Понятие биосферы по В.И.Вернандскому

Содержание

Введение

Наша планета Земля неповторима в плане разнообразия условий внешней среды. Это океанские просторы и горные цепи, « артериальная» сеть крупных рек и мелких речушек, жаркие пустыни и вечные льды полюсов. Земля – это чудо вселенной, уникальная сфера, жемчужина в космическом пространстве. Главная особенность планеты – это существование на ней жизни в самых разных ее проявлениях. Изумляет богатое разнообразие живых существ: микроскопические организмы, насекомые, растения, рыбы, птицы, млекопитающие и, наконец, сам человек.

Самое важное за всю историю Земли – это, конечно, появление первых форм живого и взаимодействие их с поверхностью планеты. За 4 млрд. лет, прошедшие с тех пор, как земная поверхность стала подходящим субстратом для существования жизни, на ней произошли грандиозные изменения. И начало им было положено в то неопределенно далекое время, когда началась дифференциация живого и неживого.

Первым попытался описать отличие живого от неживого французский естествоиспытатель Жан Батист Ламарк. В его время все многообразие окружающего мира – от атомов до планет –делилось напри царства: растения, животные, минералы. Ламарк, упростив это деление, всю природу разделил на два царства: живое и неживое. В своей знаменитой «Философии зоологии» он составил таблицу противоположностей живого и неживого.

Еще в ХVII–ХVIII вв. многими учеными умами высказывалась идея о взаимосвязанности всех процессов в живой и неживой природе. Ученые разных специальностей подготавливали почву, на которой в начале XX в. проросли ростки глобального учения о биосфере. Известный математик Н. Н. Моисеев по поводу глобальности некоторых проблем писал: «Эпитет «глобальный» возник в начале 70–х годов. Его используют всякий раз, когда речь идет о проблемах, относящихся к планете в целом. Это могут быть и вопросы экологии человека – дисциплины, в которой человечество рассматривается как одно целое. Датировать начало глобальных исследований очень трудно, ибо ученых всегда интересовали общие вопросы эволюции нашей планеты и характер процессов, которые на ней происходят. Но я предпочитаю обозначать термином «глобальные исследования» лишь те работы, которые направлены на изучение влияния человека на характер процессов общепланетарного масштаба».

К одному из таких глобальных учений, определивших направление и эволюцию естественной и экологической мысли XX в., принадлежит учение о биосфере.

Первые робкие обобщения и представления о биосфере восходят к Ламарку. Ему принадлежит приоритет в формулировке самого понятия «биосфера», хотя термина этого при его жизни еще не существовало. Работы Ламарка положили начало представлениям о существовании на нашей планете определенного пространства, заселенного живыми существами. Причем подчеркивалось, что это пространство организовано именно жизнедеятельностью организмов. Из множества терминов, которые были предложены для обозначения такого пространства, закрепился один, предложенный в 1875 г. австрийским геологом Эдуардом Зюссом. Он писал: «В области взаимодействия верхних сфер и литосферы и на поверхности материков можно выделять самостоятельную биосферу. Она простирается теперь как над сухой, так и над влажной поверхностью, но ясно, что раньше она была ограничена только гидросферой».

Биосфера (от греч. bios – жизнь, sphaira – шар) – оболочка Земли, состав, структура и энергетика которой определяются совокупной деятельностью живых организмов. Сама же совокупная деятельность живых организмов проявляется как геохимический фактор планетарного масштаба. Поражает то, насколько невелика область распространения жизни на Земле: всего несколько десятков метров почвенного слоя, около 11 км океанских глубин и 10–15 км атмосферы. Таково пространство, где рождаются, развиваются и умирают 1,5 млн. видов животных и 350 тыс. видов растений, распространенных на нашей планете.

Одним из выдающихся естествоиспытателей, который посвятил себя изучению процессов, протекающих в биосфере, был академик Владимир Иванович Вернандский. Он стал основоположником научного направления, названного им биогеохимией, которое легло в основу современного учения о биосфере.

Глава 1 Понятие биосферы по В.И.Вернандскому

В ХIХ в. в России постепенно складывалось представление о единстве человека и природы, о тех проблемах, с которыми неизбежно столкнется человечество при необузданном стремлении всецело подчинить себе природу. Вообще идея цельного знания, основанного на органической полноте жизни, принадлежит русской философии. Она легла в основу направления общественной жизни, получившего название «русский космизм».

Именно тогда в научной среде засверкали имена психолога и физиолога И. М. Сеченова, химика Д. И. Менделеева, почвоведа В. В. Докучаева, основоположника космонавтики К. Э. Циолковского. К плеяде этих выдающихся ученых принадлежит и В. И. Вернандский.

Владимир Иванович уже в гимназические годы проявлял большой интерес к естественным наукам: химии, зоологии, ботанике. На свое семнадцатилетие Володя попросил отца подарить ему английское издание одной из книг Ч. Дарвина. И поэтому вполне логичным шагом было поступление его на естественное отделение физико–математического факультета Петербургского университета, где читали лекции такие корифеи науки, как А. М. Бутлеров, Д. И. Менделеев, С. П. Костычев, В. В. Докучаев, И. М. Сеченов. Находясь под влиянием идей В. В. Докучаева, Вернадский стал специализироваться по минералогии. Еще один его учитель – Д. И. Менделеев ввел его в мир химии, вернее, Вернадскому открылась химическая сторона жизни природы.

После окончания университета Владимир Иванович был оставлен для подготовки к профессорскому званию и назначен хранителем минералогического кабинета университета. После двухлетней заграничной командировки по странам Европы в 1891 г он защищает магистерскую диссертацию о роли глинозема в силикатах, а в 1897 г. – докторскую диссертацию на тему «О явлении скольжения кристаллического вещества».

В начале XX в. В. И. Вернандским были подняты проблемы совместной эволюции человека и биосферы с позиции развития Земли как космического тела. Уже в то время ученый был одержим идеей познать и раскрыть роль человека в естественноисторическом процессе. К этому периоду он завершил создание своей «биогеохимии». Зерна, брошенные В. В. Докучаевым Д. И. Менделеевым, дали первые ростки.

Термин «геохимия» появился еще в 1842 г. с легкой руки швейцарского химика Кристиана Фридриха Шёнбейн. Геохимия занималась изучением процессов трансформации вещества земной коры, историей преобразования тех или иных геологических пород. В. И. Вернандский ввел в геохимию исторический принцип. Его исследования привели к осознанию роли жизни и живого вещества в геологических процессах. Облик Земли, ее атмосфера, осадочные породы, ландшафты – все это результаты жизнедеятельности. Особую роль в становлении лика нашей планеты В. И. Вернандский отводил человеку. Он представил деятельность человечества как стихийный природный процесс, истоки которого теряются в глубинах истории.

В 1926 г. В. И. Вернандский опубликовал в Ленинграде книгу под названием «Биосфера», которая ознаменовала рождение новой науки о природе, о взаимосвязи с ней человека. В этой работе биосфера впервые показана как единая динамическая система, населенная и управляемая жизнью, живым веществом планеты. «Биосфера – организованная, определенная оболочка земной коры, сопряженная с жизнью». В работах по биосфере ученый показал, что взаимодействие живого вещества с веществом косным есть часть большого механизма земной коры, благодаря которому происходят разнообразные геохимические и биогенные процессы, миграции атомов, осуществляется их участие в геологических и биологических циклах.

В. И. Вернандский впервые показал, что химическое состояние наружной коры нашей планеты всецело находится под влиянием жизни и определяется живыми организмами, с деятельностью которых связан великий планетарный процесс – миграция химических элементов в биосфере. Эволюция видов, отмечал ученый, приводящая к созданию форм жизни, устойчива в биосфере и должна идти в направлении увеличения биогенной миграции атомов.

Биосфера охватывает нижнюю часть атмосферы до высоты озонового экрана (20–25 км), верхнюю часть литосферы (кора выветривания) и всю гидросферу до глубинных слоев океана. В. И. Вернандский отмечал, что «пределы биосферы обусловлены прежде всего полем существования жизни». На развитие жизни, а следовательно, и границы биосферы оказывают влияние многие факторы и прежде всего наличие кислорода, углекислого газа, воды в ее жидкой фазе. Ограничивают область распространение жизни и слишком высокие или низкие температуры. Элементы минерального питания также влияют на развитие жизни. К ограничивающему фактору можно отнести и сверхсоленую среду (превышение концентрации солей в морской воде примерно в 10 раз). Лишены жизни подземные воды с концентрацией солей свыше 270 г/л.

В планетарной биосфере выделяют континентальную и океаническую биосферы, которые отличаются геологическими, географическими, экологическими, биологическими, физическими и другими условиями. Нижний предел распространения живого ограничивается дном океана (глубина около 11 км) или изотермой в 100°С в литосфере (по данным сверхглубокого бурения на Кольском полуострове эта цифра составляет около 6 км). Фактически жизнь в литосфере прослеживается до глубины 3–4 км. Таким образом, вертикальная мощность океанической биосферы составляет 17 км, сухопутной – до 12 км. Вверх, в атмосферу, биосфера простирается не выше наибольших плотностей озонового экрана, что составляет 22–24 км. Следовательно, предел протяженности биосферы на Земле выражается цифрой 33–35 км, хотя теоретически он может быть более широким.

На основе работ В. И. Вернандского и других исследователей, внесших большой вклад в изучение биосферы планеты, предлагается различать три основные ее формы:

1) формы биологической систематики, включающие популяции, виды, роды, семейства и др., принятые в ботанике и зоологии;

2)биогеографические формы –  территории, характеризующие географическое  распространение и распределение  растений и животных, специфику  флоры и фауны. Это биогеографические зоны, области и т. д. Отдельно выделяются ботанико–географические и зоогеографические территории, дающие представление о составе и характере флоры и фауны;

3)экологические формы, известные  под названиями экосистем (биогеоценозов), экотопов, биотопов и др. Биотоп – это участок с однородными экологическими условиями, занятый определенными биоценозами, экотоп – это местообитание сообщества. В отличие от биотопа, понятие «экотоп» включает внешние по отношению к сообществу факторы среды. Это совокупность абиотических условий неорганической среды данного участка, представляющего собой местообитание конкретного сообщества. Экологические формы определяют специфику изучения биосферы в экологических аспектах.

Вещественный состав биосферы также разнообразен. В. И. Вернандский включает в него семь глубоко разнородных, но геологически не случайных частей:

• живое вещество;
• биогенное вещество – рождаемое и перерабатываемое живыми организмами (горючие ископаемые, известняки и т. д.);
• косное вещество, образуемое без участия живых организмов(твердое, жидкое и газообразное);
• биокосное вещество – косное вещество, преобразованное живыми организмами (вода, почва, кора выветривания, илы);
• вещество радиоактивного распада (элементы и изотопы уранового, ториевого и актиноуранового ряда);
• рассеянные атомы земного вещества и космических излучений;
• вещество космического происхождения в форме метеоритов, космической пыли и др.

В строении и морфологии биосферы исключительно важное значение для развития живого вещества имеют следующие ее элементы (сверху вниз):

• слой живого вещества, так называемая «пленка жизни»;
• педосфера, или почвенный покров;
• ландшафтно–экологические системы – функциональные системы, включающие живые организмы и среду их обитания;
• кора выветривания, т. е. зона разрушения и преобразования горных пород, их минерально–геохимических изменений в верхней части земной коры под воздействием различных факторов;
• древняя биосфера (палеобиосфера) – комплекс горных пород, рельефа и других ландшафтных компонентов, залегающих ниже современной биосферы и погребенных под ее новейшими образованиями. Это горные породы, рудные и нерудные минералы, химические элементы, широко используемые в промышленности;
• многочисленные минералы верхней части земной коры и биосферы: глины, известняки, бокситы и т. д.;
• природные воды осадочной оболочки;
• миллионы органических и органоминеральных соединений: уголь, графит, гумусовые вещества, нефть, природные газы;
• минеральные ресурсы биосферы и земной коры, распространенные в форме свободных элементов: меди, серебра, золота, висмута, платины и т. д. Все они– главный источник сырья для металлургии, химической промышленности и многих других отраслей. Их добыча и использование в экономике растут год от года.

Из сказанного вытекает, что биосфера является результатом сложнейшего механизма геологического и биологического развития и взаимодействия косного и биогенного вещества. С одной стороны, это среда жизни, а с другой – результат жизнедеятельности. Главная специфика современной биосферы – это четко направленные потоки энергии и биогенный (связанный с деятельностью живых существ) круговорот веществ.

Разрабатывая учение о биосфере, В.И. Вернандский пришел к выводу, что главным трансформатором космической энергии является зеленое вещество растений. Только они способны поглощать энергию солнечного излучения и синтезировать первичные органические соединения. Для объяснения большой суммарной энергии биосферы ученый произвел расчеты, которые действительно показали огромное значение фотосинтезирующих растений в создании общей органической массы. Ученый подсчитал, что поверхность Земли составляет меньше одной десятитысячной поверхности Солнца. Общая же площадь трансформационного аппарата зеленых растений в зависимости от времени года составляет уже от 0,86 до 4,2 % площади поверхности Солнца. Разница колоссальная. Этот зеленый энергетический потенциал и лежит в основе сохранения и поддержания всего живого на нашей планете.