Понятие биосферы

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

Существуют два основных определения понятия биосфера», одно из которых известно со времени появления в науке данного термина. Это понимание биосферы как совокупности всех живых и неживых организмов на Земле. Ученик Докучаева, создателя учения о почвах, В.И. Вернадский, изучавший взаимодействие живых и неживых систем, выдвинул принцип неразрывной связи живого и неживого, переосмыслив понятие биосферы. Он понимал биосферу как сферу единства живого и неживого.

Такое толкование определило взгляд Вернадского на проблему происхождения жизни на Земле. Рассматривались следующие варианты:

1) жизнь возникла до образования Земли и была занесена на неё;

2) жизнь зародилась после образования Земли;

3) жизнь зародилась вместе с образованием Земли.

Вернадский придерживался последней из этих точек зрения и считал, что нет убедительных научных данных о том, что живое когда-либо не существовало на нашей планете. Иными словами, биосфера была на Земле всегда.

Под биосферой, таким образом, Вернадский понимал тонкую оболочку Земли, в которой все процессы протекают под прямым воздействием живых организмов. В дальнейшем Вернадский развил данное понимание биосферы и определил её структуру.

1.Характеристика и географические особенности биосферы

В буквальном переводе термин “биосфера” обозначает сферу жизни, и в таком смысле он впервые был введен в науку в 1875 г. австрийским геологом и палеонтологом Эдуардом Зюссом (1831 - 1914). Однако задолго до этого под другими названиями, в частности "пространство жизни", "картина природы", "живая оболочка Земли" и т.п., его содержание рассматривалось многими другими естествоиспытателями.

Первоначально под всеми этими терминами подразумевалась только совокупность живых организмов, обитающих на нашей планете, хотя иногда и указывалась их связь с географическими, геологическими и космическими процессами, но при этом скорее обращалось внимание на зависимость живой природы от сил и веществ неорганической природы. Даже автор самого термина "биосфера" Э. Зюсс в своей книге "Лик Земли", опубликованной спустя почти тридцать лет после введения термина (1909 г.), не замечал обратного воздействия биосферы и определял ее как "совокупность организмов, ограниченную в пространстве и во времени и обитающую на поверхности Земли".

Первым из биологов, который ясно указал на огромную роль живых организмов в образовании земной коры, был Ж.Б.Ламарк (1744 - 1829). Он подчеркивал, что все вещества, находящиеся на поверхности земного шара и образующие его кору, сформировались благодаря деятельности живых организмов.

Факты и положения о биосфере накапливались постепенно в связи с развитием ботаники, почвоведения, географии растений и других преимущественно биологических наук, а также геологических дисциплин. Те элементы знания, которые стали необходимыми для понимания биосферы в целом, оказались связанными с возникновением экологии, науки, которая изучает взаимоотношения организмов и окружающей среды. Биосфера является определенной природной системой, а ее существование в первую очередь выражается в круговороте энергии и веществ при участии живых организмов.

Биосфера (в современном понимании) - своеобразная оболочка Земли, содержащая всю совокупность живых организмов и ту часть вещества планеты, которая находится в непрерывном обмене с этими организмами.

Биосфера охватывает нижнюю часть атмосферы, гидросферу и верхнюю часть литосферы.

Атмосфера - наиболее легкая оболочка Земли, которая граничит с космическим пространством; через атмосферу осуществляется обмен вещества и энергии с космосом. Атмосфера имеет несколько слоев:

· тропосфера - нижний слой, примыкающий к поверхности Земли (высота 9-17 км). В нем сосредоточено около 80% газового состава атмосферы и весь водяной пар;

· стратосфера;

· ноносфера - там “живое вещество” отсутствует.

Преобладающие элементы химического состава атмосферы: N2 (78%), O2(21%), CO2 (0,03%).

Гидросфера - водная оболочка Земли. Вследствие высокой подвижности вода проникает повсеместно в различные природные образования, даже наиболее чистые атмосферные воды содержат от 10 до 50 мгр/л растворимых веществ.

Преобладающие элементы химического состава гидросферы: Na⁺, Mg²⁺, Ca²⁺, Cl-, S⁴⁺, C. Концентрация того или иного элемента в воде еще ничего не говорит о том, насколько он важен для растительных и животных организмов, обитающих в ней. В этом отношении ведущая роль принадлежит N, P, Si, которые усваиваются живыми организмами. Главной особенностью океанической воды является то, что основные ионы характеризуются постоянным соотношением во всем объеме мирового океана.

Литосфера - внешняя твердая оболочка Земли, состоящая из осадочных и магматических пород. В настоящее время земной корой принято считать верхний слой твердого тела планеты, расположенный выше сейсмической границы Мохоровичича. Поверхностный слой литосферы, в котором осуществляется взаимодействие живой материи с минеральной (неорганической), представляет собой почву. Остатки организмов после разложения переходят в гумус (плодородную часть почвы). Составными частями почвы служат минералы, органические вещества, живые организмы, вода, газы.

Преобладающие элементы химического состава литосферы: O, Si, Al, Fe, Ca, Mg, Na, K.

Ведущую роль выполняет кислород, на долю которого приходится половина массы земной коры и 92% ее объема, однако кислород прочно связан с другими элементами в главных породообразующих минералах. Т.о. в количественном отношении земная кора - это “царство” кислорода, химически связанного в ходе геологического развития земной коры.

Биосфера, гидросфера, литосфера и атмосфера вместе - представляет собой географическую оболочку Земли. Это самый крупный природный комплекс, поверхность земного шара, с характерной для планеты природой. Можно выделить огромное количество менее крупных природных комплексов -- территорий, обладающих похожей природой, отличной от других комплексов. Океаны, моря, материки, горные системы, реки, озера, болота и многое другое -- это все отдельные природные комплексы. Природные зоны -- очень крупные природные комплексы, обладающие сходными ландшафтом, животным и растительным миром. Природные зоны образуются вследствие распределения тепла и влаги на планете: высокая температура и низкая влажность характерна для экваториальных пустынь, высокая температура и высокая влажность -- для экваториальных и тропических лесов и т.д. Природные зоны расположены преимущественно субширотно, но рельеф, расстояние от океана влияют на расположение зон и их ширину. В горах также существует смена природных зон, в зависимости от высоты, смена зон происходит в том же порядке, что и смена зон суши от экватора к полюсам. Нижняя природная зона соответствует природной зоне территории, верхняя зависит от высоты горного массива.

Рисунок №1.

На рисунке №1 можно рассмотреть природные зоны Земли. Природные зоны земли разделяют на:

1. Экваториальные и тропические леса;

2. Пустыни и полупустыни;

3. Саванны и редколесья;

4. Жестколистные и вечнозелёные леса и кустарники;

5. Степи и лесостепи;

6. Широколиственные и смешанные леса;

7. Тайга;

8. Тундра и лесотундра;

9. Арктические пустыни.

Рассмотрим их подробнее. Экваториальные и тропические леса. Эта зона расположена в экваториальном и тропическом поясе Африки, Южной Америки и Азии. Тропические леса -- вечнозеленые, здесь всегда высокая температура и влажность. Для этих лесов характерна многоярусность: на одной и той же площади растут низкие кустарники, деревья средней высоты и огромные лесные гиганты. Здесь образуются красно-желтые почвы, бледные питательными веществами. Верхний слой почвы очень плодороден, но он быстро образуется, и так же быстро питательные вещества «вытягиваются» многочисленной растительностью.

Зона пустынь и полупустынь расположена в экваториальном, тропическом и умеренном поясах Пустыни отличаются очень низкой влажностью, растительный и животный мир пустынь подстраивается под эти тяжелые условия. Животные обладают свойством долгое время обходиться без воды, пережидать наиболее засушливые месяцы в спячке, многие ведут ночной образ жизни. Многие растения способны запасать влагу, у большинства снижено испарение, кроме того, они обладают разветвленной корневой системой, позволяющей собирать крохи влаги с большого объема. В целом растительный и животный мир очень ограничен. В почвах пустынь мало органических веществ и много минеральных солей.

Саванны и редколесья. Эта зона расположена в тропическом климатическом поясе и является переходной от зоны тропических лесов к другим. Она отличается небольшим количеством осадков и постоянно высокой температурой воздуха. Для саванн характерно наличие засушливого периода, во время которого травы высыхают, а животные стремятся к водоемам. Растительность здесь преимущественно травянистая, деревья встречаются редко. Для саванн характерно обилие крупных травоядных животных и хищников Почвы здесь красные и каштановые, с достаточным количеством питательных веществ, накопление которых происходит во время засушливого периода.

Жестколистные вечнозеленые леса и кустарники. Эта зона характерна для средиземноморского климата, отличающегося мягкой, влажной зимой и жарким летом. Для нее характерна разнообразная растительность, вечнозеленые лиственные растения, много хвойных деревьев. Оригинальный животный мир практически полностью истреблен. Почвы здесь красно-бурые.

Степи и лесостепи. Эта зона формируется в умеренном климатическом поясе, для нее характерны холодная зима и теплое, засушливое лето. Для степей характерная травянистая растительность, во многих областях замененная культурными растениями. Из животного мира в степях и лесостепях широко распространены грызуны, мелкие копытные, пресмыкающиеся и хищные птицы. В зоне степей и лесостепей формируются наиболее плодородные почвы - черноземы.

Широколиственные и смешанные леса. Эта зона формируется в умеренном поясе со средним количеством осадков, для нее характерны холодная зима и умеренно теплое лето. В лесах обычно два-три яруса, нижние сформированы кустарником и травянистой растительностью. Здесь распространены лесные копытные, хищники, грызуны, насекомоядные птицы. Почвы в этой зоне бурые и серые лесные.

Тайга. Эта зона формируется в северном полушарии в умеренной зоне с холодной зимой, коротким теплым летом и достаточно большим количеством осадков. Леса многоярусные, много хвойных деревьев. Животный мир представлен множеством хищников, в том числе некоторыми, впадающими в зимнюю спячку. Почвы бедны питательными веществами, подзолистые.

Тундра и лесотундра. Эта природная зона находится в субполярной и полярной зоне, где температура воздуха достаточно низкая. Растительный мир представлен в основном низкорослыми растениями с плохо развитой корневой системой мхами, лишайниками, кустарниками, карликовыми деревьями. В тундре живут копытные животные, мелкие хищники, много перелетных птиц Почвы в тундре торфяно-глеевые, большая территория находится в зоне вечной мерзлоты.

Арктические пустыни встречаются на островах, близких к полюсам. Из растительности встречаются мхи, лишайники, или же растительность отсутствует вовсе. Животные, встречающиеся в этой зоне, живут большую часть времени в воде, птицы прилетают на несколько месяцев.

Постепенно идея о тесной взаимосвязи между живой и неживой природой, об обратном воздействии живых организмов и их систем на окружающие их физические, химические и геологические факторы все настойчивее проникала в сознание ученых и находила реализацию в их конкретных исследованиях. Этому способствовали и перемены, произошедшие в общем подходе естествоиспытателей к изучению природы. Они все больше убеждались в том, что обособленное исследование явлений и процессов природы с позиций отдельных научных дисциплин оказывается неадекватным. Поэтому на рубеже ХIХ - ХХ вв. в науку все шире проникают идеи холистического, или целостного, подхода к изучению природы, которые в наше время сформировались в системный метод ее изучения.

Результаты такого подхода незамедлительно сказались при исследовании общих проблем воздействия биотических, или живых, факторов на абиотические, или физические, условия. Так, оказалось, например, что состав морской воды во многом определяется активностью морских организмов. Растения, живущие на песчаной почве, значительно изменяют ее структуру. Живые организмы контролируют даже состав нашей атмосферы. Число подобных примеров легко увеличить, и все они свидетельствуют о наличии обратной связи между живой и неживой природой, в результате которой живое вещество в значительной мере меняет лик нашей Земли. Таким образом, биосферу нельзя рассматривать в отрыве от неживой природы, от которой она, с одной стороны зависит, а с другой - сама воздействует на нее. Поэтому перед естествоиспытателями возникает задача - конкретно исследовать, каким образом и в какой мере живое вещество влияет на физико-химические и геологические процессы, происходящие на поверхности Земли и в земной коре. Только подобный подход может дать ясное и глубокое представление о концепции биосферы. Такую задачу как раз и поставил перед собой выдающийся российский ученый Владимир Иванович Вернадский (1863 - 1945).

2.В.И. Вернадский о биосфере

Центральным в этой концепции является понятие о живом веществе, которое В.И.Вернадский определяет как совокупность живых организмов. Кроме растений и животных, В.И.Вернадский включает сюда и человечество, влияние которого на геохимические процессы отличается от воздействия остальных живых существ, во-первых, своей интенсивностью, увеличивающейся с ходом геологического времени; во-вторых, тем воздействием, какое деятельность людей оказывает на остальное живое вещество.

Это воздействие сказывается, прежде всего, в создании многочисленных новых видов культурных растений и домашних животных. Такие виды не существовали раньше и без помощи человека либо погибают, либо превращаются в дикие породы. Поэтому Вернадский рассматривает геохимическую работу живого вещества в неразрывной связи животного, растительного царства и культурного человечества как работу единого целого.

По мнению В.И.Вернадского, в прошлом не придавали значения двум важным факторам, которые характеризуют живые тела и продукты их жизнедеятельности:

1. открытию Пастера о преобладании оптически активных соединений, связанных с дисимметричностью пространственной структуры молекул, как отличительной особенности живых тел;

2. явно недооценивался вклад живых организмов в энергетику биосферы и их влияние на неживые тела. Ведь в состав биосферы входит не только живое вещество, но и разнообразные неживые тела, которые В.И.Вернадский называет косными (атмосфера, горные породы, минералы и т. д.), а также и биокосные тела, образованные из разнородных живых и косных тел (почвы, поверхностные воды и т. п.). Хотя живое вещество по объему и весу составляет незначительную часть биосферы, но оно играет основную роль в геологических процессах, связанных с изменением облика нашей планеты.

Поскольку живое вещество является определяющим компонентом биосферы, постольку можно утверждать, что оно может существовать и развиваться только в рамках целостной системы биосферы. Не случайно, поэтому В.И.Вернадский считает, что живые организмы являются функцией биосферы и теснейшим образом материально и энергетически с ней связаны, являются огромной геологической силой, ее определяющей.

Исходной основой существования биосферы и происходящих в ней биогеохимических процессов является астрономическое положение нашей планеты и в первую очередь ее расстояние от Солнца и наклон земной оси к эклиптике, или к плоскости земной орбиты. Это пространственное расположение Земли определяет в основном климат на планете, а последний в свою очередь - жизненные циклы всех существующих на ней организмов. Солнце является основным источником энергии биосферы и регулятором всех геологических, химических и биологических процессов на нашей планете. Эту ее роль образно выразил один из авторов закона сохранения и превращения энергии Юлиус Майер (1814 - 1878), отметивший, что жизнь есть создание солнечного луча.

Решающее отличие живого вещества от косного заключается в следующем:

1. изменения и процессы в живом веществе происходят значительно быстрее, чем в косных телах. Поэтому для характеристики изменений в живом веществе используется понятие исторического, а в косных телах - геологического времени. Для сравнения отмету, что секунда геологического времени соответствует примерно ста тысячам лет исторического;

2. в ходе геологического времени возрастают мощь живого вещества и его воздействие на косное вещество биосферы. Это воздействие, указывает В.И. Вернадский, проявляется прежде всего "в непрерывном биогенном токе атомов из живого вещества в косное вещество биосферы и обратно";

3. только в живом веществе происходят качественные изменения организмов в ходе геологического времени. Процесс и механизмы этих изменений впервые нашли объяснение в теории происхождения видов путем естественного отбора Ч.Дарвина (1859 г.);

4. живые организмы изменяются в зависимости от изменения окружающей среды, адаптируются к ней и, согласно теории Дарвина, именно постепенное накопление таких изменений служит источником эволюции.

В.И.Вернадский высказывает предположение, что живое вещество, возможно, имеет и свой процесс эволюции, проявляющийся в изменении с ходом геологического времени, вне зависимости от изменения среды.

Для подтверждения своей мысли он ссылается на непрерывный рост центральной нервной системы животных и ее значение в биосфере, а также на особую организованность самой биосферы. По его мнению, в упрощенной модели эту организованность можно выразить так, что ни одна из точек биосферы "не попадает в то же место, в ту же точку биосферы, в какой когда-нибудь была раньше”. В современных терминах это явление можно описать как необратимость изменений, которые присущи любому процессу эволюции и развития.

Непрерывный процесс эволюции, сопровождающийся появлением новых видов организмов, оказывает воздействие на всю биосферу в целом, в том числе и на природные биокосные тела, например, почвы, наземные и подземные воды и т. д. Это подтверждается тем, что почвы и реки девона совсем другие, чем третичной и тем более нашей эпохи. Таким образом, эволюция видов постепенно распространяется и переходит на всю биосферу.

Поскольку эволюция и возникновение новых видов предполагают существование своего начала, постольку закономерно возникает вопрос: а есть ли такое начало у жизни? Если есть, то где его искать - на Земле или в Космосе? Может ли возникнуть живое из неживого?

Над этими вопросами на протяжении столетий задумывались многие религиозные деятели, представители искусства, философы и ученые. В.И.Вернадский подробно рассматривает наиболее интересные точки зрения, которые выдвигались выдающимися мыслителями разных эпох, и приходит к выводу, что никакого убедительного ответа на эти вопросы пока не существует. Сам он как ученый вначале придерживался эмпирического подхода к решению указанных вопросов, когда утверждал, что многочисленные попытки обнаружить в древних геологических слоях Земли следы присутствия каких-либо переходных форм жизни не увенчались успехом. Во всяком случае некоторые останки жизни были обнаружены даже в докембрийских слоях, насчитывающих 600 миллионов лет. Эти отрицательные результаты, по мнению В.И.Вернадского, дают возможность высказать предположение, что жизнь как материя и энергия существует во Вселенной вечно и поэтому не имеет своего начала. Но такое предположение есть не больше, чем эмпирическое обобщение, основанное на том, что следы живого вещества до сих пор не обнаружены в земных слоях. Чтобы стать научной гипотезой, оно должно быть согласовано с другими результатами научного познания, в том числе и с более широкими концепциями естествознания и философии. Во всяком случае нельзя не считаться со взглядами тех натуралистов и философов, которые защищали тезис о возникновении живой материи из неживой, а в настоящее время даже выдвигают достаточно обоснованные гипотезы и модели происхождения жизни.

В дальнейшем, по мере проникновения физико-химических методов в биологические исследования снова и все настойчивее стали выдвигаться гипотезы об абиогенном происхождении жизни. Выше мы уже говорили о химической эволюции как предпосылке возникновения предбиотической, или предбиологической, стадии возникновения жизни. С указанными результатами не мог не считаться В.И. Вернадский, и поэтому его взгляды по этим вопросам не оставались неизменными, но, опираясь на почву точно установленных фактов, он не допускал ни божественного вмешательства, ни земного происхождения жизни. Он перенес возникновение жизни за пределы Земли, а также допускал возможность ее появлении в биосфере при определенных условиях. Он писал: “Принцип Реди не указывает на невозможность абиогенеза вне биосферы или при установлении наличия в биосфере (теперь или раньше) физико-химических явлений, не принятых при научном определении этой формы организованности земной оболочки”.

Несмотря на некоторые противоречия, учение Вернадского о биосфере представляет собой новый крупный шаг в понимании не только живой природы, но и ее неразрывной связи с исторической деятельностью человечества.

Заключение

В заключении хотелось бы проанализировать выводы из учения о географических особенностях биосферы:

1. Первым выводом из данного учения является принцип целостности биосферы. Здесь можно говорить о всей жизни, о всем живом веществе, как о едином целом в механизме биосферы. Строение Земли, по Вернадскому, есть согласованный в своих частях механизм. Узкие пределы существования жизни -- физические постоянные, уровни радиации и т.п.- подтверждают это. Как будто кто-то создал такую среду, чтобы жизнь стала возможна.

2. С принципом целостности биосферы и неразрывной связи в ней живых и косных компонентов связан и принцип гармонии биосферы и её организованности. В биосфере, по Вернадскому, «всё учитывается и всё приспосабливается с той же точностью, с той же механичностью и с тем же подчинением мере и гармонии, какую мы видим в стройных движениях небесных светил и начинаем видеть в системах атомов вещества и атомов энергии».

3. Роль живого в эволюции Земли. На земной поверхности нет химической силы, более постоянно действующей, а потому и более могущественной по своим конечным последствиям, чем организмы взятые в целом. Все минералы непрерывно создаются в ней только под влиянием жизни. Лик Земли как небесного тела фактически сформирован жизнью.

4. Космическая роль биосферы в трансформации энергии. Можно рассматривать всю эту часть живой природы как дальнейшее развитие одного и того же процесса превращения солнечной световой энергии в действенную энергию Земли.

5. Растекание жизни есть проявление ее геохимической энергии. Живое вещество, подобно газам, растекается по земной поверхности в соответствие с правилом инерции.

6. Понятие автотрофности. Автотрофными называют организмы, которые берут все нужные им для жизни химические элементы в биосфере из окружающей их косной материи и не требуют для построения своего тела готовых соединений другого организма. Поле существования этих зеленых автотрофных организмов определяется прежде всего областью проникновения солнечных лучей.

7. Космическая энергия вызывает давление жизни, которая достигается размножением. Размножение организмов уменьшается по мере увеличения их количества.

8. Формы нахождения химических элементов: 1) горные породы и минералы; 2) магмы; 3) рассеянные элементы; 4)живое вещество. Закон бережливости использования живым веществом простых химических тел: раз вошедший элемент проходит длинный ряд состояний, и организм вводит в себя только необходимое количество элементов.

9. Жизнь целиком определяется полем устойчивости зеленой растительности.

10. Биосфера в своих основных чертах представляет один и тот же химический аппарат самых древних геологических периодов. Жизнь оставалась в течении геологического времени постоянной, менялась только ее форма.

Литература

биосфера вернадский географический

1. Ален Р.Д. Наука о жизни. М.: 1981.

2. Вернадский В.И. Биосфера и ноосфера. М.: 1988.

3. Вернадский В.И. Философские мысли натуралиста. М.: 1988.

4. Горелов А.А. Концепции современного естествознания. М.:2000.

5. Лаппо А.В. Следы белых биосфер. М.: 1979.

Размещено на Allbest.ru