Биосферный уровень. Ноосфера

Биосфера.

Биосферный уровень – это совокупность всех живых организмов планеты, включая, человека и их среду обитания. Биосфера состоит из совокупности биогеоценозов. Биосфера – это область распространения и функционирования живых организмов, охватывающая нижнюю часть атмосферы (аэробиосфера), всю гидросферу (гидробиосфера), поверхность суши (террабиосфера) и верхние слои литосферы (литобиосфера). Термин «биосфера», введен австрийским геологом и палеонтологом Эдуардом Зюссом, в 1875 г. Учение о биосфере создано академиком В.И. Вернадским, в 1926 г. Биосфера определяет «лик Земли». Она представляет собою тонкую пленку из живых существ на поверхности Земли. Границы биосферы, это границы распространения жизни на Земле, около 12 км над Землей и 12 км в глубь Земли.

Более 90% живого вещества биосферы состоит из углерода, кислорода, азота и водорода. Биомасса суши составляет около 98%, а воды – 2%. Общая масса биосферы, с учетом косного вещества равна 3∙10²⁴ г., а масса живого вещества (1,8 – 2,5)∙10¹⁸ г., т.е. около 7∙10^-5 % от общей массы.

Хотя масса живого вещества, по сравнению с общей массой биосферы, незначительна, Вернадский считает, что она является мощным геохимическим и энергетическим фактором планеты, и является ведущей силой развития. Источником энергии биохимических процессов биосферы является солнечная энергия, используемая в процессе фотосинтеза. Фотосинтез и дыхание зеленых растений поддерживают газовый состав атмосферы. Солнечная энергия, падающая на Землю, распределяется следующим образом: всего падающая энергия составляет 173000×10¹² Bm, отражается в космос - 52000×10¹² Bm, поглощают облака - 40000×10¹² Bm, переходят в тепло - 81000×10¹² Bm и расходуется на фотосинтез около 40×10¹² Bm.

В биосфере, в результате биохимических циклов происходит круговоротвещества и трансформации энергии. Некоторые организмы способны аккумулировать определенные химические элементы. Например, железобактерии – железо, фораминиферы - кальций, хвощи – кремний, губки – йод, асцидий – ванадий. Благодаря, живым веществам на планете образовалась почва и органоминеральное топливо. В настоящее время, деятельность человека по своим масштабам стала соизмеримой с геологическими процессами. В результате хозяйственной деятельности, преобразуются большие территории. Добыча полезных ископаемых, сжигание огромного количества топлива, создание веществ ранее не существующих в биосфере, изменяют состав и структуру биосферы. Антропогенные воздействия на биосферу, принявшие глобальный характер, ставят под угрозу возможность поддержания гомеостаза в биосфере.

Биосфера населена микроорганизмами, бактериями, инфузориями, одноклеточными и многоклеточными организмами, растениями, животными и людьми.Впервые Ж. Б. Ламарк заметил, что живые организмы меняют биосферу. Он писал: «все вещества, находящиеся на поверхности земного шара, сформировались, благодаря деятельности живых организмов». Живое вещество меняет облик нашей Земли. Вернадский в книге «Биосфера и ноосфера» отмечает, что «Биосфера - это единство живого и косного вещества Земли. Живые организмы, теснейшим образом материально и энергетически связаны с косным веществом, и являются огромной геологической силой. Под влиянием научной мысли и человеческого труда биосфера переходит в новое состояние – в ноосферу. Ноосфера является новым геологическим явлением на нашей планете. В ней человек впервые становится крупнейшей геологической силой».

Согласно, гипотезе Геи-Земли (ее автор английский ученый Лавлок), биосфера обладает механизмом самоконтроля и самоорганизации. Лавлок утверждает, что человечество уже нанесло биосфере непоправимый ущерб, и теперь человеку нужно быть готовым к выживанию в условиях «климатического ада».

Круговорот вещества в биосфере.

В биосфере, в зависимости от способа питания, организмы делятся на две группы: 1) автотрофы – способны использовать солнечную энергию, и путём фотосинтеза подготавливать себе пищу в виде углеводов (сахаров); 2) гетеротрофы – это растительноядные и плотоядные организмы.

Все химические элементы, из которых построены организмы, многократноиспользовались ииспользуются в биосфере, поэтому масса всего живого вещества, когда-либо населявшего Землю, намного больше массы самой Земли.

В биосфере, при участии всех живых существ, происходит биотический круговорот. Биотический круговорот, является причиной развития и длительного существования жизни. Академик В. Р. Вильямс писал: «Единственный способ придать ограниченному количеству свойство бесконечного – это заставить его вращаться по замкнутой кривой». Такой замкнутый круговорот происходит в биосфере по схеме: растения – травоядные – плотоядные – мертвоеды – бактерии – минеральные вещества – растения.

В 1967 г. советский физиолог А. А. Нигинорович оценилсуммарную годовую продукцию фотосинтеза Земли в размере около 46 млрд. тонн углерода, в составе продукции. Для производства такого количества углерода необходимо 170 млрд тонн СО₂ и 68 млрд тонн Н₂О. При этом образуется 115 млрд. тонн органических веществ и 123 млрд. тонн О₂, усваивается 440×10⁶ млрд ккал энергии солнечной радиации.

Ежегодно используется около 6 млрд. тонн азота, 2 млрд. тонн фосфора и др. элементов: К, Са, S, Fe, Cu, Co, Mo. Фитомасса океана составляет 2% от суммарной фитомассы суши, однако она дает 26% всей первичной продукции Земли. Это объясняется тем, что на суше первичная продукция создаётся достаточно медленно растущими цветковыми растениями, а в океане – быстро размножающимися планктонами.

Сопоставим всю биомассу растений 2400 млрд. тонн с ежегодной продукцией 240 млрд. тонн и заметим, что ежегодно возобновляется 10% биомассы. По данным американского ученого Е. Рубиновича, весь кислород в атмосфере оборачивается через организмы примерно за 2000 лет, СО₂ за 300 лет, Н₂О – за 2 млн. лет. Так что за время существования жизни СО₂, О₂ и Н₂О успели пройти через живое вещество не одну тысячу раз.

Каждый биогеоценоз представляет модель биосферы в миниатюре. Установлено, что сложные биоценозы более устойчивы к изменениям окружающей среды. Относительная многообразность биоценозов обеспечивает устойчивость всей биосферы.

Конкуренция и сосуществования в биосфере.

Использование ЭВМ для анализа процессов в сложных системах, продвинуло вперед экологию и учение о биосфере. Для математического моделирования необходимо написать уравнение, зависимости скорости изменения численности особей от скорости рождения, числа смертей, доступности пищи, климата и температуры. Это формула Ферхюльста: dn/dt=L₀n–Bn², где L₀ - константа, зависящая от рождаемости, смертности и от количества пищи, B - константа, зависящая от скорости истощения пищи, n – число особей.

Если есть конкурентная борьба за существование (хищник – жертва), тогда решение показывает, что выживает только одна сторона, которая наиболее приспособлена.

В любом биоценозе происходит взаимодействие между всеми его элементами. Эти взаимодействия могут быть мирными, а могут иметь тип «хищник - жертва». Даже, при очень упрощенном виде (например, в биоценозе только хищник и жертва), динамика их численности зависит от многих факторов. Например, эволюция численности зайцев и волков по уравнению Вольтера – Лотки для системы «хищник-жертва» имеет вид:

dn/dt =L₁n–Lnm, dm/dt=Bmn–2X₂m,

где n– число жертв, m – число хищников. Эти уравнения имеют периодические решения. Стационарное решение соответствует полному вымиранию и хищников, и жертв.

Модели «конкуренция – сосуществование» и «симбиоз» показывают, что численность особей зависит от следующих факторов: смена климата, возраста особей и их смертности, колебания запасов пищи в разное время года и на разных территориях. Симбиоз– это кооперация отдельных видов в борьбе за существование, когда один вид помогает или покровительствует другому. Например, кооперация пчел. Считается, что эукариотические клетки произошли путем симбиоза более простых безъядерных клеток.

Некоторые биологи считают, что существование полов с эволюционной точки зрения неудачно, и половые различия должны были бы постепенно исчезнуть, но этого не происходит. Вероятно, потому, что пол является неким «секретным оружием», сохраняющим большую устойчивость хозяина. Установлено, что бесполые рыбычаще поражаются паразитами, чем разнополые. Те же результаты получены и на птицах – наличие паразитов наносит ущерб яркому оперению, и самки не выбирают таких самцов. Установлено, что в ходе эксперимента с некоторыми бесполыми организмами - появился пол. По всей вероятности, половые различия имеют огромное значение для эволюции.

Томас Рейпроводил компьютерный эксперимент с 20 образцами организмов, ни один из которых не является паразитом. В конце эксперимента осталось только 8 образцов. Когда проводили эксперимент с 20 организмами + один организм паразит, то в конце осталось 16 «хозяев». У большинства травоядных животных в кишечнике имеются микроорганизмы, которые помогают в переваривании пищи.Паразиты являются частью любой экосистемы и способствуют ее разнообразию.

В случаи «Ядерной зимы», земля замерзает до нескольких метров. Все животные погибают за исключением низших форм жизни. Фитопланктоны погибнут из-за длительного отсутствия солнечного света. Средняя температура упадет более чем на 20⁰С. Прекратятся дожди. Сажевые облака окутают всю планету. Океаны остынут на 2⁰С. Из-за большой разницы температуры суши и моря возникнут большие разрушающие штормы. Однако в этой программе не были учтены движения атмосферы, выпадения осадков, изменения температуры в разных частях Земли. Ядерная война не единственный способ самоуничтожения. Например, покрытие океанов тонкой пленкой нефти приведет также к гибели биосферы.

Ноосфера.

Ноосфера (греч. noos - разум) – сфера разума, новое эволюционное состояние биосферы, при котором разумная деятельность человека становится решающим фактором ее развития. Термин «ноосфера» введен французским палеонтологом, философом Тейяром де Шарденом, в 1927 г. Шарден представлял ноосферу, как идеалистическую сферу разума. Материалистическое учение о ноосфере, как о качественно новой форме взаимодействия человеческого общества с природой, изложено академиком В. И. Вернадским. Для ноосферы характерна тесная взаимосвязь законов природы с законами развития человеческого общества. Процесс перехода биосферы в ноосферу усиливается по мере объединения человечества, для решения общих, глобальных проблем планета Земля.

Человек, современного типа, сформировался 30 тысяч лет назад, а человеческое общество сформировалось около 10 тысяч лет назад. Чтобы использовать природу, человек создал различные орудия труда и начал сознательно преобразовывать окружающую среду. Начал создавать искусственные предметы, составляющие мир человеческой культуры. Так, наряду с естественным миром появился искусственный мир,т.е. «вторая природа».

Каменные орудия труда человек создал примерно 30 – 10 тысяч лет назад. Этот промежуток времени называется периодом палеолита (каменного века). Человек, в период палеолита, еще оставался частью природы. Около 15 тысяч лет назад наступил период потепления, ледники отступили и леса распространились по земному шару. И тогда стало возможным на площади 5х5 км² с помощью собирательства и охоты накормить около 25 человек.

Вернадский пришел к выводу о том, что роль человека в биосфере определяется не по его массе, а по производственной деятельности. Жизнь на планете начала зависеть от разумной коллективной деятельности. Для ноосферы,характерно поддержание равновесия между природой и человеческим обществом. С появлением человека на Земле, начался процесс превращения биосферы в ноосферу. Этот процесс до 20 века проходил бессознательно, а в настоящее время проходит целенаправленно. Согласно Вернадскому, этот процесс состоит из следующих предпосылок. 1. Становление человечества единым целым. 2. Налаживание Всемирной службы «мониторинга». 3. Достижение равенства людей,как необходимого условия ноосферы. 4. Достижение влияния народных масс на государственные и общественные дела. 5. Использование новых видов энергии для подъема уровня жизни. 6. Исключение войны и терроризма из жизни общества.

Можно отметить, что предпосылки 1, 2 и 5 уже существуют и выполняются, а предпосылки 3, 4 и 6 пока что не достигнуты, однако есть надежда, что они сбудутся. Становление ноосферы связано с созданием новых организмов, с помощью методов и средств биотехнологии и генной инженерии.

Человечество может прийти в ноосферу, если согласуются хозяйственная деятельность с законами экологии. Теперь коллективный Разумлюдей ответствен не только за судьбу человечества, но и за судьбу природы. Все это должно привести к эволюции человека и биосферы и перехода биосферы в ноосферу.

Коллективный Разум у людей сменит стандарты и идеалы, нормы и ценности, направит их не на покорение природы, а на гармоническое сосуществование с нею, изменит потребительскую психологию на психологию заботливого хозяина.

Ноосфера – высшая стадия биосферы, связанная с коренным преобразованием не только природы, но и самого человека. Постепенно человечество становится основной планетарной геологической силой и человек несет прямую ответственность за эволюцию планеты. Человеку следует соизмерять свои потребности с возможностямибиосферы. Человечество находится в начальной стадии ноосферы. Синонимом «ноосферы», является эволюция человеческого общества с природой».

Процесс преобразования биосферы начался не вчера и завершится не завтра. Время трансформации растянуто, на несколько поколения. Но, в геологическом измерении оно мгновенно, как скачок развития биосферы.