Учение вернадского о биосфере

Общие характеристики и признаки

Для того чтобы определить основные свойства биосферы, необходимо сначала понять с чем мы имеем дело. Какова форма его организации и существования? Как она устроена и взаимодействует с внешним миром? В конечном счете, что это?

С появления термина в конце XIX  века и до создания целостного учения биогеохимиком и философом В.И. Вернадским, определение понятия «биосфера» претерпело значительные изменения. Оно перешло из разряда места или территории, где обитают живые организмы в разряд системы, состоящей из элементов или частей, функционирующей по определенным правилам для достижения конкретной цели. Именно от того, в как рассматривать биосферу, и зависит, какие свойства ей присущи.

В основу термина положены древнегреческие слова:  βιος — жизнь и σφαρα — сфера или шар. То есть это некоторая оболочка Земли, где есть жизнь. Земля, как самостоятельная планета, по утверждению ученых возникла около 4,5 млрд. лет назад, а еще через миллиард лет на ней появилась жизнь.

Архей, протерозой и фанерозой эон. Эоны состоят из эр. Последний состоит из палеозойской, мезозойской и кайнозойской. Эры из периодов. Кайнозойская из палеогена и неогена. Периоды из эпох. Нынешняя – голоценовая – началась 11,7 тысяч лет назад.

Границы биосферы

Верхняя граница биосферы проходит в тропосфере и совпадает с озоновым слоем Земли. Нижняя граница ее очень неровная. Биосфера включает в себя всю толщу гидросферы, а также верхнюю часть литосферы, мощностью около 4 км.

Таким образом, общая вертикальная мощность биосферы – 20 км. Как видно, это очень тонкая оболочка планеты, она заселена живыми организмами, которые по словам Вернадского, представляют собой самую мощную геологическую силу.

Средний элементарный состав живого вещества

(по А.П. Виноградову, 1954)

Элемент	Содержание в % от живой массы	Элемент	Содержание в % от живой массы
Кислород	70,0	Алюминий, барий, стронций, марганец, бор,	Менее 0,006 каждого (0,005-0,001)
Углерод	18,0
Водород	10,5	Титан, фтор, цинк, рубидий, медь, ванадий, хром, германий,	Менее 0,0006 каждого (0,0005-0,00015)
Кальций	0,5
Калий	0,3
Фосфор	0,07	Бром, никель, кобальт, литий, молибден, цезий	Менее 0,00006 (0,00005-0,00001)
Сера	0,05
Магний	0,04	Селен, уран, ртуть, радий	От 10-6 до 10-12
Натрий	0,02
Хлор	0,02
Железо	0,01

Биологическая продуктивность основных типов растительности

Биомасса (фитомасса) – общее количество живого органического вещества растительных сообществ;

Годовой прирост – масса органического вещества, нарастающая в подземных и надземных частях растений в течение года;

Опад – количество ежегодно отмирающего органического вещества;

Лесная подстилка (степной войлок) – мертвое органическое вещество опада сохранившееся от разложения и залегающее на поверхности почвы.

Биологическая продуктивность основных типов растительности

(по Л.Е. Родину и Н.И. Базилевич, 1965)

Тип растительности	Биомасса ц/га	Прирост ц/га	Опад ц/га	Лесная подстилка, степной войлок, ц/га
Арктические тундры	50	10	10	35
Кустарничковые тундры	280	25	24	835
Ельники северной тайги	1000	45	35	300
Ельники южной тайги	3300	85	55	350
Дубравы	4000	90	65	150
Степи луговые	250	137	137	120
Сухие степи	100	42	42	15
Пустыни полукустарничковые	43	12	12	—
Саванна	666	120	115	13
Вечно влажные тропические леса	5000	325	250	20

Структура, компоненты и факторы экосистемы

Экосистема определяется как природная функциональная экологическая единица, состоящая из живых организмов (биоценоза) и их неживой окружающей среды (абиотической или физико-химической), которые взаимодействуют между собой и создают стабильную систему. Пруд, озеро, пустыня, пастбища, луга, леса и т.д. являются распространенными примерами экосистем.

Каждая экосистема состоит из абиотических и биотических компонентов:

Структура экосистемы

Абиотические компоненты

Абиотические компоненты представляют собой не связанные между собой факторы жизни или физическую среду, которая оказывает влияние на структуру, распределение, поведение и взаимодействие живых организмов.

Абиотические компоненты представлены в основном двумя типами:

• Климатическими факторами, которые включают в себя дождь, температуру, свет, ветер, влажность и т.д.
• Эдафическими факторами, включающие в себя кислотность почвы, рельеф, минерализацию и т.д.

Значение абиотических компонентов

Почвы содержат минеральные и органические вещества, а также живые организмы. Почва обеспечивает живых существ питательными веществами, влагой и средой обитания. Растительность верхней части почвенного покрова тесно с ней связана через круговорот питательных веществ.

Атмосфера обеспечивает живые организмы углекислым газом (для фотосинтеза) и кислородом (для дыхания). Процессы испарения, транспирации и круговорота воды происходят между атмосферой и поверхностью Земли.

Солнечное излучение нагревает атмосферу и испаряет воду. Свет также необходим для фотосинтеза. Фотосинтез обеспечивает растения энергией, для роста и обмена веществ, а также органическими продуктами для питания других форм жизни.

Большинство живой ткани состоит из высокого процента воды, до 90% и даже более. Немногие клетки способны выжить, если содержание воды падает ниже 10%, и большинство из них погибают, когда вода составляет менее 30-50%.

Вода является средой, с помощью которой минеральные пищевые продукты поступают в растения. Она также необходима для фотосинтеза. Растения и животные получают воду с поверхности Земли и почвы. Основной источник воды — атмосферные осадки.

Биотические компоненты

Живые существа, включая растения, животных и микроорганизмы (бактерии и грибы), присутствующие в экосистеме, являются биотическими компонентами.

На основе их роли в экологической системе, биотические компоненты могут быть разделены на три основные группы:

• Продуценты производят органические вещества из неорганических, используя солнечную энергию;
• Консументы питаются готовыми органическими веществами, произведенными продуцентами (травоядные, хищники и всеядные);
• Редуценты. Бактерии и грибы, разрушающие отмершие органические соединения продуцентов (растений) и консументов (животных) для питания, и выбрасывающие в окружающую среду простые вещества (неорганические и органические), образующихся в качестве побочных продуктов их метаболизма.

Эти простые вещества повторно производятся в результате циклического обмена веществ между биотическим сообществом и абиотической средой экосистемы.

Виды оболочек Земли

Самые крупные части оболочки Земли называют основными. К ним относятся всем известные гидросфера, литосфера, атмосфера и биосфера. Дополнительные же, или побочные оболочки незначительны по толщине, или неосязаемы.

Такие, как, например:

• Магнитосфера – магнитное поле, исходящее от земного ядра. Оно влияет на многие процессы на планете, а по размерам в разы превосходит размер атмосферы.
• Ионосфера – самые верхние и разреженные слои атмосферы.
• Педосфера – верхний слой почвы, покрывающий как сушу, так и морское дно.

Северное сияние — свечение верхних слоев атмосферы

Кроме них существуют и другие оболочки Земли, которые ученые активно исследуют и классифицируют.

Все оболочки можно разделить на две большие группы – внешние и внутренние.

Внешние оболочки Земли

В группу внешних оболочек входит все то, что мы можем увидеть, или до чего можем добраться. К ним относятся гидросфера, атмосфера, биосфера и т.д. Связь этих оболочек Земли обеспечивает постоянное взаимодействие веществ и объектов, входящих в них.

Внутренние оболочки Земли

Согласно схеме оболочек Земли, внутренними считаются все оболочки, находящиеся ниже верхней части земной коры. Из-за того, что человечеству еще не удалось достичь центра Земли, ученые разделяют внутренние оболочки по скорости сейсмического движения.

Внутренние оболочки можно разделить на 2 группы:

• Те, из которых состоит мантия планеты (30-2900 км от поверхности). Мантия же в свою очередь делится на верхнюю (30-400 км), среднюю (400-1000 км) и внутреннюю (1000-2900 км). Именно в ней и располагаются литосферные плиты, движение которых приводит к землетрясениям.
• Ядро также делится на внутреннее и внешнее. Состоит преимущественно из расплавленных металлов.

Ядро Земли

Формирование и устойчивость экосистем

Как уже было упомянуто выше, экосистемы формируются с помощью абиотических и биотических факторов. Существуют и «лимитирующие факторы», которые обуславливают особенности экосистемы. В качестве них выступают абиотические свойства (то есть, температура, рельеф и т. д).

Также существуют физические барьеры: такие, как горные хребты, моря, пустыни. Из-за физических барьеров возникает большая разница в одинаковых экосистемах на разных территориях планеты — особенно разница видна в видовом составе.

Рассмотрим типы адаптации:

1. Морфологические. К ним относятся видоизменения органов. Например: развитие колючек у баобаба, а не листвы.
2. Физиологические. К ним относятся особенности ферментативного набора в пищеварительном тракте.
3. Поведенческие. К ним относятся способы обеспечения теплообмена птиц в период сезонных перелетов, также окраска в разные сезоны и в разных ситуациях (хамелеоны).

Биогеохимические круговороты обуславливают возможности саморегуляции природных комплексов.

Рассмотрим примеры, чтобы лучше понять, как работает сукцессия:

С увеличением видового разнообразия в экосистемах появляются более длинные цепи питания, которые формируют большой интенсивный обмен веществ, а значит — обладают намного большей степенью устойчивости из-за возможности саморегуляции (его еще называют гомеостаз).

Почти все природные экологические системы существуют в рамках длительных временных промежутков, обладают относительной стабильностью, для поддержания которой нужно сбалансировать потоки вещества, энергии в процессах круговорота между окружающей средой и организмами. Но, конечно же, нельзя говорить об абсолютной стабильности, потому что ее в природе не существует.

Стабильность состояния природных комплексов относительна, поэтому ее показателем может быть периодически меняющаяся численность популяции различных видов в рамках экосистемы.

Что же такое равновесие для гомеостаза?

1. Стабильность. Данный фактор показывает, что экологические системы существуют в течение некоторого длинного промежутка времени, они обладают относительной стабильностью в пространстве и времени. Особенностью искусственных экосистем (созданных руками человека) является необходимость поддерживать равновесие в данных природных комплексах, то есть управлять различными процессами их функционирования. Пример: замена ила в муниципальных, региональных, производственных водоочистных сооружениях — в них размножаются бактериальные колонии, которые пожирают, сорбируют и разлагают загрязняющие вещества в очистных водах.
2. Подвижность. Этот критерий обуславливает изменчивость различных свойств (например, популяционной численности), а также структуры природных комплексов, то есть совокупности различных видов. Последовательные преобразования в положении равновесия в экологических системах отражаются в замещении видов (например, в процессе сукцессии), которые сопровождаются изменениями в свойствах и структуре пищевой цепочки. Многообразие видов способствует формированию сукцессии, обеспечивает заполненность всего пространства живыми организмами, увеличивает степень замкнутости биогеохимического круговорота в экологической системе.

Таким образом, гомеостатичность является общим свойством для всех экологических систем, зависящим от результативности комплекса механизмов адаптации, действующих как на уровне отдельных видов, так и на уровне природного комплекса в целом.

Гомеостатичность базируется на особенностях возраста и разнообразия видов в экосистемах, поэтому очень сильно варьируется как у различных сообществ, так и в искусственных и естественных экологических системах.

Основные понятия, процессы, закономерности и их следствия

Круговорот веществ – это процесс перемещения и переработки веществ в географической оболочке. Например, круговорот воды включает испарение, конденсацию, осадки и сток.

Взаимодействие оболочек (геосферные оболочки) Земли между собой – сложные процессы, которые протекают согласно определенным закономерностям. Например, вода, составляющая гидросферу, в процессе своего круговорота в природе подвергается процессам испарения, и, находясь в газообразной форме, попадает в атмосферу, формируя ее.

В то же время, потоки жидкой воды размывают почвенный слой, который входит в состав литосферы. Из атмосферы выделяется жидкая вода, которая в виде идущего дождя и других атмосферных явлений попадает в гидросферу и на верхнюю часть твердой оболочки Земли.

Круговорот вещества в биосфере

Растения в процессе роста и развития используют минеральные вещества из почвы, адсорбируют воду с помощью корня, перерабатывают энергию Солнца, образуют органические вещества из неорганических, из атмосферного воздуха листьями поглощается диоксид углерода и выделяется кислород посредством фотосинтеза.

Животные и человек дышат кислородом, используют органические вещества образованные растениями. После смерти, скопление органических веществ растений и животных разлагается под действием микроорганизмов, и переходят в неорганическое состояние.

Процесс преобразования энергии и вещества начинается сначала – это и есть жизненный круговорот.

Система

Биосферу как единую целостную систему можно условно разделить на составные части. Самое распространенное такое делений – это видовое. Каждый вид животных или растений принимается за составную часть системы. Его также можно признать системой, со своей структурой и составом. Но вид не существует обособленно. Его представители живут на определенной территории, где они взаимодействуют не только между собой и окружающей средой, но и с другими видами. Такое проживание видов, на одной местности, называют экосистемой. Самая маленькая экосистема, в свою очередь, входит в большую. Та в еще большую и так до глобальной – до биосферы. Таким образом, биосферу, как систему, можно рассматривать состоящей из частей, которыми являются либо виды, либо биосферы. Разница лишь в том, что вид можно идентифицировать, потому, как он обладает признаками, отличающими его от других. Он самостоятелен и в другие виды – части не входит. С биосферами такое разграничение невозможно – одна часть другой.

Признаки

Система обладает еще двумя существенными признаками. Она создана для достижения определенной цели и функционирование целой системы эффективнее каждой ее части в отдельности.

Таким образом, свойства как системы, в ее целостности, синергетичности и иерархичности. Целостность заключается в том, что связи между ее частями или внутренние связи гораздо сильнее, чем с окружающей средой или внешние. Синергетичность или системный эффект в том, что возможности всей системы гораздо больше суммы возможностей ее частей. И, хотя каждый элемент системы сам система, тем не менее, он лишь часть общей и большей. В этом ее иерархичность.

Биосфера – это динамическая система, которая изменяет свое состояние под внешним воздействием. Она открыта, потому что обменивается веществом и энергией с внешней средой. У нее сложная структура, так как состоит из подсистем. И, наконец, она естественная система – образовалась в результате природных изменений на протяжении многих лет.

Благодаря этим качествам она может сама себя регулировать и организовывать. Это и есть основные свойства биосферы.

В середине XX века понятие саморегулирования впервые применил американский физиолог Уолтер Кеннон, а английский психиатр и кибернетик Уильям Росс Эшби ввел термин самоорганизации и сформулировал закон о требуемом разнообразии. Этот кибернетический закон формально доказывал, необходимость большого видового разнообразия для устойчивости системы. Чем разнообразие больше, тем вероятность системы удержать свою динамическую стабильность перед большими внешними воздействиями, выше.

Этапы развития

Земля прошла через несколько этапов развития своих оболочек. В конечном итоге эти процессы сформировали ее нынешнюю структуру.

Первый этап развития земных оболочек начался с формирования гидросферы – слоя воды в разных агрегатных состояниях. На ранних стадиях существования планеты, около 4,6 миллиарда лет назад, Земля была раскаленной и покрыта лавой. Постепенно, с появлением океанических аккумуляций, вода стала собираться в гидросферу, покрывая значительную часть земной поверхности.

Второй этап связан с формированием атмосферы. Примерно 4,4 миллиарда лет назад, на Земле началась вулканическая активность, при которой из глубин планеты выбрасывались пары воды, водяной пар и газы. Постепенно, эти выбросы привели к образованию атмосферы. Сначала она состояла преимущественно из углекислого газа, пара воды и азота.

Третий этап — формирование литосферы. Примерно 4 миллиарда лет назад началась активность планетарных платформ, сопровождающаяся образованием первых континентов и их движением. Это привело к формированию литосферы — оболочки Земли, имеющей твердое агрегатное состояние и состоящей из скал и горных пород.

Четвертый этап — появление биосферы. Биосфера — это слой, представляющий собой совокупность живых существ, обитающих на планете. Примерно 3,5 миллиарда лет назад, в результате процесса биологической эволюции, на Земле появились первые примитивные формы жизни. Они начали заселять доступные среды, от водных экосистем до суши.

Границы

Границы биосферы в км

Чем определяются границы распространения биосферы?

Поскольку Живое — главная составляющая биосферы, ее границы определяются возможностью выживать отдельных индивидуумов в условиях окружающей среды. В верхних слоях ультрафиолетовое излечение не дает развиваться живым организмам – это определяет верхнюю границу биосферы. Высокие температуры в земных глубинах устанавливают нижнюю черту жизни.

Где проходят границы биосферы?

Атмосфера – воздушный слой земного шара, состоит из азота, кислорода, диоксида углерода и др. Она защищает Землю от перегрева, действия космической радиации, ультрафиолета, метеоритов. В составе атмосферы выделяют: тропосферу, стратосферу, ионосферу.

Тропосфера (озоновый слой земли) является верхней границей биосферы, находится на высоте 20 км.

Стратосфера – располагается на высоте 50 км над уровнем моря, воздух разжижается, нагревается, увеличивается концентрация озона, условия становятся непригодными для жизни.

Ионосфера – поверхностный слой атмосферы, поддается воздействию космического излучения, поэтому сильно ионизированный.

Литосфера – земная кора, твердый слой, который уходит на глубину 200км. К биосфере относится верхний шар, населенный живыми организмами. Нижняя граница по литосфере достигает 4км, глубина где были найдены бактерии. Опускаясь ниже, температура возрастает, достигая 100 градусов, что несовместимо с существованием живых организмов, происходит денатурация белка, все живое – гибнет.

Гидросфера – совокупность наземных и подземных вод. Это одна из оболочек нашей планеты, которая окружает материки и острова, составляет 70% поверхности земного шара. Нижняя граница биосферы расположена на глубине около 11 км. (в области Тихого океана).

Схема границ биосферы

Слои биосферы

Эубиосфера – основная прослойка биосфера. 99,9% живых существ постоянно населяют данный слой. Ширина эубиосферы 12-17км.

Парабиосфера, метабиосфера – соответственно верхний и нижний слои бисоферы, куда жизнь попадет случайно, заносится из эубиосферы.

Апобиосфера и абиосфера — самый верхний и самый нижний слои, куда жизнь не может попасть даже случайно.

В зависимости от среды обитания живых организмов выделяют:

• Аэробиосферу (жизнь осуществляется за счет атмосферной влаги и солнечной энергии, от верхушек деревьев до стратосферы);
• геобиосферу (организмы населяют почву, поверхность суши, деревья);
• гидробиосферу (все водные структуры заселенные гидробионтами, исключая подземные воды).

Лучшее за месяц

• Офтальмология. Учебник для вузов — Сидоренко Е.И. — 2002 год
• Морфофункциональная характеристика В-лимфоцитов и плазматических клеток. Их участие в иммунных реакциях
• Внешние силы, действующие на организм человека, и их краткая характеристика
• Органеллы специального назначения (микроворсинки, реснички, тонофибриллы, миофибриллы), их строение и функции
• Понятие о гемостазе
• Цитоплазма. Общая морфо-функциональная характеристика. Классификация органелл, их структура и функции
• Органеллы немембранного типа. Их строение и функции
• Понятие о системах групп крови
• Гиалоплазма. Её физико-химический состав и основные функции
• Внутренние силы и их краткая характеристика
• Органеллы мембранного типа. Их строение и функции
• Понятие о крови
• Строение и функциональное значение тимуса. Взаимодействие стромальных и гемопоэтичисеких элементов в ходе лимфопоэза. Эндокринная функция тимуса. Понятие о возрастной и акцидентальной инволюции вилочковой железы
• Морфологическая и функциональная классификация нейронов. Структурная организация нейронов
• Функциональная анатомия и топография серого вещества спинного мозга
• Рыхлая волокнистая неоформленная соединительная ткань. Морфо-функциональная характеристика. Межклеточное вещество, строение и значение. Клетки фибробластического ряда, их роль в регуляции состава межклеточного вещества
• Микроциркуляторное русло. Его морфо-функциональная характеристика. Классификация и общий план строения капилляров. Особенности строения капилляров по эндотелию, базальной мембране. Понятие о гистогематическом барьере
• Генетика, молекулярная кибернетика. Личности и проблемы — Ратнер В.А. — 2002 год
• Хрящевые ткани. Общая морфо-функциональная характеристика. Классификация. Развитие и особенности строения различных хрящевых тканей. Надхрящница. Рост хряща, возможности регенерации и возрастные изменения хрящевых тканей
• Функциональная анатомия оболочек и межоболочечных пространств спинного и головного мозга

Флора и фауна

На сегодняшний день флора и фауна нашей планеты насчитывает порядка 3000000 видов, а это всего лишь 5% от всего количества видов, которые успели «пожить» на Земле. В науке нашли свое описание около 1,5 млн. видов животных и 0,5 млн. видов растений. Есть не только неописанные виды, но и неизведанные области Земли, видовое наполнение которых, неизвестно.

Таким образом, биосфера обладает временной и пространственной характеристикой, а видовой состав живых организмов, ее наполняющий, меняется как во времени, так и в пространстве – по вертикали и горизонтали. Это и привело ученых к выводу, что биосфера не является плоскостной структурой и обладает признаками временной и пространственной изменяемостью. Осталось определить, под влиянием, какого внешнего фактора, она изменяется во времени, пространстве и структуре. Этим фактором является солнечная энергия.

Если принять, что виды всех живых организмов вне зависимости от пространственных и временных рамок, – это части, а их совокупность  –  целое, то их взаимодействие друг с другом и с внешней средой, является системой. Л фон Берталанфи и Ф.И. Перегудов, давая определение системы, утверждали, что она это комплекс взаимодействующих компонентов, или совокупность элементов, состоящих во взаимоотношениях друг с другом и со средой, или множество взаимосвязанных элементов, обособленных от среды и взаимодействующих с ней, как целое.

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.