Тема 4. Понятие о биосфере. Учение В. И. Вернадского о биосфере, ее функции, круговорот веществ.

Центральным в этой концепции является понятие о живом веществе, которое В. И. Вернадский определяет как совокупность живых организмов. Кроме растений и животных, В. И. Вернадский включает сюда и человечество, влияние которого на геохимические процессы отличается от воздействия остальных живых существ, во-первых, своей интенсивностью, увеличивающейся с ходом геологического времени; во-вторых, специфичностью воздействия деятельности людей на остальное живое вещество.

Это воздействие сказывается, прежде всего, в создании многочисленных новых видов культурных растений и домашних животных. Такие виды не существовали раньше и без помощи человека либо погибают, либо превращаются в дикие породы. Поэтому В. И. Вернадский рассматривает геохимическую работу живого вещества в неразрывной связи животного, растительного царства и культурного человечества как работу единого целого.

Поскольку живое вещество является определяющим компонентом биосферы, постольку можно утверждать, что оно может существовать и развиваться только в рамках целостной системы биосферы. Не случайно В. И. Вернадский считает, что живые организмы являются функцией биосферы и теснейшим образом материально и энергетически с ней связаны,

являются огромной геологической силой, ее определяющей.

Исходной основой существования биосферы и происходящих в ней биохимических процессов является астрономическое положение нашей планеты, в первую очередь, ее расстояние от Солнца и наклон земной оси к эклиптике, или к плоскости земной орбиты. Это пространственное расположение Земли определяет в основном климат на планете, а последний в свою очередь – жизненные циклы всех существующих на ней организмов. Солнце является основным источником энергии биосферы и регулятором всех геологических, химических и биологических процессов на нашей планете. Эту его роль образно выразил один из авторов закона сохранения и превращения энергии Юлиус Майер (1814 – 1878): «Жизнь есть создание солнечного луча».

Решающее отличие живого вещества от косного заключается в следующем.

Изменения и процессы в живом веществе происходят значительно быстрее, чем в косных телах. Поэтому для характеристики изменений в живом веществе используют понятие исторического, а в косных телах – геологического времени. Для сравнения отметим, что секунда геологического времени соответствует примерно ста тысячам лет исторического.

В ходе геологического времени возрастают мощь живого вещества и его воздействие на косное вещество биосферы. Это воздействие, указывает В. И. Вернадский, проявляется, прежде всего, «в непрерывном биогенном токе атомов из живого вещества в косное вещество биосферы и обратно».

Только в живом веществе происходят качественные изменения организмов в ходе геологического времени. Процесс и механизм этих изменений впервые нашли объяснение в теории происхождения видов путем естественного отбора Ч. Дарвина (1859).

Живые организмы изменяются в зависимости от изменения окружающей среды, адаптируются к ней и, согласно теории Дарвина, именно постепенное накопление таких изменений служит источником эволюции.

В. И. Вернадский высказывает предположение, что живое вещество, возможно, имеет и свой процесс эволюции, проявляющийся в изменении с ходом геологического времени, вне зависимости от изменения среды.

Поскольку эволюция и возникновение новых видов предполагают существование своего начала, постольку закономерно возникает вопрос: а есть ли такое начало у жизни? Если есть, то где его искать – на Земле или в Космосе? Может ли возникнуть живое из неживого? Над этими вопросами на протяжении столетий задумывались многие религиозные деятели, представители искусства, философы и ученые.

По мнению В. И. Вернадского жизнь как материя и энергия существует во Вселенной вечно и поэтому не имеет своего начала. Но такое предположение есть не больше, чем эмпирическое обобщение.

В. И. Вернадский, анализируя геологическую историю Земли, утверждал, что наблюдается переход биосферы в новое состояние – ноосферу под действием новой геологической силы, научной мысли человечества. Однако в трудах В. И. Вернадского нет законченного и непротиворечивого толкования сущности материальной ноосферы как преобразованной биосферы. В одних случаях он писал о ноосфере в будущем времени (она еще не наступила), в других в настоящем (мы входим в нее), а иногда связывал формирование ноосферы с появлением человека разумного или с возникновением промышленного производства. Надо заметить, что когда в качестве минеролога В. И. Вернадский писал о геологической деятельности человека, он еще не употреблял понятий «ноосфера» и даже «биосфера». О формировании на Земле ноосферы он наиболее подробно писал в незавершенной работе «Научная мысль как планетное явление», но преимущественно с точки зрения истории науки.

Итак, что же ноосфера: утопия или реальная стратегия выживания? Труды В. И. Вернадского позволяют более обоснованно ответить на поставленный вопрос, поскольку в них указан ряд конкретных условий, необходимых для становления и существования ноосферы. Перечислим эти условия. Заселение человеком всей планеты.

Резкое преобразование средств связи и обмена между странами. Усиление связей, в том числе политических, между всеми странами земли. Начало преобладания геологической роли человека над другими геологическими процессами, протекающими в биосфере. Расширение границ биосферы и выход в космос. Открытие новых источников энергии.

Равенство людей всех рас и религий. Увеличение роли народных масс в решении вопросов внешней и внутренней политики. Свобода научной мысли и научного искания от давления религиозных, философских, политических настроений и создание в государственном строе условий, благоприятных для свободной научной мысли. Продуманная система народного образования и подъем благосостояния трудящихся. Создание реальной возможности не допустить недоедания и голода, нищеты и ослабить болезни. Разумное преобразование первичной природы Земли с целью сделать ее способной удовлетворять все материальные, эстетические и духовные потребности численно возрастающего населения.

Исключение войн из жизни общества. В современном мире, часть этих условий выполнена некоторые выполнены не полностью.

Таким образом, мы видим, что налицо все те конкретные признаки, все или почти все условия, на которые указывал В. И. Вернадский для того, чтобы отличить ноосферу от существовавших ранее состояний биосферы. Процесс ее образования постепенный, и, вероятно, никогда нельзя будет точно указать год или даже десятилетие, с которого переход биосферы в ноосферу можно будет считать завершенным. Но, конечно, мнения по этому вопросу могут быть разные.

Сам В. И. Вернадский, замечая нежелательные, разрушительные последствия хозяйствования человека на Земле, считал их некоторыми издержками. Он верил в человеческий разум, гуманизм научной деятельности, торжество добра и красоты. Что-то он гениально предвидел, в чем-то, возможно, ошибался. Ноосферу следует принимать как символ веры, как идеал разумного человеческого вмешательства в биосферные процессы под влиянием научных достижений. Надо в нее верить, надеяться на ее пришествие, предпринимать соответствующие меры.

Биосфера (греч. bios– жизнь, sphere –шар)– это область распространения живого вещества. Впервые данный термин был введен в научную литературу австрийским геологом Э.Зюссом в 1875 году, понимая под ним области основных оболочек Земли : атмосферы, гидросферы и литосферы.

Верхняя граница биосферы определяется озоновым слоем (нижняя граница его ~ 20км), ослабляющего до приемлемого уровня космическое ультрафиолетовое излучение.

Нижняя граница определяется дном океана (~ 11км) и глубиной литосферы, характеризующейся температурой ~ 100^оС (~ 6 км).

Для биосферы весьма важным является:

присутствие живого вещества;

наличие значительного количества воды;

восприятие потока энергии солнечных лучей;

присутствие поверхностей раздела между веществами, находящимися в трех фазах: твердой, жидкой, газообразной.

Развитие биосферы определяет Космос, энергия которого поступает на Землю.

Внутреннее строение Земли изучено к настоящему времени относительно слабо, в основном по данным сейсморазведки. Эксперименты и теоретические расчеты позволили создать следующую модель Земли:

- в центре находится внутреннее твердое ядро, радиусом 1250км, состоящее из вещества плотностью 13 г/см³ (такую плотность может иметь только металл). Вокруг твердого ядра расположено жидкое внешнее ядро, радиусом 3470км, состоящее из расплавленного вещества. Внешнее жидкое и внутреннее твердое ядра составляют 16% земного шара по объему и 31% по массе;

- над жидким ядром Земли расположена мантия, находящаяся с глубины 2900км до глубины 40км относительно уровня моря на поверхности планеты. Мантия составляет 83% объема планеты и 67% ее массы;

- над мантией расположена твердая оболочка – кора Земли, имеющая толщину 20-40км. Она составляет 1% планеты по объему и 0,5% ее массы.

Максимальные глубины, которых достиг человек, составляет 13 км (сверхглубокая скважина на Кольском полуострове). В связи с этим единственным методом изучения внутреннего строения Земли является сейсморазведка.

Земная кора имеет сложное строение и состоит из нескольких слоев:

- базальтового;

- гранитного;

- осадочных пород.

Базальтовый слой является самым нижним. В нем находятся гранитные «подушки» толщиной 15-20 км, на которых расположена масса осадочных пород континентов.

Океаническая кора имеет отличия от материковой, которые заключаются в следующем:

толщина океанической коры составляет 3 - 7 км, что на порядок меньше материковой;

гранитный слой отсутствует;

осадочный слой очень тонок (менее 1 км).

Континенты и вся кора как бы плавают в более плотной мантии, перемещаясь, друг относительно друга со скоростью несколько сантиметров в год.

Большие участки земной коры, включающие помимо континентов участки океанического дна, составляют тектонические плиты. Главных тектонических плит шесть: евроазиатская, африканская, антарктическая, индо-австралийская, американская и тихоокеанская. Трения на границах движущихся плит – причина землетрясений, а нагревание осадочного слоя опускающейся плиты – причина извержения вулканов.

Геометрическая фигура Земли – это геоид (гео – Земля). Радиус земного шара в плоскости экватора составляет 6378 км, а от центра Земли до полюса – 6357 км.

Атмосфера (athmos– пар, shaiza – шар) – газовая оболочка планеты. Около 90% массы атмосферы сосредоточены в околоземном слое толщиной 16 км. Основные параметры, характеризующие атмосферу (температура, давление, химический состав и т.д.), изменяются, прежде всего с высотой.

При нормальном состоянии температура воздуха понижается с градиентом 6° С на 1 км высоты. Газовый состав атмосферы практически одинаков по всей территории земного шара и включает в себя азот (78%), кислород (21%), аргон (0,9%), диоксид углерода (0,036%).

Образовавшееся за время существования Земли из воды количество кислорода, оценивается в 10-15 т, что соответствует его количеству в современной атмосфере. Последние миллионы лет содержание его не увеличивается, т.к. весь кислород, создаваемый растениями, расходуется на дыхание животных, горение и гниение мертвых растений. В настоящее время значительное количество кислорода потребляется промышленностью и транспортом.

Атмосферный воздух содержит разнообразные естественные (природные) и искусственные (антропогенные) загрязнения. К природным источникам относят вулканы, пыльные бури, выделения растений, животных и микроорганизмов. Естественное загрязнение атмосферы бывает чаще всего периодическим, нетоксичным и связано с выделением сероводорода, диоксида углерода, метана.

К искусственным источникам загрязнения атмосферы относят предприятия промышленности, энергетики, коммунального хозяйства и транспорт.

Гидросфера (hydor – вода, spahaize – шар) – это жидкая оболочка планеты, включающая все свободные воды (океаны, моря, реки, озера, ледники, снежный покров, почвенную влагу).

Гидросфера занимает около 75% поверхности Земли, при этом воды мирового океана составляют более 90% всей массы гидросферы.

Морская вода, содержащая 3,5 % солей, не имеет температурного максимума плотности, что являются одним из важнейших отличий ее от пресной воды.

Пресная вода при замерзании расширяется, этим объясняется тот факт, что с течением времени вода смогла уничтожить самые высокие горы. Реки планеты выносят в моря и океаны около 20 млрд. т твердых частиц, полученных при разрушении суши. На долю пресной воды приходится около 2,5% общих запасов гидросферы.

Гидросфера отличается динамичностью, движущей силой которой является круговорот воды. Круговорот воды – это очень важное явление, обеспечивающее сушу пресной водой. Под воздействием солнечного тепла вода нагревается и испаряется с поверхности водоемов. Переносимые воздушными течениями пары воды затем конденсируются и выпадают в виде дождя и снега на сушу и поверхность водоемов. Основная масса испарившейся воды выпадает на поверхность мирового океана. Вынесенная на сушу часть испарившейся океанической влаги включается в круговорот на суше, где влага испаряется с поверхности всех водоемов.

На суше вода выпадает в виде осадков, образуя местные круговороты. Благодаря круговороту воды гидросфера перемещает продукты эрозии с более высоких на более низкие уровни, с суши в океан и другие водоемы.

Литосфера (lithos – камень, sphaire – шар) – верхняя, твердая оболочка Земли, включающая земную кору и часть верхней мантии Земли. В настоящее время установлено, что 80% земной коры составляют кислород, кремний, алюминий. Менее всего в ней содержится инертных газов (гелия, неона, радона).

Химические элементы земной коры образуют естественные соединения, состоящие из нескольких элементов.

Минералы (minera– руда) – это однородные по составу, внутренней структуре и свойствам твердые химические соединения. В настоящее время известно более 3000 минералов, из них в строении Земной коры важную роль играют несколько десятков минералов, которые называют породообразующими (полевые шпаты, силикаты, кварц, слюда).

В Земной коре минералы группируются в естественные ассоциации – горные породы, среди которых выделяют магматические, осадочные и метаморфические породы.

Магматические горные породы образуются при остывании расплавленных магм, поднимающихся из глубин Земли к ее поверхности.

Осадочные горные породы образуются путем переотложения на поверхности Земли или на дне морей, озер и рек продуктов разрушения разных коренных пород (ими покрыто более 75% поверхности континентов). Они накапливались и уплотнялись миллионы лет, в результате чего образовались такие важные полезные ископаемые как нефть, газ, золото и др.

Метаморфические горные породы образуются в результате преобразования магматических и осадочных пород под действием высокого давления и температуры на большой глубине. К этим породам относят мрамор (образующийся из известняков), кварциты (из песчаников) и др.

В пределах литосферы горные породы постоянно перемещаются, образуя геологические циклы. Наиболее быстрое движение в геологическом цикле происходит при извержении вулканов. Круговорот осадочного вещества происходит за сотни миллионов лет.

На поверхности горы формируется почвенный покров.

Почва – это органоминеральное природное образование, сформировавшееся в результате длительного преобразования поверхностных слоев литосферы при совместном воздействии гидросферы, атмосферы, организмов в разных условиях климата и рельефа.

Почва состоит из минеральных и органических веществ.

Минеральный состав определяется составом почвообразующих пород, возрастом почвы, особенностями рельефа, климата и т.д. В состав минеральной части почвы входят Si, Al, Fe, K, Na, Mg, Ca, P, S, Cu. Подавляющее большинство химических элементов в почве находятся в окисленной форме.

Органический состав формируется из соединений, содержащихся в большом количестве в растительных и животных остатках. К их числу относят белки, углеводы, жиры, органические кислоты и др. Органические вещества играют важную роль в почвообразовании и воздействуют на все физические свойства. Органическое вещество почвы (гумус) образуется при разложении мертвых организмов.

Почва является главным звеном биосферы и одним из основных природных ресурсов. Основные почвообразующие факторы (климат и растительность) распределяются на поверхности планеты в виде поясов и зон, расположенных параллельно широтам.

Биосфера представляет собой открытую систему, живые организмы, получая поток солнечной энергии, преобразуют ее, вовлекают в химические реакции неорганическую материю и создают непрерывный круговорот веществ и энергии.

Внутри этой системы живые организмы и среда их обитания функционально объединены через объем вещества и энергию. В связи с

этим биосфере присуще многообразные и сложные процессы разрушения и созидания, определяющие поступательный ход развития жизни на Земле. Эти исторические изменения биосферы называют эволюцией.

Эволюция биосферы – это процесс непрерывного, одновременного и взаимосвязанного изменения характера живого вещества и свойств биосферы, как оболочки Земли.

Различают три этапа эволюции биосферы. Первый этап – возникновение жизни из неживой материи в результате образования молекул белка. Второй – возникновение круговорота веществ и развитие многоклеточности организмов. Третий – антропогенный период (начавшийся примерно 1,5 млн. лет назад).

Основными составляющими массы биосферы являются:

- живое вещество;

- биогенное вещество, т.е. продукты жизнедеятельности организмов;

- биокосное вещество (почва, илы) – продукты переработки горных и осадочных пород живыми организмами;

- косное вещество (минералы, глины).

В ходе геологической истории Земли в биосфере установилось равновесие между составляющими ее экосистемами и внутри них, сложился непрерывный обмен веществ и энергии как между отдельными составными компонентами внутри экосистем, так и с другими экосистемами.

На состояние равновесия в биосфере все большее влияние оказывает человек – антропогенный фактор. В связи с этим возникло понятие предельной хозяйственной емкости биосферы, т.е. состояния биосферы, при котором природа не может восстанавливаться, несмотря на весь комплекс принимаемых мер.

Природные ресурсы – это часть всей совокупности природных условий существования человечества, важнейшие компоненты окружающей его естественной среды, используемые для удовлетворения материальных и культурных потребностей общества.

Объекты и явления природы становятся определенным ресурсом в том случае, если в них возникает потребность. В связи с этим объем природных ресурсов меняется в зависимости от района Земного шара и стадии социально – экономического развития общества. Потребности общества изменяются с развитием новых технических возможностей освоения природных богатств.

В зависимости от технического и технологического уровня процессов извлечения и переработки природных ресурсов, экономической рентабельности выделяют две категории природно–ресурсных запасов:

- доступные запасы – объемы природного ресурса, выявленные современными методами разведки, технически доступные и экономически рентабельные для освоения;

- потенциальные ресурсы – ресурсы, установленные на основе расчетов, включая те, которые в настоящее время нельзя освоить по техническим и экономическим соображениям.

С развитием научно-технического прогресса потенциальные ресурсы переходят в категорию доступных.