщающие естественнонаучные идеи В.И. Вернадского для анализа соотношения и взаимодействия различных форм материи.

Теория биосферы, разработанная В.И. Вернадским, оказывается необходимой, естественнонаучной предпосылкой для создания теоретических основ глобальной экологии. Теория развития биосферы становится важнейшим средством стратегии и тактики научных исследований по проблемам экологии и различным аспектам преобразования окружающей среды.

Наследие В.И. Вернадского сохраняет значение и для разработок в устоявшихся областях фундаментальной науки. Современные исследования вскрывают все новые стороны введенных В.И. Вернадским представлений о взаимодействии живого и косного вещества. В соответствии с теорией биогеологического единства идеи В.И. Вернадского о фундаментальном характере взаимосвязи живого вещества с геологическими процессами, происходящими на земной поверхности, получают новое обоснование.

Закономерности взаимодействия живого и косного вещества В.И. Вернадский впервые распространил и на атомарный уровень (распределение определенного спектра изотопов в живом веществе и через него в некоторых частях косного вещества Земли). В.И. Вернадским была впервые осознана космическая роль биосферы в трансформации лучистой энергии Солнца, ее превращении в действенную (созидательную) энергию Земли. Живое вещество находится в непрерывном химическом обмене с окружающей его средой, создающейся и поддерживающейся на Земле исключительно космической энергией Солнца. Совершенствуясь в процессе эволюции и все шире распространяясь по планете, живые организмы производят в ней глубокие изменения путем перераспределения энергии и вещества. Живые организмы – главный фактор миграции химических элементов в земной коре.

«Лик нашей планеты по существу сформирован жизнью», - такими словами определил В.И. Вернадский исключительную роль живого вещества в эволюции Земли.

Одним из главных аспектов учения В.И. Вернадского является также разработанное им представление об организованности биосферы, ее внутренней гармонии, которая проявляется в согласованном взаимодействии живого и неживого, взаимной приспособляемости организма и среды, обеспечивающей состояние устойчивого динамического равновесия.

В основе организованности и устойчивого динамического равновесия Биосферы как экологической системы лежат такие функции живого вещества такие как энергетическая, деструктивная, концентрационная и средообразующая.

Энергетическая функция выполняется прежде всего растениями, которые в процессе фотосинтеза аккумулируют солнечную энергию в виде разнообразных органических соединений, энергия которых в дальнейшем является источником действенной химической энергии биосферы и всей земной коры.

Внутри экосистемы эта энергия рассеивается, а частично накапливается в отмершем органическом веществе и переходит в ископаемое состояние. Именно так образовались залежи ископаемых, служащие в настоящее время энергетической базой для жизни и работы людей. Растения – главный источник пищи для людей и сельскохозяйственных животных.

Деструктивная функция живого вещества состоит в разложении горных пород и вовлечении образовавшихся минералов в биотический круговорот. Мертвая органика разлагается до простых неорганических соединений – углекислого газа, воды, сероводорода, метана и др., которые вновь используются в начальном звене круговорота. Разлагая минералы, организмы избирательно извлекают и включают в биотический круговорот важнейшие питательные элементы – калий, кальций, натрий, азот, фосфор и др. микроэлементы. Благодаря деструктивной деятельности организмов создается уникальное свойство – ее плодородие.

Концентрационная функция живых организмов заключается в избирательном накоплении атомов веществ, рассеянных в природе. Способность концентрировать элементы из объектов окружающей среды (почвы, воды, атмосферного воздуха) – это характерная особенность живого вещества. Например, морские организмы активно концентрируют рассеянные минералы для построения своих скелетов или покровов. Существуют, например, кальциевые организмы – это моллюски, кораллы, мшанки, иглокожие, известковые водоросли и кремниевые – диатомовые водоросли, радиолярии. Морские организмы способны накапливать микроэлементы, тяжелые металлы, в том числе ядовитые (ртуть, свинец, мышьяк и др.), также радиоактивные элементы (стронций-90, цезий-137, иод-131 и др). Их концентрации в теле беспозвоночных и рыб могут в сотни тысяч раз превосходить содержание в морской воде. Благодаря концентрационной функции морские организмы очень полезны как источник микроэлементов, и в то же время их употребление в пищу может грозить отравлениями тяжелыми металлами или быть опасными в связи с повышенной радиоактивностью.

И наконец, средообразующая функция организмов состоит в трансформации физико-химических параметров среды (литосферы, гидросферы, атмосферы) в условия, благоприятные для существования организмов. Средообразующие функции живого вещества создали и поддерживают в равновесии баланс веществ и энергии в биосфере, обеспечивая стабильность условий существования организмов, в том числе и человека.

Так в результате средообразующей функции был преобразован газовый состав первичной атмосферы, изменился химический состав вод первичного океана, образовалась толща осадочных пород в литосфере, произошли глобальные изменения климата, на поверхности суши возник плодородный почвенный покров.

Свою планетарную функцию организмы осуществляют за счет весьма быстрого размножения. Расчетная величина биомассы живого вещества, воспроизведенного за время жизни биосферы – это около 3 млрд лет – более чем в 10 раз превышает массу земной коры. На земной поверхности нет химической силы, более постоянно действующей, чем живые организмы, взятые в целом.

Выявление планетарных функций живого вещества закономерным образом привел В.И. Вернадского к осмыслению космических функций живой материи. Согласно его представлениям, живое вещество активно проявляло себя уже в самые начальные периоды геологической активности земли. Оно реализует свою активность в потоках энергии, химических элементов и соединений во взаимодействии как с косным веществом планеты, так и с космосом. Живое вещество пронизывается космическими излучениями, многие из которых (и это также позднее было обосновано открытиями многочисленных классов элементарных частиц и типов излучений) являются еще неведомыми для научного знания. В.И. Вернадский специально подчеркивает, что взаимодействие с космосом не ограничивается только известными современной науки потоками солнечного и космического излучения. «На основании всего эмпирического понимания природы необходимо допустить, что связь космического и земного всегда обоюдная и что необходимость космических сил для проявления земной жизни связана с ее тесной связью с космическими явлениями, с ее космичностью».

Космические излучения могут определенным образом влиять на характер информации, которой обмениваются клетки с помощью слабых электромагнитных полей, и тем самым воздействовать на многие процессы жизнедеятельности в многоклеточных ансамблях.

Итак, форма, структура, в которой существует и развивается живое вещество на нашей планете, - это биосфера. Она должна рассматриваться в соответствии с обобщающим естественнонаучным подходом как единый, целостный планетарный "организм". Отдельные части этого «организма» связаны биогеохимическими функциями, (круговые циклы земного углерода, кислорода, азота, фосфора, других биогенных элементов). Вся анатомия, физиология, механизмы регулирования этого «организма» взаимосвязаны. Они не могут быть в достаточной степени поняты без анализа единого «планетарного организма» живого вещества в целом.

Исходя из принципа целостности биосферы, принципа единства живого и неживого (косного) В.И. Вернадский считал, что жизнь на Земле присутствовала всегда, т.е. возникла вместе с формированием планеты, и убедительным доказательством этого, по его мнению, является присутствие всех химических элементов периодической системы Д.И. Менделеева, за исключением радиоактивных элементов, в живом веществе. Согласно его убеждению, в течение всей геологической истории Земли никогда не наблюдались эпохи, лишенные жизни.

Венцом творчества В.И Вернадского стало учение о ноосфере т.е. сфере разума, в пределах которой разумная человеческая деятельность становится главным, определяющим фактором развития.

Понятие ноосферы появилось в связи с оценкой роли человека в эволюции биосферы. На протяжении всего периода своего существования имело место воздействие человечества на природу, однако до сравнительно недавнего времени оно было незначительным. Лишь по мере развития производительных сил общества, роста технической и технологической вооруженности, особенно начиная с 19 в., это воздействие быстро усиливалось и в настоящее время по своим разрушительным масштабам превратилось в мощную геологическую силу, способную оказывать влияние на ход биогеохимических и других процессов не только в рамках планеты, но и в околоземном пространстве.

В настоящее время человек способен изменить согласно своим представлениям и потребностям ту биосферу, которая складывалось в течение всей геологической истории Земли. Это означает, что человеческая деятельность превратилась в главный, определяющий фактор развития биосферы, и от того как человечество будет строить свои отношения с природой напрямую зависит его дальнейшая судьба.

Реально просматриваются два альтернативных варианта, один из них – это действительно превращение биосферы в ноосферу, т.е. в «сферу взаимодействия природы и общества, в пределах которой разумная человеческая деятельность становится главным, определяющим фактором развития», либо дальнейшая деградации биосферы в результате усиления техногенной нагрузки, грозящей гибелью человечества уже в недалеком будущем. Третьего не дано.

Истинная значимость учения В.И. Вернадского о биосфере опередила время. Особенно наглядно она проявилась лишь во второй половине 20-го столетия, чему способствовало бурное развитие экологии, и прежде всего глобальной экологии, где биосфера является основополагающим понятием.

Контрольные вопросы:

1. Что такое «понятие»?

2. Что общего и в чем отличие понятий: организм, популяция, сообщество?

3. Статистические и динамические свойства популяций.

4. Из каких компонентов состоит экосистема?

5. Чем отличается биогеоценоз от экосистемы?

6. Классификация экосистем, их свойства.

7. Определение и структура биосферы.

8. Роль фотосинтеза в эволюции биосферы.

9. Перечислите и раскройте свойства биосферы.

10. Трофические уровни экосистем.

11. Экологические пирамиды.

12. Первичная и вторичная продуктивность экосистем.

13. Динамика экосистем: гомеостаз и сукцессия.

14. Что такое экологические факторы?

15. Что такое экологически опасные факторы?

16. Функции живого вещества биосферы.

17. В чем состоит учение о биосфере?

1.3. Основные функциональные законы экологии.

Законы природы – это некие общие, существенные свойства объектов и явлений окружающего мира, отражающие процессы их функционирования и развития.

Эти законы существуют объективно, вне и независимо от сознания людей, и поэтому не могут быть уничтожены или созданы заново. Понятие закона есть одна из ступеней познания человеком единства и связи, взаимозависимости и целостности мировых процессов и явлений.

Современная экология располагает множеством законов (правил, принципов). Среди них встречаются как законы детерминистского типа, жестко регулирующие взаимоотношения между экосистемами и компонентами внутри них, так и вероятностные, т.е. представляющие собой тенденции, которые действуют не всегда и не во всех без исключения случаях. Есть среди них и такие, которые не претендуют на академическую строгость, но выражают важные экологические закономерности. К ним, в частности, относятся широко известные законы-афоризмы американского эколога Б. Коммонера.

В данной главе мы рассмотрим функциональные законы экологии, которые раскрывают общие закономерности взаимодействия организмов и экологических факторов.

Любой экологический фактор динамичен, изменчив во времени и пространстве. Экологические факторы характеризуются как природными изменениями (изменение, например, температуры, освещенности в течение суток) так и изменениями под влиянием антропогенной деятельности человека, что проявляется в изменении режима (абсолютных значений и динамики) экологических факторов, а также - состава факторов, например, при внесении ксенобиотиков в природные системы.

Ксенобиотики - чужеродные для организмов вредные соединения (пестициды, препараты бытовой химии, лекарственные вещества и др.), которые, попадая в окружающую среду в значительных количествах, вызывают гибель организмов, а также нарушают нормальное течение природных процессов в биосфере.

Живой организм в природных условиях одновременно подвергается воздействию со стороны не одного, а многих экологических факторов - как биотических, так и абиотических, причем каждый фактор требуется организму в определенных количествах или дозах. Если эти количества соответствуют наследственно закрепленным требованиям организма (т.е. генотипу), то он способен выживать и давать жизнеспособное потомство.

Закономерности влияния факторов на живые организмы определяются функциональными экологическими законами, которых, по данным разных авторов, насчитывается до 6 – 7 десятков, включая правила и принципы. Остановимся лишь на основных, наиболее универсальных из них. Это, например:

- закон минимума (закон Либиха);

- закон независимости факторов;

- закон толерантности (закон Шелфорда);

- закон конкурентного исключения, (принцип исключения Гаузе);

- закон развития экосистем (принцип сукцессионного замещения);

- закон ограниченности природных ресурсов (закон «шагреневой кожи»);

- закон однонаправленности потока энергии;

- закон пирамиды энергий;

- закон биологического усиления;

- закон сохранения устойчивого равновесия экосистем (принцип Ле Шателье – Брауна);

- закон эмерджентсности;

И наконец, экологические законы-афоризмы Б. Коммонера.