Учение о биосфере. Ресурсы биосферы и пути их рационального использования

Лекция 4

 

Правильно понять, найти рациональное решение проблемы взаимодействия системы «общество – техника – природа» помогает учение о биосфере, принадлежащее русскому ученому Владимиру Ивановичу Вернадскому.

Биосфера – наружная оболочка Земли, область распространения жизни, которая включает все живые организмы и все элементы неживой природы, образующие среду обитания живых организмов.

Биосферу Вернадский рассматривал как качественно отличную оболочку Земли, развитие которой в значительной мере определяется деятельностью живых организмов.

Сущность учения Вернадского заключена в признании исключительной роли «живого вещества», преобразующего облик планеты.

Согласно Вернадскому, жизнь подчиняет себе другие планетарные процессы, определяет химическое состояние наружной коры нашей планеты. Живые организмы, существующие, стареющие и умирающие в течение сотен миллионов лет, порождают всеобщий планетарный процесс – миграцию химических элементов, движение земных атомов. Живое вещество рассматривается Вернадским в качестве носителя свободной энергии в биосфере.

Второй главнейший аспект учения Вернадского – представление об организованности биосферы, которая проявляется в согласованном взаимодействии живого и неживого, взаимной приспособляемости организма и среды. Вернадский рассматривает биосферу не как любую совокупность живых организмов, а как единое пространство, в котором сосредоточена жизнь и осуществляется постоянное взаимодействие всего живого с неорганическими условиями среды.

Биосфера по Вернадскому представляет собой сложную природную систему и включает:

1. «живое вещество», т.е. все множество живых организмов как единое целое. Его химический состав подтверждает единство природы – он состоит из тех же элементов, что и неживая природа, только соотношение этих элементов различное и строение молекул иное.

2. «биогенное вещество», т.е. органоминеральные или органические продукты, созданные живым веществом (каменный уголь, торф, подстилка, гумус - верхний плодородный слой почвы).

3. «биокосное вещество», созданное живыми организмами вместе с неживой природой (вода, атмосфера, осадочные породы).

4. «косное вещество», образованное без участия живых организмов (магматические горные породы).

5. радиоактивное вещество

6. вещество космического происхождения (метеориты и др.)

7. рассеянные атомы

 

В биосфере, как и в отдельных экосистемах, происходит перенос вещества и энергии. В рамках биосферы такой круговорот называется биогеохимическим, и он представляет собой обмен макро- и микроэлементов и простых неорганических веществ (CO2, H2O) с веществом атмосферы, гидросферы и литосферы. Круговорот отдельных веществ Вернадский назвал биохимическими циклами. Суть цикла – химические элементы, поглощенные организмом, впоследствии его покидают, уходя в абиотическую среду, затем через какое-то время снова попадают в живой организм и т.д.

 

 

Наша планета имеет неоднородное строение и состоит из концентрических оболочек (геосфер) – внутренних и внешних. К внутренним относятся ядро, мантия, а к внешним – литосфера (земная кора), гидросфера, атмосфера и сложная оболочка Земли – биосфера.

Литосфера – каменная оболочка Земли, включающая земную кору мощностью от 6 (под океанами) до 80 км (горные системы).

Гидросфера – водная оболочка Земли. Ее подразделяют на поверхностную и подземную.

Атмосфера – газовая оболочка Земли, состоящая из смеси различных газов, водяных паров и пыли.

Биосфера – внешняя оболочка Земли, в которую входят часть атмосферы до высоты 25-30 км (до озонового слоя), практически вся гидросфера и верхняя часть литосферы примерно до глубины 3 км. Особенностью этих частей является то, что они населены живыми организмами, составляющими живое вещество планеты.

 

В пределах биосферы выделяют две категории слоев: собственно биосферу, где живое вещество локализовано постоянно (эубиосферу), а также расположенные выше и ниже ее соответственно парабиосферу и метабисферу. В эти слои организмы могут попадать лишь случайно.

 

Озоновый экран – это слой атмосферы в пределах стратосферы, расположенный на разной высоте от поверхности Земли и имеющий наибольшую плотность озона на высоте 22-26 км. Высота озонового слоя у полюсов оценивается в 7-8 км, у экватора – 17-18 км, а максимальная высота присутствия озона – 45-50 км. Выше озонового экрана существование жизни без специальной защиты невозможно из-за жёсткого ультрафиолетового излучения Солнца.

 

Метабиосфера не опускается ниже 10-15 км, а нижней границей эубиосферы считаются донные отложения океана и верхние горизонты литосферы, подвергающиеся ныне (или подвергавшиеся в прошлом) воздействию живых организмов. К биосфере, например, относятся некоторые полезные ископаемые, в частности каменный уголь – продукт фотосинтеза растений в прошлые геологические эпохи. С учетом протяженности всех названных слоев по вертикали общая мощность оценивается в 33-35 км.

 

ЭВОЛЮЦИЯ БИОСФЕРЫ по Вернадскому:

1) вначале сформировалась литосфера – предвестник окружающей среды, а затем после появления жизни на суше – биосфера.

2) в течение всей геологической истории Земли никогда не наблюдались азойные геологические эпохи (т.е. лишенные жизни). Следовательно, современное живое вещество генетически связано с живым веществом прошлых геологических эпох.

3) живые организмы – главный фактор миграции химических элементов в земной коре.

4) грандиозный геологический эффект деятельности организмов обусловлен тем, что их количество бесконечно велико и действуют они в течение бесконечно большого промежутка времени.

5) основным движущим фактором развития процессов в биосфере является биохимическая энергия живого вещества.

Основу жизни на Земле составляет процесс фотосинтеза, осуществляемый наземными растениями, пресноводными водорослями и морским фитопланктоном (совокупность свободноплавающих растительных организмов, населяющих толщу воды). Фотосинтез представляет собой процесс образования растениями богатых энергией органических соединений, под влиянием солнечного света, в результате которого двуокись углерода (СО₂) и вода превращаются в углеводы (например, глюкозу), а в качестве побочного продукта выделяется кислород. Кислород атмосферы Земли является результатом фотосинтеза. Ежегодно растения Земли образуют около 380 млрд. тонн биомассы (в перечёте на сухое вещество) и одновременно выделяют в атмосферу около 350 млрд. тонн свободного кислорода.

Современная биосфера начала формироваться около двух миллиардов лет назад, когда в океанах возникли морские организмы, которые были способны использовать солнечную энергию в синтезируемых ими органических веществах и при этом расщеплять молекулу воды с выделением свободного кислорода. Молекулярный кислород накапливался в течение сотен миллионов лет, что привело к возникновению атмосферы и в ней слоя озона, обеспечивающего защиту живых организмов от разрушительного ультрафиолетового излучения Солнца. Поэтому заселение суши началось, вероятно, 400 млн. лет назад.

В настоящее время по данным американского учёного Т. Добжанского, на Земле насчитывается 1 265 500 видов организмов (1 млн. видов животных и 265 500 видов растений).

Если охарактеризовать биосферу по её биомассе, т.е. по количеству вещества живых организмов, выраженном в тоннах сухой массы, то окажется, что на континентах преобладает биомасса зелёных растений, а в океанах - животных. При этом биомасса океанов довольно низка и составляет всего 0.13% от суммарной биомассы всех живых организмов Земли, в то время как поверхность всей гидросферы занимает 70.8% поверхности планеты.

Биосфера распределена по поверхности Земли неравномерно. Она сформирована в виде природных комплексов, которые называются экосистемами (экологическими системами), или биоценозами. Термин введён В.Н. Сукачёвым.

Питание, дыхание и размножение организмов и связанные с ними процессы создания, накопления и распада органического вещества обеспечивают постоянный круговорот вещества и энергии. С этим круговоротом связана миграция атомов химических элементов – их биогеохимические циклы, в ходе которых атомы большинства химических элементов проходят бесчисленное число раз через живое вещество. Так, например, весь кислород атмосферы оборачивается через живое вещество за 2000 лет, углекислый газ - за 200-300 лет, а вся вода биосферы за 2 млн лет. Разные организмы в разной степени способны аккумулировать из среды обитания различные элементы: содержание углерода в растениях в 200 раз, а азота – в 30 раз превышает их уровень в земной коре. Под влиянием живых организмов происходит интенсивная миграция атомов элементов с переменной валентностью (Fe, Mn, Cr, S, P, N, W), создаются их новые соединения, происходит отложение сульфидов и минеральной серы, образование сероводорода и т.п. Большим разнообразием органических соединений характеризуется состав самих организмов. Благодаря живому веществу на планете образовались почвы и органоминеральное топливо.

Жизнь на Земле возникла 3,5 млрд. лет назад – в архейскую эру. Это были одноклеточные сине-зеленые и многоклеточные водоросли. Свойства этих древнейших организмов определялись условиями внешней среды, в частности составом земной атмосферы. Усваивая из атмосферы углекислый газ, они обогащали ее кислородом. В конце архея началось размножение видов живых организмов и фотосинтез. Фотосинтез радикально изменил атмосферу Земли, наполнив ее кислородом, и положил начало разделению единого ствола жизни на две ветви - растения и животные. В конце мезозойской эры, примерно 200 млн лет назад, произошло очень важное событие – появление млекопитающих. Эра, в которую мы живем, называется кайнозойской. Началась она около 70 млн лет назад, и начало ее было отмечено прежде всего окончательным вымиранием пресмыкающихся, господствующее положение стали занимать млекопитающие. В кайнозойскую эру появились обезьяны, давшие ветви, которые в конечном счете породили первое мыслящее существо - человека. Сознание появилось закономерно. Оно увенчало всю предшествовавшую эволюцию Земли, как органическую, так и неорганическую. Великий акт появления человека – не случайность, а неизбежный в земных условиях результат непрерывного совершенствования живого вещества. Все вело к появлению Мысли. Предполагается, что первое человекообразное существо (австралопитек) возникло примерно 3 млн лет назад. Он обладал вертикальной походкой, масса мозга, похожего на человеческий, равнялась примерно 700 г. Хотя австралопитеки по ряду качеств и превосходили современных обезьян, они еще не были людьми и не обладали разумом.

В 1959-1960 гг. английский археолог Л.Лики нашел в Восточной Африке останки человекообразных существ, живших не менее 2 млн. лет назад. Рядом с обломками черепа, костью голени и зубами лежали примитивные орудия. Эти существа были преимущественно вегетарианцами, но умели охотиться на крупных животных. По всем этим признакам Лики и его сотрудники присвоили им видовое название человек умелый. Судя по всему, это действительно были древнейшие люди на нашей планете. Их мозг по объему (530 и 685 см3) превышал мозг австралопитеков, а морфологически они были совершеннее всех предшественников человека. Они использовали примитивные орудия труда, что указывает на первые проблески их сознания. Причина, заставившая наших обезьяноподобных предков трудиться, – изменение около 2,5 млн. лет назад климатических условий. Уменьшение количества лесов заставило древних обезьян спуститься на землю. Очутившись в новой, необычно суровой обстановке, наши предшественники могли противопоставить ей или огромную физическую силу, или хорошо развитый мозг (умелый человек). Подчиняясь общему ходу эволюции, естественный отбор предпочел второе. Труд и порожденное им сознание в тяжкой борьбе за существование оказались победителями. С той поры прослеживается почти непрерывная нить, ведущая от человека умелого к человеку разумному. Это прежде всего питекантроп, обезьяночеловек, живший примерно 0,5 млн. лет назад. За ним вверх по эволюционной лестнице идут синантроп и гейдельбергский человек. Еще выше – неандертальцы, обладавшие членораздельной речью и жившие группами по 50-100 человек. Они одевались в шкуры, широко пользовались огнем. Примерно 50 000 лет назад на Земле появился кроманьонский человек, внешне почти не отличимый от наших современников. Он приручал животных, делал первые шаги в области земледелия, знал гончарное дело, умел сверлить, шлифовать. Это был человек разумный.

На ветви «древа эволюции» прогресс выражается в развитии центральной нервной системы, что сказывается в непрерывном росте объема головного мозга. У австралопитека он близок к 500, у питекантропа – к 900, у синантропа – около 1200, у неандертальца – до 1400, у кроманьонца – примерно 1600 см3. Второе не менее важное обстоятельство – постоянное ускорение эволюционного процесса. От появления первых млекопитающих до ответвления от них приматов прошло примерно 200 млн. лет. Спустя еще 20 млн. лет появились астралопитеки. От них до первых питекантропов прошло около 1,5 млн. лет. Переход к неандертальцу занял всего несколько сотен тысяч лет. Прошло еще 200 000 лет – и на Земле появился человек разумный.

Таким образом, появление человека было не просто появлением нового вида. Произошел великий качественный скачок в истории Земли. Возник не просто человек, а человеческое общество, подчиняющееся не только биологическим законам. Началась человеческая история, подчиняющаяся особым, социальным, законам. С появлением человека эволюция растительного и животного мира не прекратилась. Но отныне не она задает тон. Развитие производительных сил стало движущей силой прогресса человеческого общества, а его техническое могущество настолько велико, что человечество уже сегодня превратилось в мощную геологическую силу. Породив Человека, Природа избрала еще один могучий катализатор мирового прогресса. Благодаря технике деятельность человека приобрела планетарный размах, а будущее всей Земли, и не только ее органического мира, теперь зависит от дальнейшего хода человеческой истории. Сегодня нет ни одного континента, где бы ни жил и ни трудился человек. Даже в Антарктике постоянно работают научные станции. Морские и океанские просторы бороздят бесчисленные суда, в атмосфере летают самолеты, вертолеты, ракеты. Человек стал на Земле почти вездесущ и заметно изменил облик планеты. Он покрыл ее поселениями, густой сетью железных и шоссейных дорог, прорыл каналы, создал искусственные водохранилища и зеленые насаждения, засеял поля. Возникли небывалые прежде искусственные ландшафты. Все это говорит о том, что человек способен радикально преобразовать свою планету, но - увы! - не всегда на пользу себе.

 

Биосфера является единственным местом обитания человека и других живых организмов, причём из построений Вернадского и ряда других учёных следует закон незаменимости биосферы.

Биосфера – это единственная система, обеспечивающая устойчивость среды обитания при любых возникающих возмущениях. Нет никаких оснований надеяться на построение искусственных сообществ, обеспечивающих стабилизацию окружающей среды в той же степени, что и естественные сообщества.

Понятно, что в данном законе имеются в виду возмущения природного происхождения, поскольку антропогенные возмущения могут представлять собой катастрофу на биосферном уровне.

Из этого закона следует, что конечная задача охраны природы – это сохранение биосферы как естественного и единственного места обитания человеческого общества.

Современные философские концепции сводятся к тому, что процесс взаимодействия общества и биосферы должен быть управляем, с тем, чтобы неизбежный НТП не привёл к деградации биосферы как среды обитания общества.

В отличие от биогенеза этот этап эволюции биосферы рассматривают как этап разумного развития, т.е. н оогенеза. Соответственно происходит постепенное превращение биосферы в ноосферу – оболочка Земли, включающая общество с промышленностью, языком, хозяйственной деятельностью, религией и всеми иными атрибутами человеческого общества.

 

Подлинным основателем учения о ноосфере в ее современном понимании был В.И. Вернадский. Он развил материалистическое учение о ноосфере, показав, что она находится не над биосферой, не вне ее, а является закономерным этапом развития самой биосферы, этапом разумного регулирования взаимоотношений человека и природы.

По Вернадскому, НООСФЕРА («сфера разума») – высшая стадия развития биосферы. Это сфера взаимодействия природы и общества, в пределах которой разумная человеческая деятельность становится главным фактором развития.

Понятие ноосфера появилось в связи с оценкой роли человека в эволюции биосферы.

Вернадский выделил человека как мощную геологическую силу, которая способна оказывать влияние на ход биохимических и других процессов в охваченной ее воздействием среде Земли и околоземном пространстве (ближний космос).

Иными словами, ноосфера – это окружающая человека среда, в которой природные процессы обмена веществ и энергии контролируются обществом.

 

Таким образом, закон ноосферы Вернадского имеет следующую формулировку:

Биосфера неизбежно превратится в ноосферу, т.е. в сферу, где разум человека будет играть доминирующую роль в развитии системы человек – природа.

Этот закон справедлив, хотя некоторые учёные рассматривают его как утопию. Смысл закона ноосферы видится в том, что люди будут управлять не природой, а, прежде всего собой.

Учение о ноосфере получило развитие в работах русских ученых М.М. Кашмилова (1979), В.П. Казначеева 1985г. Современные ученые также рассматривают ноосферу как новую высшую стадию эволюции биосферы, связанную с возникновением и развитием в ней человечества, которое, познавая законы природы и совершенствуя технику, создает техносферу и начинает оказывать определяющее влияние на ход биосферных и космических процессов.

Уже в начале XX в. В.И.Вернадский начал говорить о том, что воздействие человека на окружающую Природу растет столь быстро, что не за горами время, когда он превратится в основную геологообразующую силу. И как следствие он должен будет принять на себя ответственность за будущее развитие Природы. Развитие окружающей среды и общества сделаются неразрывными. Биосфера перейдет однажды в сферу разума – в ноосферу. Произойдет великое объединение, в результате которого развитие планеты будет направляться силой Разума. «Биосфера XX столетия превращается в ноосферу, создаваемую прежде всего ростом науки, научного понимания и основанного на ней социального труда человечества... Взрыв научного творчества <...> создает переход биосферы в ноосферу».

Интересно отметить, что разработанное В.И.Вернадским учение о биосфере Земли и неизбежности ее эволюционного превращения в ноосферу современниками не было воспринято. Отношение к этой части его творчества начало резко изменяться в 70-е гг. нашего столетия, когда начался бурный рост численности населения земного шара, сопровождаемый быстрым истощением природных ресурсов и загрязнением окружающей среды. Организация Объединенных Наций в 1972 г. созвала в Стокгольме Первую международную конференцию по окружающей среде и развитию, в которой участвовали делегации 106 стран. Конференция пришла к неутешительным выводам. Она констатировала не только истощение природных ресурсов (в отдельных странах – даже запасов питьевой воды), но и вредное воздействие загрязнения окружающей среды на состояние здоровья больших человеческих популяций - широкое распространение раковых, сердечно-сосудистых, легочных, желудочно-кишечных и аллергических заболеваний, не говоря уже о многочисленных случаях прямого отравления. Поэтому она обратилась к правительствам всех стран мира с призывом немедленно создать государственные органы охраны природы. Учение В.И.Вернадского о биосфере Земли и неизбежности ее эволюционного превращения в ноосферу приобрело исключительно важное значение. Стали активно издаваться и переиздаваться его работы, проводиться конференции, посвященные проблемам ноосферного развития.

 

Вернадский утверждал:

Рано или поздно, так или иначе, биосфера перейдет в ноосферу. На определенном этапе развития человек вынужден взять на себя ответственность за дальнейшую эволюцию планеты, иначе у него не будет будущего.