Биосфера определение кратко. Биосфера, ее структура и границы

Биосфера — оболочка Земли, населенная живыми организмами. Включает нижнюю часть атмосферы, гидросферу и верхнюю часть литосферы. Основоположником учения о биосфере является В.И. Вернадский. Он подчеркивал, что биосфера — результат сложнейшего механизма геологического и биологического развития и взаимодействия косного и биогенного вещества. Живое вещество биосферы — совокупность всех ее живых организмов. Высшую стадию развития биосферы Вернадский назвал ноосферой, когда разумная деятельность человека является определяющим фактором развития жизни. Основа стабильности биосферы -биологическое разнообразие всего живого на Земле — от генов до экосистем.

Понятие и определение биосферы. Структура биосферы

Сложный природный процесс, протекавший и протекающий на Земле, непосредственно связан с взаимодействием трех оболочек планеты: литосферы, гидросферы и атмосферы. Именно эти оболочки и являются той сферой, той областью, где существуют живые организмы. Область существования живых организмов на Земле называется биосферой.

Впервые вплотную к понятию «биосфера» подошел французский естествоиспытатель Ж.Б. Ламарк в XVIII в. Выводы, сделанные им, позволяют говорить о том, что они содержат в себе зачатки понятия о биосфере. Работы Ламарка положили начало представлениям о существовании на нашей планете определенного пространства, заселенного живыми существами. Причем подчеркивалось, что это пространство организовано именно жизнедеятельностью организмов.

Австрийский геолог Э.-Ф. Зюсс в 1875 г. ввел в науку понятие и определение биосферы. Он писал: «В области взаимодействия верхних сфер и литосферы и на поверхности материков можно выделить самостоятельную биосферу. Она простирается теперь как над сухой, так и над влажной поверхностью, но ясно, что раньше она была ограничена только гидросферой».

(от греч. bios — жизнь и sphaira — шар) — оболочка Земли, населенная живыми организмами, область обитания живых организмов планеты. Именно живые организмы сформировали отложения известняков, залежи угля и нефти, накопили свободный кислород в атмосфере.

Структура биосферы

Биосфера представляет собой сложнейшую планетарную оболочку жизни, населенную организмами, которые в совокупности составляют живое вещество. Это самая крупная (глобальная) экосистема Земли — область системного взаимодействия живого и косного вещества.

Биосфера охватывает нижнюю часть атмосферы до высоты озонового экрана (20-25 км), верхнюю часть литосферы (кора выветривания) и всю гидросферу до глубинных слоев океана (рис. 11).

Ограничивают область распространения жизни слишком высокие или низкие температуры. Нижнюю границу биосферы на материках условно проводят по изотерме 100 °С. При более высокой температуре большинство бактерий существовать не может. В Европе эта изотерма находится на глубине 10-15 км, в молодых альпийских прогибах она поднимается до 1,5-2 км. Фактически жизнь в литосфере прослеживается до глубины 3-4 км.

Предел протяженности биосферы — 39-40 км. Однако жизнь в биосфере сконцентрирована в значительно более узких пределах, охватывающих всего несколько десятков метров. По сравнению с диаметром Земли (13 000 км) биосфера — это тонкая пленка на ее поверхности.

Что касается границы биосферы в морях и океанах, то английский натуралист Э. Форбс в 1841 г. по результатам своих наблюдений в Средиземном море категорически заявил, что глубже 540 м жизнь в океанических водах невозможна. Однако уже спустя 20 лет с глубины 2160 м с затонувшего судна был поднят кабель: он оказался весь усеян кораллами, устрицами, двустворчатыми и брюхоногими моллюсками, яйцами кальмаров.

23 января 1960 г. исследователи-океанологи Ж. Пикар и Д. Уолш опустились в батискафе в Марианскую впадину Тихого океана. На глубине 10 525 м они разглядели рыбу и креветку. Так было доказано существование живых организмов в самых глубоких местах океана. Следует только отметить, что плотность организмов в океане крайне неравномерна. Примерно 5/6 его обитателей предпочитают верхние, освещаемые солнцем слои. По мере спуска на глубину количество видов резко уменьшается.

Относительно верхней границы существования жизни следует заметить, что ученые обычно проводят ее на высоте 20-25 км, где находится спасительный для всего живого озоновый экран. Здесь та же ситуация с расселением организмов, что и в океане, только наоборот. Уже на высоте 8-9 км низкие температуры сильно ограничивают существование животных и растений.

Рис. 11. Общая структура оболочек Земли, формирующих биосферу

Биосферу населяют около 2-2,5 млн видов живых существ. Особое место отводится растениям — производителям органического вещества. Их общий сухой вес (вес фитомассы) оценивается примерно в 2,42 х 10 12 т. Это составляет 99 % всего живого вещества на планете. Оставшийся 1 % приходится на гетеротрофные организмы.

Ноосфера

Впервые термин «ноосфера» (буквально — сфера разума) использовал в 1927 г. французский исследователь Э. Леруа. В. И. Вернадский начал разрабатывать и высказывать основные идеи учения о ноосфере в начале XX в. Уже тогда им были осмыслены возможности человеческого разума в глобальном преобразовании мира, перспективы влияния человека на природу, необходимость скорейшей гармонизации их взаимоотношений.

Ноосфера означает новое состояние биосферы и всей планеты в целом, при котором сознательная активность человека, человеческого разума становится не только решающим фактором эволюции биосферы, но и важным условием ее сохранения.

Ноосфера — это сфера разумной активности людей по преобразованию окружающей среды. При этом общество выходит на уровень сознательного регулирования развития промышленности, адекватного вмешательства в природные процессы. В состоянии ноосферы потребности общества должны стать соизмеримы с возможностями гео- и биосферы. Расширение ноосферы будет означать наступление ноогенного периода в истории взаимодействия общества и природы.

1 Общие свойства биосферы

Биосфера – это четвертая оболочка Земли, содержащая все живые организмы и ту часть вещества планеты, которая находится в непрерывном обмене с этими организмами. Биосфера – это область существования живых организмов на Земле. Первые представления о биосфере как о зоне жизни принадлежат французскому натуралисту Ж.Б. Ламарку. Дословно биосфера – это сфера жизни, так как «bios» – жизнь, а “sphaira” – шар, сфера. Впервые этот трермин ввел австрийский геолог Эдуард Зюсс в 1875 году.

Современные представления о биосфере сформулированы украинским ученым В.И. Вернадским сначала в отдельных статьях, а затем в лекциях, прочитанных в Карловском университете (Прага) и в Сорбонне (Париж). Положения, которые развивал Вернадский, были обобщены в книге “Биосфера”, опубликованной в 1926 г.

Сущность учения Вернадского заключается в признании исключительной роли живого вещества, преобразующего облик планеты. Поверхность Земли Вернадский рассматривал как своеобразную оболочку, развитие которой в значительной степени определяется деятельностью живых организмов. Вернадский доказал, что живые организмы оказывают решающее влияние на все геологические процессы, формирующие облик Земли. Жизнедеятельность живых организмов обусловливает химический состав атмосферы, концентрацию солей в гидросфере, образование почв и другие процессы. Живые организмы не только сами приспосабливаются к условиям внешней среды, но и активно их изменяют. Именно живые организмы улавливают и преобразуют лучистую энергию Солнца и создают бесконечное разнообразие нашего мира.

Самой существенной особенностью биосферы является биогенная миграция атомов химических элементов, вызываемая лучистой энергией Солнца и проявляющаяся в процессе обмена веществ, росте и размножении организмов. (Иначе можно сказать, что живое вещество преобразует энергию солнечных лучей в потенциальную, а затем – в кинетическую энергию биохимических процессов.) В основе биогенной миграции атомов в биосфере лежат 2 биохимических принципа: стремление к максимальному проявлению (“всюдности”) жизни (способность живого вещесмтва быстро осваивать свободное пространство) и обеспечение выживания организмов, что обеспечивает саму биогенную миграцию.

Другой главнейший аспект учения Вернадского – разработанное им представление об организованности биосферы, которое проявляется в согласованном взаимодействии живого и неживого вещества, во взаимной приспосабляемости организмов и среды.

Биосфера включает нижнюю часть атмосферы (до озонового слоя – на высоте 20-25 км), всю *гидросферу и верхнюю часть литосферы, то есть ту область, где существует жизнь, живые организмы. В настоящее время принято считать, что верхняя граница биосферы располагается на высоте примерно 85 км над поверхностью Земли, поскольку именно на такой высоте (в стратосфере) обнаружены споры микроорганизмов в латентном (скрытом, спящем) состоянии. Нижняя граница биосферы располагается в глубинах литосферы, где температура достигает 100 0 С и находится на глубине 1,5-2 км и 7-8 км (в зависимости от типа пород). Последние данные свидетельствуют о том, что некоторые бактерии могут существовать при температурах от абсолютного нуля до +180 0 С, в вакууме, в ядерных реакторах.

Общая масса живого вещества биосферы составляет 2,42 триллиона тонн (2,42∙10 12 т; масса биосферы 10 19 т), что в 2 тыс. раз меньше массы самой легкой оболочки Земли – атмосферы (5,15*10 15 т) , в 10 млн. раз меньше массы земной коры, в миллиард – массы Земли (6*10 21 т). Биомасса растений (фитомасса) составляет 2,4*10 12 т, биомасса животных и микроорганизмов (зоомасса и бактериомасса) – 0,02*10 12 т (в пересчете на сухое вещество). При этом видовая дифференциация животных в 5 раз больше видовой дифференциации растений (1,5-1,7 млн. видов животных и 300 тыс. (по Белявскому)-500 тыс. (по Кучерявому) растений).

Характерной особенностью живого вещества по сравнению с неживым веществом является очень высокая активность, высокая скорость реакций (в сотни-тысячи раз больше, чем у неживого вещества), например, очень быстрый обмен веществ. Все живое вещество биосферы обновляется в среднем за 8 лет. Биомасса Мирового океана обновляется за 33 дня, а его фитомасса ежедневно, фитомасса суши – примерно за 14 лет из-за большей продолжительности жизни наземных растений. Гусеницы некоторых насекомых за сутки перерабатывают пищи в 100-200 раз больше собственного веса, дождевые черви за 200 лет пропускают через свой организм весь 1-метровый слой почвы на Земле.

Для живых организмов характерно не только пассивное движение (под действием гравитации), но и активное (против течения воды, движения воздушных масс).

Благодаря живым организмам биосфера осуществляет следующие функции:

энергетическую (накопление и преобразование энергии);

газовую (способность изменять и поддерживать газовый состав среды обитания);

окислительно-восстановительную (интенсификация этих процессов в пространстве под действием живого вещества);

концентрационную (способность собирать в своем теле рассеянные в пространстве атомы химических элементов);

деструктивную (разложение как органических остатков, так и косного вещества);

транспортную (перенесение вещества и энергии в результате активного движения организмов);

средообразующую (изменение физико-химических параметров среды);

информационную (накопление, закрепление в наследственных структурах, передача информации) и др.

Впервые оценку вещества биосферы дал В.И. Вернадский. Основными компонентами биосферы он считал следующие типы вещества (всего 7):

а) живое вещество (растения, животные, микроорганизмы);

б) биогенное вещество – органические и органоминеральные продукты, созданные живыми организмами в течение геологической истории (каменный уголь, горючие сланцы, торф, нефть, газы биосферы – кислород, углекислый газ, вода, аммиак, сероводород и другие), являющиеся источником чрезвычайно мощной потенциальной энергии;

в) косное вещество (тяготеющий к постоянному, неподвижный) – горные породы неорганического происхождения (то есть образовано процессами, в которых живое вещество участия не принимало) и вода; это вещество является субстратом или средой для проживания живых организмов;

г) биокосное вещество – результат взаимодействия живого и неживого веществ (осадочные породы, почвы, илы - подводные грунты, природные воды) причем они представляют значительную биогеохимическую энергию в биосфере; соотношение живого и неживого в биокосном веществе колеблется, например, почва состоит в среднем из 93 % минеральных и 7 % органических веществ.

Кроме перечисленных видов веществ, существуют также вещество в радиоактивном распаде (полоний, радий, радон, уран, нептун, плутоний и др.), вещество рассеянных атомов (рубидий, цезий, ниобий, тантал образуют соединения на большой глубине в земной коре, иод и бром вступают в реакцию только на поверхности Земли) и вещество космического происхождения.

2 Состав и функционирование биосферы

Главным компонентом биосферы является живое вещество, под которым понимают все живые организмы. Организм – это живое существо определенного уровня биологической организации (ген-клетка-орган-организм-популяция-сообщество). Организмы отличаются от неживой природы определенной совокупностью свойств: клеточной организацией (кроме вирусов и фагов, доклеточных организмов); обменом веществ (метаболизмом), с помощью которого поддерживается гомеостаз организма (самовозобновление, постоянство внутренней среды и др.); движение, раздражимость, рост, развитие, размножение, адаптация и др.

Живое вещество биосферы состоит из организмов 3-х основных типов:

продуценты или автотрофы – организмы, которые для своего существования используют неорганические источники, т.е. создают органическое вещество за счет утилизации солнечной энергии, воды, углекислого газа и минеральных солей; к этому типу относятся зеленые растения суши и водной среды, сине-зеленые водоросли, некоторые хемосинтезирующие бактерии;

редуценты или деструкторы (также являются гетеротрофами, поскольку не создают органического вещества, а потребляют готовое) – организмы, которые разлагают органическую продукцию отмерших организмов (и продуцентов, и консументов) до простых соединений – воды, диоксида углерода, диоксида азота, минеральных солей (т.е. преобразуют органическое вещество в неорганическое); это бактерии, низшие грибы; количество видов этой группы наименьшее - их насчитывается 75 тыс. видов общей массой 1,8*10 8 т.

Основным движущим фактором развития процессов в биосфере является биохимическая энергия живого вещества. Рассмотрим общую схему биологического круговорота вещества в биосфере.

Схема переноса вещества и энергии в природных экосистемах

СОЛНЦЕ вещество

энергия

ПРОДУЦЕНТЫ КОНСУМЕНТЫ КОНСУМЕНТЫ

1-го порядка 2-го порядка

РЕДУЦЕНТЫ

ХИМИЧЕСКИЕ ВЕЩЕСТВА

продуценты (растения) с помощью фотосинтеза производят органическое вещество, потребляя углекислый газ, воду и энергию

6СО 2 + 6Н 2 О  С 6 Н 12 О 6 + 6О 2 ;

хемопродуценты используют энергию химических реакций (например, серные продуценты – пурпурные бактерии получают необходимые вещества не из воды, а из сероводорода, и вырабатывают органическое вещество; существуют также нитратные, нитритные бактерии);

консументы 1-го порядка (растительноядные животные) потребляют органическую массу растений; консументы 2-го порядка (плотоядные), 3-го (хищные растения, грибы) употребляют в пищу других консументов;

редуценты получают энергию, потребляя органическое вещество продуцентов и консументов, разлагая мертвые тела растений и животных до простых химических веществ (СО 2 , Н 2 О, минеральные вещества), замыкая круговорот веществ в биосфере.

В целом биосфера очень похожа на гигантский суперорганизм, в котором автоматически поддерживается динамическое постоянство физико-химических и биологических свойств внутренней среды и основных функций. Таким образом, биосфера представляет собой систему взаимодействующих между собой организмов и неживых компонентов природы, а не просто их совокупность.

В современном представлении биосфера – это глобальная экосистема, открытая система со своим “входом” и “выходом”. “Вход” – поток солнечной энергии, поступающий из космоса. “Выход” – созданные в процессе жизнедеятельности организмов вещества, которые по различным причинам “выпали” из биологического круговорота. Это так называемый “выход в геологию” – нефть, каменный уголь, осадочные породы и т.д.

При изучении взаимодействия организмов между собой и с окружающей средой используют понятие “экосистема”. Экосистема – это совокупность совместно обитающих разных видов организмов и условий их существования, находящихся в закономерной связи друг с другом. Термин предложен англ. ученым А. Тенсли (1935). Различают экосистемы 4-х уровней:

микроэкосистемы (ствол гниющего дерева; подушка лишайника: водоросли, грибы, мелкие членистоногие);

мезоэкосистемы (лес, пруд, степь, озеро и др.);

макроэкосистемы (континент, океан);

глобальная экосистема (биосфера Земли).

Синонимом понятию “экосистема” является термин “биогеоценоз”, предложенный советским экологом Сукачевым (Влад. Ник.). Согласно определению, биогеоценоз – это участок земной поверхности с относительно однородной растительностью, животным миром, климатическими и почвенными условиями, которые вместе взятые представляют собой компоненты единого организма, связанные между собой обменом веществ и энергии. Понятие биогеоценоз соответствует мезоэкосистеме.

Взаимосвязи живых существ друг с другом и с неживым веществом очень сложны. Количество возможных связей между членами экосистемы определяется формулой:

А= ------------- ,

где А – число связей, N – число видов в экосистеме. Например, N= 1 тыс., А= 1000*999/2  500 тыс. Среди этих многочисленных связей есть чрезвычайно важные, незаменимые. (Вмешательство людей в биосферные связи, о значении которых они имеют приблизительное представление, часто приводит к нежелательным последствиям. Например, в 30-х годах в Норвегии решили уничтожить хищных птиц (полярных сов, ястребов), которые уменьшали поголовье полярной куропатки; охотникам выдавали премии, льготы за уничтожение хищных птиц; среди куропаток вспыхнула эпидемия, которая почти полностью уничтожила этот вид; в данном случае совы и ястребы играли роль санитаров.)

Важнейшие связи – пищевые, энергетические .

Кроме энергетических, пищевых и химических связей, большую роль в биосфере играют информационные связи. Живые существа Земли освоили различные виды информации: зрительную, звуковую, химическую, электромагнитную.

К сожалению, система связей в биосфере пока расшифрована в общих чертах. С позиций кибернетики биосфера – это гигантская система, которая, как и ее составные части - биогеоценозы, описываются как “черный ящик”. Процессы, происходящие внутри его, закодированы природой. Можно с уверенностью сказать, что экосистема в ее основных чертах является саморегулирующейся, самоорганизованной (см. выше – организованность биосферы – одна из важнейших ее особенностей, по Вернадскому). Экологи объясняют самоорганизацию системы информацией, принизывыающей экосистему. Она содержится в живых организмах, в их генетическом коде и способности адаптироваться к смене условий среды.

Указанные выше особенности биосферы (способность к максимальному проявлению жизни, высокая активность живого вещества, способность к саморегуляции и др.) делают ее устойчивой системой. Обобщая результаты исследований в области геологии, палеонтологии, биологии и других естественных наук, Вернадский делает вывод, что “биосфера – стойкая динамическая система, равновесие в которой установилось в основных своих чертах с археозоя и неизменно действует в течение 1,5-2 млрд. лет”. Вернадский доказал, что устойчивость биосферы в течение этого времени проявилась в постоянстве ее общей массы (10 19 т), массы живого вещества, энергии, связанной с живым веществом (4,21*10 18 кДж), а также в постоянстве среднего химического состава живого вещества.

Устойчивость биосферы Вернадский связывает с ее разнообразием. Все функции живых организмов в биосфере (образование газов, окислительные и восстановительные процессы, концентрирование химических элементов и т.п.) не могут выполняться организмами какого-нибудь одного вида, а только их комплексом. Отсюда следует чрезвычайно важное положение, разработанное Вернадским: биосфера Земли сформировалась с самого начала как сложная система с большим количеством видов организмов, каждый из которых исполнял свою роль в общей системе. Без этого биосфера вообще не могла бы существовать, тот есть устойчивость ее существования была сразу заложена ее сложностью.

В соответствии с законом необходимого разнообразия Виннера-Шеннона-Эшби, который считают основным кибернетическим законом, система только тогда обладает стойкостью для блокирования внешних и внутренних воздействий, когда она имеет достаточное внутреннее разнообразие. Таким образом, разнообразие (видовое разнообразие живых организмов, разнообразие природных зон, климатических условий существования, разнообразие среды обитания и др.) – еще одна важная особенность биосферы. Исходя из экосистемных представлений, видовое разнообразие – это не просто арифметическая величина, ниже которой не должен опускаться живой мир. Это реальная потребность каждого существующего на планете вида в трофических цепях биогеоценозов и биосферы в целом. Видовое разнообразие необходимо сберечь для нормального функционирования биосферы.

3 Происхождение и эволюция биосферы

Первыми научными теориями относительно происхождения живых организмов на Земле стали теории А. Опарина и Дж. Холдейна. (Опарин – российский биохимик – в 1923 г. выдвинул гипотезу о возможности возникновения органических соединений без участия живого вещества.) Согласно этим теориям, на заре геологической истории произошел абиогенный синтез, то есть в первых земных океанах, насыщенных разными простыми химическими соединениями, под действием тепла вулканов, разрядов молний и других факторов окружающей среды начался синтез более сложных органических веществ и биополимеров. Сложные молекулы аминокислот случайно объединялись в полипептиды, которые, в свою очередь, дали первые живые существа микроскопических размеров.

У этой гипотезы есть один существенный недостаток. Нет ни одного факта, который подтвердил бы возможность абиогенного синтеза на Земле хотя бы какого-нибудь простейшего живого организма из неживых соединений. Во многих лабораториях мира проведено тысячи опытов по таким синтезам. Американец С. Миллер (1953), исходя из возможного состава первичной атмосферы Земли (азот, аммиак, водород, вода, метан), в специальном устройстве пропускал электрический разряд через смесь газов. Ему удалось получить молекулы некоторых аминокислот (основы белка). Эти опыты были многократно повторены, некоторым ученым удалось получить довольно длинные цепочки простых белков. И все! Ни одного самого простого живого организма никому получить не посчастливилось. Даже если применить сложное оборудование и определенные условия, чего на самом деле на Земле не было.

В последнее время математики подсчитали, что вероятность зарождения живого организма из неживых блоков равна практически нулю. Л. Блюменфельд доказал, что вероятность случайного образования за все время существования Земли хотя бы одной молекулы ДНК (дезоксирибонуклеиновая кислота) составляет 10 -800 .

Противоречат теории абиогенного синтеза и геологические данные. Как бы мы далеко не проникли в глубь геологической истории, на Земле не найдено следов того периода, когда на ней не существовало жизни. Палеонтологи нашли ископаемые остатки довольно сложно организованных существ – бактерий, сине-зеленых водорослей, простых грибков в породах, возраст которых 3,8 млрд. лет (время образования Земли 4-4,5 млрд. лет назад).

Тем не менее, теории абиогенного синтеза широко распространены и популярны в настоящее время. В основе этих теорий лежат некоторые общие принципы: 1) накопление в океане органических веществ, синтезированных абиогенным путем; 2) в зонах концентрации органических веществ возникли молекулы, способные к самокопированию (к репликации); 3) на основе репликаторов сформировались механизмы матричного синтеза (в том числе биосинтез белков), генетический код, что и обеспечило возникновение клеток живого вещества.

Религия рассматривает возникновение жизни на Земле как акт создания ее богом.

Некоторые ученые, в том числе и Вернадский, считают, что живые организмы занесены на Землю из космоса с метеоритами или космическими цивилизациями.

Вернадский был уверен, что жизнь геологически вечна, то есть в геологической истории не было эпохи, когда наша планета была бы неживой. Он также считал, что жизнь – такая же вечная основа Космоса, какими являются материя и энергия. Исходя из представлений о биосфере как о земном, но одновременно и космическом механизме, Вернадский связывал ее образование и эволюцию с организованностью космоса. “Для нас становится понятным, что жизнь есть явление космическое, а не чисто земное”. “… Начала жизни в том Космосе, который мы наблюдаем, не было, поскольку не было начала этого Космоса. Жизнь вечна, как вечен Космос”. (Это подтверждается способностью организмов воспринимать информацию из космоса, чувствительностью организмов к действию электромагнитных полей и др.)

Все эволюционные теории, начиная с Ч. Дарвина, основываются на положении,что развитие идет от простого к сложному, что генетическую информацию контролирует окружающая среда путем естественного отбора наиболее приспособленных индивидов. Однако при этом совсем не учитывается, что лучше всего приспособлены к разнообразным земным условиям именно простейшие существа – прокариоты. Они существовали на Земле без заметных изменений своего строения 3 млрд. лет и за все время своего существования настолько существенно изменили окружающую среду и биосферу в целом, что с появлением новых, сложно организованных организмов вынуждены были отойти на задний план. В настоящее время они процветают там, где никто другой существовать не может: в концентрированных соленых водах некоторых озер, высокотемпературных гидротермальных источниках, даже в ядерных реакторах. Таким образом, наблюдается эволюционный тупик.

Сам создатель теории естественного отбора Дарвин не мог объяснить такого явления, когда в процессе эволюции часто имеют преимущества не наиболее прогрессивные формы. По Дарвину, какая-либо черта закрепляется в последующих поколениях, если благодаря ей организм лучше приспосабливается к условиям жизни. Природная среда сама осуществляет отбор – поэтому он называется естественным. Лучше приспособленная особь имеет больше шансов выжить и дать потомство. Жизнь демонстрирует много исключений из этого правила, даже на примере эволюции самого человека. К жизни должен лучше приспосабливаться более интеллектуально развитый человек, опытный, образованный, поскольку он лучше знает, как надо ориентироваться в тех или иных обстоятельствах, однако статистические данные свидетельствуют, что именно люди профессий, требующих более высокого интеллекта, имеют меньше потомков.

В «Происхождении видов» Дарвин писал, что любой сложный орган возник в результате многочисленных последовательных незначительных изменений. Однако в настоящее время обнаружены тысячи таких органов, которые не соответствуют данному правилу, то есть отсуствует аналог органа у других видов, например, железа, выделяющая яд у змеи, или «конденсатор» у угря, ударяющего электротоком.

Дарвин считал, что каждому виду должен предшествовать почти идентичный ему родительский вид. Однако находки геологов подтверждают, что все виды сменяли друг друга неожиданно резко, почти не изменяясь в процессе существования, и также неожиданно исчезали.

Если бы эволюция действительно происходила путем постепенного изменения тех или иных черт видов с последующим их закреплением, то среди ископаемых остатков организмов должно было быть большое количество промежуточных форм, однако в определенном слое горных пород мы находим остатки только одного вида, а в соседнем с ним слое – другого вида. Объяснить это неполной палеонтологической картиной нельзя – почему исчезли именно промежуточные формы организмов?

Рассмотрим основные этапы эволюции биосферы.

Первыми живыми организмами на Земле были прокаритоы (~ 3 млрд. лет назад) – простейшие организмы, в клетках которых отсутствует ядро: бактерии, сине-зеленые водоросли; они возникли в гидросфере). Прокариоты были анаэробами, т.е. существовали в бескислородной среде (жили глубоко в морях). Необходимые для жизни вещества и энергию они доставали, в основном, используя органические вещества «первичного бульона». Но одновременно с этим или немного позднее некоторые организмы могли получать необходимую энергию за счет химических реакций (в процессе хемосинтеза) или (уже позднее) в результате поглощения и преобразования солнечной энергии (впроцессе фотосинтеза). Первые хемосинтезирующие организмы окисляли серу в сероводороде до молекулярной серы или железо (+2) до железа (+3). Первые фотосинтезирующие бактерии – цианобактерии (синезеленые водоросли). Они из углекислого газа и воды с помощью солнечного света создавали молекулы простых сахаров, выделяя кислород. Кислород накапливался в атмосфере, замещая постепенно метан и аммиак. В океане появились аэробные организмы, которые использовали кислород для окисления глюкозы (для кислородного расщепления простых сахаров). Живое вещество заселило всю гидросеру, включая поверхностные слои океана и его мелководий. Прокариоты оказали огромное влияние на состав атмосферы, гидросферы, литосферы (на увеличение содержания кислорода в атмосфере, ускорение процессов разрушения горных пород, образования почвы и др.).

После прокариотов на Земле появились эукариоты – организмы, в клетках которых содержится ядро (~ 1,5-2 млрд. лет назад). Сначала они были одноклеточные, а потом появились многоклеточные организмы (~ 700 млн. лет назад). Считается, что около 600 млн. лет назад в биосфере начинается важнейший эволюционный процесс – заселение материков живыми организмами. Первыми из них были низшие автотрофные растения. Около 500 млн. лет назад появились сосудистые растения, насекомые. Голосеменные растения появились примерно 350 млн. лет назад, а цветочные (покрытосеменные) растения и млекопитающие животные – в конце юрского периода – около 100 млн. лет назад (в мезозойской эре). В кайнозойской эре: ~ 50 млн. лет назад появились злаковые, ~ 20 млн. лет назад происходит увеличение видового разнообразия млекопитающих, содержание кислорода в атмосфере становится близким к современному.

Таким образом, биосфера сформировалась на ранних этапах развития жизни на Земле, причем очень быстро и в достаточно сложном виде. К. Циолковский считал, что многочисленные виды простейших организмов зародились на Земле одновременно. Эту же мысль подчеркивал и Вернадский.

Чем же обусловлена изменчивость живых существ вообще? Что является движущей силой эволюции? Открытие генетического кода позволило приблизиться к разгадке этой тайны. Оказалось, что в двойной спирали ДНК зашифрованы все сведения об организме, и согласно этой программе происходит его индивидуальное развитие. (Строение генома* (*геном - совокупность генов, содержащихся в одинарном наборе хромосом данного организма) высокоорганизованных организмов очень сложное – в ДНК человека насчитывается 3 млн. пар нуклеотидов** (**нуклеотид – сложное соединение, составная часть нуклеиновых кислот, высокомолекулярных органических соединений, и других биологически активных соединений).) Следовательно, изменчивость организмов, появление новых видов в процессе эволюции, связаны со сменой записей в генетическом коде. Доказано, что генетическая информация нарушается под действием мутагенных факторов – радиации, активных химических веществ, таких как пестициды, температура и т.д. Окружающая среда все больше загрязняется этими факторами вследствие технологической деятельности людей. Возникает вопрос: не готовим ли мы себе «генетическую» катастрофу?

На основании достижений генетики можно предположить, что эволюция органического мира происходит за счет появления мутаций, то есть случайных отклонений в генетической записи под влиянием мутагенных факторов окружающей среды. В случае, если новые свойства выгодны для организма, они закрепляются естественным отбором.

Но: результаты исследований генетиков свидетельствуют, что большинство мутаций вредно для организма. Особи, которые появляются на свет после мутагенного влияния радиации или химикатов, являются бесплодными, нежизнеспособными. Известно также, что искусственно выведенные путем гибридизации новые виды имеют тенденцию со временем «расщепляться» на своих предшественников (гибрид волка и собаки через несколько поколений расщепляется на волка и собаку). Это свидетельствует о том, что организм сопротивляется накоплению ошибок (мутаций) в генетическом коде – включая и механизм ремонта кода. Следует вывод: возникновение нового вида организмов за счет мутаций является маловероятным.

Если сравнить строение какой-нибудь клетки организма человека и клетки простейшего животного (например, инфузории), то нельзя найти принципиальных различий. Однако каждая из клеток высокоорганизованных существ, кроме своих обычных функций (дыхание, обмен веществ), выполняет также определенные специальные функции, связанные с жизнедеятельностью организма. В изолированном состоянии клетка высокоорганизованного организма жить не может, она функционирует лишь в сотрудничестве и кооперации с другими клетками.

Программа функционирования клетки с самого начала записана в ее хромосомной структуре, содержится в генах.

Изучение эволюции биосферы позволяет сделать вывод, что каждое живое существо рождается, развивается, выполняет свою программу жизни как составная часть огромного сверхорганизма – биосферы. Она, в свою очередь, является порождением космического надорганизма – Галактики. А все галактики являются как-бы клеточками сверх-сверхорганизма - Космоса.

К. Циолковский так подытожил свои размышления о нас и нашем месте в Космосе: «Все порождено Вселенной. Она – начало всех вещей, все от нее зависит. Человек и его воля есть лишь проявление воли Вселенной… ни один атом Вселенной не избегает ощущения высшей разумной жизни. Возможно, что вопрос «Что породило Вселенную?» вообще нельзя ставить». Циолковский считал, что о причине Космоса можно только догадываться.

Как осуществляется программа эволюции биосферы, нам известно лишь в общих чертах. В частности, определено, что в целом, процесс эволюции можно рассматривать как увеличение объема генетической информации. Например, объем информации у млекопитающих в 100 тыс. раз больше, чем у бактерии. Причем большое значение имеют не только размеры генетической цепочки, но и ее структура. Еще эволюция биосферы свидетельствует, что при любом воздействии на биосферу (природном или антропогенном) ее гомеостаз обеспечивается за счет сохранения биологического разнообразия.

Можно констатировать еще одну черту эволюции биосферы – ее нарастающий темп. Так, если условно принять возраст Земли (4,5 млрд. лет) за одни сутки (24 часа), то в таких единицах жизнь на Земле существует примерно 20 часов, первые живые организмы вышли из моря на сушу 6 часов 35 минут назад, млекопитающие существуют 3 часа 46 минут, человек - последние 10 секунд. И наибольшие изменения в составе и характеристике биосферы произошли именно в эти 10 секунд.

4 Эволюция человека. Ноосфера

Появление на Земле Разума, носителем которого является человек, коренным образом изменила ход эволюции биосферы. Как считают некоторые ученые, и в том числе известный биолог и писатель-фантаст И. Ефремов, только человек в земных условиях мог стать носителем разума. (Писатели-фантасты: Саймак – разумные цветы, Стругацкие – собаки, Лем – мыслящий океан протоплазмы. Американский биолог Билински считает, что при определенных условиях на Земле могли появиться разумные рептилии, осьминоги.) Для этого у человека есть все необходимое: могучие органы чувств и, прежде всего, зрение, которое может охватить большое пространство, точно фиксировать предметы; развитые конечности, способные выполнять работу; форма человека, его черты как мыслящего животного не случайны, они больше всего соответствуют организму, который имеет огромный думающий мозг. Что значит «огромный мозг»? Большинство антропологов сегодня считает, что есть определеннный минимум мозга, ниже которого его хозяин не может стать разумным. Это 700-750 см 3 . Однако, с дщругой стороны, масса мозга не является единственным условием для животного стать разумным. Еще большее значение имеет его структура, в частности, внутренняя структура коры мозга.

У современных людей объем мозга колеблется в пределах 1200-2000 см 3 . Ученые установили, что потенциальные возможности человеческого мозга на много порядков превышают физиологические потребности. Развитие мозга первых гомоноидов происходило намного быстрее, чем этого требовали изменения окружающей среды. Современного уровня сложности мозг человека достиг задолго до того, как возникли культура и цивилизация. По некоторым подсчетам, мозг современного человека используется не более чем на 2-3% своих потенциальных возможностей. Похоже на то, что эволюция человека заблаговременно предвидела будущие потребности человека и наделила его таким «компьютером», основные узлы которого заблокированы и будут задействованы когда-либо потом.

С генетической точки зрения ближайшим родственником человека в животном мире являются обезьяны. По строению молекулы ДНК человека и шимпанзе отличаются только на 2%. По подсчетам генетиков человек отделился от человекообразных приматов около 5 млн. лет назад. Но предшественники людей –австралопитеки, а затем – неандертальцы и синантропы – не являются нашими предками. Сейчас ученые считают, что эволюция человека современного вида началась намного ближе к настоящему времени, чем считалось раньше. Около 200 тыс. лет назад, пока еще неизвестно, по какой причине, на юге Африки появилась небольшая группа людей современного типа (кроманьонцы), потомки которых через 100 тыс. лет заселили Африку, а затем расселились по всему миру (через Суэцкий перешеек попав в Евразию). Они отличались от неандертальцев высоким ростом, стройным телом, высоким лбом, но меньшей физической силой. Некоторое время рядом с Гомосапиенс жили неандертальцы, но они не выдержали конкуренции с разумными существами. С течением времени неандертальцы не развивались, а деградировали, так как более поздние неандертальцы стоят дальше от современного человека, чем ранние. Это тупиковая ветвь (так же, как и синантропы и др. формы древних гомоноидов).

Прародина человека установлена на основе изучения ДНК разных расовых групп. Большая часть ДНК сосредоточена в ядрах клеток. В каждом поколении ядерная ДНК меняется, когда перетасовываются наследственные линии отца и матери. Но в клетках есть ДНК метахондрий (специальных образований, которые обеспечивают клетку энергией). ДНК метахондрий наследуются только по материнской линии, т.е. эта ДНК может меняться только в результате случайных мутаций. Американские биологи на основе анализа ДНК метахондрий установили, что у всех современных людей различных регионов предок один, и, кроме этого, в руки специалистов попали также «генетические» часы - вследствие мутаций ДНК меняет структуру на 3% за 1 млн. лет. Таким образом, найдено, что самая старая ДНК у африканок (200 тыс. лет), более молодая – у азиаток (100 тыс. лет), самая молодая – у европеек (50 тыс. лет). Следовательно, миграция людей шла из Африки в Азию, а затем в Европу; расовые отличия людей возникли относительно недавно.

Эволюция человека необычна. В отличие от всех других организмов, человек использует огонь, орудия труда, жилища, одежду, другие средства и приемы, чтобы создавать собственную стабильную среду. Человеку не нужно изменять свою организацию под воздействием изменений в окружающей среде. Поэтому его физическая эволюция практически остановилась. Сохраняя свою внутреннюю среду, человек дальше все в больших масштабах изменяет окружающую среду. Учитывая потенциальные возможности человеческого мозга, можно представить возможности человека для самоусовершенствования и развития интеллекта.

Человек в биосфере Земли является новым фактором. Человек не просто влияет на окружающую среду, но изменяет и с большой скоростью структуру самих основ биосферы. В связи с этим возникает понятие ноосфера. Понятие «ноосфера» появилось в связи с оценкой роли человека в эволюции биосферы.

С появлением человека в биосфере и его эволюцией связано понятие «ноосфера».

Впервые термин ноосфера был предложен в 30-е годы французскими философами и естествоиспытателями (Тейяр де Шарден, Ле-Руа). В буквальном смысле термин означает «сфера разума» (ноос – разум).

Ноосфера – это высшая стадия развития биосферы, связанная с возникновением и становлением в ней цивилизованного общества, с периодом, когда разумная деятельность человека становится главным, определяющим фактором развития. Научная мысль и деятельность человека изменили структуру биосферы, обусловили физические и химические изменения всех ее оболочек (атмосферы, литосферы, гидросферы).

Понятие «ноосфера» наполнил смыслом и развил Вернадский, в частности, в 1944 г. в статье «несколько слов о ноосфере», опубликованной перед его смертью, ученый приводит свои мысли о дальнейшем развитии биосферы и ее переходе в новое качество – ноосферу. Вернадский подчеркивал особую роль живого вещества в планетарных процессах, в создании и развитии биосферы. Среди всех живых существ он выделил человека как мощную гелогическую силу, способную оказывать влияние на ход различных процессов в охваченной ее воздействием среде Земли и околоземном пространстве. Человек способен перестраивать эту среду согласно своим представлениям и потребностям (благодаря человеческому труду, интеллекту).

Действительно, за последние 500 лет человечество освоило новые формы энергии – паровую, электрическую, атомную; научилось использовать почти все химические элементы. Человек проник в глубь земли и поднялся на десятки километров над ее поверхностью, вышел в открытый космос, построил космические станции.

Человечество освоило всю биосферу и получило значительно большую, чем другие организмы, независимость от окружающей среды. Согласно Вернадскому, ноосфера – окружающая человека среда, в которой природные процессы обмена веществ и энергии контролируются обществом. Человек, по мнению Вернадского, является частью биосферы, ее определенной функцией. Вместе с тем, воздействие человека на природу по своему характеру резко отличается от других форм живого вещества. Поскольку некоторые изменения в биосфере, произошедшие под влиянием деятельности человека, являются нежелательными для людей, Вернадский считает, что они должны приложить определенные усилия, чтобы, например, сберечь некоторые виды растений и животных. Причем, сохранить в биосфере следует только то, что является полезным и выгодным людям. В целом среда является чужой для человека и его культуры, оказывает на человека давление. Биосфера рассматривается как строительный материал для создания ноосферы. Разум человека в будущем будет основной руководящей силой развития ноосферы.

Подход Вернадского к этой проблеме является по сути рационалистическим. Ноосфера в представлении Вернадского является фактически синонимом той техносферы, которая сегодня создается на Земле. Сейчас в пределах ноосферы выделяют: техносферу – совокупность искусственных объектов, созданных антропогенной деятельностью, и природных объектов, измененных этой деятельностью; антропосферу – совокупность людей как организмов; социосферу – сферу общественной производственной деятельности, общественных отношений.

Вернадский полагал, что человек с помощью разума может управлять процессами в биосфере. «На определенном этапе своего развития человек вынужден взять на себя ответственность за дальнейшую эволюцию планеты, иначе у него не будет будущего». Действительно, человек достиг больших достижений: вышел в космос, овладел тайнами термоядерной энергии, научился клонировать животных. Однако 50 лет спустя после выхода работ Вернадского оказалось, что развитие техносферы способствует разрушению биосферы, в частности ее основных, жизненно важных для существования человека участков. И теперь очевидно, что эволюция человеческого общества должна быть направлена не на завоевание природной среды, а на ее гармонизацию. (Гирусов: ломка развития человеческой деятельности должна идти не вопреки, а в унисон с организованностью биосферы, ибо человечество, образуя ноосферу, всеми своими корнями связано с биосферой.)

По современным представлениям, ноосфера – сфера гармонического взаимодействия природы и общества. Это идеальный вариант будущего. Определяющим фактором функционирования ноосферы является не стихийное природное развитие, а высокий интеллект человека, разум, мудрость. Основой ноосферного процесса должен стать переход человечества к социальной автотрофности (обеспечение энергетическими ресурсами и сырьем на основе целостности общественного производства и биотехнологии – многократное повторное использование природных и синтезированных веществ и материалов). Для перехода к ноосфере необходимо преодолеть конфликт между циклическим и безотходным характером биогенных процессов обмена веществ и энергии. Необходимо преодолеть потребительский подход к природе, консерватизм мышления, создать более совершенные технологии производства, перейти к разумному, рациональному хозяйствованию.

Ноосфера подразумевает также жизнь людей в мире без войн и социальных катаклизмов, в мире материального достатка, экологически безопасных продуктов, незагрязненной окружающей среде.

Сегодня абсолютно нереальной выглядит идея Вернадского, в соответствии с которой разум человека может управлять всеми процессами в биосфере. Ю. Одум считает (1986), что несмотря на возможности и способности человеческого разума к управлению природными процессами, тем не менее, еще рано говорить о ноосфере, так как человек не может предугадать все последствия своих действий. Об этом свидетельствует множество возникших экологических проблем на нашей планете.

Ряд ученых (Куражковский, 1992) полагают, что правильно говорить в настоящее время о сущетсвовании начальных стадий развития ноосферы, имеющих принципиальные отличия от ее будущего состояния. Современный русский философ В. Кутирев считает, что ноосфера как гармония – это типичный пример утопии.

Дайте определение науке «экология».

Назовите основные разделы традиционной экологии.

Кто и когда ввел термин «экология» ?

Когда экология сформировалась как самостоятельная дисциплина?

На какие периоды можно разделить историю развития экологии?

Что изучает современная экология?

Что такое «глобальный экологический кризис» ?

Какими основными явлениями отмечен современный глобальный экологический кризис?

Что включает понятие «природная среда» ?

Из каких сфер состоит атмосфера?

Назовите характерные особенности тропосферы и стратосферы.

В какой сфере располагается озоновый слой?

Каков химический состав атмосферы?

Каковы основные экологические функции атмосферы?

Что такое «литосфера» ?

Как образуется почва?

Из каких компонентов состоит почва?

Каковы основные экологические функции литосферы в целом и почвы в частности?

Что включает «гидросфера» ?

Каковы запасы пресной воды на Земле?

Назовите основные экологические функции гидросферы.

Дайте понятие «биосферы».

Каковы основные особенности биосферы (по Вернадскому) ?

Назовите основные количественные характеристики биосферы.

Что является основным компонентом биосферы?

Каковы особенности живого вещества?

Назовите основные типы вещества биосферы, приведите примеры.

Каковы границы биосферы?

Дайте определение понятиям «продуценты», «консументы», «редуценты».

Что представляет собой общая схема переноса вещества и энергии в биосфере?

Приведите основные характеристики продуцентов, консументов, редуцентов.

Какие существуют гипотезы о происхождении жизни на Земле?

Дайте краткую характеристику основных этапов эволюции биосферы.

Чем эволюция человека отличается от эволюции других живых организмов?

Что такое «ноосфера» ?

Кто и когда ввел понятие «ноосфера» ?

Показатели современной экологической обстановки на планете оставляют желать лучшего, и сегодня особенное внимание уделяется взаимоотношению человечества и биосферы. Засорение биосферы давно стало первопричиной многочисленных болезней, преждевременного старения и смерти. Основной задачей современного общества является воспрепятствование необратимым изменениям, связанным с загрязнением внешней среды. Постоянное развитие общества и прогресс стимулирует количественный и качественный рост загрязнения биосферы.

Представлением о биосфере человечество обязано австрийскому учёному геологу Эдуарду Зюссу, которой ввёл это понятие в 1875 году.

Положение о биосфере характеризуется наличием двух аспектов: с одной точки зрения биосфера представляет собой специфическую оболочку всего земного пространства, а с другой биосфера является глобальной экосистемой.

Совокупность компонентов характеризует биосферу как нижнюю часть атмосферы, гидросферу и верхнюю часть литосферы. Все составляющие населены живыми организмами, или исходя из выражения В. И. Вернадского являют собой область распространения живого вещества.

Состав, строение, слои и границы биосферы

Возникшая почти четыре миллиарда лет назад сегодняшняя биосфера охватывает около трёх миллионов видов живых организмов; их остатки; атмосферные зоны; гидросферу и литосферу, которые населены и видоизменены этими живыми организмами. Вся совокупность живых организмов на нашей планете названа В. И. Вернадским живым веществом и рассматривается как его основные характеристики суммарной массы, химического состава и энергии.

Состав биосферы кроме живого вещества включает

биогенное вещество, состоящее из продуктов жизнедеятельности всех живых организмов;
биокосное вещество, объединяющее продукты распада, а также почву, кору выветривания и природную воду;
косное вещество как совокупность веществ, образованных без участия живых организмов.

Исходя из вышеперечисленного, биосфера является областью Земли, охваченной влиянием живого вещества. Места, где наблюдается наибольшая концентрация организмов в биосфере, были названы плёнками жизни.

Распространение современной жизни охватывает верхнюю часть земной коры, или литосферу; нижние слои воздушной оболочки, или атмосферу; водную оболочку, или гидросферу.

Артебиосфера является пространством экспансии человека в околоземное пространство.

Мегабиосфера представляет общий слой по воздействию жизни на всю неживую природу.

Панбиосфера - совокупность мегабиосферы и артебиосферы.

Биосфера включает в себя следующие слои:

аэробиосфера,
геобиосфера,
гидробиосфера.

Показатели верхней границы в атмосфере равны 15–20 км. В атмосфере граница жизни определяется показателем ультрафиолетового излучения - радиации .

Показатели нижней границы в литосфере равны 3,5–7,5 км. Жизнь в литосфере ограничивается температурой подземных вод и горных пород.

Разграничение между литосферой и атмосферой в гидросфере составляет порядка 10 км.

Граница фиксируется на дне Мирового океана и включает донные отложения.

Динамика и ресурсы биосферы

Закономерные изменения, происходящие в состоянии среды обитания всех живых организмов, а также состояние этих организмов представляют динамику современной биосферы.

Регулярная инверсия погодных условий служит основным источником многочисленных колебательных преобразований в биосфере. Современная динамика биосферы давно находится под влиянием человеческой деятельности. По мнению Ю. Н. Куражковского, отличием от естественных и экологических факторов служит преобладание не колебательных, а преимущественно поступательных изменений, происходящих в природе.

Пример: прогресс в области водного транспорта требует расширения и модернизации каналов, которые соединяют различные системы рек. Такой процесс стимулирует обменные процессы фауны и флоры между разными водными бассейнами. Колебательные явления в природе, основанные на человеческой деятельности, наблюдаются крайне редко. Они представлены либо ритмическими, часто многолетними процессами смены растительных культур в севообороте, либо аномальными явлениями.

Экологические проблемы биосферы

В наше время флора Земли, в частности Северной Америки, нуждается в защите. Иначе растения так и будут вымирать.

Будущее биосферы

Невозобновляемые ресурсы биосферы и сейчас способны образовываться в процессе геохимических явлений, протекающих в условиях недр, океанических глубин и на поверхности земной коры. Скорость их генерирования в условиях земной коры или ландшафтной сферы несравнимо ниже, чем темп потребления человечеством. Значительное видоизменение биосферы наблюдается с момента активного использования человеком в целях удовлетворения индустриальных потребностей внешней для биосферы энергии - невозобновляемой энергии ископаемого топлива.

Допроизводственная эпоха характеризовалась использованием человеком для своей жизнедеятельности исключительно возобновимых ресурсов биосферы в форме её продукции. Со временем биосфера становилась более неустойчивой, и этот процесс прогрессирует с каждым годом. Зафиксировано наличие нескольких трагичных для всего человечества несвоевременных изменений в состоянии биосферы, и значительная часть из них связана с разнообразной деятельностью человечества.

Желание удовлетворить растущие потребности, несмотря на обеднение значительной части ресурсов биосферы, влечёт генетические изменения флоры и фауны, массовое разведение и распространение монокультур и домашних животных. Такие процессы приводят к секвестированию биологического многообразия видов и искажению экосистем.

Сохранение биосферы

В течение последних десятилетий результатом форсированного развития человечества стали существенные искажения естественных параметров биосферы. В огромных масштабах происходит загрязнение природной среды и истощение ресурсов биосферы. Эти процессы должны стать предметом для целостного изучения экологической проблемы. Такая задача является приоритетной для нового направления экологии - социальной экологии, которая определяет безопасную стратегию по преобразованию деятельности общества в соответствующие нормативы человеческой жизнедеятельности.

Решение проблемы должно базироваться на перевороте в человеческих умах, пересмотре духовных, моральных, а также интеллектуальных ценностей. Биосфера должна выступать в качестве основы жизни, а не источника ресурсов . Необходимо использовать экологическое нормирование, основанное на научно обоснованном ограничении влияния любой деятельности на биоресурсы. Такая стратегия учитывает социально-экономические интересы человечества и экологические потребности, она поможет справиться с .

Крупнейшим обобщением в комплексе наук о Земле (геология, география, геохимия, биология) стало учение о биосфере, созданное русским ученым В. И. Вернадским. Начав свою научную деятельность (как геолог) с изучения осадочных пород земной коры, В. И. Вернадский выявил огромную роль живых организмов в сложных геохимических процессах нашей планеты. В 1926 г. вышла его книга «Биосфера». В этом произведении глубоко анализируются сложные взаимоотношения живых организмов и неживой природы Земли. Его работа несколько опередила время. Лишь во второй половине ХХ в., на фоне обострения экологических проблем, его учение о биосфере получило широкое распространение.

Важным элементом учения В. И. Вернадского о биосфере является идея тесной зависимости биосферы от деятельности человека и сохранности ее в результате разумного отношения человека к природе. Ученый писал:

Человечество, взятое в целом, становится мощной геологической силой. Перед ним, перед его мыслью и трудом становится 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. 1

В настоящее время учение о биосфере представляет собой важнейшую часть экологии, непосредственно связанную с проблемами регулирования взаимодействия человека и природы.

Впервые термин «биосфера» был употреблен Ж. Б. Ламарком в начале XIX в. Позднее он был упомянут в работе австрийского геолога Э. Зюсса в 1875 г. Однако это понятие не было детально разработано названными учеными, а использовано вскользь для обозначения области жизни на Земле. Лишь в работах В. И. Вернадского оно анализируется детально и тщательно и под ним понимается «оболочка жизни» на нашей планете.

Биосферой называют совокупность всех живых организмов нашей планеты и те области геологических оболочек Земли, которые заселены живыми существами и подвергались в течение геологической истории их воздействию.

Границы биосферы. Живые организмы неравномерно распространены в геологических оболочках Земли: литосфере, гидросфере и атмосфере (рис. 1). Поэтому биосфера сейчас включает верхнюю часть литосферы, всю гидросферу и нижнюю часть атмосферы.

Рис. 1. Область распространения организмов в биосфере: 1 - уровень озонового слоя, задерживающего жесткое ультрафиолетовое излучение; 2 - граница снегов; 3 - почва; 4 - животные, обитающие в пещерах; 5 - бактерии в нефтяных скважинах

Литосфера это верхняя твердая оболочка Земли. Ее толщина колеблется в пределах 50–200 км. Распространение жизни в ней ограниченно и резко уменьшается с глубиной. Подавляющее количество видов сосредоточено в верхнем слое, имеющем толщину в несколько десятков сантиметров. Некоторые виды проникают в глубину на несколько метров или десятков метров (роющие животные - кроты, черви; бактерии; корни растений). Наибольшая глубина, на которой были обнаружены некоторые виды бактерий, составляет 3–4 км (в подземных водах и нефтеносных горизонтах). Распространению жизни в глубь литосферы препятствуют различные факторы. Проникновение растений невозможно из-за отсутствия света. Для всех форм жизни существенными препонами служат и возрастающие с глубиной плотность среды и температура. В среднем температурный прирост составляет около 3 °С на каждые 100 м. Именно поэтому нижней границей распространения жизни в литосфере считают трехкилометровую глубину, (где температура достигает около +100 °С).

Гидросфера - водная оболочка Земли, представляет собой совокупность океанов, морей, озер и рек. В отличие от литосферы и атмосферы она полностью освоена живыми организмами. Даже на дне Мирового океана, на глубинах около 12 км, были обнаружены разнообразные виды живых существ (животные, бактерии). Однако основная масса видов обитает в гидросфере в пределах 150–200 м от поверхности. Это связано с тем, что до такой глубины проникает свет. А следовательно, в более низких горизонтах невозможно существование растений и многих видов, зависящих в питании от растений. Распространение организмов на больших глубинах обеспечивается за счет постоянного «дождя» экскрементов, остатков мертвых организмов, падающих из верхних слоев, а также хищничества. Гидробионты обитают как в пресной, так и в соленой воде и по месту обитания делятся на 3 группы:

1) планктон - организмы, живущие на поверхности водоемов и пассивно передвигающиеся за счет движения воды;

2) нектон - активно передвигающиеся в толще воды;

3) бентос - организмы, обитающие на дне водоемов или зарывающиеся в ил.

Атмосфера - газовая оболочка Земли, имеющая определенный химический состав: около 78 % азота, 21 - кислорода, 1 - аргона и 0,03 % углекислого газа. В биосферу входят лишь самые нижние слои атмосферы. Жизнь в них не может существовать без непосредственной связи с литосферой и гидросферой. Крупные древесные растения достигают нескольких десятков метров в высоту, располагая вверх свои кроны. На сотни метров поднимаются летающие животные - насекомые, птицы, летучие мыши. Некоторые виды хищных птиц поднимаются на 3–5 км над поверхностью Земли, высматривая свою добычу. Наконец, восходящими воздушными потоками пассивно заносятся на десятки километров вверх бактерии, споры растений, грибов, семена. Однако все перечисленные летающие организмы или занесенные бактерии лишь временно находятся в атмосфере. Нет организмов, постоянно живущих в воздухе.

Верхней границей биосферы принято считать озоновый слой, располагающийся на высоте от 30 до 50 км над поверхностью Земли. Он защищает все живое на нашей планете от мощного ультрафиолетового солнечного излучения, в значительной мере поглощая эти лучи. Выше озонового слоя существование жизни невозможно.

Таким образом, основная часть видов живых организмов сосредоточена на границах атмосферы и литосферы, атмосферы и гидросферы, образуя относительно «тонкую пленку жизни» на поверхности нашей планеты.

Строение и функционирование биосферы. Биосфера - это глобальная экологическая система , состоящая из множества экосистем более низкого ранга, биогеоценозов, взаимодействием которых друг с другом и обусловлена ее целостность. Действительно, биогеоценозы существуют не изолированно - между ними существуют непосредственные связи и отношения. Например, в водные биогеоценозы ветром, дождями, талыми водами выносятся из наземных экосистем минеральные и органические вещества. Может происходить перемещение организмов из одного биогеоценоза в другой (например, сезонные миграции животных). И наконец, всех объединяет атмосфера Земли, служащая общим резервуаром для живых существ. В нее поступают кислород (выделяемый растениями в процессе фотосинтеза) и углекислый газ (образуемый в процессе дыхания аэробных организмов). Из атмосферы же растения всех экосистем черпают углекислый газ, необходимый им в процессе фотосинтеза, а все дышащие организмы получают кислород.

Существование биосферы базируется на непрерывно осуществляющемся круговороте веществ, энергетической основой которого является солнечный свет (рис. 2).

Рис. 2. Схема биогеохимической цикличности в биосфере. Справа на схеме разрез дерново-подзолистой почвы под хвойным лесом

Круговорот веществ в природе между живой и неживой материей - одна из наиболее характерных особенностей биосферы. Биологический круговорот - это биогенная миграция атомов из окружающей среды в организмы и из организмов в окружающую среду. Биомасса выполняет и другие функции:

1) газовая - постоянный газообмен с внешней средой за счет дыхания живых организмов и фотосинтеза растений;

2) концентрационная - постоянная биогенная миграция атомов в живые организмы, а после их отмирания - в неживую природу;

3) окислительно-восстановительная - обмен веществом и энергией с внешней средой. При диссимиляции окисляются органические вещества, при ассимиляции используется энергия АТФ;

4) биохимическая - химические превращения веществ, составляющие основу жизнедеятельности организма.

Окружающее пространство человек привычно называет природой или средой обитания. Большинство из нас получило фундаментальные знания об этом понятии на школьных уроках: природоведение (3 класс), география и биология (4), анатомия и химия (6). Но немногие понимают, каким образом эти науки объединены, кроме того, что все они относятся к области естествознания. Для обобщения всех знаний человека об окружающем мире создано одно емкое название - биосфера. Несмотря на многолетние исследования и тщательное изучение, планета Земля еще дает повод ученым задуматься о процессах, происходящих на ней.

Определение

Что называют биосферой? Толкований данного термина можно найти в литературе достаточно много, и все они отличаются по содержанию, но практически идентичны по смыслу. Наиболее часто биосферой называют глобальную экосистему планеты, в которую человек входит в качестве одного из немногочисленных видов. Если переводить название «биосфера» дословно с древнегреческого языка, то оно имеет два корня. "Сфера" обозначает "область, сфера, шар", а корень "биос" переводится как "жизнь". Получается достаточно емкое и точное название, которое, по сути, и дает определение сложной и многогранной науке. В. И. Вернадский дает расширенный ответ на вопрос о том, что называют биосферой. Он определяет это понятие как комплекс научных знаний о Земле, в который входит география, геохимия, биология, геология. Биосфера - это совокупность которые объединяются по принципу наличия живых существ и среды их обитания. Все сферы различны по составу, функциям и свойствам, но каждая их них играет значительную роль в существовании и эволюции окружающего нас мира.

Учение о биосфере

Создал целостную систему знаний философ, ученый, геолог и биохимик В. И. Вернадский. До начала XX века существовала масса исследовательских работ по изучению Земли и процессов, происходящих на ней, но углубить и обобщить данный материал удалось великому русскому ученому. В начале XIX века французский естествоиспытатель Ламарк определил начальную концепцию будущей науки, но не дал ей название. Австрийский палеонтолог и геолог Эдуард Зюсс в 1875 году предложил термин «биосфера», который используется до сегодняшнего дня. Он определит эту науку как знания обо всем живом на нашей планете. Только через 50 лет Вернадский докажет взаимосвязь живых организмов и их круговорот. Что называют биосферой на современном этапе? Это одна из оболочек планеты, в которой взаимодействуют природные элементы различного происхождения, именно их совокупность создает уникальную, сбалансированную систему.

Атмосфера

Наружная воздушная оболочка планеты Земля. Большая часть ее массы сосредоточена у самой поверхности, а в высоту она простирается на три тысячи километров. Атмосфера является наиболее легкой из всех оболочек, она не покидает поверхность только благодаря силе притяжения планеты, но с увеличением высоты ее слои постепенно разряжаются. обеспечивает защиту от радиоактивного солнечного воздействия, снижая уровень ультрафиолета, который попадает на землю. В состав атмосферы входят газы: углекислый, азот, кислород, аргон, которые обеспечивают существование живых организмов.

Гидросфера

Биосфера Земли включает в себя часть водной оболочки планеты. Ее состав разнится по агрегатному состоянию вещества. Гидросфера объединяет все водные ресурсы на планете, которые могут находиться в жидком, газообразном и твердом виде. Поверхностные слои Мирового океана служат для перераспределения тепла, поступающего от Солнца через атмосферу. Особое значение вода имеет в процессе круговорота веществ в природе, так как является наиболее мобильной фракцией. Организмы биосферы полностью освоили водную стихию, их можно обнаружить в самых глубоких придонных впадинах Мирового океана и в арктических ледниках. В химический состав гидросферы входят следующие основные элементы: магний, натрий, хлор, сера, углерод, кальций и т. д.

Литосфера

В нашей Солнечной системе не у всех планет есть твердая оболочка, Земля в этом случае является исключением. Литосфера - это огромная масса горных (твердых) пород, которые составляют часть суши и служат в качестве ложа Мирового океана. Толщина этой оболочки Земли составляет от 70 до 250 километров, ее состав наиболее разнообразен по количеству алюминий, железо, кислород, магний, калий, натрий и т. д.), которые необходимы для существования всех живых организмов. Данная геосфера характеризуется наименьшим по ширине слоем распространения жизни. Наиболее освоенным является верхний слой литосферы, который составляет несколько метров. По мере углубления возрастает температура и плотность твердой оболочки, которые наряду с отсутствием света не дают возможности существования живым организмам.

Биосфера

Данная геосфера объединяет все оболочки Земли (гидросферу, атмосферу и литосферу) наличием в них живого вещества. Для всего человечества роль биосферы переоценить сложно, она является окружающей средой и источником возникновения. Это комплексная система взаимосвязей, которые обуславливают возможность существования любого организма за счет обмена веществом и энергией. Более 40 химических элементов участвуют в процессе круговорота, который постоянно происходит между органическими и неорганическими соединениями. Основным источником энергии является Солнце. Земля расположена на оптимальном расстоянии от звезды и снабжена защитным барьером в виде атмосферы. Поэтому наряду с живым веществом солнечная энергия является важнейшим биохимическим фактором существования биосферы. За счет воздействия ряда факторов происходящие процессы имеют законченный циклический вид, они обеспечивают круговорот вещества между атмосферой, литосферой, гидросферой и живыми организмами.

Границы биосферы

При анализе протяженности оболочки биосферы можно увидеть ее неравномерное распространение. Нижняя граница расположена в слоях литосферы, она не опускается ниже значения 4 км. Верхний слой земной коры - почва - является наиболее насыщенным по плотности содержания живого вещества слоем биосферы. Гидросфера, включающая в себя просторы Мирового океана, реки, озера, болота, ледники полностью входит в состав «живой оболочки». Самые высокие концентрации организмов наблюдаются в поверхностных и прибрежных слоях водоемов, но жизнь существует и в глубоководных впадинах, на максимальной глубине более 11 км, и в придонных отложениях. Верхняя граница биосферы находится на расстоянии 20 км от поверхности. Атмосфера ограничивает «живой слой» озоновым щитом, выше которого организмы будут уничтожены коротковолновым ультрафиолетовым излучением. Таким образом, максимальная концентрация живого вещества находится на границах литосферы и атмосферы.

Состав

Учение о биосфере создал В. И. Вернадский, он же определил ключевую роль организмов при формировании и функционировании «живой оболочки» Земли. Ранее к аналогичным выводам приходили и другие ученые, но русский естествоиспытатель смог доказать необходимость присутствия в структуре неорганических соединений, которые также участвуют в общем круговороте. По его мнению, биосфера имеет следующий состав:

Живые организмы (биологическая масса, совокупность всех видов).
Биогенное вещество (создается в процессе жизнедеятельности живых организмов, является продуктом их переработки).
(неорганические соединения, которые создаются без участия живых организмов).
Биокосное вещество (образуется совместно живыми организмами и косным веществом).
Вещество, имеющее космическое происхождение.
Рассеянные атомы.

История возникновения

Миллиарды лет назад образовалась твердая оболочка Земли - литосфера. Дальнейший этап формирования того, что называют биосферой, происходил за счет геологических процессов, которые двигали тектонические плиты, вызывали извержения вулканов, землетрясения и т. д. После образования стабильных геологических форм наступил черед возникновения живых организмов. Они получили возможность развития за счет активных выбросов различных биохимических элементов, которые происходили при формировании литосферы. Живое вещество несколько миллионов лет создавало приемлемые для жизнедеятельности условия. За счет его поэтапной эволюции образовался газовый состав атмосферы. Постоянное взаимодействие органических и неорганических соединений под воздействием энергии Солнца дало возможность живому веществу распространиться на всей территории планеты и значительно изменить ее облик.

Эволюция

Первые живые организмы на Земле появились в гидросфере, их постепенный выход на сушу длился достаточно длительный период. Освоение еще одной оболочки биосферы - литосферы, стало причиной образования озонового слоя. За счет процесса фотосинтеза огромная биологическая масса поглощала из атмосферы углекислый газ и освобождала кислород. В этом случае живое вещество использует практически энергии - Солнце. Аэробные организмы, которым не хватало органических веществ в толще гидросферы, вышли на поверхность суши и значительно ускорили процесс эволюции за счет энергетического кругооборота. В настоящее время «живая оболочка» Земли находится в состоянии стабильного равновесия, но человечество оказывает на нее все большее негативное влияние. Создается новая сфера земли - ноосфера, она подразумевает более гармоничное содействие человека и природы, но это отдельная и очень интересная для изучения тема. Биосфера продолжает функционировать, несмотря на значительное уменьшение биомассы, «живая оболочка» стремится компенсировать вред, нанесенный деятельностью человека. Как показывает история, этот процесс может занять значительный промежуток времени.

Биохимические функции

Основной компонент в структуре биосферы - биомасса. Она выполняет все биохимические функции «живой оболочки», поддерживает ее состав в состоянии равновесия, обеспечивает процесс круговорота веществ и энергии. Газовая функция поддерживает оптимальный состав атмосферы. Она осуществляется за счет фотосинтеза растений, которые выделяют кислород и поглощают углекислый газ. Живые организмы при выдыхании и в процессе разложения выделяют СО 2 . Газообмен происходит постоянно, неорганические соединения принимают в нем участие при прохождении химических реакций. Энергетическая функция заключается в усвоении и преобразовании биомассой (растения) внешнего источника - солнечного света. Концентрационная функция обеспечивает накопление Все организмы в процессе жизнедеятельности накапливают необходимый уровень содержания биохимических элементов, который после их смерти возвращается в биосферу в виде органических и неорганических соединений. Окислительно-восстановительная функция заключается в биохимической реакции. Она происходит в процессе жизнедеятельности живого организма и является необходимым звеном круговорота веществ.

Биомасса

Все живые организмы распределены по земным сферам неравномерно. Наибольшая концентрация биомассы наблюдается на стыках геосфер планеты. Это происходит за счет образования оптимальных условий жизнедеятельности (температура, влажность, давление, наличие биохимических соединений). Состав биомассы также не является однотипным. На суше преимущество имеют растения, в гидросфере основу живого вещества составляют животные. Плотность биомассы зависит от географического положения, глубины обитания в литосфере и высоты - в атмосфере. Количество видов растений и животных очень велико, но ареалом обитания всех организмов является биосфера. Биология, как отдельная наука, в значительной мере объясняет все происходящие в ней процессы. Это происхождение, размножение, миграции всех видов биомассы.

Особенности биосферы

Значительность и масштаб «живой оболочки» Земли обеспечит ее постоянное изучение новыми поколениями естествоиспытателей. Система является уникальной по своей целостности, динамичности развития, сбалансированности. В качестве ее основной и наиболее удивительной особенности можно выделить устойчивость и способность к восстановлению. Количество катастроф за время существования биосферы в качестве живой пленки планеты огромно. Они приводили к вымиранию большей части биомассы, значительно изменяли внешний облик планеты, корректировали процессы, происходящие на ее поверхности и в ядре. Но после каждого удара биосфера восстанавливалась в измененной форме, приспосабливаясь к негативному влиянию или подавляя его. Именно поэтому биосфера земли является живым организмом, который может самостоятельно регулировать все происходящие в природе процессы.

Перспективы развития

Каждый современный ребенок в начальной школе изучает такой предмет, как природоведение (3 класс). На этих уроках маленькому человеку объясняют, и по каким правилам он существует. Возможно, стоит немного изменить программу и научить детей уважать и любить природу, тогда человечество сможет создать новую геосферу. Все накопленные веками знания о биосфере необходимо применить для ее дальнейшего развития, которое будет подразумевать союз природы и человека. Пока не поздно исправить нанесенный окружающей среде вред, люди должны задуматься о том, что «живая оболочка» Земли может самостоятельно восстановиться, но при этом она может ликвидировать объект, который наносит постоянный урон ее целостности и гармонии.