Основы биологической организации, биогенные элементы, ресурсы биосферы. Биосфера и её устойчивость. Структура биосферы. Коэволюция атмосферы, литосферы, гидросферы и биосферы. Эволюция биосферы, основные тенденции. Добиотическая и биотическая фазы эволюции биосферы. «Учение о биосфере» как закономерный этап развития наук о Земле. Учение В.И. Вернадского о биосфере и ноосфере. Биосфера, ее эволюция, ресурсы, пределы устойчивости
Понятие «биосфера» введено в биологию французским натуралистом Ж.Б. Ламарком в начале XIX столетия, а затем в геологию уже в качестве термина - австрийским ученым Э. Зюссом (1875). Заслуга в разработке научного учения о биосфере, как «области жизни», принадлежит академику В.И. Вернадскому (1863- 1945).
Современная биосфера представляет собой сложную систему, которая включает всю живую и неживую (среду обитания) природу - часть атмосферы, гидросферу и верхнюю часть литосферы, взаимосвязанные биогеохимическими циклами миграции веществ и энергии.
Устойчивость биосферы. Стабильность биосферы основана на большом разнообразии живых организмов, которые выполняют различные функции в поддержании общего потока вещества и распределении энергии, во взаимосвязи биогенных и абиогенных процессов, на согласовании циклов отдельных элементов и уравновешивании емкости отдельных резервуаров.
Живое вещество выполняет функцию космического значения, связывая и перераспределяя на поверхности Земли космической энергии,
Комплексное отрицательное воздействие человечества на биосферу увеличивается значительно интенсивнее прироста самого человечества, которое привело к масштабному загрязнению воды, воздуха, почвы в 20 веке.
2. Структура биосферы. Функции и свойства живого вещества. В.И. Вернадский считал, что вещество биосферы состоит из семи глубоко разнородных частей, но геологически не случайных: живое вещество, биогенное, косное, биокосное, вещество в радиоактивном распаде, вещество рассеянных атомов и вещество космического происхождения. Наиболее важными являются первые четыре.
Живое вещество ( В.И. Вернадский) - совокупность всех живых организмов, выраженную через массу, энергию и химический состав. Живое вещество биосферы химически и геологически является чрезвычайно активным.
Биогенное вещество (уголь, нефть, известняки, торф, сланцы и др.) - органические и органоминеральные вещества, созданные живыми организмами на протяжении геологической истории Земли.
Косное вещество - субстрат или среда обитания живых организмов.
Биокосное вещество образовано в результате синтеза живого и неживого (косного) вещества (кора выветривания, почвы, илы, природные воды, осадочные породы и другие).
3. Функции и свойства живого вещества. Живое вещество выполняет следующие биогеохимические функции:
- газовые (миграция газов и их превращения);
- концентрационные (аккумуляция организмами химических элементов из внешней среды);
- окислительно-восстановительные (химические превращения веществ, содержащих соединения железа, марганца, микроэлементов и т.д.);
- биохимические и биогеохимические функции, связанные с деятельностью человека (техногенез, форма созидания и превращения вещества в биосфере, стимулирующая переход биосферы в новое состояние - ноосферу).
Совокупность этих функций определяет все химические превращения в биосфере
В учении о биосфере выделяют следующие основные аспекты:
- энергетический. Это связь биосферно-планетарных явлений с космическими излучениями и радиоактивными процессами в земных недрах;
- биогеохимический; отражает роль живого вещества в распределении и поведении атомов в биосфере и её структурах;
- информационный; изучает принципы организации и управления, осуществляемые в живой природе в связи с исследованием влияния живого вещества на структуру и состав биосферы;
- освещающий; изучает формирование и эволюцию различных структур биосферы в геологическом времени в связи с особенностями пространственно-временной организованности живого вещества в биосфере;
- ноосферный; изучает глобальные эффекты воздействия человечества на структуру и химию биосферы.
Существенный момент учения о биосфере - представления о взаимосвязях (прямых и обратных связях) и сопряжённой эволюции всех структур биосферы.
Коэволюция атмосферы, литосферы, гидросферы и биосферы. Неразрывная связь живого и минерального миров в биосфере вызвана тем, что любое проявление жизни не может существовать без обмена веществ с окружающей средой, т.е. вне биологических круговоротов.
Условие существования биосферы - функционирование глобального цикла органического углерода. Энергетическую основу его составляет фотосинтез. Важнейшая характеристика цикла - масса выпадающего из него и захороненного в осадочных породах органического вещества. Для эволюции биосферы, стратосферы и земной коры, основной закономерностью является их эвтрофикация и сопутствующая ей оксигенизация.
Существенные изменения биосферы выразились в прохождении ею нескольких стадий: эмбриональной, юной, зрелой и, возможно, уже вхождении в старческую. Во всех причинно-следственных связях живого и минерального миров функционирование живого вещества является основной причиной изменений в системах различного масштаба. Таким образом, биосфера - очень сложная, саморегулирующаяся открытая система, в которой действует принцип Ле Шателье, обусловливающий устойчивость ее существования.
Эволюция биосферы состоит из двух фаз:
А.. Добиотическая эволюция:
1. Образование планеты и ее атмосферы (около 4,5 млрд. лет назад). Первичная атмосфера имела высокую температуру, резко восстановительная, содержала водород, азот, пары воды, метан, аммиак, инертные газы, окись углерода, формальдегид и другие простые соединения.
2. Возникновение абиотического круговорота веществ в атмосфере в результате остывания и энергии солнечного излучения. Формируется гидросфера, возникает водная миграция элементов и многофазные химические реакции в растворах.
3. Образование органических соединений в процессах конденсации и полимеризации простых соединений углерода, азота, водорода, кислорода за счет энергии ультрафиолето-вого излучения Солнца, радиоактивности, электрических разрядов и др. энергетических импульсов.
4. Возникновение круговорота органических соединений углерода, включающего реакции аккумуляции солнечной энергии и окислительно-восстановительные реакции, зарождается биотический круговорот биосферы.
Б. Биотическая эволюция:
5. Возникновение жизни (около 3,5 млрд. лет назад). Структуризация белков и нуклеиновых кислот приводит к появлению вирусоподобных тел и первичных клеток, способных к делению. Возникает биотический круговорот и формируются биосферные функции живого вещества.
6. Развитие фотосинтеза и обусловленное им изменение состава среды: биопродукция кислорода обусловливает постепенный переход к окислительной атмосфере. Ускоряется биогенная миграция элементов. Возникают сложные экологические системы, содержащие все уровни трофической организации. Достигается высокая степень замкнутости биотического круговорота.
7. Увеличение биологического многообразия и усложнение строения и функциональной организации живых существ и биосферы в целом. Организмами заняты все экологические ниши на планете.
8. Появление человека. Вовлечение в техногенез непропорционально больших потоков вещества и энергии нарушает замкнутость биотического круговорота, вызывает антропогенные экологические кризисы и становится негативным фактором эволюции.
Ресурсы биосферы — все то, что человек использует для обеспечения своего существования — продукты питания, минеральное сырье, энергоносители, пространство для жизни, воздушное пространство, воду, объекты для удовлетворения эстетичных потребностей.
Биологические ресурсы - промысловые объекты, культурные растения, домашние животные, живописные ландшафты и т.п.
Минеральные ресурсы относятся к невозобновляемым: уголь, железо, марганец, нефть, полиметаллы. Через быструю деградацию ряда экосистем биосферы в последнее время ресурсы живого вещества - биомассы - тоже перестали восстанавливаться, как и запасы пресной питьевой воды.
Поскольку биосфера планеты есть замкнутая система с относительно постоянной массой и обменивается с космическим пространством лишь энергией, человечеству следует учитывать его состояние и её способность восстанавливать свою биомассу, истощаемость современных энергоносителей, которые используются человечеством, уменьшить объемы использования ресурсов, сознательно отказавшись от излишков, перейти к тактике и стратегии рационального ресурсопользования.
4. Учение В.И. Вернадского о биосфере и ноосфере. Биосферу нужно рассматривать как целостную геологическую оболочку Земли, состоящую из живого и неживого. Живое вещество, составляя 0,01-0,02%, охватывает всю биосферу, ее создает и изменяет, но геологически является самой большой силой в биосфере.
Биосфера поддерживает в состоянии динамического равновесия все протекающие в ней процессы, благодаря непрерывному круговороту атомов из косной материи через живое вещество снова в неживую природу.
На основе учения Вернадского биосферу определяют как активную оболочку Земли, в которой совокупная деятельность живых организмов проявляется как геохимический фактор планетарного масштаба.
Появление интеллекта, как высшей познавательной способности живого организма, радикальным образом ускорило темпы практически всех процессов, протекающих во внешней оболочке Земли - биосфере.
Человек - одна из бесчисленного множества возможных реализаций самооpганизации материи во Вселенной - естественного космического объективного процесса и никаких особых привилегий нарушать или развиваться вопреки объективным законам и процессам не имеет. Он просто будет навсегда уничтожен "породившей" его Вселенной, в которой будут реализовываться все новые и новые формы самоорганизации материи, но вид Homo Sapiens уже никогда не повторится. Поэтому, мысля космическими категориями, у человека нет другого выхода и выбора, как действовать в согласии с планетарными объективными законами эволюции. Об этом уже в первые годы ХХ столетия начал говорить В.И. Вернадский. Он отмечал, что воздействие человека на окружающую природу растет столь быстро, что скоро он превратится в решающую геологическую силу и 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 объединение, в результате которого развитие планеты сделается направленным - направляемым силой разума. Термин "ноосфера" предложил французский исследователь Леруа в 1924 г., впоследствии он широко использовался П.Т. де Шарденом. В.И. Вернадский стал употреблять этот термин только в последние годы своей жизни. С термином ноосфера до сих пор не все просто, поскольку однозначное его толкование отсутствует. В.И. Вернадский, создавая свое учение о ноосфере, закладывал в него гораздо более глубокий, философский смысл.
ТЕМА 6. КОНЦЕПЦИЯ ЖИВОГО ВЕЩЕСТВА.
Современная биосфера. Концепция и функции живого вещества в биосфере. Распространение живого вещества в биосфере. Границы биосферы. Человек с точки зрения законов эволюции. Экология человека. Экологические ниши человека. Коэволюционный характер развития общества и природы на современном этапе развития биосферы.
Концепция и функции живого вещества в биосфере. Живое вещество обладает специфическими свойствами и выполняет в биосфере определенные биогеохимические функции. Живое вещество характеризует:
- большой запас энергии.
- реакции в живом веществе идут в тысячи, а иногда в миллионы раз быстрее;
- слагающие его химические соединения – белки, ферменты и др. – устойчивы только в живых организмах;
- произвольное движение является общим признаком всякого живого вещества;
- обнаруживает значительно большее морфологическое и химическое разнообразие, чем неживое.
Границы биосферы. Верхняя граница биосферы в атмосфере определяется высотой 20-25 км - слоем озона. В гидросфере границы доходят до максимальных глубин, жизнь встречается на дне океанических впадин, до 10-11 км от поверхности, где температура около 0°С. В литосфере жизнь ограничивается температурой горных пород. Биосфера - чрезвычайно сложная экосистема, работающая в стационарном режиме на основе тонкой регуляции всех составляющих ее частей и процессов.
Человек с точки зрения законов эволюции. Сегодня существуют три основные теории антропогенеза.
1. Теория креационизма утверждает - человек является творением сверхъестественного существа - человек был сотворен богом в единовременном акте «по образу и подобию божьему».
2. Эволюционная теория - человек произошел от обезьяноподобных предков в процессе длительного развития под воздействием законов наследственности, изменчивости и естественного отбора. Основоположник этой теории – Ч. Дарвин (1809-1882).
3. Космическая теория - человек имеет внеземное происхождение. Он — или прямой потомок инопланетных существ, или плод экспериментов внеземного разума.
Этапы эволюции человека. Археологические и биологические данные.
Австралопитек наиболее близкий к предковой форме человека; жил на территории Африки 4,2-1 млн. лет назад. По внешнему виду ближе к обезьяне, чем к человеку, ходил на двух ногах и пользовался разными предметами как орудиями. Объем его мозга был меньше человеческого, но больше, чем у современных человекообразных обезьян.
Человек умелый (Homo habilis) жил 2,4-1,5 млн. лет назад в Африке и назван из-за умения изготовлять простейшие каменные орудия. Его мозг на треть превосходил мозг австралопитека, а биологические особенности мозга свидетельствуют о возможных зачатках речи.
Человек прямоходящий (Homo erectus) расселился 1,8 млн. — 300 тыс. лет назад по Африке, Европе и Азии. Он делал сложные орудия и уже умел использовать огонь. Его мозг по объему близок к мозгу современного человека, что позволяло ему организовывать коллективную деятельность (охоту на крупных животных) и использовать речь.
В период от 500 до 200 тыс. лет назад происходил переход от человека прямоходящего к разумному человеку (Homo sapiens).
Неандерталец (Homo neanderthalensis) жил 230-30 тыс. лет назад. Объем его мозга соответствовал мозгу современного человека. Он тупиковая, «слепая» ветвь эволюции.
Человек разумный новый (Homo sapiens sapiens), т.е. человек современный, появился около 130 тыс. лет назад. Ископаемых «новых людей» по месту первой находки (Кро-Маньон во Франции) назвали кроманьонцами. Многочисленные артефакты — пещерная живопись, миниатюрная скульптура, гравировки, украшения и т.д., позволяют судить о высоком развитии их культуры Человек разумный благодаря своим способностям 15- 10 тыс. лет назад заселил всю Землю.
3. Экология человека. Термин «экология человека» появился в 1921 г. в трудах американских исследователей Р.Е. Парка и Э.В. Бёрджеса, которые использовали его в социологических исследованиях.
Экология человека – это наука, изучающая закономерности взаимодействия человека как биосоциального существа со сложным многокомпонентным окружающим миром, с динамичной, постоянно усложняющейся средой обитания, проблемы сохранения и укрепления здоровья.
Экология человека изучает антропосистемы различного уровня – от глобального до локального и микролокального. В рамках экологии человека выделяются разделы экология города (урбоэкология), техническая экология, экологическая этика, психологическая экология, этноэкология, палеоэкология, медицинская экология и т.п.
Будучи составной частью биосферы, человек сильно зависит от окружающей среды и в ходе эволюционного развития адаптировался к действию широкого спектра природных условий, в том числе и ритмичности природных явлений.
В соответствии с теорией биоритмов человек со дня рождения находится в трех биологи-ческих ритмах: физическом, эмоциональном и интеллектуальном. Физический цикл (23 дня) определяет энергию человека, его силу, выносливость, координацию движения. Эмоциональный цикл (28 дней) обусловливает состояние нервной системы и настроение. Интеллектуальный цикл (33 дня) определяет творческую способность личности (регулирует память, бдительность, восприимчивость к знаниям, логические и аналитические функции мышления).
Экологическая ниша — место, занимаемое видом в биоценозе, включающее комплекс его биоценотических связей и требований к факторам среды. Термин введён в 1914 году Дж. Гриннеллом и в 1927 году Ч. Элтоном. В настоящее время доминирует модель гиперобъёма Дж. Э. Хатчинсона. По Хатчинсону экологическая ниша может быть:
- фундаментальной — определяемой сочетанием условий и ресурсов, позволяющим виду поддерживать жизнеспособную популяцию;
- реализованной — свойства которой обусловлены конкурирующими видами.
Коэволюционный характер развития общества и природы на современном этапе развития биосферы. Термин коэволюции, т.е. гармоническое развитие природы и общества, обеспечивает стабильное развитие окружающей человека среды.
Понятие коэволюции впервые было употреблено биологами для описания ситуации совместного развития, например, бабочки и цветка, т.е. по сути, оно выражало идею взаимного приспособления биологических видов. Н.Н. Моисеев под коэволюцией понимает совместное развитие элементов одной системы, сохраняющей свою целостность и естественный, эволюционный, канал развития.
Применительно к природе и обществу коэволюция предлагает такое их развитие, которое не разрушает стабильности окружающей среды (биосферы) и создает необходимые условия развития общества, в рамках определенной системы экологических запретов и императивов. В свою очередь, деятельность общества должна быть максимально приближена (адаптирована) к естественным процессам, происходящим в биосфере. Человеку следует считаться с законами развития природы, иначе она же отомстит за каждую допущенную по отношению к ней ошибку.
Коэволюционное развитие природы и общества являются необходимым условием устойчивого развития, как самой природы, так и социальной среды.