Этапы развития биосферы

Важнейшие представления о возникновении и развитии биосферы обосновал Вернадский.

Современная биосфера возникла не сразу, а в результате длительной эволюции, в процессе постоянного взаимодействия абиотических и биотических факторов. Рассмотрим этапы эволюции биосферы. Для этого проследим путь преобразования вещества с образования неорганических веществ в космическом пространстве и формирования планетарных систем.

Изучением космического пространства занимаются многие науки, отпочковавшиеся от астрономии или возникшие на стыке наук. Одна из них – спектроскопия – возникла на стыке химии и астрономии. Предмет ее исследования – спектры звезд. Это позволяет идентифицировать химические элементы, составляющие звезды, определить их температуру и многое другое. С конца 19 века было зарегистрировано более 2 млн. спектров примерно 15 тыс. звезд, в том числе и Солнца. На их основе был сделан вывод, что всюду во Вселенной существуют одни и те же химические элементы и выполняются одни и те же химические законы.

Водород – наиболее часто встречающийся и самый простой элемент. Его атом состоит из 1 протона и 1 электрона. Если первичное вещество Вселенной состояло из одного водорода, то можно объяснить не только наличие, но и распространенность всех остальных элементов в настоящее время. В такой первичной Вселенной, состоящей из чистого водорода, образовались звезды. Они являются довольно крупными гравитационно-связанными скоплениями вещества, в ходе образования которых температура повышается настолько, что начинают протекать ядерные реакции. Основной ядерной реакцией является слияние ядер атомов водорода. В этой реакции водород превращается в гелий с выделением энергии.

4Н 1Не + Е излучения

1 протон 2 протона

1 электрон 2 электрона

2 нейтрона

m(Н) = 1,0079 а.е.м.

m(4Н) = 4,0316 а.е.м. m(Не) = 4,0026 а.е.м.

m = 0,029 а.е.м. – разность масс между массой 4-х атомов Н и 1 атома Не – превращается в энергию излучения (по законам сохранения энергии и вещества).

Дальнейшее взаимодействие элементов приводит к возникновению других элементов. Реакции последних между собой приводят к возникновению более сложных молекул и их комплексов, а в дальнейшим пылевых частиц. С помощью спектроскопии было доказано, что межзвездное вещество состоит из газов – Н, Не, Ne и пылевых частиц, состоящих их металлов и других элементов. Газы и пылевые частицы образуют в космическом пространстве скопления газо-пылевой материи – туманности. Туманности встречаются по всей нашей галактике.

Например, ближайшая к нам, гигантская туманность в скоплении Ориона, имеет около 15 световых лет в диаметре и содержит такое количество газа и пыли, которого достаточно для образования 100000 звезд размером с наше Солнце. Ещё одна туманность – Млечный Путь, имеющая диаметр около 100000 световых лет.

Образование планетарных систем.

Ученые полагают, что туманности являются этапом формирования галактик или крупных звездных систем. В моделях теорий такого типа планеты представляют собой побочный продукт образования звезд. Эта точка зрения впервые была высказана Кантом и позднее развита Койпером, Альвеном, Камероном и подтверждается рядом доказательств.

Когда газово-пылевое облако становится достаточно большим в результате медленного оседания и слипания (аккреции) межзвездного газа и пыли под действием гравитационных сил, оно становится неустойчивым – в нем нарушается близкое к равновесию соотношение между давлением и гравитационными силами. Гравитационные силы преобладают и поэтому облако сжимается. По мере возрастания плотности вещества под воздействием гравитационных и других сил облако дробится на облака более мелкого размера, которые в свою очередь образуют фрагменты, в несколько раз превышающие по массе и размерам Солнечную систему. Такие облака называют протозвездами. Массивные протозвезды далее образуют крупные и горячие звезды, менее массивные протозвезды формируют меньшие и более холодные звезды, которые эволюционируют медленнее первых. Размеры протозвезд ограничены верхним пределом, превышение которого привело бы к дальнейшей фрагментации и нижним пределом, определяемым минимальной массой, которая требуется на поддержание ядерных реакций.

В ходе ранних фаз сжатия тепло, высвобождающееся при превращении гравитационной энергии в энергию излучения легко покидает облако, поскольку относительная плотность вещества еще мала. По мере возрастания плотности вещества поглощается все большее количество энергии излучения и в результате возрастает температура. На этой стадии смесь газов состоит из Н, Не, Ne, NH₃, CH₂, H₂O, HCN. Эти газы поглощают все больше энергии излучения, диссоциируют, подвергаются ионизации. Когда молекулы полностью ионизируются, температура быстро возрастает до тех пор, пока сжатие почти полностью прекращается, так как давление газа начинает уравновешивать силы тяготения. Завершается фаза быстрого гравитационного сжатия (коллапса). Протозвезда продолжает медленно сжиматься, она становится более компактной и горячей, так как теперь тепло излучается только с ее поверхности. Увеличивается скорость вращения пылевых облаков, вследствие чего форма пылевого облака меняется от сферической к дискообразной. Температура все возрастает и начинаются термоядерные реакции образования гелия из водорода, протекающие с высвобождением большого количества энергии.. Температура уравновешивает силы дальнейшего гравитационного сжатия.

Внутри туманностей – областей относительно концентрированного межзвездного газа и пыли – возникают молодые звезды, а вокруг них планеты.

Исходя из вышеизложенного, состав первичной атмосферы Земли состоял из Н, Не, метана, аммиака и воды. Постепенно самые легкие элементы – Н, Не – диффузно утрачиваются из атмосферы, притягиваясь гравитационным полем планет-гигантов. Среди органических веществ первичной атмосферы были, вероятно те, которые ныне обнаруживаются в кометах: молекулы со связями С-Н, С-N, N-Н, О-Н. Кроме того, по мере гравитационного разогрева земных недр из них стали выделяться Н, метан, аммиак и вода и др.

Дальнейшая эволюция вещества шла под воздействием различных видов энергии. Это:

· распад атомов неустойчивых элементов;

· ультрафиолетовое излучение;

· вулканизм;

· удары метеоритов;

· молнии.

В 1924г. И.А. Опарин предложил первую концепцию химической эволюции, согласно которой первичная атмосфера земли была бескислородная. В 1953г. Г.К. Юри и С. Миллер подвергли смесь метана, аммиака и воды действию электрических разрядов. Среди полученных продуктов были обнаружены аминокислоты (глицин, аланин, аспарагиновая, глутаминовая кислоты).

Путем расчетов и экстраполяции некоторых геологических данных, с учетом температурных границ устойчивости органических соединений были определены температурные границы первичной Земли – от 20 до 200⁰.

Позднее в лабораторных условиях были абиотически получены такие органические молекулы, как альдегиды, нитраты, аминокислоты, моносахариды, пурины, порфирины,,, нуклеотиды и др.

Таким образом условия на первобытной земле можно охарактеризовать следующим образом.

Первичная литосфера.

В молекулярной эволюции только кора сыграла важную роль. Её состав: AL, Ca, Fe, Mg, Na, K и др. О изменении состава земной коры во времени в настоящее время ничего не известно.

Первичная гидросфера.

На поверхности первичной Земли находилось менее 0,1 объема воды сегодняшних океанов.

Среда воды первичного океана – слабощелочная. (рН = 8-9).

Постепенно происходит конденсация океанов.

Первичная атмосфера.

На самой ранней стадии из Н, который диффундировал в космическое пространство. Затем, атмосфера, которую принято называть первичной, образовалась из вулканических газов.

Было предложено 3 варианта состава первичной атмосферы:

· Восстановительная: СН₄, NH₃, H₂O, H₂ (с высоким содержанием NH₃);

· Слабоокислительная: СО₂, СН₄, NH₃, N₂, H₂O(с низким содержанием NH₃);

· Нейтральная: СН₄, N₂, H₂O.

Все эти преобразования относятся к раннему архею. Биосфера на данном этапе отсутствует.

Возникновение протобиополимеров – более сложная проблема. Необходимость их существования очевидна, поскольку они ответственны за протоферментативные процессы: гидролиз, декарбоксилирование, дезаминирование, перекисное окисление, брожение, фотохимические реакции, фосфорилирование, фотосинтез и др.

Учение В.И. Вернадского о ноосфере, т.е. сфере разума, стало венцом его научного творчества.

Ноосфера («ноо» – разум, «сфера разума», «мыслящая оболочка») – высшая стадия развития биосферы. Это сфера взаимодействия природы и общества, в пределах которой разумная человеческая деятельность становится главным, определяющим фактором развития (БСЭ, т.18, с.103).

Понятие «ноосфера» впервые появилось в связи с оценкой роли человека в эволюции биосферы. В.И. Вернадский выявил геологическую роль жизни, живого вещества в планетарных процессах, в создании и развитии биосферы и всего разнообразия живых существ в ней. Среди этих существ он выделил человека как мощную геологическую силу. Эта сила способна оказывать влияние способна оказывать влияние на ход биогеохимических и других процессов в охваченной ее воздействием среде Земли и околоземном пространстве (пока «ближайший Космос). Вся эта среда весьма активно изменяется человеком благодаря его труду. Он способен перестроить ее согласно своим потребностям, изменить фактически ту биосферу, которая сложилась в процессе эволюции.

В.И. Вернадский писал, что становление ноосферы «есть не случайное явление на нашей планете», «создание свободного разума», «человеческого гения», а «природное явление, резко материально проявляющееся в своих следствиях в окружающей человека среде» (Размышления натуралиста, 1975). Иными словами, ноосфера – среда, окружающая человека, в которой природные процессы обмена веществ и энергии контролируются обществом.

Человек, по мнению Вернадского, является частью биосферы, ее «определенной функцией». Подчеркивая тесную связь человека и природы, он допускал, что предпосылки возникновения человеческого разума имели место еще во времена животных, предшественников Homo sapiens и проявление его началось миллионы лет назад, в конце третичного периода. Но как новая геологическая сила смог проявить себя только человек.

Воздействие человеческого общества как единого целого на природу по своему характеру резко отличается от воздействия других форм живого вещества. В.И. Вернадский писал: «Раньше организмы влияли на историю тех атомов, которые были нужны им для роста, размножения, питания, дыхания. Человек расширил этот круг, влияя на элементы, нужные для техники и создания цивилизованных форм жизни», что и изменило «вечный бег геохимических циклов» (Размышления натуралиста. Кн. 2, 1977). Вернадский считал, что «геологически мы переживаем сейчас выделение в биосфере царства разума, меняющего коренным образом и ее облик, и ее строение, – ноосферы».

Анализируя представления В.И. Вернадского о ноосфере, Э.В. Гирусов (1986) высказал мнение, что ломка развития человеческой деятельности должна идти не вопреки, а в унисон с организованностью биосферы, ибо человечество, образуя ноосферу, всеми своими корнями связано с биосферой. Ноосфера – естественное и необходимое следствие человеческих усилий. Это преобразованная людьми биосфера в соответствии с познанными и освоенными законами ее строения и развития. Рассматривая такое развитие биосферы в ноосферу с позиций системного подхода, можно заключить, что ноосфера – это новое состояние некоторой глобальной суперсистемы как совокупности трех мощных подсистем: «человек», «производство» и «природа», как трех взаимосвязанных элементов при активной роли подсистемы «человек» (Прудников, 1990).

Становление ноосферы, по Вернадскому, процесс длительный, но ряд ученых считает, что человечество уже вступило в период ноосферы, хотя многие считают, что пока об этом говорить рано, так как то, что сейчас происходит во взаимодействии человека и прирды, трудно увязать с наступлением эпохи разума. Тем не менее прогресс человеческого разума и научной мысли ноосферы налицо. Человечество вышло за пределы биосферы Земли, в Космос и глубины литосферы (сверхглубокая Кольская скважина). По мнению многих ученых – ноосфера в будущем станет областью Солнечной системы. «Биосфера перейдет так или иначе, рано или поздно в ноосферу. На определенном этапе развития человек вынужден взять на себя ответственность за дальнейшую эволюцию планеты, иначе у него не будет будущего», – утверждал В.И. Вернадский.

Биосфера - это целостная геологическая оболочка Земли, заселенная жизнью и качественно преобразованная ею в направлении формирования и повышения жизнепригодных свойств.

Под влиянием живых организмов изменяется состав компонентов неживой природы, изменяется динамика в них физических и химических процессов, появляются новые закономерности взаимодействия и развития неживой природы.

Биологическая среда (реки, озера, ледники и так далее) - основа возникновения живых организмов, а они, в свою очередь, воздействовали на свойства компонентов неживой природы (например, горная порода превращалась в плодородную почву).

Живые организмы, возникнув, продолжали наступать на неживую природу, расширяя тем самым границы биосферы.

Сама биосфера развивается через противоречие живой и неживой природы, процесс синтеза и разрушения органического вещества. Поэтому требуется системный подход к изучению биосферы.

Системный подход позволяет:

1. объяснить причины возникновения месторождений многих полезных ископаемых, что облегчает их поиск;

2. объяснить причины ряда заболеваний, что позволяет эффективнее с ними бороться;

3. объяснить роль зеленых растений, которые трансформируют и преобразуют солнечную энергию;

4. успешнее развивать биологической науки, включая экологию.

Биосфера по составу представляет: наружный слой литосферы, гидросферу, атмосферу, космические излучения в зоне поверхности Земли, живое вещество планеты и почву.

Биосфера также представлена всеми известными формами движения материи: микрофизической, химической, физической, биологической, социальной.

С возникновением почвы биосфера становится достаточно завершенной системой. Поэтому биосферу следует отнести к типу органического целого.

Выше отмечалось, что живое вещество биосферы в силу особенностей его структуры выступает как более активный полюс взаимодействия, обусловливающий преимущественное движение вещества и энергии от неживой природы к органическому миру. Эта тенденция развития биосферы особенно усиливается с появлением человека. Как более высокая, качественно особая ступень развития материи, человеческое общество выходит за пределы живой природы.

С появлением человека на Земле начинается процесс формирования ноосферы.

Ноосфера - это целостная планетная оболочка Земли, населенная людьми и рационально преобразованная ими в соответствии с законами сохранения и поддерживания жизни для гармоничного существования общества с остальными организмами.

В.И. Вернадский определил ноосферу как новое состояние биосферы, изменение биосферы под воздействием людей. В переводе с греческого - это сфера разума. В.И. Вернадский вкладывал в это понятие свой смысл, рассматривая качественно новую сферу Земли в развитии, как становящийся процесс со всеми предпосылками в настоящем и зрелым состоянием в будущем, когда человечество станет "единым целым" и "свободно мыслящим".

Общество, таким образом, включается в структуру биосферы и должно считаться с закономерностями ее развития как целостной системы.

По мнению В.И. Вернадского, ноосфера находится в начале своего развития и идет к расцвету, человек пока меняет лик планеты лишь отчасти сознательно, а главным образом бессознательно, и о ноосфере в полном смысле можно будет говорить лишь тогда, когда по возможности будет исключено стихийное изменение природных условий жизни людей.

Необходимость перехода к ноосфере выступает как способ устранения экологического кризиса и одновременно как способ существования общества во взаимодействии с природной средой при достижении техническими средствами и наукой достаточно высокой степени развития, требующей новой интеграции человечества (так называемой социальной интеграции).

Таким образом, ноосфера - это понятие, ориентирующее человечество в оптимальном выборе пути дальнейшего развития и сохранения человеческого общества в гармонии с природой.

Вопросы для повторения.

1. Что такое биосфера?

2. Какова геологическая роль живого вещества на планете?

3. Что из себя представляет биосфера по составу?

4. Определите роль человека в динамике процессов биосферы.

5. Что такое ноосфера и почему необходим переход от биосферы к ноосфере?

6. Какую роль сыграл труд в обострении противоречий между обществом и природой?

Резюме

Концепция биосферы позволила свести все многообразие живых форм на планете к системному единству во взаимодействии живой и неживой природы. При таком подходе более четко обозначилась ведущая роль живых организмов в качественном преобразовании земной поверхности в направлении возникновения и возрастания свойств ее жизнепригодности. Через противоречие живой и неживой природы шло развитие биосферы.

С возникновением человека на Земле начинается формирование ноосферы как нового состояния биосферы, изменение биосферы под воздействием людей. Ноосфера - это понятие, введенное В.И. Вернадским, ориентирующее человечество в оптимальном выборе пути дальнейшего развития и сохранения человеческого общества в гармонии с природой.

Тема 6. Антропогенное воздействие на окружающую среду: этапы, основные направления

Цель: Изучить основные формы антропогенного воздействия на ОС, нормативы загрязнения и механизм их регулирования

Задачи:

1.Изусить формы загрязнение окружающей среды и их классификации.

2. Выявить специфику нормативов загрязнения окружающей среды

3. Определить проблемы утилизации отходов производства и потребления