По современным представлениям, биосфера - это особая оболочка Земли, содержащая всю совокупность живых организмов и ту часть вещества планеты, которая находится в непрерывном обмене с этими организмами.
Эти представления базируются на учении В. И. Вернадского (1863-1945) о биосфере, являющимся крупнейшим из обобщений в области естествознания в XX в. Исключительная значимость его учения во весь рост проявилась лишь во второй половине прошлого века. Этому способствовало развитие экологии, и прежде всего глобальной экологии, где биосфера является основополагающим понятием.
Учение В. И. Вернадского о биосфере - это целостное фундаментальное учение, органично связанное с важнейшими проблемами сохранения и развития жизни на Земле, знаменующее собой принципиально новый подход к изучению планеты как развивающейся саморегулирующейся системы в прошлом, настоящем и будущем.
По представлениям В. И. Вернадского, биосфера включает живое вещество (т. е. все живые организмы), биогенное (уголь, известняки, нефть и др.), косное (в его образовании живое не участвует, например магматические горные породы), биокосное (создается с помощью живых организмов), а также радиоактивное вещество, вещество космического происхождения (метеориты и др.) и рассеяние атомы. Все эти семь различных типов веществ геологически связаны между собой.
Сущность учения В. И. Вернадского заключена в признании исключительной роли «живого вещества», преобразующего облик планеты. Суммарный результат его деятельности за геологический период времени огромен. По словам В. И. Вернадского, «на земной поверхности нет химической силы более постоянно действующей, а потому более могущественной по своим конечным последствиям, чем живые организмы, взятые в целом». Именно живые организмы улавливают и преобразуют лучистую энергию Солнца и создают бесконечное разнообразие нашего мира.
Вторым главнейшим аспектом учения В. И. Вернадского является разработанное им представление об организованности биосферы, которая проявляется в согласованном взаимодействии живого и неживого, взаимной приспособляемости организма и среды. «Организм, - писал В. И. Вернадский, - имеет дело со средой, к которой он не только приспособлен, но которая приспособлена и к нему» (В. И. Вернадский, 1934).
В. И. Вернадский обосновал также важнейшие представления о формах превращения вещества, путях биогенной миграции атомов, т. е. миграции химических элементов при участии живого вещества, накоплении химических элементов, о движущих факторах развития биосферы и др.
Важнейшей частью учения о биосфере В. И. Вернадского являются представления о ее возникновении и развитии. Современная биосфера возникла не сразу, а в результате длительной эволюции в процессе постоянного взаимодействия абиотических и биотических факторов. Первые формы жизни, по-видимому, были представлены анаэробными бактериями. Однако созидательная и преобразующая роль живого вещества стала осуществляться лишь с появлением в биосфере фотосинтезирующих автотрофов - цианобактерий и си-незеленых водорослей (прокариотов), а затем и настоящих водорослей и наземных растений (эукариотов), что имело решающее значение для формирования современной биосферы. Деятельность этих организмов привела к накоплению в биосфере свободного кислорода, что рассматривается как один из важнейших этапов эволюции.
Параллельно развивались и гетеротрофы, и прежде всего - животные. Главными датами их развития являются выход на сушу и заселение материков (к началу третичного периода) и, наконец, появление человека.
В сжатом виде идеи В. И. Вернадского об эволюции биосферы могут быть сформулированы следующим образом:
Вначале сформировалась литосфера - предвестник окружающей среды, а затем после появления жизни на суше - биосфера.
В течение всей геологической истории Земли никогда не наблюдались азойные геологические эпохи (т. е. лишенные жизни). Следовательно, современное живое вещество генетически связано с живым веществом прошлых геологических эпох.
Живые организмы - главный фактор миграции химических элементов в земной коре, «по крайней мере, 90% по весу массы ее вещества в своих существенных чертах обусловлено жизнью» (В. И. Вернадский, 1934).
Грандиозный геологический эффект деятельности организмов обусловлен тем, что их количество бесконечно велико и действуют они практически в течение бесконечно большого промежутка времени.
Основным движущим фактором развития процессов в биосфере является биохимическая энергия живого вещества.
Венцом творчества В. И. Вернадского стало учение о ноосфере, т.е. сфере разума.
В целом, учение о биосфере В. И. Вернадского заложило основы современных представлений о взаимосвязи и взаимодействии живой и неживой природы. Практическое значение учения о биосфере огромно. В наши дни оно служит естест-. веннонаучной основой рационального природопользования и охраны окружающей среды.
Биосфера, согласно учению академика В.И. Вернадского, представляет собой наружную оболочку Земли, включающую все живое вещество и область его распространения (среду обитания). Верхняя граница биосферы — защитный озоновый слой в атмосфере на высоте 20—25 км, выше которого жизнь невозможна ввиду воздействия ультрафиолетового излучения. Нижней границей биосферы являются: литосфера до глубины 3—5 км и гидросфера до глубины 11—12 км (рис. 1.3).
Р ис 1.3. Строение биосферы (по В.И. Вернадскому)
Компоненты биосферы: атмосфера, гидросфера, литосфера — выполняют важнейшие функции по обеспечению жизни на Земле.
Биосфера возникла около 4,5 млрд лет назад и прошла несколько этапов эволюционного развития: от первоначального круговорота органического вещества к биологическому круговороту — непрерывному обмену веществом и энергией между живыми организмами и окружающей средой в течение всей жизни организмов и после их смерти.
Важнейшими компонентами биосферы являются:
Живое вещество (растения, животные, микроорганизмы);
Биогенное вещество органического происхождения (уголь, торф, почвенный гумус, нефть, мел, известняк и др.);
Косное вещество (горные породы неорганического происхождения);
Биокосное вещество (продукты распада и переработки горных пород живыми организмами).
По В.И. Вернадскому, живое вещество является носителем свободной энергии биосферы и связано с неживым веществом биогенной миграцией атомов. Биомасса сухого вещества живых организмов Земли, включающих около 500 тыс. видов растений и 1,5 млн видов животных, чрезвычайно велика и составляет, примерно, 2,4232*10 12 т. Ежегодный прирост живого вещества на Земле составляет около 8,8*10 11 т. Через эти живые организмы прошло большое количество элементов верхней части литосферы, атмосферы и гидросферы.
Важным во взаимоотношениях организмов является пищевой — трофический фактор (от греч. trophe — пища). Первичное органическое вещество создают зеленые растения {продуценты — производители), используя солнечную энергию. Они потребляют углекислый газ, воду, соли и выделяют кислород.
Потребителей (консументов) можно разделит на два порядка:
I — организмы, питающиеся растительной пищей;
II — организмы, питающиеся животной пищей.
Редуценты (восстановители) — организмы, питающиеся разлагающимися организмами, бактерии и грибы. Здесь особенно велика роль микроорганизмов, до конца разрушающих органические остатки и превращающих их в конечные продукты (минеральные соли, углекислый газ, воду, простейшие органические вещества), поступающие в почву и вновь потребляемые растениями.
Все животные и растения избирательны к составу пищи в зависимости от необходимости в тех или иных минеральных элементах. Животные и растения — необходимые факторы среды по отношению к другим животным и растениям, они взаимно необходимы.
Любой организм приспособлен к существованию в достаточно узких пределах изменения условий окружающей среды, причем выход параметров среды за сложившиеся границы влечет за собой угнетение жизнедеятельности данного вида или его гибель. Границы распространения организма (ареал) обусловлены соблюдением необходимых требований данного организма к условиям (факторам) среды. Каждый вид занимает то место, которое обусловлено его требованиями к территории, пище, воспроизводству и другими функциями организма. Эта совокупность параметров среды для обитания вида, место, занимаемое им в биосфере, называется экологической нишей. Все факторы в экологической нише взаимосвязаны: изменение одного из них влечет за собой изменение других.
Способность живых организмов адаптироваться к факторам среды характеризуется экологической валентностью, или пластичностью.
Живые организмы находятся в постоянном взаимодействии с окружающей средой, состоящей из множества меняющихся во времени и пространстве явлений, условий, элементов, называемых экологическими факторами среды. Это любые условия окружающей среды, оказывающие длительное или кратковременное влияние на живые организмы, реагирующие на эти влияния приспособительными реакциями. Они делятся на абиотические (факторы неживой природы) и биотические (факторы живой природы). Принятый сегодня вариант классификации экологических факторов среды представлен в табл. 1.2.
Таблица 1.2Классификация экологических факторов среды
|
Абиотические |
Биотические |
|
Климатические: свет, температура, влага, движение воздуха, давление |
Фитогенные: растительные организмы |
|
Эдафогенные («эдафос» — почва): механический состав, влагоемкость, воздухопроницаемость, плотность |
Зоогенные: животные |
|
Орографические: рельеф, высота над уровнем моря, экспозиция склона |
Микробиогенные: вирусы, простейшие, бактерии, риккетсии |
|
Химические: газовый состав воздуха, солевой состав воды, концентрация, кислотность и состав почвенных растворов |
Антропогенные: деятельность человека (в том числе строительная) |
Характеристики основных абиотических факторов, которые необходимо учитывать при реставрации памятников архитектуры, приведены в Приложении 1.1. Это состав атмосферы; соотношение баллов 12-ти бальной сейсмической шкалы с магнитудой землетрясений; сейсмическая шкала; шкала силы ветра.
Биотические экологические факторы определяют взаимоотношения организмов. Указанные факторы в этом случае называют трофическими, т.е. пищевыми.
Экологические факторы под действием вновь полученных химических веществ, которых нет в природе, и техногенных компонентов, созданных человеком, сильно изменены. Появляются вещества-загрязнители, что приводит к нарушению сапрофитного (поддерживающего равновесие в экосистеме) взаимодействия в природной среде. Это часто сопровождается гибелью животных, растений, приводит к нарушению функций, гибели всего живого и опустыниванию земли. Преобладающими видами в микробиоте становятся патогенные микроорганизмы, которые можно отнести к биологическим загрязнителям. Негативно изменяется состав атмосферы, повышается агрессивность подземных и грунтовых вод. На планете наблюдаются потепление, нарушение озонового слоя, учащаются кислотные дожди.
Все перечисленные факторы оказывают влияние не только на живые организмы (в том числе и человека), но и на памятники, и неучет даже одного из них может сказаться на качестве реставрации и даже привести к гибели памятника.
Живые организмы в природе существуют в виде популяций — исторически сложившихся естественных совокупностей особей данного вида, связанных взаимоотношениями и адаптацией в условиях определенного района или иного места обитания (биотопа). В естественных природных условиях численность и плотность популяции неслучайны, они определяются регулирующими (управляющими) экологическими факторами. Способность среды поддерживать нормальную жизнедеятельность организма или популяции называется емкостью экоси стемы.
Экологическая система (экосистема) — это совокупность взаимосвязанных и взаимозависимых совместно обитающих различных видов организмов и условий их существования. В экосистеме связаны биоценоз (сообщество совместно живущих организмов) и биотоп (среда обитания). Основные типы природных экосистем на Земном шаре перечислены на рис. 1.4.
Рис. 1.4. Основные типы природных экосистем
Академик В.Н. Сукачев предложил понятие биогеоценоз (от греч. биос — жизнь, Гея — Земля, ценоз — общий) — природная система живых организмов и окружающей их абиотической среды, связанная обменом — веществами, энергией и информацией. Сейчас термины «экосистема» и «биогеоценоз» принято считать практически синонимами.
В состав биогеоценоза входят:
Растительный компонент (фитоценоз);
Животный компонент (зооценоз);
Микроорганизмы (микробиоценоз);
Почва и почвенно-грунтовые воды, во взаимодействии с растительным, животным компонентами и микроорганизмами образующие эдафотоп;
Атмосфера, которая, взаимодействуя с другими компонентами, образует климатоп;
Неживая природа, представляющая собой косное вещество — экотоп.
Таким образом, биогеоценоз — пространственно обособленная, целостная элементарная единица биосферы, все компоненты которой тесно связаны между собой. Основными компонентами биогеоценоза являются три группы организмов — растения, животные и микробы, с помощью которых вещества движутся от одного компонента к другому, отражая известную общую закономерность круговорота веществ в природе.
Экологические компоненты биогеоценоза (или ландшафта, или средообразующие компоненты) в экологии рассматриваются как основные материально-энергетические составляющие экологических систем. К ним, по Н.Ф. Реймерсу (рис 1.5.), относятся: энергия, газовый состав (атмосфера), вода (жидкая составляющая), почвосубстрат, автотрофы-продуценты (растения) и организмы — гетеротрофы (консументы и редуценты). Сегодня к этому перечню экологических компонентов прибавляют информацию.
Рис. 1.5. Экологические компоненты (по Н.Ф. Реймерсу)
В то же время все экологические компоненты являются природными ресурсами, качество которых определяет качество жизни человека, а антропогенное нарушение взаимодействий между ними может это качество снизить.
В реальных экосистемах круговорот обычно бывает незамкнутым, так как часть веществ уходит за пределы экосистемы, а часть поступает извне. Но в целом принцип круговорота в природе сохраняется. Более простые экосистемы объединены в общую планетарную экосистему (биосферу), в которой круговорот веществ проявляется в полной мере — жизнь на Земле возникла миллиарды лет назад, и если бы не было замкнутого потока необходимых для жизни веществ, их запасы давно исчерпались бы и жизнь прекратилась.
Вмешательство человека отрицательно влияет на процессы круговорота. Например, вырубка лесов или нарушение процессов ассимиляции веществ растениями в результате загрязнений приводят к снижению интенсивности усвоения углерода. Избыток органических элементов в воде, возникающий под действием промышленных стоков, вызывает загнивание водоемов и перерасход растворенного в воде кислорода, что исключает возможность развития здесь аэробных (потребляющих кислород) бактерий. Сжигая ископаемое топливо, фиксируя атмосферный азот в продуктах производства, связывая фосфор в синтетических моющих средствах человек нарушает круговорот этих элементов.
Круговорот веществ в природе подразумевает общую согласованность места, времени и скоростей процессов, идущих на разных уровнях — от популяции до биосферы. Такую согласованность явлений природы называют экологическим равновесием; это равновесие подвижное, динамическое.
В экологической системе (без вмешательства человека) поддерживается равновесие, исключающее необратимое уничтожение тех или иных звеньев в трофических цепях. Человек в процессе своей деятельности постоянно воздействует на экосистему в целом, а также на ее отдельные звенья. Это может проявляться в виде введения в экосистему новых компонентов, в том числе загрязняющих веществ, либо уничтожения отдельных компонентов (отстрел животных, вырубка лесов и т.д.). Не всегда и не сразу эти воздействия ведут к распаду всей системы, нарушению ее стабильности. Но сохранение системы не означает, что она осталась неизменной. Система трансформируется, и оценить количество и направление возникших изменений крайне сложно.
В результате производственной деятельности человека возник новый процесс обмена веществ и энергией между природой и обществом (при сохранении биологического обмена) — антропогенный обмен, который существенно изменяет общепланетарный круговорот веществ, резко ускоряя его. Антропогенный обмен отличается от биотического круговорота своей незамкнутостью, он носит открытый характер. На входе антропогенного обмена находятся природные ресурсы, а на выходе — производственные и бытовые отходы. Экологическое несовершенство антропогенного обмена заключается в том, что коэффициент полезного использования природных ресурсов, как правило, чрезвычайно низок, а отходы производства загрязняют природную среду. Более того, многие из них не разлагаются до природного состояния. Масштабы и скорость антропогенного обмена резко возрастают, вызывая заметное напряжение в биосфере.
На последнем этапе развития биосферы в мощную силу превратилась человеческая деятельность, необратимо и целенаправленно меняющая природную среду. Сформировалась биотехносфера — следствие социального и научно-технического развития человечества. Взаимоотношения между природой и человеком во многих случаях несбалансированы, ведут к угнетению окружающей среды (в частности, разрушению среды архитектурно-исторической), что может привести к деградации биосферы.
Сформированную строителями новую систему можно назвать природно-техногенной (ПТС). Процесс ее формирования, если он не откорректирован в соответствии с экологическими компонентами (другими словами, в соответствии с законами развития экосистемы), как правило, приводит к нарушению естествен-
ных взаимодействий в природной системе, в основном, за счет привнесения в нее «чуждых» компонентов, которые могут быть восприняты экосистемой как загрязнители. Недоучет этих взаимодействий при осуществлении строительной деятельности недопустим, так как он приводит к снижению качества строительства и ухудшает качество среды проживания.
Экологически необоснованная деятельность строителей и реставраторов наносит невосполнимый ущерб природному ландшафту и информационному компоненту экосистемы. Как отмечает Пруцын О.И., происходит разрушение архитектурно-исторической среды*: «Нарушается силуэтность пространственных композиций, гармоничная соподчиненность всего построения, ансамблевое единство. Силуэтность и пропорциональность, достигнутые в историческом периоде, необходимо полностью сохранить, ибо, благодаря классическим соотношениям они могут легко сочетаться с любой предстоящей застройкой».
Не следует забывать, что ландшафт — это всеобъемлющая и вневременная реальность, в которой существовал человек в доурбанистическую эпоху. Именно безукоризненное чувство ландшафта было присуще людям в прошлые века, когда постройки срастались с природным окружением. Архитектура прошлого и сегодня представляет собой школу мастерства зодчества и градостроительства на Руси. Уже начиная с XI в. власти города обязывали застройщиков соблюдать градостроительные правила и законы, регулирующие взаимосвязь между архитектурой и природой. На Руси с XI в. действовал византийский «Закон градский», записанный в кормчих книгах**. Среди его положений были, например, такие: «Только тогда здание можно увидеть по-настоящему, когда оно располагается на стройном месте. Прежде чем строить, осмотри внимательно местность. Выбери такое место, чтобы здание не мешало природе». Или такие: «...повелеваем, чтобы обновляющий ветхий двор не отнимал у соседа света и не лишал его их вида, не изменял первоначального образа»; «...не загораживай насильственно вида соседу, если он прямо видит море, стоя на своем дворе». И сегодня в строительной и реставрационной деятельности основополагающей должна стать «природная» логика.
На этапе развития разумного отношения к сохранению природы должно произойти постепенное превращение биотехносферы в ноосферу — сферу разума, которая, по В.И Вернадскому, является неизбежным и закономерным этапом развития биосферы.
Доказательством начала такого превращения является принятая ООН концепция «устойчивого развития», «устойчивого строительства», «устойчивой реставрации», напрямую связанная с понятием «устойчивость экологическая». Последняя подразумевает способность экосистемы сохранять свою структуру и функциональные особенности при воздействии внешних факторов. Нередко «устойчивость экологическая» рассматривается как синоним экологической стабильности.
Ниже рассмотрены основные понятия и требования, относящиеся к категории экологической устойчивости. Их понимание необходимо для решения актуальных задач природопользования в сферах строительной и реставрационной деятельности, создания комфортной среды проживания и определения стратегии деятельности в сфере «устойчивого развития», «устойчивого строительства», «устойчивой реставрации».
* Пруцын О., Рымашевский Б., Борусевич В. Архитектурно-историческая среда. — М.: Стройиздат, 1990.
** Алферова Г.В. Кормчая книга как ценнейший источник древнерусского градостроительного искусства//Византийский временник, 1973. - Т. 35.
Одним из крупнейших и наиболее интересных обобщений В.И. Вернадского в области естествознания было разработанное им учение о биосфере Земли и неизбежности ее преобразования в сферу деятельности человеческого разума - ноосферу.
В.И. Вернадский был человеком щепетильнейшим в вопросах научной этики. Поэтому он в разных своих работах указывает, что термин «биосфера» принадлежит не ему, поскольку впервые был употреблен еще в начале прошлого века Жаном Батистом Ламарком. Определенный геологический смысл вложил в него в 1875 г. австрийский ученый Эдуард Зюсс. Однако связанное с этим термином законченное учение создали не Ламарк, не Зюсс, а наш соотечетственник Владимир Иванович Вернадский.
Основные его идеи по этой проблеме сложились в самом начале 20-х годов, во время его лекций в Париже, и были опубликованы в 1926 г. в книге «Биосфера», которая состоит из двух очерков. Первый из них озаглавлен «Биосфера в космосе», второй - «Область жизни». После этого различные стороны учения о биосфере рассматривались В.И. Вернадским во многих статьях и в большой, опубликованной только через 20 лет после его смерти монографии «Химическое строение биосферы Земли и ее окружения».
Мы коснемся лишь некоторых, самых основных положений учения Вернадского о биосфере.
Прежде всего, Вернадский определил пространство, охватываемое биосферой Земли: это вся гидросфера до максимальных глубин океана, верхняя часть литосферы материков до глубины 2 - 3 км (на таких глубинах в подземных водах еще встречаются живые микроорганизмы) и нижняя часть атмосферы, по крайней мере, до верхней границы тропосферы. В ранних работах В.И. Вернадский определил биосферу как область Земли, охваченную жизнью, но потом отказался от этого термина, поскольку слово «жизнь» может пониматься в разных аспектах. Он ввел в науку интегральное понятие «живое вещество» и стал называть биосферой область существования па Земле «живого вещества». Он собрал и проанализировал все существовавшие данные для определения суммарного веса этого вещества и пришел к выводу, что сейчас на нашей планете оно составляет величину от 1020 до 1021 г, т. е. от 1 до 10 тыс. триллионов тонн.
В.И. Вернадским был тщательно исследован энергетический баланс различных планет Солнечной системы, и особенно - вопрос о величине тепловой электромагнитной энергии, получаемой Землей от Солнца. По его подсчетам, она оказалась равной 170 х 1012 кВт, Далее он рассмотрел биосферу как область превращения этой космической энергии, выяснил закономерности распространения «живого вещества» в биосфере, изучил количественные закономерности размножения различных таксономических групп организмов и геохимическую энергию «живого вещества», прибегая, где это только возможно, к выведению математических формул изучавшихся им процессов. Очень интересны некоторые чисто биологические выводы В.И. Вернадского. Так, после детального исследования роли газов в жизненных процессах он пришел к заключению, что в мире организмов, в биосфере, идет жесточайшая борьба за существование - не только за пищу, но и за нужный газ, и эта последняя борьба - основная, так как именно она нормирует размножение. Дыханием определяется максимальная возможная геохимическая энергия жизни на гектар площади.
Много внимания в своих работах по биосфере В.И. Вернадский уделял зеленому «живому веществу» растений, потому что только оно делает организм автотрофным, только оно способно захватывать лучистую энергию Солнца и с ее помощью создавать первичные органические соединения. Рассмотрев объем и энергетические коэффициенты различных групп растительности, В.И. Вернадский пришел к выводу, что «зеленые протисты океана являются главными трансформаторами солнечной энергии в химическую энергию нашей планеты», причем этого результата зеленое органическое вещество моря достигает благодаря высокой скорости размножения. Надо сказать, что более поздние подсчеты, конца 70-х годов, показали, что роль зеленого планктона океанов В.И. Вернадский несколько переоценил. В современную эпоху три четверти первичных органических соединений создает автотрофная растительность континентов и лишь одну четверть - планктонные и бентосные водоросли морей и океанов.
Для объяснения большой суммарной энергии биосферы В.И. Вернадский произвел интересные подсчеты. Оказалось, что вся поверхность Земли составляет несколько меньше 0,0001% поверхности Солнца, но зеленая площадь ее трансформационного аппарата, т. о. поверхность листьев деревьев, стеблей, трав и поверхность зеленых водорослей, дает уже числа совершенно другого порядка. В разные времена года она составляет от 0,86 до 4,2% площади Солнца.
Произведенные в самые последние годы красноярскими биофизиками подсчеты с применением новейшей аппаратуры и спутниковой информации подтверждают порядок цифр, вычисленных более полувека назад В. И. Вернадским.
Количество энергии, заключенной в «живом веществе» нашей планеты, может быть учтено. По подсчетам известного шведского ученого Сванте Аррениуса, только зеленая растительность континентов в форме своих горючих соединений заключает 1,6-1017 больших калорий. В.И. Вернадский считал, что для всей биосферы эта величина больше и достигает 1018 или даже 1019 больших калорий. При этом улавливается зеленым веществом биосферы лишь 0,02 - 0,03% солнечной энергии, достигающей поверхности Земли, что рисует заманчивые перспективы ее более полного использования.
Значительная часть энергии «живого вещества» идет на образование в пределах биосферы новых вадозных минералов, вне биосферы неизвестных, а часть захороняется в виде самого органического вещества, образуя в конечном счете, залежи бурых и каменных углей, горючих сланцев, нефти и газа. «Мы имеем здесь дело, - пишет В. И. Вернадский, - с новым процессом - с медленным проникновением внутрь планеты лучистой энергии Солнца, достигшей поверхности Земли. Этим путем «живое вещество» меняет биосферу и земную кору. Оно непрерывно оставляет в ней часть прошедших через него химических элементов, создавая огромные толщи неведомых помимо его вадозных минералов или пронизывая тончайшей пылью своих остатков косную материю биосферы».
В.И. Вернадский считал, что земная кора представляет собой в основном остатки былых биосфер и даже ее гранито-гнейсовый слой образовался в результате метаморфизма и переплавления пород, некогда возникших под влиянием «живого вещества». Лишь базальты и другие основные магматические породы он считал глубинными, не связанными по своему генезису с биосферой.
Новейшие космические исследования заставляют внимательно отнестись к этой мысли В.И. Вернадского. На Луне не было жизни, и там не оказалось гранита. Лунные «моря» залиты базальтом, а лунные «материки» сложены анортозитами, т. е. магматическими породами основного состава. Породы поверхности Венеры, о составе которых мы впервые узнали несколько лет назад, тоже оказались базальтовыми... Много внимания в своих работах уделил В.И. Вернадский формам нахождения в биосфере различных химических элементов, делению «живого вещества» биосферы по источникам питания организмов на авто-, гетеро-, и миксотрофное, изучению поля устойчивости жизни в гидросфере и на суше, геохимическим циклам сгущения жизни и «живым пленкам» гидросферы.
В более ранних работах 20-х годов В.И. Вернадский считал объем и вес «живого вещества» биосферы неизменными на протяжении всей биологической истории Земли. Он предполагал, что в процессе биологической эволюции менялись только формы проявления жизни. Уже в то время и даже в еще более ранних работах он много писал о больших изменениях биосферы под влиянием деятельности человека, об антропогенных факторах геологических процессов, он считал это явление новым, наложенным на стационарное существование биосферы. В более поздних работах (с середины 30-х годов) В.И. Вернадский пересмотрел эту свою точку зрения и пришел к выводу, что биосфера по массе «живого вещества», его энергии и степени организованности в геологической истории Земли все время эволюционизировала, изменялась, что влияние деятельности человека явилось естественным этапом этой эволюции и что под ее влиянием биосфера неизбежно должна коренным образом измениться и перейти в новое состояние, которое он назвал уже не биосферой, а ноосферой - сферой, формирующейся под воздействием человеческого разума.
Можно смело сказать, что учение о переходе биосферы в ноосферу - вершина творчества В.И. Вернадского. При разработке этого учения он использовал и синтезировал не только геологический и биологический, но также социально-исторический материал.
В.И. Вернадский начал применять понятие «ноосфера» лишь с середины 30-х годов, причем в строго материалистическом смысле. У В.И. Вернадского ноосфера - это не отвлеченное царство разума, как трактовали этот термин его авторы, французы П. Тейяр де Шарден и Е. Леруа, а исторически неизбежная стадия развития биосферы. Еще в 1926 г. в статье «Мысли о современном значении истории знания» он писал: «Созданная в течение всего геологического времени, установившаяся в своих равновесиях биосфера начинает все сильнее и глубже меняться под влиянием научной мысли человечества».
Вот эту-то биосферу Земли, измененную научной мыслью и преобразованную для удовлетворения потребностей численно растущего человечества, он и назвал впоследствии ноосферой.
Подчеркнуть это очень важно потому, что в справочниках, энциклопедиях и в популярной литературе появилось много неверных определений этого термина, совершенно не соответствующих взглядам В.И. Вернадского.
К общей идее, лежащей в основе учения о ноосфере, В. И. Вернадский пришел еще в самых ранних своих работах конца прошлого века. Она складывалась в виде определенной концепции творческого характера человеческого разума, не только отражающего внешний мир, но и активно воздействующего через труд па условия существования людей.
С начала ХХ века В.И. Вернадский приступил к детальному исследованию вопроса о геологической активности человечества. Изучая в это время сначала в рамках генетической минералогии и геохимии, а позднее и биогеохимии разнообразные геохимические процессы, протекающие на нашей планете, он неизменно, с характерной для него последовательностью и глубиной, обращается к выяснению роли человека в этих процессах. В таких трудах, как «История минералов земной коры», «Живое вещество в химии моря», «Живое вещество в земной коре», «Биосфера», «Автотрофность человечества», окончательно определился круг его идей, составивших фундамент развитого им впоследствии учения о ноосфере.
Приступив ужо в 30-х годах к разработке этого учения, В.И. Вернадский прежде всего попытался дать ответ на вопрос о том, в чем заключаются те реальные условия или предпосылки образования ноосферы, которые уже созданы или создаются в ходе исторического развития человечества. По его мнению, эти предпосылки сводятся к следующему. Человечество стало единым целым. Мировая история как общий процесс охватила весь земной шар. Практически покончено с уединенными, мало зависимыми друг от друга культурными историческими областями обитания. Сейчас «нет ни одного клочка Земли, где бы человек не мог прожить, если б это было ему нужно». Плавающие станции во льдах Северного Ледовитого океана и станции на поверхности Антарктиды - лучшее доказательство справедливости этой мысли.
По мысли В. И. Вернадского, ноосфера - это единое организованное целое, все части которого на самых различных уровнях гармонично связаны и действуют согласованно друг с другом. Необходимым условием этого является быстрая, надежная, преодолевающая самые большие расстояния связь между этими частями, постоянно идущий материальный обмен между ними, всесторонний обмен информацией. Это условие, отмечал В. И. Вернадский, в основном уже создано, хотя возможности его дальнейшего совершенствования далеко еще не исчерпаны.
В своих выводах он исходил из того, что создание ноосферы предполагает столь коренное преобразование человеком окружающей его природы, что ему никак не обойтись без колоссальных количеств энергии. «В самом конце прошлого столетия неожиданно была открыта новая форма энергии, существование которой предвидели немногие умы, - атомная энергия, которой принадлежит ближайшее будущее и которая даст человечеству еще большую мощь, размеры которой едва ли мы можем сейчас предвидеть». Это было написано еще в 30-х годах! А сейчас мы уже видим, как человечество овладело атомной энергией, как с каждым годом расширяется ее применение в мирных целях.
Ноосфера создается разумом и трудом народных масс. Поэтому одним из важнейших условий этого процесса является подъем благосостояния трудящихся. Хотя эта задача, поставленная в масштабах всей планеты, далека еще от своего решения, однако потенциальные возможности для этого имеются уже сейчас.
Охватывая всю планету как целое, ноосфера по самому своему существу не может быть привилегией какой-либо одной нации. В настоящее время, писал Вернадский, «идея равенства всего человечества и равноправия черных, желтых и белых рас пустила глубокие корни в общее и научное сознание мира». Недалеко то время, когда позорные явления неоколониализма и национального гнета навсегда исчезнут с нашей планеты и в жизни общества окончательно воцарится новая эпоха, которая будет характеризоваться не подавлением слабых сильными, а «мирной связью всего человечества на почве экономической и культурной жизни».
Ноосфера, по мысли Вернадского, - это новая геологическая оболочка Земли, создаваемая на научных основаниях. Ноосфера является результатом действия слившихся в единый поток величайших революционных преобразований как в области науки, так и в социальных отношениях.
Лекция 5
1. Общее понятие о биосфере. Учение В.И. Вернадского о биосфере.
Биосфера (от греч. биос - жизнь, сфера - шар) – это сложная наружная оболочка Земли, область распространения жизни, которая включает все живые организмы и все элементы неживой природы, образующие среду обитания живых.
Термин «биосфера» впервые употребил в начале XIX веке Жан-Батист Ламарк , а в 1875 году австрийский ученый Эдуард Зюсс придал ему геологический смысл в работе «Лик Земли». Под биосферой он понимал сферу обитания живых организмов, или сферу занятую жизнью, определял биосферу как «тонкую пленку жизни» на поверхности Земли, в значительной мере определяющую внешний облик планеты.
Современные представления о биосфере как области жизни планетарного масштаба, объединяющей в себе всю совокупность биологических систем и среду их обитания, связаны с работами выдающегося русского ученого Владимира Ивановича Вернадского и прежде всего с его основополагающей работой «Биосфера», опубликованной в 1926 году. В этом произведении глубоко анализируются сложные взаимоотношения живых организмов и неживой природы Земли.
Учение о биосфере стало крупнейшим обобщением в комплексе наук о Земле (геология, география, геохимия, биология). 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.
Его работа несколько опередила время. Лишь во второй половине ХХ в., на фоне обострения экологических проблем, его учение о биосфере получило широкое распространение.
В учении В.И. Вернадского впервые была раскрыта роль живых организмов в процессах планетарного масштаба, показано, что живые организмы и продукты их жизнедеятельности являются наиболее мощной геологической силой, играющей первостепенную роль в механизмах разрушения горных пород, круговорота веществ, изменения водной и воздушной оболочек планеты, эволюции верхних слоев литосферы.
2. Важнейшие научные положения и принципы учения В.И. Вернадского о биосфере.
Учение В.И. Вернадского о биосфере – целостное фундаментальное учение, органично связанное с важнейшими проблемами сохранения и развития жизни на Земле, знаменующее собой принципиально новый подход к изучению планеты как развивающейся саморегулирующейся системы в прошлом, настоящем и будущем.
В учении о биосфере выделяют следующие основные подходы :
* энергетический (связь биосферных явлений с космическим излучением (прежде всего, излучением Солнца) и радиоактивными процессами в недрах Земли);
* биогеохимический (роль живого в распределении атомов в биосфере);
* информационный (принципы организации и управления в живой природе);
* пространственно-временной (формирование и эволюция различных структур биосферы);
* ноосферный (глобальные аспекты воздействия человека на окружающую среду).
Важнейшие научныеположения :
· Живое вещество есть планетное явление и не может быть оторвано от биосферы, геологической функцией которого является. В пределах биосферы везде встречаются либо живое вещество, либо следы его биохимической деятельности. Горные осадочные породы (известняки, глины, торф и др.) и их метаморфические производные (мрамор, сланцы, угли и др.), природные воды и газы атмосферы (кислород, азот, углекислый газ) в своей основе созданы живым веществом планеты. Слои земной коры, лишенные в настоящее время живого вещества, но переработанные им в геологическом прошлом, В.И. Вернадский относил к «былым биосферам».
· Космические излучения, идущие от всех небесных тел, охватывают биосферу, проникают всю ее и всё в ней, и биосфера должна рассматриваться как область превращения космической энергии.
· Биосфера есть планетное явление космического характера.
Учение о биосфере основано на следующих принципах :
1. Принцип целостности утверждает, что биосфера, вся жизнь, всё живое вещество существуют как единое целое. Жизнь является необходимой и закономерной частью стройного космического механизма.
2. Принцип гармонии биосферы заключается в ее организованности, стройности, неразрывной связи в ней живых и неживых компонентов.
3. Принцип значительности роли живого в эволюции Земли утверждает, что на земной поверхности нет химической силы, более постоянно действующей и более могущественной по своим конечным последствиям, чем организмы, взятые в целом. Облик Земли как небесного тела фактически сформирован жизнью.
4. Основная космическая роль биосферы состоит в трансформации солнечной энергии в действенную энергию Земли. Вернадский подчёркивал важное значение энергии и называл живые организмы механизмами превращения энергии.
5. Принцип давления жизни. Космическая энергия вызывает давление жизни, которое достигается размножением. Размножение организмов уменьшается по мере увеличения их количества. Размеры популяции возрастают до тех пор, пока среда может выдерживать их дальнейшее увеличение, после чего достигается равновесие. Численность колеблется вблизи равновесного уровня.
6. Принцип растекания жизни. Растекание жизни есть проявление её геохимической энергии. Живое вещество, подобно газу, растекается по земной поверхности в соответствии с правилом инерции. Мелкие организмы размножаются гораздо быстрее, чем крупные. Скорость передачи жизни зависит от плотности живого вещества.
7. Принцип автотрофности. Автотрофными называют организмы, которые берут все нужные им для жизни химические элементы из окружающей их косной материи и не требуют для построения своего тела готовых соединений другого организма. Поле существования этих зелёных автотрофных организмов определяется областью проникновения солнечных лучей.
8. Принцип поля жизни. Жизнь целиком определяется полем устойчивости зелёной растительности, а пределы жизни – физико-химическими свойствами соединений, строящих организм, их неразрушимостью в определённых условиях среды. Максимальное поле жизни определяется крайними пределами выживания организмов. Верхний предел жизни обуславливается лучистой энергией, присутствие которой исключает жизнь и от которой предохраняет озоновый щит. Нижний предел связан с достижением высокой температуры. Интервал в 433 0 С (от –252 0 С до +180 0 С) является предельным тепловым полем.
9. Принцип постоянства жизни. Биосфера в основных своих чертах представляет один и тот же химический аппарат с самых древних геологических периодов. Жизнь оставалась в течение геологического времени постоянной, менялась только её форма. Само живое существо не является случайным созданием.
10. Принцип повсеместности жизни в биосфере (принцип всюдности жизни). Жизнь постепенно, медленно приспосабливаясь, захватила биосферу, и захват этот не закончился. Поле устойчивости жизни есть результат приспособленности в ходе времени.
11. Принцип нахождения живых элементов. Формы нахождения живых элементов: а) горные породы и минералы; б) магмы; в) рассеянные элементы; г) живое вещество. Закон бережливости в использовании живым веществом простых химических тел гласит: раз вошедший элемент проходит длинный ряд состояний, и организм вводит в себя только необходимое количество элементов.
12. Принцип постоянства количества живого вещества в биосфере. Живое вещество является посредником между Солнцем и Землёй и стало быть: либо его количество должно быть постоянным, либо должны меняться его энергетические характеристики.
13. Принцип устойчивого равновесия. Всякая система достигает устойчивого равновесия, когда её свободная энергия равняется или приближается к нулю, то есть когда вся возможная в условиях системы работа произведена.
| Наименование параметра | Значение |
| Тема статьи: | Учение о биосфере |
| Рубрика (тематическая категория) | Экология |
Биосфера – оболочка Земли, состав, структура и энергия которой определяется совокупной деятельностью живых организмов.
Глобальная экология - учение о биосфере Земли.
Биосфера охватывает часть атмосферы до высоты озонового экрана (20-25 км) , часть литосферы и всю гидросферу. Нижняя граница опускается в среднем на 2-3 км на суше и на 1-2 км ниже дна океана.
В биогеохимическом аспекте - это оболочка Земли, в пределах которой распространена жизнь.
Термин ʼʼбиосфераʼʼ ввел Э. Зюсс (1875), понимавший ее как тонкую пленку жизни на земной поверхности, в значительной мере определяющая ʼʼлик Землиʼʼ.
Целостное учение о биосфере разработал В.И. Вернадский.
Основные свойства биосферы по В.И. Вернадскому:
1) целостность и организованность биосферы;
2) ʼʼвсюдностьʼʼ ее живого вещества;
3) наличие в ней четких дискретных образований.
Особо он выделял охваченный жизнью слой биосферы, где сосредоточена основная масса организмов: наземная, планктонная и донная пленка жизни . Биосфера как глобальная система жизни образована совокупностью биогеоценозов.
Вещество биосферы сложно и имеет несколько компонентов :
1) совокупность живых организмов - живое вещество ;
2) вещество, создаваемое и переработанное живыми организмами, - биогенное вещество (каменный уголь, битумы, известняки);
3) косное вещество , образуемое процессами, в которых живое вещество не участвует (твердое, жидкое, газообразное);
4) биокосное , ĸᴏᴛᴏᴩᴏᴇ создается одновременно живыми организмами и косными процессами (почти вся вода биосферы, нефть, почва);
5) вещество, находящееся в процессе радиоактивного распада;
6) рассеянные атомы, которые непрерывно создаются из различных видов земного вещества под влиянием космических излучений;
7) вещество космического происхождения, ĸᴏᴛᴏᴩᴏᴇ включает отдельные атомы и молекулы, входящие в ионосферу из электромагнитного поля Солнца, проникающие из космических пространств.
Живое вещество в биосфере выполняет две основные функции :
1) Энергетическая функция : Чтобы биосфера могла существовать и развиваться, ей необходима энергия, собственных источников которой она не имеет. Она может потреблять энергию только от внешних источников. Таким главным источником для биосферы является Солнце.
2) Средообразующая функция . Выражается в соответствующих биогеохимических функциях, которые свидетельствуют об участии живых организмов в химических процессах изменения вещественного состава биосферы:
а) газовая – поглощение и выделение газов (к примеру, зеленые растения поглощают кислород; бактерии восстанавливают азот, сероводород; животные и растения выделяют углекислый газ).
б) концентрационная – организмы-концентраторы накапливают в своих телах и скелетах азот, фосфор, кремний, кальций, магний.
в) окислительно-восстановительная – живое вещество окисляет, к примеру, углеводы до углекислого газа и восстанавливает его до углеводов.
Г) биохимические функции связаны с жизнедеятельностью живых организмов – их питанием, дыханием, размножением, смертью и последующим разрушением тел. В результате происходит химическое превращение живого вещества сначала в биокосное, а затем, после умирания, в косное.
д) биогеохимические функции, связанные с деятельностью человека
Биосфера представляет собой грандиозную равновесную систему с непрерывным круговоротом вещества и энергии. Развитие биосферы определяется потоком энергии, доминирующим источником которой является Солнце. В биосфере энергия солнечного излучения расходуется, трансформируется, связывается. накопителями энергии являются органические вещества. Поток энергии в биосфере складывается из энергии Солнца и внутренней энергии Земли. При этом энергетический обмен охватывает все составные части биосферы, включая и живое вещество.
Все вещества на планете Земля находятся в процессе биохимического круговорота. Выделяют два базовых круговорота: большой (геологический) и малый (биотический).
· Большой круговорот длится миллионы лет. Горные породы разрушаются, выветриваются и потоками вод сносятся в Мировой океан, где образуют мощные морские напластования.
· Малый круговорот, являясь частью большого, происходит на уровне биогеоценоза и состоит по сути в том, что питательные вещества почвы, воды, воздуха аккумулируются в растениях, расходуются на создание их массы и жизненные процессы в них.
Вмешательство человека отрицательно влияет на процессы круговорота. К примеру, осушение болот, вырубка лесов или нарушение процессов ассимиляции веществ растениями в результате загрязнения приводят к снижению интенсивности усвоения углерода. Избыток органических элементов в воде под воздействием промышленных стоков вызывает загнивание водоемов и перерасход растворенного в воде кислорода, что препятствует развитию аэробных (потребляющих кислород) бактерий. Сжигая ископаемое топливо, фиксируя атмосферный азот в продуктах производства, связывая фосфор в детергентах (синтетические моющие средства), человек нарушает круговорот элементов.
Скорость круговорота биогенных элементов достаточно высока. Время оборота атмосферного углерода составляет около 8 лет. Общее время круговорота азота оценивается более чем в 110 лет, кислорода - в 2500 лет.
Круговорот веществ в природе подразумевает общую согласованность места͵ времени и скорости процессов по уровням от популяции до биосферы. Такую согласованность явлений природы называют экологическим равновесием. Это равновесие динамичное и подвижное.
В целом принцип круговорота в природе сохраняется. Более простые экосистемы объединены в общую планетарную экосистему - ʼʼбиосферуʼʼ, в которой круговорот веществ проявляется в полной мере.
Продуктивность биосферы по одним оценкам достигает 164 млрд. тонн сухого органического вещества в год. По другим оценкам- 83 млрд. тонн в год: 30 - для океанов и 53 - для наземных биомов .
Хотя океан и покрывает 0,7 общей поверхности Земли, его вклад в производство чистой продукции составляет лишь 40 %. Леса, занимающие лишь 0,1 часть площади материков, фиксируют почти половину общей энергии его продуцентами.
Культивируемые земли обладают высокой первичной продуктивностью. Но она несоизмерима с общей первичной продуктивностью леса. Высокая чистая первичная продуктивность, полученная агрономами, не означает прогресса в использовании фотосинтеза.
Ни одна из составляющих биосферу оболочек не может развиваться изолированно от других. Любое качественное изменение одной из них адекватно сказывается на другой. Всеобщий закон сбалансированности биосферы является основным принципом существования всего органического и неорганического мира.
Количество биомассы живого вещества имеет тенденцию к определенному постоянству. Наблюдается примерное планетарное равновесие между продукцией живого вещества и его разложением. Дисбаланс в данный процесс вносят не только (и не столько) любые естественные катастрофические изменения, происходящие на земле, но и хозяйственная деятельность человека, которая может не только быть соизмерима с катастрофически развивающимися природными факторами, но даже превышать уровень их воздействия.
Потеря объёма биомассы при вторичной продуктивности связана с колоссальными затратами энергии на дыхание, мышечную энергию, передвижение и т. д. Чем больше длина пищевой цепи, тем меньше вторичная продуктивность. К примеру, на производство 1 кг говядины требуется 80 кг травы, а для производства 1 кг форели потребуется 5 кг мяса.
Человечество, люди являются частью биосферы. Благодаря постоянно увеличивающемуся производственному воздействию на окружающую среду человек и общество вносят существенные возмущения в биосферу. Биосфера постепенно эволюционирует в ноосферу.
Понятие ноосферы было введено французскими философами Эдуардом Леруа (1870-1954) и Тейаром де Шарденом (1881-1955).
Ближе всех к пониманию ноосферы пришли русские ученые В.И. Вернадский, К.Э. Циолковский (1857-1935) и А.Л. Чижевский (1897-1964).
Существуют узкое и широкое понятия ноосферы :
- В узком понимании единственным ноосферным объектом, определяющим фактором ее развития, выступает человек. При этом ноосфера принято понимать как высший этап развития биосферы, когда естественная и искусственная среда управляются под влиянием и воздействием со стороны разумных преобразований человека.
В случае если принять, что разумная жизнь во Вселенной отнюдь не ограничивается только ее проявлением на Земле, то мы приходим к широкому понятию ноосферы , когда разумная деятельность выходит за рамки только лишь человеческой деятельности. В этом подходе разумная и сознательная деятельность распространяется на всю Вселенную (Космический Разум), а ноосфера выступает как разумная сторона Вселенной.
В.И. Вернадский подчеркивал, что человечество становится мощной геологической силой, способной производить глобальные изменения на Земле. В связи с этим биосфера как область активной жизни превращается в ноосферу - сферу разума.
До появления человека равновесие биосферы определяли пять энергетических факторов :
· солнечная радиация,
· сила гравитации,
· тектонические силы,
· химическая энергия,
· биогенная энергия.
Эти пять факторов развивались по геологической шкале времени и за 3,5 млрд. лет сформировали природную среду.
· в настоящее время появился новый фактор - энергия мирового производства (развивается не по геологической, а по исторической шкале времени; от организации производства зависит сохранение или необратимое нарушение подвижного равновесия в биосфере).
В науке существует один из важнейших принципов – принцип совместной коэволюции общества и природы – параллельная, совместная эволюция или историческая адаптация природы и человечества, крайне важно сть гармоничного совместного развития человечества и биосферы (на базе теории ноосферы Вернадского).
Учение о биосфере - понятие и виды. Классификация и особенности категории "Учение о биосфере" 2017, 2018.
