Учение вернадского о биосфере. Реферат: Учение В

Одним из выдающихся естествоиспытателей, посвятивших себя изучению процессов, протекающих в биосфере, был академик Владимир Иванович Вернадский (1864-1945). Он является основоположником научного направления, названного им биогеохимией , которое легло в основу современного учения о биосфере.

Исследования В.И. Вернадского привели к осознанию роли жизни и живого вещества в геологических процессах. Облик Земли, ее атмосфера, осадочные породы, ландшафты — все это результат жизнедеятельности живых организмов. Особую роль в становлении лика нашей планеты Вернадский отводил человеку. Он представил деятельность человечества как стихийный природный процесс, истоки которого теряются в глубинах истории.

Будучи выдающимся теоретиком, В.И. Вернадский стоял у истоков таких новых и общепризнанных ныне наук, как радиогеология, биогеохимия, учение о биосфере и ноосфере, науковедение.

В 1926 г. В.И. Вернадский опубликовал книгу «Биосфера», которая ознаменовала собой рождение новой науки о природе и взаимосвязи с ней человека. Биосфера впервые показана как единая динамическая система, населенная и управляемая жизнью, живым веществом планеты: «Биосфера — организованная, определенная оболочка земной коры, сопряженная с жизнью». Ученый установил, что взаимодействие живого вещества с веществом косным есть часть большого механизма земной коры, благодаря которому происходят разнообразные геохимические и биогенные процессы, миграции атомов, осуществляется их участие в геологических и биологических циклах.

В.И. Вернадский подчеркивал, что биосфера является результатом геологического и биологического развития и взаимодействия косного и биогенного вещества. С одной стороны, это среда жизни, а с другой — результат жизнедеятельности. Специфика современной биосферы — это четко направленные потоки энергии и биогенный (связанный с деятельностью живых существ) круговорот веществ. Вернадский впервые показал, что химическое состояние наружной коры нашей планеты всецело находится под влиянием жизни и определяется живыми организмами, с деятельностью которых связан великий планетарный процесс — ми фация химических элементов в биосфере. Эволюция видов, приводящая к созданию форм жизни, устойчива в биосфере и должна идти в направлении увеличения биогенной миграции атомов.

В.И. Вернадский отмечал, что пределы биосферы обусловлены прежде всего полем существования жизни. На развитие жизни, а следовательно, на границы биосферы оказывают влияние многие факторы, и прежде всего наличие кислорода, углекислого газа, воды в ее жидкой фазе. Ограничивают область распространения жизни также слишком высокие или низкие температуры, элементы минерального питания. К ограничивающим факторам можно отнести и сверхсоленую среду (превышение концентрации солей в морской воде примерно в 10 раз). Лишены жизни подземные воды с концентрацией солей свыше 270 г/л.

Согласно представлениям Вернадского, биосфера состоит из нескольких разнородных компонентов. Главный и основной — это живое вещество, совокупность всех живых организмов, населяющих Землю. В процессе жизнедеятельности живые организмы взаимодействуют с неживым (абиогенным) - косным веществом. Такое вещество образуется в результате процессов, в которых живые организмы не принимают участия, например, изверженные горные породы. Следующий компонент - биогенное вещество, создаваемое и перерабатываемое живыми организмами (газы атмосферы, каменный уголь, нефть, торф, известняк, мел, лесная подстилка, почвенный гумус и т.д.). Еше одно составляющее биосферы - биокосное вещество — результат совместной деятельности живых организмов (вода, почва, кора выветривания, осадочные породы, глинистые материалы) и косных (абиогенных) процессов.

Косное вещество резко преобладает по массе и объему. Живое вещество по массе составляет ничтожную часть нашей планеты: примерно 0,25 % биосферы. Причем «масса живого вещества остается в основном постоянной и определяется лучистой солнечной энергией заселения планеты». В настоящее время этот вывод Вернадского называется законом константности.

В.И. Вернадский сформулировал пять постулатов, относящихся к функции биосферы.

Первый постулат: «С самого начала биосферы жизнь, в нее входящая, должна была быть уже сложным телом, а не однородным веществом, поскольку связанные с жизнью ее биогеохимические функции по разнообразию и сложности не могут быть уделом какой-нибудь одной формы жизни». Другими словами, первобытная биосфера изначально отличалась богатым функциональным разнообразием.

Второй постулат: «Организмы проявляются не единично, а в массовом эффекте... Первое появление жизни... должно было произойти не в виде появления одного какого-нибудь вида организмов, а их совокупности, отвечающей геохимической функции жизни. Должны были сразу появиться биоценозы».

Третий постулат: «В общем монолите жизни, как бы ни менялись его составные части, их химические функции не могли быть затронуты морфологическим изменением». То есть первичная биосфера была представлена «совокупностями» организмов типа биоценозов, которые и были главной «действующей силой» геохимических преобразований. Морфологические изменения «совокупностей» не отражались на «химических функциях» этих компонентов.

Четвертый постулат: «Живые организмы... своим дыханием, своим питанием, своим метаболизмом... непрерывной сменой поколений... порождают одно из грандиознейших планетных явлений... — миграцию химических элементов в биосфере», поэтому «на всем протяжении протекших миллионов лет мы видим образование тех же минералов, во все времена шли те же циклы химических элементов, какие мы видим и сейчас».

Пятый постулат: «Все без исключения функции живого вещества в биосфере могут быть исполнены простейшими одноклеточными организмами».

Разрабатывая учение о биосфере, В.И. Вернадский пришел к выводу, что главным трансформатором космической энергии является зеленое вещество растений. Только они способны поглощать энергию солнечного излучения и синтезировать первичные органические соединения.

Основные положения учения В.И. Вернадского о биосфере (1863-1945)

К понятию «» (без самого термина) еще в начале XIX в. подошел Ламарк. Позднее (1863 г.) французский исследователь Реют применил термин «биосфера» для обозначения области распространения жизни на земной поверхности. В 1875 г. австрийский геолог Зюсс назвал биосферой особую оболочку Земли, включающую совокупность всех организмов, противопоставив ее другим

земным оболочкам. Начиная с работ Зюсса, биосфера трактуется как совокупность населяющих Землю организмов.

Законченное учение о биосфере было создано нашим соотечественником академиком Владимиром Ивановичем Вернадским . Основные идеи В. И. Вернадского в учении о биосфере сложились в начале XX в. Он излагал их в лекциях в Париже. В 1926 г. его идеи о биосфере были сформулированы в книге «Биосфера», состоящей из двух очерков: «Биосфера и космос» и «Область жизни». Позднее эти же идеи были развиты в большой монографии «Химическое строение биосферы Земли и ее окружения», которая, к сожалению, была опубликована только через 20 лет после его смерти.

Прежде всего В.И. Вернадский определил пространство, которое охватывает биосфера Земли, — вся гидросфера до максимальных глубин океанов, верхняя часть литосферы материков до глубины около 3 км и нижняя часть атмосферы до верхней границы тропосферы. Он ввел в науку интегральное понятие живое вещество и стал называть биосферой область существования на Земле «живого вещества», представляющего собой сложную совокупность микроорганизмов, водорослей, грибов, растений и животных. По существу, речь идет о единой термодинамической оболочке (пространстве), в которой сосредоточена жизнь и
осуществляется постоянное взаимодействие всего живого с неорганическими условиями среды (пленка жизни). Он показал, что биосфера отличается от других сфер Земли тем, что внутри нее происходит геологическая деятельность всех живых организмов. Живые организмы, преобразуя солнечную энергию, являются мошной силой, влияющей на геологические процессы.

Специфическая черта биосферы как особой оболочки Земли — непрерывно происходящий в ней кругооборот веществ, регулируемый деятельностью живых организмов. По мнению В.И. Вернадского, в прошлом явно недооценивали вклад живых организмов в энергетику биосферы и их влияние на неживые тела. Хотя живое вещество по объему и массе составляет незначительную часть биосферы, но оно играет основную роль в геологических процессах, связанных с изменением облика нашей планеты.

Занимаясь созданной им наукой биохимией , изучающей распределение химических элементов по поверхности планеты, В.И. Вернадский пришел к выводу, что нет практически ни одного элемента из таблицы Менделеева, который не включался бы в живое вещество. Он сформулировал три важных биогеохимических принципа:

• Биогенная миграция химических элементов в биосфере всегда стремится к своему максимальному проявлению. Этот принцип в наши человеком дни нарушен.
• Эволюция видов в ходе геологического времени, приводящая к созданию устойчивых в биосфере форм жизни, происходит в направлении, усиливающем биогенную миграцию атомов.
• Живое вещество находится в непрерывном химическом обмене с окружающей его средой, создающейся и поддерживающейся на Земле космической энергией Солнца. Вследствие нарушения двух первых принципов космические воздействия из поддерживающих биосферу могут превратиться в разрушающие ее факторы.

Перечисленные геохимические принципы соотносятся со следующими важными выводами В.И. Вернадского: каждый организм может существовать только при условии постоянной тесной связи с другими организмами и неживой природой; жизнь со всеми ее проявлениями произвела глубокие изменения на нашей планете.

Исходной основой существования биосферы и происходящих в ней биохимических процессов является астрономическое положение нашей планеты и, в первую очередь, ее расстояние от Солнца и наклон земной оси к плоскости земной орбиты. Это пространственное расположение Земли определяет в основном климат Земли, 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 Земле.

Живое вещество планеты Земля

Главная идея В.И. Вернадского заключается в том, что высшая фаза развития материи на Земле — жизнь — определяет и подчиняет себе другие планетарные процессы. По этому поводу он писал, что можно без преувеличения утверждать, что химическое состояние наружной коры нашей планеты, биосферы, всецело находится под влиянием жизни и определяется живыми организмами.

Если равномерно распределить все живые организмы на поверхности Земли, то они образуют пленку толщиной 5 мм. Несмотря на это, роль живого вещества в истории Земли не меньше роли геологических процессов. Вся масса живого вещества, которое было на Земле, например, в течение 1 млрд лет, уже превышает массу земной коры.

Количественной характеристикой живого вещества является суммарное количество биомассы. В.И. Вернадский, проведя анализы и расчеты, пришел к выводу, что количество биомассы составляет от 1000 до 10 ООО трлн т. Оказалось также, что поверхность Земли составляет несколько меньше 0,0001 % поверхности Солнца, но зеленая площадь ее трансформационного аппарата, т.е. поверхность листьев деревьев, стеблей трав и зеленых водорослей, дает числа совершенно иного порядка — в различные периоды года она колеблется от 0,86 до 4,20% поверхности Солнца, чем и объясняется большая суммарная энергия биосферы. В последние годы аналогичные подсчеты с применением новейшей аппаратуры провел красноярский биофизик И. Гительзон и подтвердил порядок цифр, более полувека назад определенный В.И. Вернадским.

Значительное место в работах В.И. Вернадского по биосфере отведено зеленому живому веществу растений, поскольку только оно автотрофно и способно аккумулировать лучистую энергию Солнца, образуя с ее помощью первичные органические соединения.

Значительная часть энергии живого вещества идет на образование в биосфере новых вадозных (неизвестных вне ее) минералов, а часть захороняется в виде органического вещества, образуя, в конечном счете, залежи бурого и каменного угля, горючих сланцев, нефти и газа. «Мы имеем здесь дело, — писал 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 него, вадозных минералов или пронизывая тончайшей пылыо своих остатков косную материю биосферы».

По мнению ученого, земная кора представляет собой в основном остатки былых биосфер. Даже гранитно-гнейсовый ее слой образовался в результате метаморфизма и переплавления пород, возникших когда-то под воздействием живого вещества. Только базальты и другие основные магматические породы он считал глубинными и по своему генезису не связанными с биосферой.

В учении о биосфере понятие «живое вещество» является основополагающим. Живые организмы превращают космическую лучистую энергию в земную, химическую и создают бесконечное разнообразие нашего мира. Своим дыханием, питанием, метаболизмом, смертью и разложением, длящимся сотни миллионов лет, непрерывной сменой поколений они порождают существующий только в биосфере грандиознейший планетарный процесс — миграцию химических элементов.

Живое вещество, согласно теории В. И. Вернадского, — биогеохимический фактор планетарного масштаба, под воздействием которого преобразуется как окружающая абиотическая среда, так и сами живые организмы. Во всем пространстве биосферы происходит порожденное жизнью непрестанное перемещение молекул. Жизнь решающим образом воздействует на распределение, миграцию и рассеяние химических элементов, определяя судьбу азота, калия, кальция, кислорода, магния, стронция, углерода, фосфора, серы и других элементов.

Эпохи развития жизни: протерозой, палеозой, мезозой, кайнозой отражают не только формы жизни на Земле, но и ее геологическую летопись, ее планетарную судьбу.

В учение о биосфере органическое вещество наряду с энергией радиоактивного распада рассматривается как носитель свободной энергии. Жизнь же рассматривается не как механическая сумма индивидуумов или видов, а как по сути — единый процесс, охватывающий все вещество верхнего слоя планеты.

Живое вещество изменялось в течение всех геологических эпох и периодов. Следовательно, как отмечал В.И. Вернадский, современное живое вещество генетически связано с живым веществом всех прошлых геологических эпох. В то же время в рамках значительных геологических отрезков времени количество живого вещества не подвержено заметным изменениям. Эта закономерность была сформулирована ученым как константное количество живого вещества биосферы (для данного геологического периода).

Живое вещество выполняет в биосфере следующие биогеохимические функции: газовую — поглощает и выделяет газы; окислительно-восстановительную — окисляет, например, углеводы до углекислого газа и восстанавливает его до углеводов; концентрационную — организмы-концентраторы накапливают в своих телах и скелетах азот, фосфор, кремний, кальций, магний. В результате выполнения этих функций живое вещество биосферы из минеральной основы создает природные воды и почвы, оно создало в прошлом и поддерживает в состоянии равновесия атмосферу.

При участии живого вещества идет процесс выветривания, и горные породы включаются в геохимические процессы.

Газовая и окислительно-восстановительная функции живого вещества тесно связаны с процессами фотосинтеза и дыхания. В результате биосинтеза органических веществ автотрофными организмами было извлечено из древней атмосферы огромное количество углекислого газа. По мере увеличения биомассы зеленых растений изменился газовый состав атмосферы — уменьшилось содержание углекислого газа, и увеличилась концентрация кислорода. Весь кислород атмосферы образован в результате процессов жизнедеятельности автотрофных организмов. Живое вещество качественно изменило газовый состав атмосферы — геологической оболочки Земли. В свою очередь, кислород используется организмами для процесса дыхания, в результате чего в атмосферу вновь поступает углекислый газ.

Таким образом, живые организмы создали в прошлом и поддерживают миллионы лет атмосферу нашей планеты. Увеличение концентрации кислорода в атмосфере планеты повлияло на скорость и интенсивность окислительно-восстановительных реакций в литосфере.

Многие микроорганизмы непосредственно участвуют в окислении железа, что приводит к образованию осадочных железных руд, или к восстановлению сульфатов с образованием биогенных месторождений серы. Несмотря на то, что в состав живых организмов входят те же химические элементы, соединения которых образуют атмосферу, гидросферу и литосферу, организмы не повторяют полностью химический состав среды.

Живое вещество, активно выполняя концентрационную функцию, выбирает из среды обитания те химические элементы и в таком количестве, которое ему необходимо. Благодаря осуществлению концентрационной функции живые организмы создали многие осадочные породы, например, залежи мела и известняка.

В биосфере, как и в каждой экосистеме, постоянно осуществляется кругооборот химических элементов. Таким образом, живое вещество биосферы, выполняя геохимические функции, создает и поддерживает равновесие биосферы.

Эмпирические обобщения В.И. Вернадского

Первым выводом из учения о биосфере является принцип целостности биосферы. Строение Земли представляет собой согласованную систему. Живой мир — единая система, сцементированная множеством цепочек питания и иных взаимозависимостей. Если лаже небольшая часть ее погибнет, разрушится и все остальное.

Принцип гармонии биосферы и ее организованности. В биосфере «все учитывается и все приспособляется с той же точностью и с тем же подчинением мере и гармонии, какую мы видим в стройных движениях небесных светил и начинаем видеть в системах атомов веществ и атомов энергии».

Роль живого в эволюции Земли. Лик Земли фактически сформирован жизнью. «Все минералы верхних частей земной коры — свободные алюмокремниевые кислоты (глины), карбонаты (известняки и доломиты), гидраты окиси железа и алюминия (бурые железняки и бокситы) и многие сотни других — непрерывно создаются в ней только под влиянием жизни».

Космическая роль биосферы в трансформации энергии. В. И. Вернадский подчеркивал важное значение энергии и называл живые организмы механизмами превращения энергии.

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 выдержать их дальнейшее увеличение, после чего достигается равновесие. Численность колеблется вблизи равновесного уровня.

Растекание жизни есть проявление ее 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.

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

Жизнь целиком определяется полем устойчивости зеленой растительности, а пределы жизни — физико-химическими свойствами соединений, строящих организм, их нерушимостью в определенных условиях среды. Максимальное поле жизни определяется крайними пределами выживания организма. Верхний предел жизни обусловливается лучистой энергией, присутствие которой исключает жизнь и от которой предохраняет озоновый щит. Нижний предел связан с достижением высокой температуры.

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 ее форма. Само живое вещество не является случайным созданием.

«Всюдность» жизни в биосфере. Жизнь постепенно, медленно приспосабливаясь, захватила биосферу, и захват этот не закончился. Поле устойчивости жизни есть результат ее приспособленности в ходе времени.

Закон бережливости в использовании живым веществом простых химических тел. Раз вошедший элемент проходит длинный ряд состояний, и организм вводит в себя только необходимое количество элементов.

Постоянство количества живого вещества в биосфере. Количество свободного кислорода в атмосфере того же порядка, что и количество живого вещества. Живое вещество является посредником между Солнцем и Землей и, стало быть, либо его количество должно быть постоянным, либо должны меняться его энергетические характеристики.

Всякая система достигает устойчивого равновесия, когда ее свободная энергия равняется или приближается к нулю, т.е. когда вся возможная в условиях системы работа произведена.

В. И. Вернадский сформулировал идею автотрофности человека , которая приобрела важное значение в рамках обсуждения проблемы создания искусственных экосистем в космических кораблях. Создание таких искусственных экосистем явится важным этапом развития экологии. В их построении соединяется инженерная цель — создание нового — и экологическая направленность на сохранение имеющегося, творческий подход и разумный консерватизм. Это и будет осуществлением принципа «проектирования вместе с природой».

Пока искусственная экосистема представляет собой очень сложное и громоздкое построение. То, что в природе функционирует само собой, человек может воспроизвести только ценой больших усилий. Но ему придется это делать, если он хочет освоить космос и совершать длительные полеты. Необходимость создания искусственной экосистемы в космических кораблях поможет лучше понять экосистемы естественные.

0

Биосфера (от греч. bios - жизнь) - поверхностный слой земли, населенный живыми организмами и изменяемый их деятельностью. Биосфера представляет собой единую термодинамическую оболочку, в которой сосредоточена жизнь и происходит постоянное взаимодействие между живыми организмами и неорганическими ресурсами планеты. Биосфера включает в себя нижнюю часть атмосферы, гидросферу и верхнюю часть литосферы вместе с живыми организмами. Биосфера является синонимом понятия природной среды. Термин «биосфера» ввел австрийский геолог Э. Зюсс в 1873 г.

Создателем учения о биосфере и ее эволюции является В. И. Вернадский (1863-1945) - основатель геохимии и биогеохимии. Он же выдвинул теорию о мощном воздействии на окружающую среду человека и о преобразовании современной биосферы в ноосферу (сферу разума). По выражению В. И. Вернадского, «живая природа является основной чертой проявления биосферы, она резко отличает ее тем самым от других земных оболочек. Строение биосферы прежде всего и больше всего характеризуется жизнью». Учение Вернадского знаменует собой принципиально новый подход к изучению планеты как развивающейся саморегулирующейся системы. Будучи основоположником геохимии, В. И. Вернадский провел первые исследования закономерностей строения и состава взаимодействующих элементов и структур земной коры, гидросферы и атмосферы, исследовал миграцию химических элементов в литосфере. В 1923 г. им сформулирована теория о ведущей роли живых организмов в геохимических процессах; в 1926 г. - концепция и определение биосферы и живого вещества. В. И. Вернадским создано учение, согласно которому живое вещество, трансформируя солнечное излучение, вовлекает неорганическую материю в непрерывный круговорот - это центральная концепция биогеохимии.

Сама планета Земля имеет неоднородное строение и состоит из концентрических оболочек (геосфер). К внешним оболочкам относится литосфера, гидросфера и атмосфера, к внутренним - земная мантия и ядро.

Геосферы имеют свои специфические особенности:

Агрегатная неоднородность - сферы отличаются агрегатным состоянием: твердое, жидкое, газообразное. Но в результате обменного процесса идет взаимодействие сфер. Каждый год около 519 10 3 м 3 воды испаряется с поверхности водоемов, а в результате дождей и туманов приблизительно то же количество выпадает на землю, изменяя влажность атмосферы и литосферы;

Пространственная неоднородность - неравномерность распределения органического и минерального вещества. Основная часть веществ содержится в литосфере и гидросфере, а малая - в атмосфере;

Энергетическая неоднородность - неравномерное распределение по земной поверхности солнечной энергии (тепла и света).

Связующим фактором между различными оболочками геосферы являются обменные процессы, в преобразовании геосфер большую роль играют обменные процессы, которые происходят за счет биоты - около 90 % всего вещества в верхних слоях литосферы преобразовано живыми организмами. Согласно В. И. Вернадскому вещество биосферы состоит из:

Живого вещества - биомассы современных живых организмов;

Биогенного вещества - всех форм детрита, а также торфа, угля, нефти и газа биогенного происхождения;

Биокосного вещества - смесей биогенных веществ с минеральными породами небиогенного происхождения (почва, илы, вода, газо- и нефтеносные сланцы, битуминозные пески, часть осадочных карбонатов);

Косного вещества - горных пород, минералов, осадков, не затронутых прямым биогеохимическим воздействием организмов.

Биокосное вещество - это вещество, имеющее минеральную основу, которое коренным образом преобразовано жизнедеятельностью живых организмов. Это прежде всего почвенный покров, плодородие которого зависит от содержания органического вещества, а также от содержания кислорода и воды. За миллионы лет своего существования биосфера прошла сложный путь эволюционного развития. Первым этапом эволюции явилось возникновение жизни из неживой материи, что стало возможным за счет появления простых органических соединений под воздействием внешних абиотических факторов - высокой температуры, ультрафиолетового излучения, вулканической деятельности. Вторым этапом эволюции жизни можно назвать синтез и распад органических соединений, когда продукты распада одних соединений служат материалом для построения других.

Совокупность всех живых организмов Земли В. И. Вернадский предложил называть «живым веществом», а количество живых организмов, выраженное в массе, отнесенной к единице площади или объема, - биомассой. Живое вещество В. И. Вернадский считал носителем энергии в биосфере и главнейшей преобразующей силой Земли. В настоящее время существует более 2 млн видов живых организмов.

Многообразны функции живого вещества в биосфере:

Газообмен, который привел к созданию атмосферы и связан с поглощением и выделением кислорода, углекислого газа, аммиака, водяного пара и др.;

Окислительный процесс, являющийся частью газообмена;

Восстановительный процесс, являющийся результатом деятельности низших организмов, преобразующих органику в неорганику;

Концентрационный процесс, заключающийся в извлечении рассеянных веществ из окружающей среды и накоплении их в небольшом объеме.

Современные исследования внесли поправку в представление о структуре биосферы. Показано, что в понятие «биосфера» следует включать только те элементы и характеристики, которые находятся под контролем биоты, и не следует включать компоненты природы, относящиеся к геологическому прошлому. Таким образом, к биосфере относятся вся совокупность живых организмов и все вещества, которые находятся под контролем потребления, трансформации и продуцирования живыми организмами.

Для понимания той роли, которую играет живое вещество в биосфере, очень важными являются три основных биогеохими-ческих принципа В. И. Вернадского:

Принцип I: биогенная миграция атомов химических элементов в биосфере всегда стремится к максимальному своему проявлению. Прогрессивная эволюция любой экосистемы ведет к увеличению суммарного потока энергии через нее. Эта закономерность проявляется в способности живого к распространению, развитию;

Принцип II: эволюция видов в ходе геологического времени, приводящая к созданию устойчивых в биосфере форм жизни, идет в направлении, усиливающем биогенную миграцию атомов. Согласно этому принципу преимущества в ходе эволюции получают те организмы, которые приобрели способность усваивать новые формы энергии или «научились» полнее использовать химическую энергию, запасенную в других организмах;

Принцип III: живое вещество находится в непрерывном химическом обмене с космической средой, его окружающей, и создается и поддерживается на нашей планете космической энергией Солнца. Этот принцип очень важен для понимания тех процессов, которые обычно называют самоорганизацией биологических структур.

Основные идеи учения В. И. Вернадского об эволюции биосферы можно выразить следующим образом:

Сначала сформировалась литосфера, затем появились живые организмы и, как следствие их взаимодействия, образовалась биосфера;

В течение всей геологической истории Земли никогда не наблюдались геологические эпохи, лишенные проявлений жизни. Следовательно, современное живое вещество генетически связано с живым веществом прошлых геологических эпох;

Живые организмы являются главным фактором миграции атомов химических элементов в литосфере;

Геологический эффект деятельности живых организмов обусловлен тем, что их количество бесконечно велико и действуют они в течение бесконечно большого промежутка времени;

Основным движущим фактором развития процессов в биосфере является биохимическая энергия живого вещества.

Для обеспечения биотической регуляции окружающей среды необходимо не превышать определенные пороговые нагрузки на биосферу. В то же время культурные растения, домашние животные, интенсивно эксплуатируемые человеком сельскохозяйственные угодья и леса утратили способность к биологической регуляции. На сегодня биомасса человека, культурных растений и домашних животных составляет приблизительно около 20 % биомассы всех естественных видов. Антропогенное возмущение биосферы может привести к полной потере естественной биотической регуляции, и тогда потребуется создание техногенной системы управления окружающей средой в глобальном масштабе. Выполнение такой задачи невозможно, так как человечество не в состоянии обеспечить переработку потоков информации такого объема, которой исходит от биоты, потому что, например, каждый квадратный сантиметр поверхности земли обусловлен деятельностью сотен живых организмов, в клетках которых также происходит трансформация вещества, энергии и информации. Основная проблема современности - не допустить, чтобы изменения, происходящие в биосфере, происходили во вред человечеству. По выражению академика В. И. Вернадского, «человек становится крупнейшей геологической силой, меняющей облик нашей планеты».

Устойчивость биосферы зависит от многих факторов, суть которых состоит в следующем:

Биосфера использует внешние источники энергии - солнечную энергию и энергию недр Земли для биогеохимиче-ских процессов. В результате эволюционного развития сложился тепловой баланс на планете;

Биосфера использует вещества через систему круговоротов. Биогеохимические циклы отработаны эволюционно и не приводят к накоплению вредных отходов;

В биосфере существует огромное разнообразие видов и биологических сообществ. Видовое разнообразие - это фактор, повышающий устойчивость экосистемы к воздействию внешних факторов;

Биосфера постоянно приспосабливается к непрерывно изменяющимся условиям;

В биосфере происходит саморегуляция численности популяции, которая зависит от факторов природной среды.

Атмосфера - газообразная оболочка планеты, состоящая из смеси различных газов, водяных паров и пыли. Земля, получая космическую пыль и метеоритный материал, теряет самые легкие газы: водород и гелий. Атмосфера Земли насквозь пронизывается мощной радиацией Солнца, определяющей тепловой режим поверхности планеты, вызывающей диссоциацию молекул атмосферных газов и ионизацию атомов.

Атмосферу делят на тропосферу (до 15 км), стратосферу (мезосферу) (15-80 км), термосферу (80-300 км), экзосферу (более 300 км). Обширная часть разреженной верхней атмосферы состоит преимущественно из ионов. Эта область обозначается как ионосфера (80-1200 км). Большая часть массы атмосферы имеет относительно однородный азотно-кислородный состав. В тропосфере во взвешенном состоянии присутствуют также твердые и жидкие частицы, которые, как правило, называют аэрозолями. Главными составными частями атмосферы являются азот, кислород, аргон и углекислый газ.

Гидросфера - совокупность всех вод Земли: материковых (глубинных, почвенных, поверхностных), океанических, атмосферных. Как особая водная оболочка Земли здесь рассматриваются лишь воды, находящиеся на поверхности планеты, - материковые и океанические.

Вследствие высокой подвижности воды проникают повсеместно в различные природные образования. Они находятся в виде паров и облаков в земной атмосфере, формируют океаны и моря, существуют в замороженном состоянии в высокогорных районах континентов, в виде мощных ледниковых панцирей покрывают полярные участки суши. Атмосферные осадки проникают в толщи осадочных пород, образуя подземные воды. Вода способна растворять в себе многие вещества, в связи с этим воды гидросферы можно рассматривать в качестве естественных растворов разной степени концентрации.

Рис. 1. Факторы устойчивости биосферы

Рис 2. Структура биосфера

Гидросфера находится в тесной связи с литосферой (подземные воды), атмосферой (парообразная влага) и живым веществом биосферы, в которое она входит в качестве обязательного компонента.

Большая часть массы природных вод (94 %) - это воды Мирового океана.

Литосфера - верхняя твердая оболочка Земли, постепенно переходящая с глубиной в сферы с меньшей прочностью вещества, включает земную кору и верхнюю мантию Земли. Мощность литосферы 50... 100 км, в том числе земной коры - до 75 км на континентах и 10 км подо дном океана.

Химический состав земной коры в основном представлен восемью элементами: кислород, кремний, алюминий, железо, кальций, магний, натрий, калий.

Земная кора сложена горными породами различного типа и происхождения. На осадочные породы приходится 9, 2 %, на метаморфические - 20 %, на магматические - 70, 8 %.

Поверхность континентов на 80 % занята породами осадочными, а океаническое дно - почти полностью свежими осадками как продуктами сноса материала континентов и деятельности морских организмов.

Континентальная часть земной коры в течение длительной геологической истории находилась в ту или другую эпоху в области биосферы, что наложило свой отпечаток на облик, состав и распространенность осадочных горных пород и сосредоточенных в них месторождений полезных ископаемых в виде нефти, угля, горючих сланцев, кремнистых и карбонатных пород, связанных в прошлом с деятельностью организмов. Поэтому континентальная земная кора имела и имеет прямое и косвенное отношение к биосфере.

«С появлением на нашей планете одаренного разумом живого существа, - писал В. И. Вернадский, - планета переходит в новую стадию своей истории. Биосфера переходит в ноосферу».

Ноосфера - новое эволюционное состояние биосферы, при котором разумная деятельность человека становится решающим фактором ее развития. Ноосфера представляет собой целостную планетную оболочку Земли, населенную людьми и рационально преобразуемую ими в соответствии с законами сохранения и поддержания жизни для гармоничного сосуществования общества и окружающей природной среды. В. И. Вернадский считал, что с появлением человека и развитием производственной деятельности к человечеству начинает переходить роль основного геологического фактора и ответственность за все происходящие на планете изменения. По его мнению, развитие ноосферы предполагает гармоничное сочетание не только природных и социальных явлений, но, прежде всего, достижение гармоничных отношений между самими людьми на основе идеалов равенства, добра и справедливости. В результате производственной деятельности людей возникли сложные структуры взаимодействия технических и природных комплексов, называемых природно-техническими геосистемами. Это специфические образования, распространение которых ныне во многом определяет сущность географической оболочки Земли.

Для ноосферы характерна тесная взаимосвязь законов природы с социально-экономическими законами и законами развития человеческого сообщества. Гармония между техногенной деятельностью человека и природой возможна только при выполнении следующих условий:

Перспективное планирование и рациональное использование природных ресурсов на планете;

Высокий уровень развития техники и энергетики с учетом отдаленных результатов;

Разработка и использование только экологически дружественных материалов, продукции, технологий с учетом жизненного цикла;

Максимальное использование вторичных материальных и энергетических ресурсов;

Контролирование численности человечества;

Формирование обоснованных потребностей человека;

Воспитание человека и ограничение необоснованных потребностей;

Преодоление экономической, политической и национальной разобщенности людей;

Осуществление глобального мониторинга за состоянием природной среды и др.

Учение о ноосфере - это не только научная позиция, научная теория, это и предостережение человечеству. Поскольку в первую очередь человечество определяет дальнейший ход развития биосферы, само является ее частью и вне ее (во всяком случае, при нынешнем уровне техники и технологии) существовать не может, постольку общество с необходимостью должно принять на себя ответственность за последующую эволюцию биосферы.

Серьезным шагом в направлении перехода к ноосфере является принятие концепции устойчивого развития. Устранение возникших противоречий между обществом и природой без потери качества жизни людей возможно только в рамках стабильного социально-экономического развития, не разрушающего естественный биотический механизм саморегуляции. Такое развитие в докладе «Всемирная стратегия охраны природы», подготовленном Международным союзом охраны природы и природных ресурсов (1980 г.), получило название «sustainable development», переведенное на русский язык как «устойчивое развитие». В широком смысле устойчивое развитие понимается как процесс, соответствующий новому типу функционирования общества, с экономическими, социальными, экологическими, культурными параметрами, радикально отличными от сложившихся в рамках антропоцентрической экологии. Устойчивое развитие невозможно без оптимизации управления состоянием окружающей среды.

Используемая литература: Графкина М. В., Михайлов В. Л., Иванов К. С.
Экология и экологическая безопасность автомобиля: учебник / М. В. Графкина, В. А. Михайлов, К. С. Иванов. - М. :
ФОРУМ, 2009. - 320 с. - (Высшее образование).

Скачать реферат: У вас нет доступа к скачиванию файлов с нашего сервера.

Большие достижения в естественных науках совершил В.И. Вернадский. У него есть множество работ, и он стал основателем биогеохимии – нового научного направления. В его основе лежит учение о биосфере, которое основывается на роли живого вещества в геологических процессах.

Сущность биосферы

На сегодняшний день существует несколько понятий биосферы, основным среди которых считается следующее: биосфера – это среда существования всех живых организмов. Область охватывает большую часть атмосферы и заканчивается в начале озонового слоя. Также в биосферу входит вся гидросфера и некоторая часть литосферы. В переводе с греческого слово означает «шар» и именно в пределах этого пространства обитают все живые организмы.

Ученый Вернадский считал, что биосфера – это организованная сфера планеты, которая находится в контакте с жизнью. Он первый создал целостное учение и раскрыл понятие «биосферы». Работа российского ученого началась в 1919 году, а уже в 1926 гений презентовал миру свою книгу «Биосфера».

Согласно Вернадскому биосфера – это пространство, область, место, которое состоит из живых организмов и среды их обитания. Кроме того, ученый считал биосферу производным. Он утверждал, что она является планетарным явлением, имеющим космический характер. Особенностью данного пространства является «живое вещество», которое населяет пространство, а также придает уникальный облик нашей планете. Под живым веществом ученый понимал все живые организмы планеты Земля. Вернадский считал, что на границы и развитие биосферы влияют различные факторы:

• живое вещество;
• кислород;
• углекислый газ;
• вода в жидком состоянии.

Эту среду, в которой сосредоточена жизнь, могут ограничивать высокие и низкие температуры воздуха, минеральные вещества и чрезмерно соленая вода.

Состав биосферы по Вернадскому

Изначально Вернадский считал, что биосфера состоит из семи разных веществ, связанных между собой геологически. К ним относятся:

• живое вещество – данный элемент состоит из огромной биохимической энергии, которая создается в результате непрерывного рождения и умирания живых организмов;
• биокосное вещество – создается и перерабатывается благодаря живым организмам. К данным элементам относится почва, горючие ископаемые и др.;
• косное вещество – относится к неживой природе;
• биогенное вещество – совокупность живых организмов, например, лес, поле, планктон. В результате их гибели образуются биогенные породы;
• радиоактивное вещество;
• космическое вещество – элементы космической пыли и метеориты;
• рассеянные атомы.

Чуть позже ученый пришел к выводу, что в основе биосферы лежит живое вещество, под которым понимается совокупность живых существ, взаимодействующих с неживым костным веществом. Также в биосфере есть биогенное вещество, которое создается с помощью живых организмов, а это преимущественно горные породы и минералы. Помимо этого, в биосферу входит биокосное вещество, произошедшее вследствие взаимосвязи живых существ и косных процессов.

Свойства биосферы

Вернадский тщательно изучал свойства биосферы и пришел к выводу, что основой функционирования системы является бесконечный круговорот веществ и энергии. Данные процессы возможны только в результате деятельности живого организма. Живые существа (автотрофы и гетеротрофы) создают необходимые химические элементы в процессе своего существования. Так, с помощью автотрофов происходит преобразование энергии солнечного света в химические соединения. Гетеротрофы, в свою очередь, потребляют созданную энергию и приводят к разрушению органических веществ до минеральных соединений. Последние являются фундаментом для создания новых органических веществ автотрофами. Таким образом, происходит цикличный круговорот веществ.

Именно благодаря биологическому круговороту биосфера представляет собой самоподдерживающуюся систему. Циркуляция химических элементов является основополагающей для живых организмов и существования их в атмосфере, гидросфере и почве.

Основные положения учения о биосфере

Ключевые положения учения Вернадский изложил в работах «Биосфера», «Область жизни», «Биосфера и космос». Ученый обозначил границы биосферы, включив в нее всю гидросферу вместе с океаническими глубинами, земную поверхность (верхний слой литосферы) и часть атмосферы до уровня тропосферы. Биосфера является целостной системой. Если один из ее элементов погибнет, то биосферная оболочка разрушится.

Вернадский первый из ученых, кто стал употреблять понятие «живое вещество». Жизнь он определял как фазу развития материи. Именно живые организмы подчиняют себе другие процессы, которые происходят на планете.

Характеризируя биосферу, Вернадский утверждал следующие положения:

• биосфера является организованной системой;
• живые организмы являются доминирующим фактором на планете, и они сформировали современное состояние нашей планеты;
• на земную жизнь оказывает влияние космическая энергия

Таким образом, Вернадский заложил основы биогеохимии и учений о биосфере. Многие его утверждения актуальны на сегодняшний день. Современные ученые продолжают изучать биосферу, но они также уверенно опираются на учение Вернадского. Жизнь в биосфере распространена везде и всюду обитают живые организмы, которые за пределами биосферы существовать не могут.

Вывод

Работы известного российского ученого распространены по всему миру и используются в наше время. Широкое применение учений Вернадского можно увидеть не только в экологии, но и в географии. Благодаря работам ученого охрана и забота о человечестве стала одной из самых актуальных задач на сегодняшний день. К сожалению, с каждым годом проблем с окружающей средой становится всё больше, что ставит под угрозу полноценное существование биосферы в будущем. В связи с этим, необходимо обеспечить устойчивое развитие системы и минимизировать развитие негативных воздействий на окружающую среду.

Учение о биосфере.

этап развития биосферы Земли связан с эволюцией живого вещества и вызванного этим изменением физико-химического состава планеты. Этот процесс подробно описан В.И. Вернадским и составляет суть его учения о биосфере. Впервые единую картину мира и роль в нем живого вещества представил русский ученый, натуралист, философ, академик Владимир Иванович Вернадский. Он обосновал, что возникновение биосферы на Земле - это объективный результат развития общего космического процесса. При этом биосферу нужно рассматривать как целостную геологическую оболочку Земли, состоящую из живого и неживого. Вернадский подчеркивал, что для строения биосферы характерны физико-химическая и геометрическая разнородности. Разнородность строения является господствующим фактором, резко отличающим биосферу от всех других оболочек земного шара. Живое вещество охватывает всю биосферу, ее создает и изменяет. Живое вещество едва ли составляет одну - две сотых процента по весу. Но геологически оно является самой большой силой в биосфере, определяет все идущие в ней процессы. В.И. Вернадский показал, что тонкая оболочка Земли - биосфера, состоящая из разнородных структур - живого и неживого вещества, поддерживает в состоянии динамического равновесия все протекающие в ней процессы благодаря непрерывному перетоку (круговороту) атомов из косной материи через живое вещество снова в неживую природу. Он раскрыл геологическую роль живых организмов в создании современного газового состава атмосферы, в формировании горных пород, вод мирового океана. Учение В.И. Вернадского - это философское и естественнонаучное обобщение законов развития нашей планеты с позиций единого космического процесса и исключительной роли, которую выполнило и выполняет на ней живое вещество. В.И. Вернадский создал его в 20-30-е годы ХХ века. Отчасти это было "предвидение, предсказание прошлого". Многие экспериментальные и фактические данные, подтверждающие правильность его идей, появляются только сейчас. На основе учения Вернадского в настоящее время биосферу определяют как активную оболочку Земли, в которой совокупная деятельность живых организмов проявляется как геохимический фактор планетарного масштаба. Такое определение биосферы отражает важный тезис: наша планета Земля такая, какая она есть сегодня, только потому, что на ней существует жизнь.

Биосфе́ра (от др.-греч. βιος - жизнь и σφαῖρα - сфера, шар) - оболочка Земли, заселённая живыми организмами, находящаяся под их воздействием и занятая продуктами их жизнедеятельности; «пленка жизни»; глобальная экосистема Земли. Биосферой называется та часть земного шара, в пределах которой существует жизнь.

Границы биосферы. Верхняя граница в атмосфере: 15-20 км. Она определяется озоновым слоем, задерживающим коротковолновое ультрафиолетовое излучение, губительное для живых организмов.Нижняя граница в литосфере: 3,5-7,5 км. Она определяется температурой перехода воды в пар и температурой денатурации белков, однако в основном распространение живых организмов ограничивается вглубь несколькими метрами.Граница между атмосферой и литосферой в гидросфере: 10-11 км. Определяется дном Мирового Океана, включая донные отложения.

Теория Большого взрыва как гипотеза зарождения Вселенной.В 1922 г. советский математик и геофизик Александр Александрович Фридман нашел решение уравнений общей теории относительности Альберта Эйнштейна. Оказалось, что решение является нестационарным, то есть Вселенная должна либо расширяться, либо сжиматься. В 1929 г. американский астроном Эдвин Хаббл обнаружил разбегание галактик, что свидетельствовало о расширении Вселенной. Обращая мысленно вспять картину расширения Вселенной, ученые пришли к выводу что примерно 20 млрд лет назад Вселенная была сжатой в точку и имела сколько угодно большую плотность. В результате Большого взрыва она начала расширяться, иначе говоря существовать.

Большой биологический взрыв как гипотеза перехода от неживой к живой форме организации материи.Еще Луи Пастер в XIX в. первым обратил внимание на то, что в неживой природе молекулы либо зеркально симметричны (H2O, CO2), либо одинаково часто встречаются их правые и левые стереоизомеры. Молекулы, из которых построены живые организмы, зеркально асимметричны, то есть киральны, чаще всего они подобны винтам, а во многих случаях ими и являются (например, двойная спираль молекулы ДНК). Но самое главное, эти молекулы встречаются в природе лишь в каком-то одном варианте - либо только левом, либо только правом: это так называемые кирально чистые молекулы (так, спираль молекулы ДНК всегда только правая). Пастер, а затем Вернадский полагали, что именно здесь проходит граница между химией живой и неживой природы. Можно сказать, что в отличие от неорганических объектов живые организмы построены из винтов, причем винты одного типа только левые, другого - только правые. Специфика живой природы - киральная чистота молекул.

38. Фотосинтез и дыхание: кислород атмосферы как продукт фотосинтеза. Основные группы фотосинтезирующих организмов (планктонные цианобактерии, водоросли в морях, высшие растения на суше). Хемосинтез. Гомеостаз – сохранение постоянства внутренней среды организма.

Фотосинтез (от греч. φωτο- - свет и σύνθεσις - синтез, совмещение, помещение вместе) - процесс образования органических веществ из углекислого газа и воды на свету при участии фотосинтетических пигментов (хлорофилл у растений, бактериохлорофилл и бактериородопсин у бактерий). В современной физиологии растений под фотосинтезом чаще понимается фотоавтотрофная функция - совокупность процессов поглощения, превращения и использования энергии квантов света в различных эндэргонических реакциях, в том числе превращения углекислого газа в органические вещества. Значение фотосинтеза. Фотосинтез является основным источником биологической энергии, фотосинтезирующие автотрофы используют её для синтеза органических веществ из неорганических, гетеротрофы существуют за счёт энергии, запасённой автотрофами в виде химических связей, высвобождая её в процессах дыхания и брожения. Энергия, получаемая человечеством при сжигании ископаемого топлива (уголь, нефть, природный газ, торф), также является запасённой в процессе фотосинтеза.Фотосинтез является главным входом неорганического углерода в биологический цикл. Весь свободный кислород атмосферы - биогенного происхождения и является побочным продуктом фотосинтеза. Формирование окислительной атмосферы (кислородная катастрофа) полностью изменило состояние земной поверхности, сделало возможным появление дыхания, а в дальнейшем, после образования озонового слоя, позволило жизни выйти на сушу.

Дыхание у растений. Большинство растений в светлое время суток вырабатывают кислород, но в их клетках идет и обратный процесс: кислород поглощается в процессе дыхания. Ночью в комнате, плотно уставленной растениями, можно наблюдать снижение концентрации кислорода и увеличение концентрации углекислого газа.На самом деле, в живых клетках растений процесс дыхания происходит круглосуточно. Просто на свету скорость образования кислорода в результате фотосинтеза обычно превышает скорость его поглощения. Так же как и у животных, клеточное дыхание растений протекает в специальных клеточных митохондриях.Общие принципы организации процесса дыхания на молекулярном уровне у растений и животных схожи. Однако в связи с тем, что растения ведут прикрепленный образ жизни, их метаболизм постоянно должен подстраиваться к изменяющимся внешним условиям, поэтому и их клеточное дыхание имеет некоторые особенности (дополнительные пути окисления, альтернативные ферменты).Газообмен с внешней средой осуществляется через устьица чечевичек, трещины в коре (у деревьев).

ФОТОСИНТЕЗИРУЮЩИЕ ОРГАНИЗМЫ.организмы, производящие сложные органические соединения из простых неорганических за счет энергии света (поглощаемой хлорофиллом и другими фотосинтетическими пигментами). К ним относятся зеленые растения, водоросли и некоторые бактерии.

Хемосинтез - способ автотрофного питания, при котором источником энергии для синтеза органических веществ из СО2 служат реакции окисления неорганических соединений. Подобный вариант получения энергии используется только бактериями или археями. Явление хемосинтеза было открыто в 1887 году русским учёным С. Н. Виноградским. Необходимо отметить, что выделяющаяся в реакциях окисления неорганических соединений энергия не может быть непосредственно использована в процессах ассимиляции. Сначала эта энергия переводится в энергию макроэнергетических связей АТФ и только затем тратится на синтез органических соединений.

Хемолитоавтотрофные организмы.

Железобактерии (Geobacter, Gallionella) окисляют двухвалентное железо до трёхвалентного.

Серобактерии (Desulfuromonas, Desulfobacter, Beggiatoa) окисляют сероводород до молекулярной серы или до солей серной кислоты.

Нитрифицирующие бактерии (Nitrobacteraceae, Nitrosomonas, Nitrosococcus) окисляют аммиак, образующийся в процессе гниения органических веществ, до азотистой и азотной кислот, которые, взаимодействуя с почвенными минералами, образуют нитриты и нитраты.

Тионовые бактерии (Thiobacillus, Acidithiobacillus) способны окислять тиосульфаты, сульфиты, сульфиды и молекулярную серу до серной кислоты (часто с существенным понижением pH раствора), процесс окисления отличается от такового у серобактерий (в частности тем, что тионовые бактерии не откладывают внутриклеточной серы). Некоторые представители тионовых бактерий являются экстремальными ацидофилами (способны выживать и размножаться при понижении pH раствора вплоть до 2), способны выдерживать высокие концентрации тяжёлых металлов и окислять металлическое и двухвалентное железо (Acidithiobacillus ferrooxidans) и выщелачивать тяжёлые металлы из руд.

Водородные бактерии (Hydrogenophilus) способны окислять молекулярный водород, являются умеренными термофилами (растут при температуре 50 °C).

Гомеоста́з (др.-греч. ὁμοιοστάσις от ὁμοιος - одинаковый, подобный и στάσις - стояние, неподвижность) - саморегуляция, способность открытой системы сохранять постоянство своего внутреннего состояния посредством скоординированных реакций, направленных на поддержание динамического равновесия. Стремление системы воспроизводить себя, восстанавливать утраченное равновесие, преодолевать сопротивление внешней среды. Гомеостаз выступает в роли фундаментальной характеристики живых организмов и понимается как поддержание внутренней среды в допустимых пределах.Внутренняя среда организма включает в себя организменные жидкости - плазму крови, лимфу, межклеточное вещество и цереброспинальную жидкость. Сохранение стабильности этих жидкостей жизненно важно для организмов, тогда как её отсутствие приводит к повреждению генетического материала.В отношении любого параметра организмы делятся на конформационные и регуляторные. Регуляторные организмы сохраняют параметр на постоянном уровне, независимо от того, что происходит в среде. Конформационные организмы позволяют окружающей среде определять параметр. Например, теплокровные животные сохраняют постоянную температуру тела, тогда как холоднокровные демонстрируют широкий диапазон температур.Речь не идёт о том, что конформационные организмы не обладают поведенческими приспособлениями, позволяющими им в некоторой степени регулировать взятый параметр. Рептилии, к примеру, часто сидят на нагретых камнях утром, чтобы повысить температуру тела.Преимущество гомеостатической регуляции состоит в том, что она позволяет организму функционировать более эффективно. Например, холоднокровные животные, как правило, становятся вялыми при низких температурах, тогда как теплокровные почти так же активны, как и всегда. С другой стороны, регуляция требует энергии. Причина, почему некоторые змеи могут есть только раз в неделю, состоит в том, что они тратят намного меньше энергии для поддержания гомеостаза, чем млекопитающие.

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 1.2
Классификация 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.