Учение о биосфере

РЕФЕРАТ Тема: БИОСФЕРА: история и действительность

• Введение
• Глава 1. Понятие биосферы В. И. Вернадского. Начало и вечность жизни
• Глава 2. Проблемы биосферы сегодня
• Глава 3. Устойчивость биосферы
• Глава4. Сколько человек может «выдержать» Земля?
• Заключение
• Литература

Биосфера (от био… и сфера), область активной жизни, охватывающая нижнюю часть атмосферы, гидросферу и верхнюю часть литосферы. В биосфере живые организмы (живое вещество) и среда их обитания органически связаны и взаимодействуют друг с другом, образуя целостную динамическую систему. Термин «Биосфера» введен в 1875 году Зюссом. Учение о биосфере, как об активной оболочке земли, в которой совокупная деятельность живых организмов (в том числе человека) проявляется как геохимический фактор планетарного масштаба и значения, создано В. И. Вернадским в 1926 году.

К биосфере относится все, что живет, дышит, растет и питается (кроме человека, который выделился из животного мира). Поэтому рассмотрим проблемы, относящиеся непосредственно к миру дикой природы.

Глава 1. Понятие биосферы В. И. Вернадского. Начало и вечность жизни

В своей работе «Очерки геохимии» Вернадский пишет: «Живое вещество более или менее непрерывно распространено на земной поверхности, оно образует на ней тонкий, но сплошной покров, в котором концентрирована свободная химическая энергия, выработанная им из энергии Солнца. Этот слой есть земная оболочка, которую знаменитый австрийский геолог Э. Зюсс назад назвал биосферой и которая представляет одну из самых характерных черт организованности нашей планеты. Только в ней сосредоточена та особая форма нахождения химических элементов, которую мы назвали живым веществом.»

В книге «Химическое строение биосферы Земли и её окружения» он пишет по этому поводу: «Биосфера и её приближённый синоним — Лик Земли — оба понятия, введённые Э. Зюссом, но сейчас коренным образом изменённые ходом дальнейшего исследования, ярко определяют основные черты поверхности нашей планеты: близость к Космосу, не повторяющуюся на нашей Земле, и существование исключительно на ней живого вещества. „Лик Земли“ — картина Земли, если смотреть на неё из просторов Космоса.»

Наиболее распространённым, и вместе с тем наиболее однобоким, является представление о биосфере только как о современной живой плёнке (условно — оболочке) планеты, т. е. о достаточно автономной совокупности всех организмов (животных, растений, бактерий), населяющих поверхность Земли и её гидросферу и проникающих в той или иной мере в приповерхностные зоны атмосферы и литосферы. Такая биосфера сложным образом соотносится с тремя другими геосферами Земли, что только усиливает иллюзию её автономности. Биосфера Вернадского имеет неизмеримо большую глубину и характеризуется большим количеством основополагающих параметров.

Определяя биосферу, Вернадский пишет: «Э. Зюсс (1831 — 1914) и геологи того времени могли смотреть и на проявление жизни и на Лик Земли, как на независимые друг от друга явления. Сейчас для нас ясно, что Лик Земли не является результатом „случайных явлений“, а отвечает определённой резко ограниченной геологической земной оболочке — биосфере — одной из многих других, имеющих определённую структуру, характерную для земных планет.»

В работе «Об условиях появления жизни на Земле», вышедшей в 1931 г. В. И. Вернадский ставит вопрос о первом появлении жизни, издавна волновавший философов. Однако он пытается разрешить этот вопрос не как философ, а как учёный. При этом, как считает Вернадский, можно научно подойти к решению этой проблемы, но не во всей её полноте. «Это необходимо учитывать и резко определять область, которая подлежит в данное время научному ведению. Этой областью не будет решение вопроса о механизме зарождения или появления жизни на нашей планете, но ею может являться определение условий, в которых такое появление или зарождение единственно возможно. «. Здесь же даётся определение научной постановки проблемы: «Под научной постановкой проблемы я подразумеваю такую постановку, которая сводит всю проблему, или отдельные, логически непреклонно с ней связанные следствия к форме, допускающей точную проверку научным опытом или научным наблюдением» .

В.И. Вернадский подчеркивает два важнейших, с геологической точки зрения, положения: во-первых, планетный, геологически закономерный характер жизни, и, во-вторых, теснейшую связь всех геологических процессов в биосфере с деятельностью живого вещества.

Таким образом, понимание жизни как планетного явления приводит к представлениям о прямой зависимости существования биосферы от условий, созданных геологическими (в широком смысле слова) процессами.

Таким образом, Вернадский сводит проблему зарождения жизни к проблеме возникновения биосферы, т. е. к определению тех условий, при которых возможно осуществление биогеохимических функций биосферы. Он считает, что такие условия могли возникнуть после выделения Луны из Земли и образования Тихого океана. В. И. Вернадский пишет: «<…> Первое появление жизни при создании биосферы должно было произойти не в виде одного какого-нибудь вида организма, а в виде их совокупности, отвечающей геохимическим функциям жизни. Должны были сразу появиться биоценозы». При этом он допускает в качестве механизма возникновения жизни как абиогенез (зарождение вне живого), так и проникновение живого вещества извне, из космоса. Абиогенез, как считает Вернадский, несмотря на то, что мы не наблюдаем сейчас его проявлений, мог существовать в определённых условиях до появления биосферы.

Интересно, что в работе «Начало и вечность жизни», вышедшей в 1922 г. В. И. Вернадский анализирует различные механизмы возникновения жизни и приходит к выводу, что жизнь могла быть вечной, не иметь начала: «Указание на логическую необходимость признания начала для эволюционного процесса имеет скорее философский, чем научный интерес. В конце концов, мы так же мало можем говорить о начале, как и о конце эволюционного процесса». Причём одной из причин всеобщего признания в науке необходимости начала жизни

По мнению В. И. Вернадского, земная кора — это область былых биосфер. Биосфера существовала на протяжении геологической истории от криптозоя до наших дней и была широко проникнута живым веществом.

Биосфера Вернадского неразрывно связана с его концепцией пространства-времени, т. е. она трехмерна и геоисторична. Сведение её к современной жизнедеятельной плёнке планеты не просто обедняет понятие биосферы, а лишает её самой основы — бесконечной длительности эволюции, сложности неравномерного исторического развития, его непрерывности, направленности и необратимости. Нынешний срез биосферы, какой бы сложной и экологически дробной она нам ни представлялась, в своём вхождении в ландшафты Земли, в литосферу, в гидросферу (вплоть до человека в космосе) — только вершина древа — гигантского пути, идущего из геологического прошлого, без знания которого вся ослепительная красота современной мозаики жизни безродна и слепа.

Таким образом, представление о биосфере как обособленной закрытой самоуправляющейся системе — современной живой специфической плёнке Земли — должно быть отвергнуто. Биосфера — это открытая система, существующая, вероятно, столь же долго, как и сама Земля. В работе «Химическое строение биосферы Земли и её окружения» В. И. Вернадский пишет: «Мы не знаем никакого промежутка времени на нашей планете, когда на ней не было бы живого вещества, не было бы биосферы». Биосфера непрерывно функционирует только в силу своей неразрывной связи с другими геосферами нашей планеты.

Вернадский неоднократно подчёркивает, что ни один живой организм (и в том числе человек) в свободном состоянии на Земле не находится. Все организмы неразрывно и непрерывно связаны, — прежде всего, питанием и дыханием — с окружающей их материально-энергетической средой. «В гуще, в интенсивности и в сложности современной жизни человек практически забывает, что он сам и всё человечество, от которого он не может быть отделён, неразрывно связаны с биосферой — с определённой частью планеты, на которой они живут» .

Биосферная концепция Вернадского лишена узкой биологичности и поэтому не может быть автоматически вписана только в сферу биологических наук. Это широкое междисциплинарное направление в науках о Земле и жизни, находящееся к тому же во все возрастающей связи с глобальной социологией и общественными науками. В этом и состоит огромное значение современных комплексных биосферных знаний в науке и в глобальных биосферных прогнозах наших дней, ставших особенно острыми в условиях неконтролируемой технократической деятельности людей.

Глава 2. Проблемы биосферы сегодня

Ресурсы дикой природы дают человеку всевозможные экономические выгоды, они служат источниками пищи, топлива, бумаги, ткани, кожи, лекарств и всего остального, что использует человек в своей деятельности. Кроме того, многие дикие виды имеют еще и эстетическую ценность и создают условия для отдыха. Однако их наибольшим вкладом является поддержание «здоровья» и целостности экосистем мира.

Многие люди считают, что природу необходимо охранять только из-за ее реальной или потенциальной пользы для людей, — этот подход называют антропоцентрическим (с «человеком в центре») взглядом на мир. Некоторые люди придерживаются биоцентрического мировоззрения и убеждены, что недостойно человека ускорять исчезновение каких-либо видов, так как человек не более важен, чем другие виды на земле. «У человека нет превосходства над другими видами, ибо все есть суета сует» — считают они. Другие придерживаются экоцентрического (центр-экосистема) взгляда и полагают, что оправданы только те действия, которые направлены на поддержание систем жизнеобеспечения земли.

По меньшей мере 94% из примерно полумиллиарда различных видов, которые жили на земле, исчезли или эволюционировали в новые виды. Массовое вымирание в далеком прошлом происходило в результате неизвестных природных причин. Однако с тех пор, как 10 000 лет назад зародилось земледелие, в результате человеческой деятельности скорость исчезновения видов возросла в миллионы раз и предполагается, что такая тенденция сохранится в ближайшие десятилетия. Виды, которые могут вскоре исчезнуть, классифицируются как виды, подвергающиеся опасности исчезновения, а те, которые, вероятно, будут подвергаться опасности, классифицируются как виды, находящиеся под угрозой исчезновения.

Основными, связанными с деятельностью человека факторами, которые способны подвергнуть виды угрозе, опасности или исчезновению, являются:

уничтожение или нарушение мест обитания;

промысловая охота;

контролирование вредителей и хищников для защиты домашнего скота, сельскохозяйственных культур и для охоты;

разведение в качестве домашних животных, декоративных растений, для медицинских исследований и для зоопарков;

загрязнение;

случайная или намеренная интродукция конкурирующих или хищных видов в экосистемы;

рост населения.

Ряд видов обладает природными особенностями, которые в большей степени способствуют их исчезновению в результате деятельности человека и природных катастроф, чем другие виды. Это: медленная скорость размножения, крупный размер, ограниченные или особые районы гнездования или размножения, особые привычки питания, установленные способы миграции и определенный тип поведения.

Для охраны подвергающихся опасности и угрозе вымирания диких видов и для предотвращения опасности, которой могут подвергнуться другие виды, используются три основные стратегии:

принятие соглашений, законов и создание заповедников;

использование генных банков, зоопарков, исследовательских центров, ботанических садов и аквариумов для сохранения небольшого количества диких животных;

охрана и защита разнообразия уникальных и типичных экосистем во всем мире.

Менеджмент диких животных подразумевает регулирование популяций диких видов и их мест обитания для пользы человека, благополучия других видов и для охраны подвергающихся опасности или угрозе вымирания видов. Для достижения этих часто противоречивых целей используются три подхода:

охрана относительно ненарушенных областей от наносящей вред человеческой деятельности;

регулирование численности популяций, растительности в местах обитания и запасов воды для поддержания видового разнообразия территории;

регулирование размеров популяций, растительности в местах обитания и запасов воды на конкретной территории для благополучия отдельного вида.

В большинстве развитых стран популяции охотничьих животных регулируются законами, которые определяют способ и время спортивной охоты на определенные виды. Менеджмент водоплавающих перелетных птиц может осуществляться посредством:

охраны существующих мест обитания на лугах и заболоченных участках в районах их летних и зимних гнездований и вдоль путей миграции;

создания новых мест обитания;

регулирования охоты.

Для регулирования популяций ценных промысловых и представляющих интерес для спортивной рыбной ловли пресноводных и морских видов рыб также используются законы и постановления. Однако многие важные промысловые виды морских рыб и китов добывались в интересах краткосрочной экономической выгоды до тех пор, пока они не стали столь малочисленны, что ловить их стало невыгодно.

В настоящее время ведутся разработки новых, более эффективных способов управления популяциями животных, делаются попытки оградить дикую природу от антропогенного воздействия, или хотя бы свести это воздействие к минимуму, при котором популяции животных перестали бы уменьшаться.

Глава 3. Устойчивость биосферы

Какова устойчивость биосферы, то есть ее способность возвращаться в исходное состояние после любых возмущающих воздействий? Она очень велика. Биосфера существует уже около 3,8 миллиардов лет (Солнце и планеты — около 4,6 миллиарда) и за это время ее эволюция не прерывалась: это следует из того, что все живые организмы, от вирусов до человека, имеют один и тот же генетический код, записанный в молекуле ДНК, а их белки построены из 20 аминокислот, одинаковых у всех организмов. И как бы не были велики возмущающие воздействия, а некоторые из них можно отнести к разряду глобальных катастроф, приводивших к исчезновению многих видов, в биосфере всегда находились внутренние резервы для восстановления и развития.

Только за последние 570 миллионов лет отмечено шесть крупных катастроф. В результате одной из них число семейств морских животных уменьшилось более чем на 40%. Крупнейшая катастрофа на границе пермского и триасового периодов (240 миллионов лет назад) привела к вымиранию около 70% видов, а катастрофа на границе мелового и третичного периодов (67 миллионов лет назад) — вымиранию почти половины видов (тогда-то вымерли и динозавры).

Причины таких катаклизмов могли быть различны: похолодание климата, большие вулканические извержения с обширными излияниями лавы, отступления океана, удары крупных метеоритов — биота все равно развивалась, приспосабливаясь к окружающей среде и одновременно оказывая на последнюю мощное преобразующее влияние. Образование атмосферного кислорода и увеличение его концентрации, кстати, тоже оказалось катастрофичным для некоторых видов — они вымерли, в то же время развитие других ускорилось. Содержание углекислого газа в атмосфере соответственно уменьшилось. Углерод начал накапливаться в биоте и детрите (запас мертвого органического вещества: опад листьев, засохшие деревья, торф, каменный уголь, нефть) и преобразовываться в уголь, нефть и газ. В океанах из раковин и скелетов морских организмов образовались мощные морские отложения карбонатов (известняк, мел, мрамор) и силикатов. Полосчатые железняки, составляющие главные промышленные запасы железа, в том числе и запасы Курской магнитной аномалии, образовались около 2 миллиардов лет назад под воздействием кислорода, выделенного фотосинтезирующими бактериями (только после этого кислород стал накапливаться в атмосфере). Ряд организмов, накапливающих определенные элементы, участвовал в создании месторождений других полезных ископаемых.

Биота прошла огромный путь эволюции от простейших организмов до животных и растений и достигла видового разнообразия, которое исследователи оценивают 2−10 миллионами видов животных, растений и микроорганизмов, каждый из которых занял свою экологическую нишу.

Состояние биоты определяется в основном физико-химическими характеристиками окружающей среды. Совокупность среднемноголетних характеристик атмосферы, гидросферы и суши мы называем климатом. Основная климатическая характеристика — температура у поверхности Земли — изменялась за время эволюции биоты относительно мало (при современном значении средней глобальной температуры 288 ⁰ К (шкала Кельвина отсчитывает градусы от абсолютного нуля, 288 ⁰ = 15 ⁰⁾ изменения, с учетом ледниковых периодов, не превышали 10−20 ⁰⁾.

Хотя на состояние экосистем и биосферы в целом физико-химические процессы в окружающей среде оказывают определенное влияние, сильно и обратное влияние биоты на окружающую среду. Причем воздействует она как на положительные, так и на отрицательные обратные связи, поэтому ее развитие иногда ускоряется, а иногда замедляется.

Но этот цикл не замкнут, не стационарен, как показали геологические данные и теоретические модели, содержащие в атмосфере СО₂ (и связанное с ним содержание О₂) за последние 570 миллионов лет неоднократно колебалось, причем количество СО₂ каждый раз уменьшалось или увеличивалось в несколько раз. В одних случаях это способствовало развитию биоты, а в других — мешало.

Не является замкнутым и медленный геохимический цикл: СО₂ поступает в атмосферу через вулканы, а расходуется на выветривание горных пород и на образование биоты. Часть атмосферного углерода откладывается, захороняется надолго, создавая запасы ископаемого топлива, а освободившийся кислород поступает в атмосферу. В результате за 4 миллиарда лет концентрация СО₂ в атмосфере уменьшилась в 100 — 1000 раз (из-за ослабления вулканизма, в результате расхода радиоактивных элементов в недрах Земли), что отрицательно повлияло на питание растений. В то же время накопление кислорода в атмосфере резко ускорило развитие биоты, но не было на пользу самым анаэробным (безкислородным) организмам, в результате жизнедеятельности которых появился кислород. Они были почти полностью вытеснены вновь возникшими аэробными организмами.

Большое влияние биоты на окружающую среду привело некоторых исследователей к выводу, что биота могла поддерживать в окружающей среде условия, благоприятные для ее жизнедеятельности. Но эта гипотеза противоречит ряду факторов (массовые вымирания, исчезновение миллиардов видов), а так же дарвиновской теории эволюции. Биота не поддерживала условия окружающей среды, оптимальные для живущих организмов, поэтому многие организмы и виды не могли пережить изменений географических и климатических условий. Есть оценки, что за время существования биосферы исчезло несколько миллиардов видов, тогда как сейчас существуют несколько миллионов. Но зато организмы, которые сумели пережить изменение условий, давали начало новым видам. Именно приспособление к изменяющимся условиям окружающей среды создало многочисленные и приспособленные виды, то есть двигало эволюцию, как это впервые показал Дарвин. Если бы было верным допущение о том, что существующая в определенный момент биота может поддерживать параметры окружающей среды в оптимальных для себя пределах, то сейчас могли бы существовать климат и богатейшая растительность каменноугольного периода, но эволюция биоты прекратилась бы.

Имеются данные о том, что становлению человека как вида способствовали тяжелые условия окружающей среды, в которых жили наши предки. Когда он научился поддерживать благоприятные условия своего существования, его эволюция как биологического вида прекратилась, сменившись эволюцией общества.

Итак, в процессе развития биоты были периоды устойчивого развития и периоды катастроф.

Глава4. Сколько человек может «выдержать» Земля?

При какой численности человечества возможно устойчивое развитие биосферы? Безусловно, предел численности есть, так как планета и ее ресурсы конечны. Нахождение этого предела — одна из важнейших проблем фундаментальной экологии, решение которой является делом будущего. Сейчас возможны лишь очень приближенные прогнозы. Имеются довольно оптимистические оценки предела численности: 7−11 миллиардов, и весьма пессимистические: одна десятая современной численности, то есть 600 миллионов человек. Покажем, что более оптимистические оценки более реальны.

Быстрый рост населения Земли — одна из причин экологического кризиса. Если в 1840 г. численность человечества была равна 1 миллиарду, то к 1995 г. она достигла 5,7 миллиардов человек. Его энергопотребление за то же время увеличилось примерно в 100 раз, достигнув 1,5×10¹³ Вт, — около 15% той энергии, которая идет на фотосинтез, поддерживающий всю биосферу, — и продолжает расти. Расходуется энергия не только не только на производство пищи, одежды, жилья, информации. Показатель расхода может служить и показателем качества жизни, и являться показателем степени воздействия на природу.

Потребление энергии очень не равномерно распределено по странам. Так как развивающиеся страны стремятся догнать развитые, можно быть уверенными, что энергопотребление будет расти и дальше.

Кроме того по прогнозам, численность населения Земли стабилизируется к 2040 г. на уровне 8−12 миллиардов человек.

Отсюда следует, что важнейшая задача человечества — это внедрение энергосберегающих технологий, а так же переход на альтернативные источники энергии. Наиболее многообещающим источником энергии (практически неисчерпаемым и экологически чистым) является солнечная, особенно если учесть возможность расположения солнечных электростанций не только в пустынях, но и на спутниках. На определенном этапе может быть полезно использование ветровой, приливной, геотермальной, ядерной и термоядерной энергии. Новые достижения биотехнологии по выращиванию культуры клеток могут вновь сделать выгодным производных биомассы (например, спирта, метана) как источников энергии.

Однако есть предел роста энергопотребления человечества, и определяется он тем, что вся расходуемая нами энергия в конечном счете переходит в тепловую и, добавляясь к энергии других источников, повышает температуру поверхности Земли и атмосферы, то есть вызывает потепление климата. Эта тепловая энергия за короткий срок (порядка нескольких месяцев) распространяется по поверхности Земли (площадь земной поверхности S=5,1×10¹⁴ м²), так что антропогенную добавку энергии можно вычислить, разделив энергию, потребляемую человечеством, на площадь планеты E=E_ч / S = 0,025 Вт/м².

Какое народонаселение может прокормить Земля? По оценке специалистов ООН, площадь Земли 1,5×10⁹ га, занятая под производство продовольствия (близкая к современной), может дать 5т/га зернового эквивалента (сейчас дает 2т/га), а с добавлением пастбищ и морепродуктов — 8т/га: при нынешнем среднем потреблении 6000 кал/день (для питания, на семена и на корм скоту) можно прокормить 11 миллионов человек, а если увеличить эту норму до 9000 кал/день — 7,5 миллиардов. Необходимо заметить, что в эти оценки не входит вполне возможное увеличение использования морепродуктов, а так же достижений биотехнологии (когда из одного микроорганизма можно получить через 30 часов кубометр биомассы).

Таким образом, приближенная оценка предельной численности населения Земли при современных методах производства пищи и без заселения околоземного космического пространства — примерно вдвое больше современной. По прогнозам, такая численность населения может быть достигнута к середине следующего века, причем есть надежда, что на этом значении она стабилизируется.

Утверждения о том, что на Земле должна остаться десятая часть современного населения, основаны на мнении, что при современной численности человечество сделало биосферу неустойчивой. Это не соответствует действительности.

Что еще нужно человечеству, кроме достаточного количества экологически чистой энергии, для того, чтобы обеспечить его коэволюцию с биосферой? Нужны достаточные информационные мощности.

Отказываться от научно-технического прогресса ненужно. Причины экологического кризиса вовсе не в наших знаниях и умении, а как раз в том, что мы еще многого не знаем и не умеем. Беспредельный количественный рост — это не прогресс. Настоящий прогресс — это коэволюция цивилизации и биосферы, которая должна и может обеспечить достойную жизнь каждому человеку, но этого можно достичь, только используя все достижения науки и техники.

Существующих уже сейчас научно-технических возможностей достаточно, чтобы во многом решить на Земле такие проблемы, как голод, нищета и сложная экономическая ситуация, но для этого нужны более современное экономическое устройство и более высокая нравственность.

Заключение

Человечество пришло к пониманию, что дальнейшее развитие технического прогресса невозможно без оценки влияния новых технологий на экологическую ситуацию. Новые связи, создаваемые человеком, должны быть замкнуты, чтобы обеспечить неизменность тех основных параметров системы планеты Земля, которые влияют на её экологическую стабильность.

1. Вернадский В. И. Общее понятие о биосфере. // Вернадский В. И. Начало и вечность жизни. / Сост., вступ. ст., коммент. М. С. Бастраковой, И. И. Мочалова, В. С. Неаполитанской. — М.: Сов. Россия, 1989.

2. Вернадский В. И. Научная мысль как планетное явление. // Вернадский В. И. Начало и вечность жизни. /Сост., вступ. ст., коммент. М. С. Бастраковой, И. И. Мочалова, В. С. Неаполитанской. — М.: Сов. Россия, 1989.

3. Вронский В. А. Экология: Словарь-справочник. — Ростов-на-Дону: Феникс, 1997. — 576с.: илл.

4. Демина Т. А. Экология, природопользование, охрана окружающей среды: Пособие для учащихся старших кл. общеобразоват. учреждений. — 3-е изд. — М.: Аспект Пресс, 1996. — 143с.

5. Петров К. М. Общая экология: Взаимодействие общества и природы: Учеб. пособие для студентов вузов. — СПб.: Химия, 1997. — 352с.: ил.

6. Экология и жизнь № 4. 97 // М. Н. Изанов «Сумеем ли мы сохранить биосферу» с. 34.