Философия науки

Однако если бы на Земле существовали только зеленые растения, то спустя некоторое время все минеральные вещества планеты оказались бы связанными в самих растениях (притом в основном в мертвых телах), и в результате рост растений, а затем и их жизнь прекратились вовсе. Но этого не происходит, потому что другие организмы - редуценты, питаясь веществами, заключенными в мертвых телах растений, подвергают их минерализации (деструкции) до простых неорганических соединений, которые затем снова используются автотрофами - продуцентами.

Кроме того, огромные запасы веществ и энергии, заключенные в телах продуцентов, потребляются не только редуцентами, но и консументами, к которым относятся в основном животные: растительноядные, плотоядные, всеядные и паразиты. Продуценты, консументы и редуценты связаны друг с другом и с окружающей абиотической средой сложными пищевыми сетями. Между этими четырьмя компонентами биосферы происходит обмен веществами и энергией. В конечном счете химические элементы оболочек планеты и энергия, поступившая от солнца, через тела растений доходят по пищевым цепям до каждого гетеротрофного живого организма. Таким путём из многочисленных веществ, поддерживающих жизнь организмов разных видов, в биосфере создаётся круговорот веществ и поток энергии. Ввиду огромной роли живого вещества круговорот веществ в биосфере называют биологическим или биотическим.

Могучей движущей силой круговорота веществ и потока энергии на нашей планете является живое вещество.

Итак, биологический круговорот характеризуется наличием четырех обязательных взаимосвязанных компонентов:

1) запаса химических веществ и энергии;

2) продуцентов;

3) консументов;

4) редуцентов.

В итоге все живое биосферы и окружающая среда, откуда организмы черпают средства жизни и куда выделяют все свои продукты жизнедеятельности, создают целостное, тесно связанное, взаимодействующее единство - живую систему (биосистему), которую из-за этой непрерывной взаимосвязи живого вещества с неживой природой называют также экологической системой (экосистемой). Организованная в глобальную биосистему (экосистему), жизнь на планете Земля продолжается непрерывно уже миллионы лет.

Любая биосистема устойчива лишь в том случае, если входящие в ее состав взаимодействующие комплексы живых организмов достаточно полно поддерживают круговорот веществ. Изменения массы живого вещества его структуры, химизма влияют на характер биологического круговорота. Знание качественных и количественных характеристик биологического круговорота, его ритма, интенсивности и скорости движения веществ и энергии возможность прогнозировать степень устойчивости экосистемы.

Биологический круговорот вещества и поток энергии являются главным условием возникновения и существования глобальной экосистемы.

Круговорот веществ в природе - это относительно повторяющиеся (циклические) взаимосвязанные химические, физические и биологические процессы превращения и перемещения веществ в природе.

Движущими силами круговорота служат потоки энергии Солнца (и Космоса в целом) и деятельность живого вещества. Благодаря этим силам идёт перемещение, концентрация и перераспределение огромных масс химических элементов, вовлеченных зелёными растениями с помощью фотосинтеза в органические вещества живых существ.

Круговорот веществ поддерживается в экосистеме планеты постоянным притоком все новых порции энергии. Однако круговорота энергии не бывает. Энергия - согласно закону сохранения, не исчезает бесследно, а преобразуется в процессе жизнедеятельности организмов и, переходя в тепловую форму, рассеивается в окружающем пространстве. В то же время химические элементы, мигрируя с пищей от одного организма к другому, могут выходить в абиотическую среду и вновь вовлекаться автотрофами в круговорот жизни, т.е. многократно двигаются в круговороте.

Все биохимические циклы биосферы не замкнуты. При этом каждый новый цикл не является точным повторением предыдущего, так как природа не остается неизменной. Вещества и солнечная энергия вовлекаются в круговорот, но вместе с тем энергия в виде тепла уходит, рассеиваясь в пространстве, нередко и органические вещества выходят из круговорота в окружающую среду, накапливаясь в виде залежей. Поэтому и в отдельных биогеоценозах и во всей биосфере круговороты не замкнуты, а сама биосфера является открытой биосистемой

Круговорот фосфора в биосфере.

Фосфор - «элемент - одиночка». Простое вещество при обычных условиях существует в виде целого ряда аллотропных модификаций, главные из них - белый, красный и черный фосфор. Фосфор в свободном состоянии в природе не встречается, а входит в состав минералов типа апатитов 3Ca3(PO4)2 CaF2 и фосфатов Ca3(PO4)2 . Фосфор - важная составная часть цитоплазмы и нуклеиновых кислот. Редуценты, минерализуют органические соединения фосфора в фосфаты, которые вновь потребляются корнями растений. Много фосфора накапливается в горных породах, в глубинных отложениях, откуда с помощью животных снова возвращается в круговорот.

Круговорот воды на поверхности земного шара известен: действием солнечной энергии в результате испарения создается атмосферная влага, она конденсируется в форме облаков, с их охлаждением вода выпадает виде осадков (дождь, снег, град), которые поглощаются почвой или стекают в реки, озера, моря и океаны. Количество воды, испаряемой растениями с помощью транспирации, всегда больше, чем испаряемой с поверхности водоемов. Круговорот воды в бассейне реки Конго - пример регионального круговорота воды. Вода, теряемая в процессе испарения тропическим лесом и саванной, впоследствии возвращается с осадками в почву. Притом осадки более обильны, чем сток воды в море.

Круговороты, происходящие в биосфере, очень сложны и тесно связаны между собой. Вливаясь в общий биологический круговорот, они составляют основу существования и развития глобальной экосистемы, обеспечивая ее динамическую устойчивость и поступательное развитие. Движущей силой биологического круговорота веществ на нашей планете является жизнедеятельность организмов.

Таким образом, можно сделать вывод, что биохимическими циклами и круговоротом в целом обеспечиваются важнейшие функции живого вещества в биосфере.

Если же рассматривать биосферу в целом, то в ней можно выделить: 1) круговорот газообразных веществ с резервным фондом в атмосфере и гидросфере (океан) и 2) осадочный цикл с резервным фондом в земной коре (в геологическом круговороте).

Биогеохимический круговорот в биосфере, помимо кислорода, углерода и азота, совершают и многие другие элементы, входящие в состав органических веществ, -- сера, фосфор, железо и др.

3. Продукционная и регуляторная функции биосферы как основа жизнеобеспечения общества

Биосфера - это открытая целостная система, т.е. такая которая, с одной стороны, связана энергоинформационным и вещественным обменом с Космосом, с другой, -- не сводима к простой сумме составляющих ее частей. Целостность биосферы выполняет регуляторную функцию по отношению к объектам и процессам внутри биосферы.

Вернадский сформулировал понятие биосферы не просто как пространства, заселенного живыми организмами, а как целостной функциональной системы, на уровне которой реализуется неразрывная связь геологических и биологических процессов. Центральная роль в этой системе принадлежит живым организмам, обладающим высокой химической активностью, подвижностью и способностью к самовоспроизведению.

Подчеркивая глобальное значение жизни, В. И. Вернадский рассматривал ее в масштабах целостной биосферы. В его геохимической концепции выделена совокупность живых организмов («живого вещества») как целое. При таком подходе ученого интересовали в первую очередь химические свойства живых организмов, поскольку именно они определяют характер круговорота веществ. «Форма организмов в миграциях элементов земной коры почти совершенно стушевывается,-- писал он,-- но вещество организмов, движение его молекул, его энергия проявляются во всех наблюдаемых явлениях... Необходимо выражать совокупность организмов исключительно с точки зрения их веса, их химического состава, их энергии, их объема и характера отвечающего им пространства». При этом В. И. Вернадский подчеркивал, что биосфера как целостная система обладает определенной организованностью, механизмами самоподдержания: «Живое вещество... становится регулятором действенной энергии биосферы».

Однако эта регуляторная функция чувствительна к конкретным формам живых организмов и механизмам их взаимодействия. Инициированное учением В. И. Вернадского развитие биологии в направлении познания роли жизни в биосферных процессах характеризовалось стремлением раскрыть конкретные механизмы биогенного круговорота вещества как устойчивого глобального явления. Наиболее плодотворной оказалась концепция В. Н. Сукачева о биогеоценозах -- биологических системах, на уровне которых реализуются процессы этого круговорота. По современному представлению, устойчивое поддержание биогенного круговорота основывается на трех генеральных свойствах жизни: ее разнокачественное и разнообразии ее системности, гомеостазировании функций на разных уровнях организации биологических систем.

Такое свойство жизни, как системность, способствует бесперебойному осуществлению геохимических функций живого вещества в биосфере. Исходным звеном в цепи круговорота веществ служит отдельный организм. Только на уровне организма реализуется обмен веществ с окружающей средой. Эта функция обеспечивается сложным набором морфофизиологических механизмов, согласованность работы которых поддерживается системой регуляций, определяющих целостность и устойчивость организма как биологической системы. Но отдельные организмы смертны. Устойчивое участие видов в биогенном круговороте осуществляется на уровне популяций -- естественных группировок особей одного вида, вместе обитающих и связанных общностью генофонда и закономерными функциональными взаимодействиями. Популяция в современной биологии рассматривается как биологическая система надорганизменного уровня, характеризующаяся специфической структурой и функцией. При этом функция популяции неоднозначна. С одной стороны, она заключается в сохранении и воспроизведении вида в конкретных условиях. Благодаря эффективному размножению популяция как система оказывается практически бессмертной, хотя происходит непрерывная смена составляющих ее особей (организмов). С другой стороны, популяция входит в состав биогеоценоза как одна из его субсистем. Биогеоценотическая функция популяции -- участие в биогенном круговороте веществ -- определяется видоспецифическим типом обмена. Популяция представляет вид в биогеоценозах; все межвидовые взаимоотношения, обеспечивающие устойчивое существование и функционирование биогеоценозов, происходят на уровне видовых популяций.

На всех уровнях организации биологических систем (организм -- популяция -- биогеоценоз) параллельно их основным функциям действует система гомеостазирования, обеспечивающая устойчивость системы и непрерывность ее функционирования в условиях нестабильной среды. Конкретные формы гомеостаза весьма разнообразны как у разных видов, так и на разных уровнях организации жизни. Общим является подразделение этих механизмов на стабильные, обусловливающие приспособленность системы к устойчивым средним характеристикам среды, и лабильные (функциональные), возникающие в ответ на конкретное состояние среды в каждый данный момент. Два типа, «два уровня» адаптации не переходят друг в друга, а действуют совместно, обеспечивая максимальную приспособленность системы и, соответственно, максимальную эффективность ее функционирования в условиях сложной и динамичной среды.

Российские ученые поднимали вопрос о необходимости изучения межбиогеоценотических связей, говорили о биогеоценотическом покрове Земли как целостной системе. Действительно, хотя биогенный круговорот может быть завершен на уровне отдельного биогеоценоза, в реальных условиях обособленных круговоротов нет. На уровне биосферы процессы, протекающие в отдельных биогеоценозах, объединяются в систему глобальной функции живого вещества. В этой системе не только завершаются отдельные биогеохимические циклы, но и реализуется тесная взаимосвязь их с абиотическими процессами. В едином глобальном цикле функции живого вещества шире, нежели в круговороте отдельных элементов: живые организмы и надорганизменные системы (популяции, сообщества, экосистемы) активно участвуют в формировании рельефа и климата, типов почв, характера циркуляции вод и в других процессах. В конечном итоге многообразием форм жизни определяются свойства биосферы как самоподдерживающейся системы, гомеостаз которой запрограммирован на всех уровнях организации живой материи.

Различные уровни гомеостазирования биологических систем и биосферы в целом сложились на протяжении длительной эволюции Земли. В последнее время стремительное развитие науки и техники привело к тому, что по масштабам воздействия на биосферные процессы деятельность человека оказалась сопоставимой с теми геологическими факторами, которые направляли эволюцию жизни в предшествующие периоды ее развития на нашей планете. В наши дни вступает в силу разработанная В. И. Вернадским концепция ноосферы -- сферы ведущего значения человеческого разума.

Для детального изучения продукционного процесса в биосистеме необходимо получить информацию в масштабе времени (сутки, месяц или год), характерном для индивидуального существования системы и ее основных компонентов. Для видов с коротким жизненным циклом (1-2 года) с целью сравнения наиболее удобно использовать в качестве основной единицы времени сутки. Поскольку продукция измеряется или вычисляется за определенный период времени, принимаемый за единицу, она может одновременно рассматриваться и как скорость продукции (скорость продуцирования). Хотя эти определения можно рассматривать как синонимы, но в ряде случаев, например, когда изучается зависимость месячной продукции от изменчивости суточной, удобнее пользоваться понятием скорость продукции.

Помимо временных продукция имеет также пространственные границы. Она оценивается для биосистем либо в естественных границах, либо в расчете на единицу пространства (объема или площади). Так изучают продукцию популяций в их ареалах, сообществ в границах их биотопов, на квадратном метре поверхности, в кубометре воды.

Удельная продукция - продукция за единицу времени в пересчете на единицу биомассы продуцирующей биосистемы. Причем расчет удельной продукции производится обязательно на единицу средней биомассы. В зависимости от выбранной единицы времени получают часовую, суточную, месячную удельную продукцию. Наиболее приемлемым сравнительным показателем является суточная удельная продукция, причем сравниваться могут только системы одного типа: особи с особями, популяции с популяциями.

В нынешних условиях деятельность человечества, к сожалению, нередко нарушает эволюционно сложившееся экологическое равновесие. Объясняется это двойственностью современного положения человека в биосфере. С одной стороны, как биологический объект человечество всеми проявлениями своей жизнедеятельности связано с окружающей средой, включается в сложную систему трофических, биоэнергетических и пространственных отношений. С другой стороны, как социальная система человечество обладает широким кругом потребностей культурного, бытового и иного небиологического характера, высокоразвитой технологией. Оно изымает из окружающей среды биологические ресурсы, вводит в эксплуатацию ресурсы небиологического происхождения, не вовлекаемые в биогенный круговорот и потому невозобновляемые. В окружающую среду выводится большое количество веществ, не участвующих в циклах биологического разложения. Возникает ситуация переэксплуатации природных ресурсов, загрязнения окружающей среды, нарушения естественных гомеостазирующих механизмов биосферы. Последнее приводит к тому, что ситуация уже не может быть изменена естественным биологическим путем.

Современное состояние биосферы характеризуется как критическое. В международном масштабе в наши дни формулируется проблема экологической безопасности, включающая разработку принципиально новых основ взаимодействия различных сфер деятельности человека с естественными биосферными процессами. Решение этой проблемы предусматривает активное регулирующее вмешательство человека в биологические процессы, в частности, направленное регулирование численности и биологической активности экономически важных видов и формирование искусственных биологических систем с заданными свойствами. Это -- задача современной экологии, и в основе ее решения должны лежать глубокие знания естественных законов формирования и функционирования биологических систем разного уровня организации.

Однако полное решение проблемы экологической безопасности, то есть восстановление нарушенных циклов круговорота веществ, возможно лишь на основе создания замкнутых технологических производств в промышленности и сельском хозяйстве, как бы «дополняющих» естественные формы биологического круговорота. Только циклические безотходные технологии помогут исключить опасность загрязнения биосферы.

Таким образом, решение проблемы экологической безопасности выходит за рамки чисто биологических задач. В сферу современной экологии вовлекаются все достижения науки. Комплексная проблема взаимоотношений человечества и окружающей среды выводит науку о биосфере на новую ступень развития, характеризующуюся направленным воздействием на природные комплексы с целью создания устойчивых форм гармонического взаимодействия человечества и природных систем. Разработанная В. И. Вернадским концепция ноосферы -- основа поддержания разумного равновесия со средой, обеспечивающего благосостояние человечества в условиях научно-технического прогресса.

Заключение

Организованность биосферы представляет собой высший уровень развития известных нам природных систем. Это те системы, функционирование которых определяет темп, направление и характер физических, химических, термодинамических, биологических, геологических, иначе говоря, всю совокупность самых разнообразных процессов, протекающих в биосфере. Но организованность биосферы имеет и относительную самостоятельность: организуясь живыми организмами, она влияет на них, выбирая те, которые строго определены ее структурой.

Эволюция биосферы убедительно свидетельствует, что при любом воздействии на биосферу -- природном или антропогенном -- ее гомеостаз обеспечивается за счет сохранения биологического разнообразия.

При этом безостановочный экономический рост возможен лишь за счет непрерывного расширения использования ресурсов биосферы.

Человек, став мощным геологическим фактором, оказывает глобальное воздействие на биосферу.

Биосфера, со своей стороны, через свои экологические законы, которые он вынужден соблюдать, чтобы выжить, в том числе и закон о биотической регуляции окружающей среды, воздействует на человека.

Создаются условия, очень напоминающие сопряженную эволюцию или коэволюцию человек--биосфера.

Ноосфера («мыслящая оболочка», сфера разума) -- высшая стадия развития биосферы.

Прикладная экология изучает механизмы разрушения биосферы человеком, способы предотвращения этого процесса и разрабатывает принципы рационального использования природных ресурсов.

Список использованной литературы

1. Акимова, Т.А., Хаскин, В.В. Экология. - М.:ЮНИТИ, 2001.

2. Алексеев, В. П. Очерки экологии человека.- М.: «Наука»,1993 .

3. Вернадский, В.И. Биосфера и ноосфера. - М.: Наука, 1989.

4. Вернадский, В.И. Общее понятие о биосфере. // Вернадский В.И. Начало и вечность жизни./Сост., вступ. ст., коммент. М.С.Бастраковой, И.И.Мочалова,

6. В.С.Неаполитанской. - М.: Сов. Россия, 1989.

7. Вернадский, В.И. Научная мысль как планетное явление. //Вернадский В.И.

8. Начало и вечность жизни./Сост., вступ. ст., коммент. М.С.Бастраковой,

9. И.И.Мочалова, В.С.Неаполитанской. - М.:Сов. Россия, 1989.

10.Вронский, В.А. Экология:Словарь-справочник.-Ростов-на-Дону:Феникс,1997.

11.Голубев, В. С. Эволюция: от геохимических систем до ноосферы.- Киев, 2002.

12.Демина, Т. А. Экология,природопользование, охрана окружающей среды:Пособие для учащихся старших кл.общеобразоват.учреждений.-3-е изд.- М.:Аспект Пресс,1996. 13.Коробкин, В. И., Передельский, Л. В. Экология для студентов вузов.- Ростов- на-Дону, «Феникс»,2001 . 14.Криксунов, Е.А., Пасечник, В.В., Сидорин, А.П., Экология.- М.:Издательский дом "Дрофа", 1995.

Размещено на Allbest.ru