Учение о биосфере Земли - одно из крупнейших и наиболее интересных обобщений современного естествознания. Оно является научной основой для исследования природных объектов и комплексного подхода при организации современного производства.
Жизнь на планете протекает и развивается лишь в тонком слое атмосферы, гидросферы и литосферы. Вот эту тонкую земную оболочку, населенную организмами, принято называть биосферой.
Биосфера - область «жизни», пространство на поверхности земного шара, в котором обитают живые существа.
Величие В.И. Вернадского в том, что он впервые понял и научно обосновал единство человека и биосферы.
Владимир Иванович Вернадский (1863-1945) - крупный отечественный ученый, минералог и кристаллограф, один из основоположников геохимии и биогеохимии.
Суть этого учения : биосфера - это качественно своеобразная оболочка Земли, развитие которой в значительной мере определяется деятельностью живых организмов.

Основные положения учения В.И. Вернадского о биосфере .
Прежде всего, В.И. Вернадский определил пространство, охватываемое биосферой Земли. Биосфера (греч. «биос» - жизнь; «сфера» - шар) - оболочка Земли, в которой развивается жизнь разнообразных организмов, населяющих поверхность суши, почву, нижние слои атмосферы, гидросферу.
Планета Земля характеризуется наличием трех поверхностных геосфер - гидросферы, литосферы, атмосферы.
Гидросфера , или водная оболочка Земли, представлена океанами, морями, озерами, реками и искусственными водоемами. Водная оболочка покрывает около 71% поверхности земного шара, наибольшая глубина в западной части Тихого океана достигает 11,5 км (Марианская впадина).
Литосфера , или земная кора, представляет собой внешнюю твердую оболочку земного шара мощностью в несколько десятков километров. В контексте биосферы под литосферой обычно понимают только поверхностную ее часть - почву.
Атмосфера , или воздушная оболочка, состоит из нескольких слоев: тропосферы до 15 км высоты над поверхностью Земли; стратосферы, с озоновым экраном, простирающейся до 100 км высоты; ионосферы, представляющей слой разреженного газа, высотой до 500 км.
Биосфера включает в себя:
1) Живые организмы (растения, животные, микроорганизмы).
2) Тропосфера (нижний слой атмосферы).
3) Гидросфера (океаны, моря, реки и т.д.).
4) Литосфера (верхняя часть земной коры).

Возраст биосферы приблизительно 4 млрд. лет.

Схема строения биосферы
Вернадский различал следующие категории веществ:
1) живое вещество - совокупность живых организмов, населяющих биосферу, (от простейших вирусов до человека), характеризуется химическим составом, массой, энергией, информацией; трансформирует солнечную энергию и вовлекает неорганическую материю в непрерывный круговорот). Живое вещество - «функция биосферы», а биосфера - результат развития живого веществ.
2) биогенное вещество - продукты жизнедеятельности живых организмов (каменный уголь, нефть, торф, мел);
3) биокосное вещество - продукты распада и переработки горных и осадочных пород живыми организмами (почвы, ил, природные воды). Имеет минеральную основу, которая коренным образом преобразована жизнедеятельностью организмов (почвенный покров, воздух, вода).
4) косное вещество - все, что не имело связи с живым (застывшая лава, вулканический пепел).
5) Радиоактивные вещества, получающиеся в результате распада радиоактивных элементов (радий, уран, торий и т.д.).
6) Рассеянные атомы (химические элементы), находящиеся в земной коре в рассеянном состоянии.
7) Вещество космического происхождения - метеориты, протоны, нейтроны, электроны.
В пределах биосферы существуют 4 среды жизни: две мертвые (вода, воздух), одна биокосная (почва) и одна живая (организм).
Процессы, протекающие в экосистеме (число живых организмов, скорость их развития и т.п.), зависят от количества энергии, поступающей в экосистему, и от циркуляции веществ в экосистеме. Биосфера является энергетически незамкнутой системой, в которой идет поглощение энергии из внешней среды.
Живое вещество нашей планеты существует в виде огромного множества организмов разнообразных форм и размеров. В настоящее время на Земле существует более 2 млн. организмов, из них 0,5 - растения, 1,5 - растения и микроорганизмы (из них 1 млн. насекомых).
Основной особенностью живого существа является, кроме клеточной деятельности и передачи информации, способ использования энергии. Живые существа улавливают энергию космоса в виде солнечного света, удерживают ее в виде энергии сложных органических соединений (биомасса), передают ее друг другу и трансформируют в другие виды энергии (механическую, электрическую, тепловую). Неживые вещества преимущественно рассеивают энергию.
Живое вещество, биосфера, преобразует энергию Солнца в свободную энергию, способную совершать работу. Работа, производимая жизнью, состоит в переносе и перераспределении химических элементов в биосфере.
Все почвы и минералы поверхности (чернозем, глина, известняк, руда, месторождение углей и нефти) образовались под воздействием жизни.
Преобразование энергии в организмах основано на разнице температуры и других принципах. Живые существа следует рассматривать как химические машины, где химическая энергия преобразуется в другие виды энергии.
Особенности функционирования живых существ :
способность к самовоспроизведению;
способность образования полимерных оболочек, ограждающих живое вещество от косной среды;
способность аккумулировать и передавать химическую
энергию, а также осуществлять химические реакции в нормальных условиях температуры и давления без образования побочных продуктов. Жизнь на Земле идеально экологична.
Основой динамического равновесия и устойчивости биосферы являются кругооборот веществ и превращение энергии.

Круговорот веществ в биосфере

Основной принцип функционирования экосистем - получение ресурсов и избавление от отходов происходит в рамках круговорота всех элементов.
Рассмотрим такой круговорот для основных компонентов, входящих в состав биосферы.

Круговорот углерода

Для примера рассмотрим круговорот углерода. В атмосфере запасы углерода в виде СО2 невелики, в земной коре они присутствуют в виде ископаемого топлива. Когда около 2 млрд лет назад на Земле появилась жизнь, атмосфера в основном состояла из СО2. Первые организмы были анаэробными, т.е. жили в отсутствие кислорода. Накопление кислорода обусловлено существованием зеленых растений. Сейчас его запасы на Земле оцениваются в 1,6-105т. Эту массу зеленые растения могут создать за 10 тыс. лет. Поступивший в атмосферу по разным причинам углерод усваивается зелеными растениями, выделяющими в процессе своей жизнедеятельности кислород. А в результате потребления животными органических соединений происходит окисление органических веществ до углекислого газа, который поступает в атмосферу. Иными словами, углерод - главный участник биотического круговорота. Человек активно вмешивается в этот круговорот, что может в ближайшие 100 лет привести к изменениям климата, подъему океана, уменьшению количества кислорода в составе атмосферы и пр.

Круговорот серы

Сера преобразуется в различные соединения и циркулирует в биосфере. Из природных источников она попадает в атмосферу в следующем виде:
сероводород (H2S) - бесцветный, дурно пахнущий ядовитый газ - при извержении вулканов, при разложении органических веществ в болотах и затапливаемых приливами низинах;
диоксид серы (SO;) - бесцветный, удушливый газ при извержении вулканов;
частицы сульфатных солей (например, сульфат аммония) - из мельчайших брызг океанической воды.
Около трети всех соединений серы и 99 % диоксида серы, попадающих в атмосферу, имеют антропогенное происхождение. Сжигание серосодержащих углей и нефти для производства электроэнергии дает примерно две трети всех антропогенных выбросов двуокиси серы в атмосферу. Остальная треть приходится на такие технологические процессы, как переработка нефти, выплавка металлов из серосодержащих медных, свинцовых и цинковых руд.
В атмосфере двуокись серы окисляется кислородом до газообразного триоксида серы, который при реакции с водяным паром образует мельчайшие капельки серной кислоты (H2SO4). Взаимодействуя с другими атмосферными компонентами, триоксид серы может образовывать мельчайшие частицы сульфатных солей. Серная кислота и сульфатные соли вносят свой вклад в образование кислотных осадков, нарушающих жизнедеятельность лесных и водных экосистем.

Круговорот воды

Гидрологический цикл, в процессе которого происходит накопление, очистка и перераспределение планетарного запаса воды, состоит в следующем. Солнечная энергия и земное притяжение непрерывно перемещают воду между океанами, атмосферой, сушей и живыми организмами. Важнейшими процессами этого круговорота являются испарение, конденсация, осадки и сток воды назад в море для возобновления цикла.
Под воздействием поступающей солнечной энергии вода испаряется с поверхности океанов, рек, озер, почв и растений и поступает в атмосферу. Ветры и воздушные массы переносят водяной пар в различные районы Земли. Понижение температуры в отдельных частях атмосферы приводит к конденсации водяного пара, образованию облаков и туманов и выпадению атмосферных осадков.
Часть пресной воды возвращается на поверхность земли в виде осадков, замерзает в ледниках. Однако в основном она заполняет понижения и ложбины и стекает в ближайшие озера, ручьи и реки, которые несут ее назад в океан, тем самым, замыкая кольцо круговорота. Такой сток пресных вод с поверхности суши вызывает также эрозию почв, которая приводит к перемещению различных химических веществ в рамках других биогеохимических циклов.
Значительная часть возвращаемой на сушу воды просачивается глубоко в фунт. Там происходит накопление фунтовых вод в водоносных горизонтах - подземных резервуарах. Подземные источники и водотоки в итоге возвращают воду на поверхность суши и в реки, озера, ручьи, откуда она вновь испаряется или стекает в океан. Однако циркуляция подземных вод происходит несравнимо медленнее, чем циркуляция поверхностных и атмосферных вод.

Эволюция биосферы

Итак, в процессе развития биосферы выделяют 3 уровня:
1) Биосфера (где человек воздействовал на природу незначительно).
2) Биотехносфера
Техносфера представляет собой совокупность искусственных объектов, созданных целенаправленной деятельностью человека, и природных объектов, измененных этой деятельностью. Современная биосфера - это результат длительной эволюции органического мира и неживой природы. Человеческое общество - это один из этапов развития жизни на Земле. Деятельность человека следует рассматривать как составную часть биосферы. Техника - это качественно новый этап ее развития. Возникает вопрос - каким путем пойдет развитие человека и биосферы в будущем, какими средствами избежать необратимых последствий в природе. Предотвратить изменения невозможно. Очевидно, что следует научиться управлять процессами между человеком и природой так, чтобы они были взаимовыгодны.
3) Ноосфера - сфера разума.
Это понятие ввел французский математик и философ Ле-Руа в 1927 году, а обосновал Вернадский в 1944 г. Это высшая стадия развития биосферы, когда разумная деятельность человека становится главным, определяющим фактором развития. В ноосфере человек становится крупной геологической силой, он перестраивает своим трудом и мыслью область своей жизни. Человек неразрывно связан с биосферой, уйти из нее не может. Его существование - есть функция биосферы, которую он неизбежно изменяет.

Биосфера, согласно учению академика В.И. Вернадского, представляет собой наружную оболочку Земли, включающую все живое вещество и область его распространения (среду обитания). Верхняя граница биосферы — защитный озоновый слой в атмосфере на высоте 20—25 км, выше которого жизнь невозможна ввиду воздействия ультрафиолетового излучения. Нижней границей биосферы являются: литосфера до глубины 3—5 км и гидросфера до глубины 11—12 км (рис. 1.3).

Р ис 1.3. Строение биосферы (по В.И. Вернадскому)

Компоненты биосферы: атмосфера, гидросфера, литосфера — выполняют важнейшие функции по обеспечению жизни на Земле.

Биосфера возникла около 4,5 млрд лет назад и прошла несколько этапов эволюционного развития: от первоначального круговорота органического вещества к биологическому круговороту — непрерывному обмену веществом и энергией между живыми организмами и окружающей средой в течение всей жизни организмов и после их смерти.

Важнейшими компонентами биосферы являются:

Живое вещество (растения, животные, микроорганизмы);

Биогенное вещество органического происхождения (уголь, торф, почвенный гумус, нефть, мел, известняк и др.);

Косное вещество (горные породы неорганического происхождения);

Биокосное вещество (продукты распада и переработки горных пород живыми организмами).

По В.И. Вернадскому, живое вещество является носителем свободной энергии биосферы и связано с неживым веществом биогенной миграцией атомов. Биомасса сухого вещества живых организмов Земли, включающих около 500 тыс. видов растений и 1,5 млн видов животных, чрезвычайно велика и составляет, примерно, 2,4232*10 12 т. Ежегодный прирост живого вещества на Земле составляет около 8,8*10 11 т. Через эти живые организмы прошло большое количество элементов верхней части литосферы, атмосферы и гидросферы.

Важным во взаимоотношениях организмов является пищевой — трофический фактор (от греч. trophe — пища). Первичное органическое вещество создают зеленые растения {продуценты — производители), используя солнечную энергию. Они потребляют углекислый газ, воду, соли и выделяют кислород.

Потребителей (консументов) можно разделит на два порядка:

I — организмы, питающиеся растительной пищей;

II — организмы, питающиеся животной пищей.

Редуценты (восстановители) — организмы, питающиеся разлагающимися организмами, бактерии и грибы. Здесь особенно велика роль микроорганизмов, до конца разрушающих органические остатки и превращающих их в конечные продукты (минеральные соли, углекислый газ, воду, простейшие органические вещества), поступающие в почву и вновь потребляемые растениями.

Все животные и растения избирательны к составу пищи в зависимости от необходимости в тех или иных минеральных элементах. Животные и растения — необходимые факторы среды по отношению к другим животным и растениям, они взаимно необходимы.

Любой организм приспособлен к существованию в достаточно узких пределах изменения условий окружающей среды, причем выход параметров среды за сложившиеся границы влечет за собой угнетение жизнедеятельности данного вида или его гибель. Границы распространения организма (ареал) обусловлены соблюдением необходимых требований данного организма к условиям (факторам) среды. Каждый вид занимает то место, которое обусловлено его требованиями к территории, пище, воспроизводству и другими функциями организма. Эта совокупность параметров среды для обитания вида, место, занимаемое им в биосфере, называется экологической нишей. Все факторы в экологической нише взаимосвязаны: изменение одного из них влечет за собой изменение других.

Способность живых организмов адаптироваться к факторам среды характеризуется экологической валентностью, или пластичностью.

Живые организмы находятся в постоянном взаимодействии с окружающей средой, состоящей из множества меняющихся во времени и пространстве явлений, условий, элементов, называемых экологическими факторами среды. Это любые условия окружающей среды, оказывающие длительное или кратковременное влияние на живые организмы, реагирующие на эти влияния приспособительными реакциями. Они делятся на абиотические (факторы неживой природы) и биотические (факторы живой природы). Принятый сегодня вариант классификации экологических факторов среды представлен в табл. 1.2.

Таблица 1.2
Классификация экологических факторов среды

Абиотические	Биотические
Климатические: свет, температура, влага, движение воздуха, давление	Фитогенные: растительные организмы
Эдафогенные («эдафос» — почва): механический состав, влагоемкость, воздухопроницаемость, плотность	Зоогенные: животные
Орографические: рельеф, высота над уровнем моря, экспозиция склона	Микробиогенные: вирусы, простейшие, бактерии, риккетсии
Химические: газовый состав воздуха, солевой состав воды, концентрация, кислотность и состав почвенных растворов	Антропогенные: деятельность человека (в том числе строительная)

Характеристики основных абиотических факторов, которые необходимо учитывать при реставрации памятников архитектуры, приведены в Приложении 1.1. Это состав атмосферы; соотношение баллов 12-ти бальной сейсмической шкалы с магнитудой землетрясений; сейсмическая шкала; шкала силы ветра.

Биотические экологические факторы определяют взаимоотношения организмов. Указанные факторы в этом случае называют трофическими, т.е. пищевыми.

Экологические факторы под действием вновь полученных химических веществ, которых нет в природе, и техногенных компонентов, созданных человеком, сильно изменены. Появляются вещества-загрязнители, что приводит к нарушению сапрофитного (поддерживающего равновесие в экосистеме) взаимодействия в природной среде. Это часто сопровождается гибелью животных, растений, приводит к нарушению функций, гибели всего живого и опустыниванию земли. Преобладающими видами в микробиоте становятся патогенные микроорганизмы, которые можно отнести к биологическим загрязнителям. Негативно изменяется состав атмосферы, повышается агрессивность подземных и грунтовых вод. На планете наблюдаются потепление, нарушение озонового слоя, учащаются кислотные дожди.

Все перечисленные факторы оказывают влияние не только на живые организмы (в том числе и человека), но и на памятники, и неучет даже одного из них может сказаться на качестве реставрации и даже привести к гибели памятника.

Живые организмы в природе существуют в виде популяций — исторически сложившихся естественных совокупностей особей данного вида, связанных взаимоотношениями и адаптацией в условиях определенного района или иного места обитания (биотопа). В естественных природных условиях численность и плотность популяции неслучайны, они определяются регулирующими (управляющими) экологическими факторами. Способность среды поддерживать нормальную жизнедеятельность организма или популяции называется емкостью экоси стемы.

Экологическая система (экосистема) — это совокупность взаимосвязанных и взаимозависимых совместно обитающих различных видов организмов и условий их существования. В экосистеме связаны биоценоз (сообщество совместно живущих организмов) и биотоп (среда обитания). Основные типы природных экосистем на Земном шаре перечислены на рис. 1.4.

Рис. 1.4. Основные типы природных экосистем

Академик В.Н. Сукачев предложил понятие биогеоценоз (от греч. биос — жизнь, Гея — Земля, ценоз — общий) — природная система живых организмов и окружающей их абиотической среды, связанная обменом — веществами, энергией и информацией. Сейчас термины «экосистема» и «биогеоценоз» принято считать практически синонимами.

В состав биогеоценоза входят:

Растительный компонент (фитоценоз);

Животный компонент (зооценоз);

Микроорганизмы (микробиоценоз);

Почва и почвенно-грунтовые воды, во взаимодействии с растительным, животным компонентами и микроорганизмами образующие эдафотоп;

Атмосфера, которая, взаимодействуя с другими компонентами, образует климатоп;

Неживая природа, представляющая собой косное вещество — экотоп.

Таким образом, биогеоценоз — пространственно обособленная, целостная элементарная единица биосферы, все компоненты которой тесно связаны между собой. Основными компонентами биогеоценоза являются три группы организмов — растения, животные и микробы, с помощью которых вещества движутся от одного компонента к другому, отражая известную общую закономерность круговорота веществ в природе.

Экологические компоненты биогеоценоза (или ландшафта, или средообразующие компоненты) в экологии рассматриваются как основные материально-энергетические составляющие экологических систем. К ним, по Н.Ф. Реймерсу (рис 1.5.), относятся: энергия, газовый состав (атмосфера), вода (жидкая составляющая), почвосубстрат, автотрофы-продуценты (растения) и организмы — гетеротрофы (консументы и редуценты). Сегодня к этому перечню экологических компонентов прибавляют информацию.

Рис. 1.5. Экологические компоненты (по Н.Ф. Реймерсу)

В то же время все экологические компоненты являются природными ресурсами, качество которых определяет качество жизни человека, а антропогенное нарушение взаимодействий между ними может это качество снизить.

В реальных экосистемах круговорот обычно бывает незамкнутым, так как часть веществ уходит за пределы экосистемы, а часть поступает извне. Но в целом принцип круговорота в природе сохраняется. Более простые экосистемы объединены в общую планетарную экосистему (биосферу), в которой круговорот веществ проявляется в полной мере — жизнь на Земле возникла миллиарды лет назад, и если бы не было замкнутого потока необходимых для жизни веществ, их запасы давно исчерпались бы и жизнь прекратилась.

Вмешательство человека отрицательно влияет на процессы круговорота. Например, вырубка лесов или нарушение процессов ассимиляции веществ растениями в результате загрязнений приводят к снижению интенсивности усвоения углерода. Избыток органических элементов в воде, возникающий под действием промышленных стоков, вызывает загнивание водоемов и перерасход растворенного в воде кислорода, что исключает возможность развития здесь аэробных (потребляющих кислород) бактерий. Сжигая ископаемое топливо, фиксируя атмосферный азот в продуктах производства, связывая фосфор в синтетических моющих средствах человек нарушает круговорот этих элементов.

Круговорот веществ в природе подразумевает общую согласованность места, времени и скоростей процессов, идущих на разных уровнях — от популяции до биосферы. Такую согласованность явлений природы называют экологическим равновесием; это равновесие подвижное, динамическое.

В экологической системе (без вмешательства человека) поддерживается равновесие, исключающее необратимое уничтожение тех или иных звеньев в трофических цепях. Человек в процессе своей деятельности постоянно воздействует на экосистему в целом, а также на ее отдельные звенья. Это может проявляться в виде введения в экосистему новых компонентов, в том числе загрязняющих веществ, либо уничтожения отдельных компонентов (отстрел животных, вырубка лесов и т.д.). Не всегда и не сразу эти воздействия ведут к распаду всей системы, нарушению ее стабильности. Но сохранение системы не означает, что она осталась неизменной. Система трансформируется, и оценить количество и направление возникших изменений крайне сложно.

В результате производственной деятельности человека возник новый процесс обмена веществ и энергией между природой и обществом (при сохранении биологического обмена) — антропогенный обмен, который существенно изменяет общепланетарный круговорот веществ, резко ускоряя его. Антропогенный обмен отличается от биотического круговорота своей незамкнутостью, он носит открытый характер. На входе антропогенного обмена находятся природные ресурсы, а на выходе — производственные и бытовые отходы. Экологическое несовершенство антропогенного обмена заключается в том, что коэффициент полезного использования природных ресурсов, как правило, чрезвычайно низок, а отходы производства загрязняют природную среду. Более того, многие из них не разлагаются до природного состояния. Масштабы и скорость антропогенного обмена резко возрастают, вызывая заметное напряжение в биосфере.

На последнем этапе развития биосферы в мощную силу превратилась человеческая деятельность, необратимо и целенаправленно меняющая природную среду. Сформировалась биотехносфера — следствие социального и научно-технического развития человечества. Взаимоотношения между природой и человеком во многих случаях несбалансированы, ведут к угнетению окружающей среды (в частности, разрушению среды архитектурно-исторической), что может привести к деградации биосферы.

Сформированную строителями новую систему можно назвать природно-техногенной (ПТС). Процесс ее формирования, если он не откорректирован в соответствии с экологическими компонентами (другими словами, в соответствии с законами развития экосистемы), как правило, приводит к нарушению естествен-

ных взаимодействий в природной системе, в основном, за счет привнесения в нее «чуждых» компонентов, которые могут быть восприняты экосистемой как загрязнители. Недоучет этих взаимодействий при осуществлении строительной деятельности недопустим, так как он приводит к снижению качества строительства и ухудшает качество среды проживания.

Экологически необоснованная деятельность строителей и реставраторов наносит невосполнимый ущерб природному ландшафту и информационному компоненту экосистемы. Как отмечает Пруцын О.И., происходит разрушение архитектурно-исторической среды*: «Нарушается силуэтность пространственных композиций, гармоничная соподчиненность всего построения, ансамблевое единство. Силуэтность и пропорциональность, достигнутые в историческом периоде, необходимо полностью сохранить, ибо, благодаря классическим соотношениям они могут легко сочетаться с любой предстоящей застройкой».

Не следует забывать, что ландшафт — это всеобъемлющая и вневременная реальность, в которой существовал человек в доурбанистическую эпоху. Именно безукоризненное чувство ландшафта было присуще людям в прошлые века, когда постройки срастались с природным окружением. Архитектура прошлого и сегодня представляет собой школу мастерства зодчества и градостроительства на Руси. Уже начиная с XI в. власти города обязывали застройщиков соблюдать градостроительные правила и законы, регулирующие взаимосвязь между архитектурой и природой. На Руси с XI в. действовал византийский «Закон градский», записанный в кормчих книгах**. Среди его положений были, например, такие: «Только тогда здание можно увидеть по-настоящему, когда оно располагается на стройном месте. Прежде чем строить, осмотри внимательно местность. Выбери такое место, чтобы здание не мешало природе». Или такие: «...повелеваем, чтобы обновляющий ветхий двор не отнимал у соседа света и не лишал его их вида, не изменял первоначального образа»; «...не загораживай насильственно вида соседу, если он прямо видит море, стоя на своем дворе». И сегодня в строительной и реставрационной деятельности основополагающей должна стать «природная» логика.

На этапе развития разумного отношения к сохранению природы должно произойти постепенное превращение биотехносферы в ноосферу — сферу разума, которая, по В.И Вернадскому, является неизбежным и закономерным этапом развития биосферы.

Доказательством начала такого превращения является принятая ООН концепция «устойчивого развития», «устойчивого строительства», «устойчивой реставрации», напрямую связанная с понятием «устойчивость экологическая». Последняя подразумевает способность экосистемы сохранять свою структуру и функциональные особенности при воздействии внешних факторов. Нередко «устойчивость экологическая» рассматривается как синоним экологической стабильности.

Ниже рассмотрены основные понятия и требования, относящиеся к категории экологической устойчивости. Их понимание необходимо для решения актуальных задач природопользования в сферах строительной и реставрационной деятельности, создания комфортной среды проживания и определения стратегии деятельности в сфере «устойчивого развития», «устойчивого строительства», «устойчивой реставрации».

* Пруцын О., Рымашевский Б., Борусевич В. Архитектурно-историческая среда. — М.: Стройиздат, 1990.

** Алферова Г.В. Кормчая книга как ценнейший источник древнерусского градостроительного искусства//Византийский временник, 1973. - Т. 35.

Введение………………………………………………………………………….3

Понятие о биосфере………………………………………………………4

Учение В.И.Вернадского о биосфере…………………………………...5

Структура биосферы……………………………………………………12

Живое вещество………………………………………………………….14

Функции живого вещества……………………………………………..16

Список используемой литературы…………………………………………...24

Введение

История науки знает немало великих имён, с которыми связаны фундаментальные открытия в области естественных и общественных наук, однако в подавляющем большинстве случаев это –учёные, работавшие в одном направлении развития наших знаний. Значительно реже появлялись мыслители, которые охватывали своим мудрым взором всю совокупность знаний своей эпохи и на столетия определяли характер научного мировоззрения. Такими были Аристотель, влияние идей которого закончилось только в эпоху возрождения. В XVIII в. в России выделилась могучая фигура М.В.Ломоносова, который внёс крупный вклад в развитие астрономии, физики, химии, геологии, минералогии, был создателем нового русского языка, поэтом, мастером мозаики и своими трудами определил мировоззрение многих поколений. В XX в. такой же по значению величиной в области естественных наук стал Владимир Иванович Вернадский. Он, несомненно, принадлежал к тем немногим в истории не только своего народа, но и человечества, кому было по силам охватить могучим умом целостность всей картины мира и стать провидцем. Одно из величайших достижений естествознания XX в. –учение Вернадского о биосфере.

Изучение биосферы становится все более важной и актуальной задачей. Это вызвано непрерывно возрастающим и усложняющимся воздействием человека на окружающую среду. Особенно важно иметь представление о роли живых организмов – основной движущей силы в биосфере.

Цель моей работы - раскрыть аспекты биосферной концепции.

Для достижения данной цели я поставила перед собой такие задачи:

Раскрыть понятие биосферы

Рассмотреть Учение В.И.Вернадского о биосфере

Показать структуру биосферы

Изучить живое вещество

Рассмотреть функции живого вещества

Понятие о биосфере

Биосфера- вместилище жизни, сложная, целостная система, динамическое равновесие которой проявляется множеством параметров. Само слово «биосфера»произошло от слов «био» и «сфера» - это область активной жизни, охватывающей нижнюю часть атмосферы, верхнюю часть литосферы и гидросферу.

В биосфере живые организмы (живое вещество) и среда их обитания органически связаны между собой и взаимодействуют друг с другом, образуя целостную динамическую систему. В.И. Вернадский писал: «Биосфера - это среда нашей жизни, это та «природа», которая нас окружает, о которой мы говорим в разговорном языке. Человек прежде всего своим дыханием, проявлением своих функций, неразрывно связан с этой «природой», хотя бы. он жил в городе или в уединенном домике». «Человек... как и все живые организмы, как всякое живое вещество, есть определенная функция биосферы... составляет определенную закономерность строения биосферы». «Биосфера – область существования живого вещества… Химическое состояние наружной коры нашей планеты, биосферы всецело находится под влиянием жизни, определяется живыми организмами». (1, с.308)

Биосфера, или биомасса Земли, - это совокупность всех живых существ в природе, которая имеет свои границы. Верхний предел биосферы ограничен сильнейшим солнечным и космическим излучением, поражающим все живое. Нижний предел - высокими температурами недр Земли.

Учение В.И.Вернадского о биосфере

Разработка учения о биосфере имеет свою историю. Одним из первых естествоиспытателей, смотревших на Землю как на целое, был М.В.Ломоносов. Он писал в работе «О слоях земных», что «чернозем не первообразная и не первозданная материя, но произошел от согнития животных и растущих тел со временем», что бурый уголь, каменный уголь и чернозем - результаты влияния организмов на грунт. (2, с.557) Ломоносов дал общий очерк геологии Земли, доказывал ее древность как планеты. В то время даже окаменелости - ископаемые остатки организмов - далеко не всеми воспринимались как следы некогда бывшей жизни. В 1802 г. Ламарк в «Гидрогеологии» указывал на роль живых организмов в геологических процессах. В книге А. Гумбольдта «Космос» собрано много материала о влиянии живого на геологические структуры.

Русский ученый В. Р. Вильямc доказал роль биологических факторов (природных сообществ высших зеленых растений и микроорганизмов) в формировании плодородия почв. Он первым подчеркнул значение биологического круговорота элементов в формировании не только органической, но и минеральной части почв, разработал научные основы травопольной системы земледелия (1914). Докучаев, преподававший минералогию, определил жизненные интересы В. И. Вернадского еще в студенческие годы. Вернадский исследовал эволюцию минералов земной коры (1908), создал геохимическую классификацию химических элементов, разработал учение о миграции атомов в земной коре, заложил основы генетического направления в минералогии, и именно общие проблемы минералогии и геологии привели его к концепции биогеохимии (1917). «Биосфера» Вернадского дает целостную картину механизма формирования земной коры с учетом определяющего влияния жизни.

В.И.Вернадский создал учение о биосфере как об активной оболочке Земли, в которой совокупная деятельность живых организмов - геохимический фактор планетарного масштаба и значения. Термин «биосфера», введенный (1875) Э.Зюссом, относился к совокупности организмов, обитающих на поверхности Земли. В понятие живых организмов Вернадский включил и человека. Он выделял в биосфере косное (солнечная энергия, горные породы, минералы и т.д.) и биокосное (почвы, поверхностные воды и органические вещества). Хотя живое вещество по массе и объему составляет незначительную часть биосферы, оно играет основную роль в геологических процессах, связанных с изменением нашей планеты.

По Вернадскому, биосфера - это живое вещество планеты и преобразованное им косное вещество. Понятие «биосфера» - фундаментальное понятие биогеохимии, а не биологическое и не геологическое. Биосфера организует процессы на Земле и около Земли, в ней происходят биоэнергетические процессы и обмен веществ вследствие жизнедеятельности. Живой организм - неотъемлемая часть земной коры, могущая изменять ее. Живое вещество - совокупность организмов, участвующих в геохимических процессах. Организмы берут из окружающей среды химические элементы, строят из них тела, возвращают их в ту же среду и в процессе жизни и после своей смерти. Потому живое вещество связывает биосферу воедино, является системообразующим фактором. Изменения в живом веществе происходят существенно быстрее, чем в косном, поэтому в нем пользуются понятием исторического времени, а в косном - геологического. В ходе геологических времен растет мощь живого вещества и его воздействия на косное вещество, и только в живом веществе за эти времена происходят качественные изменения. И живое вещество, возможно, имеет свой процесс эволюции, вне зависимости от изменения среды.

Если «жизненный цикл» отдельного организма конечен и его существование не беспредельно, то живое как целое можно считать геологически бессмертным. Геологически жизнь вечна, поэтому если отдельный индивидуум со временем теряет возможность совершать работу и прекращает свое существование, то сам процесс жизни отличается непрерывным ростом возможности совершать внешнюю работу. Эту идею он выразил в трех принципах, которые назвал биогеохимическими:

Свободная (биогеохимическая) энергия стремится в биосфере к максимальному проявлению;

При эволюции видов выживают те организмы, которые своей жизнью увеличивают свободную энергию;

Заселение Земли должно быть максимально возможным в течение геологического времени.

Эти принципы выражают закон только живой природы и не противоречат законам термодинамики. Весь поток живого вещества от самых простейших до самых развитых форм, включая разум человека и общественный труд, является той формой движения материи, где действует закон убывания энтропии, тогда как она растет для неорганической материи. И эти два вида материи связаны в единое целое. Закон возрастания энтропии Вернадский успешно применял для объяснения космической эволюции Земли. А рождение биосферы рассматривал как планетарно-космическую «особую точку» - качественный скачок, до которого на поверхности нашей планеты преобладали процессы неживой природы, а после которого стали преобладать процессы в живой природе. Под действием лучистой энергии возникает и необратимо развивается органическая жизнь.

Вернадский считал, что жизнь на Земле возникла одновременно с формированием планеты: «Твари Земли являются созданием космического процесса, необходимой и закономерной частью стройного космического механизма». (2, с.560) Среди множества закономерностей, имеющих место в биологии, геологии, биохимии и геохимии, Вернадский выделил основные эмпирические принципы.

Принцип целостности биосферы обеспечивается самосогласованностью всех процессов в биосфере. Жизнь ограничена узкими пределами - физическими константами, уровнями радиации и пр. Гравитационная постоянная определяет размеры звезд, температуру и давление в них. Если она станет меньше, звезды будут иметь меньшие массы, их температура станет недостаточной для протекания ядерных реакций; если чуть больше, звезды перейдут свою «критическую массу», выйдут из общего круговорота и превратятся в черные дыры. Постоянная электромагнитного взаимодействия определяет химические превращения, отвечает за электронную оболочку атомов и прочность связей в молекулах. Кон станта слабого взаимодействия, отвечающего за превращения элементарных частиц, при своем изменении «подорвет» весь наш мир. Константа сильного взаимодействия, отвечающего за стабильность ядер атомов, тоже не должна меняться, иначе в звездах реакции пойдут по-другому, могут не образоваться углерод и азот. Да и непонятно, возможна ли будет вообще жизнь нашего типа.

Принцип гармонии биосферы и ее организованности связан с предыдущим. Законы преобразования энергии на Земле, законы движения атомов есть отражение гармонии Космоса, ритмичности движения небесных тел. Основа существования биосферы - положение Земли в Космосе, наклон земной оси к эклиптике, определяющий климат и жизненные циклы всех организмов. Солнце - основной источник энергии биосферы и регулятор биологических процессов. Как отметил еще Ю. Р. Майер, «жизнь есть создание солнечного луча».

Космическая роль биосферы в трансформации энергии - можно рассматривать эту часть живой природы как дальнейшее развитие одного и того же процесса превращения солнечной световой энергии в действенную энергию Земли. Биосфера является одним и тем же космическим аппаратом с самых древнейших геологических времен. Жизнь все это время оставалась постоянной, менялась только ее форма. Само живое вещество не является случайным созданием. Источники энергии геологических явлений - космическая, преимущественно солнечная; планетная, связанная со строением и космической историей Земли; внутренняя энергия материи - радиоактивность. Живое вещество активно трансформирует солнечную энергию в химическое молекулярное движение и в сложность биологических структур.

Растекание жизни - проявление ее геохимической энергии, аналог закона инерции неживой материи. Мелкие организмы размножаются быстрее, чем крупные. Скорость передачи жизни зависит от плотности живого вещества.

Автотрофные организмы все нужное для жизни берут из окружающей их косной материи и не требуют для построения своего тела готовых соединений другого организма. Поле существования зеленых автотрофных организмов определяется прежде всего областью проникновения солнечных лучей.

Космическая энергия вызывает давление жизни, которое достигается размножением. Размножение организмов уменьшается по мере роста их количества.

Формы нахождения химических элементов: горные породы и минералы, магмы, рассеянные элементы, живое вещество. Земная кора - сложный механизм, где постоянно движутся атомы и молекулы, происходят разнообразные геохимические круговороты, определяемые в значительной мере деятельностью живого вещества. Закон бережливости в использовании живым веществом простых химических тел: раз вошедший элемент проходит длинный ряд состояний, и организм вводит в себя только необходимое количество элементов.

Жизнь на Земле полностью определяется полем устойчиво сти зеленой растительности. Пределы жизни определяются физико-химическими свойствами соединений, строящих организм, их неразрушимостью в определенных условиях среды. Максимальное поле жизни определяется крайними пределами выживания организмов. Верхний предел жизни обусловлен лучистой энергией, присутствие которой исключает жизнь и от которой предохраняет озоновый слой. Нижний предел связан с достижением высокой температуры. Интервал в 432 °С (от -252 до +180 °С) является предельным тепловым щитом.

Принцип постоянства количества живого вещества в биосфере. Количество свободного кислорода в атмосфере того же порядка, что и количество живого вещества (1,5-10 18 кг и 10 17 -10 18 кг). Скорость передачи жизни не может перейти пределы, нарушающие свойства газов. Идет борьба за нужный газ.

10. Всякая система достигает положения устойчивого равнове сия, когда ее свободная энергия равняется нулю или приближается к нему, т. е. когда вся возможная в условиях системы работа произведена. Понятие устойчивого равновесия исключительно важно.

Антропный принцип, выдвинутый Г.М.Идлисом (1958), связан с первым из перечисленных здесь принципов Вернадского и состоит в точном соответствии значений мировых констант с возможностями существования жизни. Удивительная согласованность ряда величин производит впечатление, что может существовать скрытый принцип, упорядочивающий всю Вселенную. К этому факту обращались очень многие. Сейчас его формулируют в двух вариантах - слабом и сильном. Как выразился известный американский физик Дж. Дайсон: «Если мы приглядимся ко Вселенной и увидим, как много случайностей послужили нам во благо, то кажется почти, что Вселенная знала, что мы появимся».(2, с.562) Это - одна из формулировок слабого принципа, в английской литературе - WAP. Но он не отвечает на многие вопросы, например, почему Вселенная такова, что допустила зарождение жизни. А, может, не нужно создавать теорий, которые не допускают существование наблюдателя? Сильный принцип - возникновение жизни закономерно во Вселенной, но, может, появление наблюдателя и есть цель эволюции Вселенной?

Геологическую роль живого Вернадский классифицировал по пяти категориям: энергетическая, концентрационная, деструктивная, средообразующая, транспортная. Живые организмы творят миграцию химических элементов в биосфере посредством своего дыхания, питания, обмена веществ, непрерывной сменой поколений. Биогеохимическая энергия живого является источником энергии преобразования геосфер.

Структура биосферы

По своему составу, строению и организованности биосфера - это сложная оболочка, которая включает в себя:

живое вещество - совокупность живых организмов планеты, включая человека;

биогенное вещество, созданное в процессе жизнедеятельности организмов (газы атмосферы, уголь, нефть, известняки и т.д.);

косное вещество, сформированное без участия жизни, к нему относятся атмосфера, гидросфера и литосфера;

биокосное вещество - результат взаимодействия жизнедеятельности организмов и небиологических процессов (например, почва, озерная вода);

вещество космического происхождения.

Общую массу живых организмов оценивают в 2,43 10 12 т. Биомасса организмов, обитающих на суше, на 92,2% представлена зелеными растениями и на 0,8% - животными и микроорганизмами. Напротив, в океане на долю растений приходится 6,3%, а на долю животных и микроорганизмов - 93,7% всей биомассы. Жизнь сосредоточена главным образом на суше. Суммарная биомасса океана составляет всего 0,03 10 12 т, или 0,13% биомассы всех существ, обитающих на Земле.

В распределении живых организмов по видовому составу наблюдается важная закономерность. Из общего числа видов 21% приходится на растения, хотя их вклад в общую биомассу составляет 99%. Среди животных 96% видов - беспозвоночные и только 4% - позвоночные, из которых только десятая часть приходится на млекопитающих. Таким образом, в количественном отношении преобладают формы, стоящие на относительно низком уровне эволюционного развития.

Масса живого вещества составляет всего 0,01-0,02% от косного вещества биосферы; если его равномерно распределить по поверхности Земли, оно покроет ее слоем всего в 2 см толщиной. Но при этом именно живое вещество играет ведущую роль в биогеохимических процессах благодаря энергетической функции. Ведь живые организмы способны черпать из окружающей среды вещества и энергию, необходимую им для обмена веществ и осуществления всех других своих функций.

Живое вещество

Живое веществоесть совокупность всех организмов Земли, находящихся на ней в данный период времени. В целом эта совокупность играет большую роль, хотя, если говорить о воздействии человека на планетные процессы, то роль отдельной личности может быть ничтожной.

Живое веществона Земле можно рассматривать как совокупность средних живых организмов, относящихся ко всем различным группам. Каждая из таких групп состоит из однородного живого вещества. Живое вещество существует только в биосфере. Как уже отмечалось, биосфера включает в себя тропосферу, океаны и тонкую пленку в континентальной области, уходящую на глубину не менее чем на 3 км. Человек стремится увеличить размеры биосферы.

Биосферу обычно определяют как область жизни. Но ее можно рассматривать как оболочку, в которой происходят изменения, вызванные попадающим на Землю солнечным излучением.

В.И. Вернадский указывал на необратимость процессов жизни, увеличение ее свободной энергии и выраженной дисимметрии в строении живого вещества: «Ди-симметрия выражена как особым характером симметрии пространства, занятого живым веществом, так и особенно явным несоответствием, скорее неравенством, - между «правым» и «левым» характером явлений (например, обобщения Пастера)». (1, с.314) Развивая дальше понятие о принципиальном значении явления дисимметрии, В.И. Вернадский пишет: «Необходимо подчеркнуть основной вывод: явления жизни позволяют здесь идти в изучении пространства и Космоса так далеко, как это пока невозможно никаким другим путем. В этом проявляется космичность жизни. Это явно видел Пастер». (1, с.314)

Итак, В.И. Вернадским осуществлен первый шаг в изменении современной научной картины Вселенной, который характеризуется:

введением живого вещества;

определением его как явления планетарного или космического.

Вещество, составляющее биосферу, существенно неоднородно. Поэтому различают косное и живое вещества. Косное вещество преобладает по массе и объему. Происходит непрерывная миграция атомов косного вещества биосферы в живое и обратно. Все исследуемые объекты в биосфере следует называть естественными телами биосферы. А среди них можно различать тела живые, а также косные или биокосные, как, например, почва или озерная вода.

В.И. Вернадский подчеркивал принципиальное значение связей живого и косного вещества, фундаментальный характер биологического единства земных естествен-ноприродных процессов: «Между косным и живым веществом есть непрерывная, никогда не прекращающаяся связь, которая может быть выражена как непрерывный биогенный ток атомов из живого вещества в косное вещество биосферы и обратно. Этот биогенный ток атомов вызывается живым веществом. Он выражается в непрекращающемся никогда дыхании, размножении и т.п.». (1, с.315) В этом постоянном обмене, рассматривая взаимодействие живого и косного вещества в космопланетар-ном аспекте, В.И. Вернадский выделил несколько основополагающих свойств, среди которых - два биохи мических принципа:

Геохимическая биогенная энергия стремится в биосфере к максимальному проявлению.

При эволюции видов выживают те организмы, которые своей жизнью увеличивают биогенную геохимическую энергию.

Важная сторона естественнонаучных обобщений, сделанных В.И. Вернадским, состояла в том, что он постоянно поддерживал космические, «вселенские» аспекты процессов и явлений, происходящих в живом веществе. Перечисляя планетарные свойства жизни, В.И. Вернадский, наряду с первым и вторым биохимическими принципами, указывал также, что «живое вещество находится в непрерывном химическом обмене с космической средой, его окружающей». Обмен этот проявляется, в частности, в том, что живое вещество «создается и поддерживается на нашей планете космической энергией Солнца». (1, с.316)

Функции живого вещества

Понятие «живое вещество», как уже говорилось выше, введено В.И.Вернадским. По сравнению с другими веществами биосферы (биогенным, косным, биокосным, радиоактивным, рассеянными атомами и веществом космического происхождения) живое вещество играет наибольшую роль и выполняет ряд важнейших функций. В.И.Вернадский отмечал, что между косной, безжизненной частью биосферы, косными природными телами и живыми организмами, ее населяющими, идет непрерывный обмен энергией и веществом. Живое вещество в биосфере выполняет две основные функции: энергетическую и средообразующую.

Энергетическая функция . Чтобы биосфера могла существовать и развиваться, ей необходима энергия, собственных источников которой она не имеет. Она может потреблять энергию только от внешних источников. Таким главным источником для биосферы является Солнце. Энергетический вклад других поставщиков (внутреннее тепло Земли, энергия приливов, излучение космоса) в функционирование биосферы по сравнению с Солнцем ничтожно мал (около 0,5% от всей энергии, поступающей в биосферу).

Солнечный свет для биосферы является рассеянной лучистой энергией электромагнитной природы. Почти 99% этой энергии, поступившей в биосферу, поглощается атмосферой, гидросферой и литосферой, а также участвует в вызванных ею физических и химических процессах (движение воздуха и воды, выветривание и др.) и только около 1% накапливается на первичном звене ее поглощения и передается потребителям уже в концентрированном виде. Первичным звеном поглощения солнечной лучистой энергии являются растения, которые преобразуют ее в концентрированную энергию химических связей, или энергию пищи. Без этого процесса накопления и передачи энергии живым веществом невозможно было бы развитие жизни на Земле и образование современной биосферы.

Каждый последующий этап развития жизни сопровождался все более интенсивным поглощением биосферой солнечной энергии. Одновременно нарастала энергоемкость жизнедеятельности организмов в изменяющейся природной среде, и всегда накопление и передачу энергии осуществляло живое вещество.

Энергия определяется как общая количественная мера движения и взаимодействия всех видов материи. Ее свойства описываются следующими законами термодинамики. Первый – закон сохранения энергии – гласит, что энергия может переходить из одной формы в другую, но она не исчезает и не создается вновь. Второй – закон энтропии (от греч. entropia– поворот, превращение) – можно сформулировать следующим образом: энергия любой системы стремится к состоянию термодинамического равновесия или максимальной энтропии. Если температура какого-либо тела или поверхности, допустим, валуна или участка суши, выше температуры воздуха, то данная система стремится к равновесию. Валун или участок суши будет отдавать тепло до тех пор, пока его температура не сравняется с температурой воздушной среды. Энергия любого живого организма также может быть рассеяна в тепловой форме. В конечном итоге достигается состояние термодинамического равновесия, и дальнейшие энергетические процессы становятся невозможными. Чтобы не наступило состояние максимальной энтропии, организм или система должны постоянно извлекать энергию извне и стремиться к нарушению термодинамического равновесия. В противном случае происходит гибель организма, необратимая деградация системы.

Жизнь сводится к непрерывной последовательности роста, самовоспроизведения и синтеза сложных химических соединений. Без переноса энергии, сопровождающего эти процессы, невозможно было бы ни существование самой жизни, ни образование надорганизменных систем всех уровней организации. Если бы солнечная энергия на планете только рассеивалась, то жизнь на Земле была бы невозможной. Чтобы биосфера существовала, она должна получать и накапливать энергию извне. И эта работа выполняется организмами. Часть энергии, запасенной организмами и не израсходованная в биосфере, с их отмиранием «складируется» в виде торфа, углей, горючих сланцев и других полезных ископаемых, используемых в теплоэнергетике. Человек, извлекая эту «складированную» энергию и возвращая ее биосфере, активизирует в ней теплоэнергетические процессы, которые в конечном итоге приводят к парниковому эффекту.

Современная биосфера образовалась в результате длительной эволюции под влиянием совокупности космических, геофизических и геохимических факторов. Первоначальным источником всех процессов, протекавших на Земле, было Солнце, но главную роль в становлении и последующем развитии биосферы сыграл фотосинтез. Биологическая основа генезиса биосферы связана с появлением организмов, способных использовать внешний источник энергии, в данном случае энергию Солнца, для образования из простейших соединений органических веществ, необходимых для жизни.

Владимир Иванович

ВЕРНАДСКИЙ

БИОСФЕРА

НООСФЕРА

УЧЕНИЕ О БИОСФЕРЕ, МЕЧТА О НООСФЕРЕ

Нет ничего сильнее жажды познания, силы сомнения... И это искание, это стремление - есть основа всякой ученой деятельности... ищешь правды, и я вполне чувствую, что могу умереть, могу сгореть, ища ее, но мне важно найти, и если не найти, то стремиться найти ее, эту правду, как бы горька, призрачна и скверна она ни была!

В. И. Вернадский

(из письма жене Н. Е. Старицкой)

Видения и провидения Вернадского

Принято делить ученых на романтиков и классиков. Первые - генераторы идей, вдохновенные творцы и фантазеры. Вторые - собиратели и обобщатели фактов, создатели обстоятельных трудов.

Владимир Иванович Вернадский - признанный классик естествознания. Он основал новые отрасли знаний: биогеохимию и радиогеологию, был одним из создателей генетической минералогии, геохимии. Никто из ученых XX века не имел соразмерных достижений. Венцом его научного творчества стало учение о биосфере, области жизни на планете. Оно явилось синтезом идей и фактов, относящихся к десяткам наук!

Ученые-романтики проявляют свои таланты в молодые годы. Например, чрезмерно прославленный физик А. Эйнштейн до тридцатилетнего возраста создал фотонную теорию света, теорию броуновского движения, специальную теорию относительности (на основе преобразования К. Лоренца). В последующие 45 лет жизни у него не было сколько-нибудь значительных открытий, не говоря уж о том, что он был автором физических теорий, а не основателем новых дисциплин или комплексных учений. Об этом приходится упоминать не для того, чтобы умалить достижения Эйнштейна - человека достойного и талантливого, но для осознания грандиозности результатов научного творчества Вернадского, который вдобавок был замечательным историком знаний и выдающимся организатором научных учреждений.

В молодые годы вспышки озарений испытывают многие мыслители. Это относится не только к поэтам, но также к математикам, физикам. В естествознании так не бывает. Оно требует, помимо всего прочего, обширной эрудиции и способности к синтезу самых разнообразных идей и фактов. Вот почему гениальное учение о биосфере оформилось в сознании Вернадского, когда творцу было уже около шестидесяти лет.

Понять этот феномен помогает, как мне представляется, одно странное событие его жизни: пророческое видение. Это произошло в начале 1920 года, когда он болел сыпным тифом и находился на грани смерти (лечивший его врач умер). Предоставим слово самому Владимиру Ивановичу: «Мне хочется записать странное состояние, пережитое мной во время болезни. В мечтах и фантазиях, в мыслях и образах мне интенсивно пришлось коснуться моих глубочайших вопросов жизни и пережить как бы картину моей будущей жизни и смерти. ... Это было интенсивное переживание мыслью и духом чего-то чуждого окружающему, далекого от происходящего. Это было до такой степени интенсивно и ярко, что я совершенно не помню своей болезни и выношу из своего лежания красивые образы и создания мысли, счастливые переживания научного вдохновения... И сам я не уверен, говоря откровенно, что все это плод моей больной фантазии, не имеющей реального основания, что в этом переживании нет чего-нибудь вещего, вроде вещих снов, о которых нам несомненно говорят исторические документы. Вероятно, есть такие подъемы человеческого духа, которые достигают того, что необычно в нашей обычной изодневности. Кто может сказать, что нет известной логической последовательности жизни после известного поступка? И м. б. в случае принятия решения уехать и добиваться Инст[итута] Жив[ого] Вещ[ества], действительно, возможна та моя судьба, которая мне рисовалась в моих мечтаниях».

В те годы страшной гражданской войны у ученого стали складываться первые соображения о планетном (он не употреблял модного ныне словца «планетарный») значении совокупности живых организмов, населяющих Землю и преображающих ее, живого вещества. Это было предчувствием учения о биосфере, которое складывалось в его подсознании, воплощаясь в яркие образы.

Выздоравливал Вернадский от тяжелой болезни в Крыму. Белая армия терпела сокрушительные поражения, несмотря на иностранную помощь. Началась поспешная эвакуация. Ученому и его семье было забронировано место на британском военном корабле (об этом позаботилось Королевское общество, в котором состоял Владимир Иванович). А у него среди видений было одно из наиболее отчетливых: морской берег, светлые здания с хорошо оборудованными лабораториями. Это - руководимый им Институт Живого Вещества, находящийся в США.

Казалось бы, настала пора реализовать свои подсознательные устремления: ехать в Англию, а затем в США. Он - ученый с мировым именем, его новаторские идеи будут поддержаны. А что ждет его на родине? Победа большевиков (в ней он не сомневался уже в 1919 году, когда ездил в штаб Деникина за ассигнованиями на Украинскую академию наук, создателем и президентом которой он являлся). Разруха и голод. Гегемония пролетариата и подозрительность к интеллигенции. Отсутствие средств на серьезные научные исследования...

Вернадский пошел наперекор судьбе. Даже предполагая свои видения вещими, он не мог избавиться от привычного духа сомнений. Решил остаться на родине. (Покинул навсегда Россию сын Георгий, обосновавшийся в США и ставший видным историком.) Институт на берегу Атлантики остался в мечтах. Владимир Иванович так и не произнес доклад «О будущности человечества» и не написал «Размышлений перед смертью», хотя и то и другое явилось ему в вещем сне.

Однако некоторые его предвидения сбылись. «Умер я между 83-85 годами, почти до конца работая над “Размышлениями”.

Я писал их по-русски». Он умер действительно в таком возрасте, в 1945 году (родился в 1863). Это документально зафиксированное свидетельство о собственной смерти производит мистическое впечатление. Ведь оно сделано за четверть века до события! До конца своих дней он работал над «Размышлениями», хотя и не «...перед смертью», а «...натуралиста» и над воспоминаниями «Пережитое и передуманное».

Не менее точно осознал Владимир Иванович свои научные достижения. В полузабытьи он вдруг ощутил свои незаурядные интеллектуальные силы. До этого, даже став академиком, он сомневался в них. А тут словно произошло внезапное озарение: «Я ясно стал сознавать, что мне суждено сказать человечеству новое в том учении о живом веществе, которое я создаю, и что это есть мое призвание, моя обязанность, наложенная на меня, которую я должен проводить в жизнь - как пророк, чувствующий внутри себя голос, призывающий его к деятельности. Я почувствовал в себе ДЕМОНА СОКРАТА. Сейчас я сознаю, что это учение может оказать такое же влияние, как книга Дарвина, и в таком случае я, нисколько не меняясь в своей сущности, попадаю в первые ряды мировых ученых...

Так почва подготовлена была у меня для признания пророческого, вещего значения тех переживаний. Но вместе с тем, старый скепсис остался».

Да, он создал учение не менее (если не более) значительное, чем эволюционное учение Дарвина. Правда, оно не оказало решительного воздействия на общественное сознание. Но это лишь подчеркивает глубину научно-философских прозрений Вернадского.

Например, специальная теория относительности была принята и понята сразу. Популяризационная шумиха вокруг нее объясняется рвением журналистов и занятной парадоксальностью некоторых ее следствий. А учение о биосфере

поначалу оценили очень немногие; за рубежом - французские мыслители Ле Руа и Тейяр де Шарден, которые, прослушав в Париже (1923 г.) лекции Вернадского по геохимии, выдвинули идею ноосферы - области духовной жизни на планете.

Учение Вернадского о биосфере. Концепция ноосферы

Вся жизнь на нашей планете существует только в определенных пределах тех или иных экологических систем. В свою очередь, совокупность всех водных и наземных экосистем, природных и антропогенных экосистем образует единое целое – биосферу.

Определение биосферы как особой оболочки земли и само ее название было предложено видным австрийским геологом Зюссом в 1875 г. Но подробного освещения сути и роли биосферы он не дает. Широкое и глубокое понимание биосферы было предложено отечественным ученым В.И. Вернадским (1863-1945).

Основные идеи Вернадского по проблемам биосферы сложились в начале прошлого столетия. В 1926 г. они были опубликованы в книге «Биосфера». После этого различные стороны учения о биосфере рассматривались им во многих статьях и в большой опубликованной через 20 лет после его смерти, монографии «Химическое строение биосферы земли и ее окружения».

И так, Биосфера – это своеобразная оболочка земли, содержащая всю совокупность живых организмов и ту часть вещества планеты, которая находится в непрерывном обменен с этими организмами.

Земля и окружающая ее среда сформировались в результате закономерного развития всей Солнечной системы. Возраст планеты составляет около 4, 6 млрд. лет. В течение этого времени на Земле происходили процессы превращения, и перемещения материи, в результате чего образовалось ряд оболочек.

Атмосфера – воздушная оболочка Земли, простирающаяся до высоты 1000 км. Более 50 % массы атмосферы сосредоточено в нижнем слое толщиной 5,5 км, а в слое толщиной 40 км – более 99%. Атмосфера обладает наименьшей массой из всех других геосфер планеты: она составляет примерно 1/1000 массы гидросферы и 1/10000 массы земной коры. Сухой чистый воздух до высоты 100 км в объемных процентах содержит 78% азота, 21% кислорода, около 1% благородных газов и 0, 003% углекислого газа. Остальные компоненты атмосферы содержатся в ней в переменных количествах. Большая часть пыли в составе атмосферы поднята с поверхности земли, но также присутствует космическая и бактериальная пыль.

Состав и свойства атмосферы на разных высотах не одинаковы, поэтому ее подразделяют на тропо-, страто-, мезо-, ионосферы.

Через атмосферу осуществляется обмен вещества Земли с Космосом. Земля получает космическую пыль и метеоритный материал, теряет водород и гелий. Атмосфера Земли насквозь пронизывается мощной радиацией Солнца. Одним из важнейших компонентов атмосферы является озон. Его образование и разложение связано с поглощением ультрафиолетовой радиации Солнца, которая губительна для живых организмов.

Гидросфера – водная оболочка Земли. Вследствие высокой подвижности воды проникают повсеместно в различные природные образования. Они находятся в виде паров и облаков в земной атмосфере, формируют океаны и моря, существуют в замороженном состоянии в высокогорных районах континентов и в виде мощных ледяных панцирей покрывают полярные участки суши. Атмосферные осадки проникают в толщи осадочных пород, образуя подземные воды. Вода способна растворять в себе многие вещества, поэтому любые воды гидросферы можно рассматривать в качестве естественных растворов разной концентрации. Даже наиболее чистые атмосферные воды содержат 10-50 мг/л растворенных веществ.

Подавляющая часть массы природных вод (94%) слагает мировой океан, который представляет собой уникальную природную систему. В ней происходит грандиозный процесс обмена и трансформации энергии и вещества нашей планеты. Морская вода, которая в гидросфере преобладает, представляет собой раствор со средней концентрацией вещества 35 г/л. В настоящее время можно считать, что в морской воде присутствуют все химические элементы периодической системы. Однако преобладающими являются элементы, которые образуют следующие катионы: Na 1+ ,Mg 2+ , Ca 2+ , Cl - , SO 4 2- , HCO 3 1- , CO 3 2- .

Гидросфера находится в тесной взаимосвязи с литосферой, атмосферой и живыми организмами, в которые она входит в качестве обязательного компонента.

Литосфера – твердая оболочка Земли, включающая земную кору. Земная кора сложена горными породами различного типа и различного происхождения – более 70% приходится на базальты, граниты и другие магматические породы, около 17 % - на метаморфические и чуть больше 12% на осадочные. Общий химический состав земной коры определяют немногие элементы: кислород, кремний, алюминий, железо, кальций, магний, натрий и калий – слагают основную ее массу.

Поскольку в определении «биосферы» говорится об оболочке, то она должна иметь определенные границы – в данном случае верхнюю и нижнюю.

Верхняя граница распространения жизни в атмосфере определяется, по всей видимости, не столько низкими температурами, сколько губительным действием радиации, т.о. лимитирующим фактором распространения жизни является озоновый экран. Верхняя граница полета орлов составляет 7 км, растения в горных системах и насекомые в воздушной среде не распространяются выше 6 км. Верхняя граница постоянного обитания человека – 5 км, леса в горных системах тропиков не растут выше 4 км, на высоте 15 км обнаружены пыльца растений и споры бактерий.

В состав биосферы полностью включается гидросфера – озера, реки, моря и океаны. В морях и океанах наибольшая концентрация жизни приурочена к зоне, куда проникает солнечный свет (200 м) именно здесь сосредоточены все фотосинтезирующие организмы. Глубже живут животные и непрерывным потоком опускаются на дно морей и океанов отмершие растения, выделения и трупы животных.

Проникновение жизни вглубь литосферы ограничено высокими температурами земных недр и наличием жидкой влаги. Нижняя граница жизни по литосфере не опускается глубже 3-4, максимум 6 – 7 км.

Таким образом, биосфера – внешняя наружная оболочка Земли, в которую входят часть атмосферы (до озонового слоя), практически вся гидросфера и верхняя часть литосферы. Особенностью этих частей является то, что они населены живыми организмами, составляющими «живое вещество» планеты. Живое вещество – это совокупность всех живых организмов на планете. Косное вещество – вещество планеты, в образовании которого живые организмы не участвовали (минералы и горные породы). Биокосное вещество – особая категория вещества, в образовании которого участвовали живые организмы и абиогенные процессы (почва). Биогенное вещество – неживые тела, образующиеся в результате жизнедеятельности живых организмов (известняки, мел, нефть, газ, уголь, кислород атмосферы и т.д.).

Вернадский рассматривал биосферу как область жизни, основу которой составляет взаимодействие живого и косного вещества. Он писал: «Живые организмы являются функцией биосферы и теснейшим образом материально и энергетически с ней связаны, являются огромной геологической силой ее определяющей. …Организмы представляют живое вещество. …Оно связано с окружающей средой биогенным током атомов: своим дыханием, питанием и размножением». Таким образом, по Вернадскому, самая существенная особенность биосферы – это биогенная миграция атомов химических элементов, вызываемая лучистой энергией солнца и проявляющаяся в процессе обмена веществ, росте и размножении организмов. Важнейшим свойством биосферы является взаимодействие живого и неживого, нашедшего отражение в законе биогенной миграции атомов В. И. Вернадского.

Закон биогенной миграции атомов : «Миграция химических элементов на земной поверхности и в биосфере в целом осуществляется или при непосредственном участии живого вещества, или же она протекает в среде, геохимические особенности которой (О 2 , СО 2 ) обусловлены живым веществом».

В основе биогенной миграции атомов в биосфере лежат три биохимических принципа:

Биогенная миграция химических элементов в биосфере всегда стремится к максимальному своему проявлению.

Эволюция видов в ходе геологического времени, приводящая к созданию устойчивых в биосфере форм жизни, идет в направлении, усиливающем биогенную миграцию атомов.

Живое вещество находится в непрерывном химическом обмене с окружающей его средой, создающейся и поддерживающейся на Земле космической энергией Солнца.

Данные геохимические принципы соотносятся со следующими выводами Вернадского:

Каждый организм может существовать только при условии постоянной тесной связи с другими организмами и неживой природой;

Жизнь со всеми ее проявлениями произвела глубокие изменения на нашей планете. Совершенствуясь в процессе эволюции, живые организмы все шире распространялись по планете, стимулируя перераспределение энергии и вещества.

Эти закономерности проявляются, прежде всего, в стремлении живых организмов «захватить» все более или менее приспособленные к жизни пространства, создавая экосистему или ее часть.

Живое вещество образует ничтожно тонкий слой в общей массе геосфер Земли. По подсчетам ученых масса живого вещества составляет 2420 млрд. т, что более чем в две тысячи раз меньше атмосферы. Но эта ничтожная масса живого вещества встречается практически повсюду. В настоящее время живые существа отсутствуют лишь в области обширных оледенений и в кратерах действующих вулканов. Каков же средний химический состав живого вещества?

По относительному содержанию элементы, входящие в состав живых организмов, принято делить на три группы:

- макроэлементы – H, O, C, N (в сумме составляют около 98-99 %, их еще называют основные), Сa, Cl, K, S, P, Mg, Na, Fe, Si (в сумме составляют около 1-2 %). Макроэлементы составляют основную массу процентного состава живых организмов;

- микроэлементы – Mn, Co, Zn, Cu, B, I и др. Их суммарное содержание в организме составляет порядка 0,1 %;

- ультрамикроэлементы – Au, Se, Ra и др. Их содержание в организме очень незначительно, а физиологическая роль для большинства из них не раскрыта.

Химические элементы, которые входят в состав живых организмов и при этом выполняют биологические функции, называют биогенными . Даже те из них, которые содержатся в клетках в ничтожно малых количествах, ни чем не могут быть заменены и необходимы для жизни.

Вся масса «живого вещества» Земли составляет ее биомассу. Это всего лишь 0,25 % всего вещества биосферы, но благодаря обмену веществ «живое вещество» играет ведущую роль в биогеохимических процессах. Деятельность живых организмов обуславливает химический состав атмосферы и гидросферы, формирование почвенного покрова литосферы. Живое вещество играет огромную роль в круговороте веществ в природе и осуществляет важнейшие биогеохимические функции. Вернадский дал представление об основных биогеохимических функциях живого вещества.

Первая функция – энергетическая (биохимическая). Связывание и запасание солнечной энергии в органическом веществе, и последующее рассеяние энергии при потреблении и минерализации органического вещества. Эта функция связана с питанием, дыханием, размножением и другими процессами жизнедеятельности организмов. Основной источник биогеохимической активности организмов – солнечная энергия, используемая в процессе фотосинтеза зелеными растениями и некоторыми микроорганизмами для создания органического вещества, обеспечивающего пищей и энергией все остальные организмы. Круговорот веществ, который осуществляется при участии всех организмов биосферы, заключается в циркуляции веществ между почвой, атмосферой, гидросферой и живыми организмами. Благодаря круговороту веществ возможно длительное существование и развитие жизни при ограниченном запасе элементов в природе.

Вторая функция – газовая. Большинство газов верхних горизонтов планеты порождено жизнью. Кислород атмосферы образуется в процессе фотосинтеза. Подземные горючие газы – продукты разложения органических веществ растительного происхождения, ранее захороненных в осадочных толщах.

Третья функция – концентрационная . Организмы накапливают в своих телах многие химические элементы. На первом месте, естественно, стоит углерод. В углях содержание углерода по степени концентрации в тысячи раз больше, чем в среднем для земной коры. Нефть – концентратор углерода и водорода, поскольку она имеет биогенное происхождение. По концентрации металлов первое место занимает кальций. Целые горные хребты сложены останками животных с известковым скелетом. Концентраторами кремния выступают диатомовые водоросли, радиолярии и некоторые губки, йода – водоросли ламинарии, железа и марганца – особые бактерии. Фосфор накапливается позвоночными животными, сосредотачиваясь в их костях.

Четвертая функция – окислительно-восстановительная . Живые организмы окисляют и восстанавливают различные вещества, например, восстановление диоксида углерода до углеводов в процессе фотосинтеза и окисление их в процессе дыхания.

6СО 2 + 6Н 2 О C 6 H 12 O 6 + 6O 2

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.

Пятая функция - деструктивная. Р азрушение организмами и продуктами их жизнедеятельности, в том числе и после их смерти, как остатков органического вещества, так и косных веществ. Наиболее существенную роль в этом отношении выполняют редуценты – сапрофитные грибы и бактерии.

Шестая функция – транспортная. Перенос вещества и энергии в результате активной формы движения организмов. Такой перенос может осуществляться на огромные расстояния, например, при миграциях и кочевках животных. С транспортной функцией в значительной мере связана концентрационная роль сообществ организмов, например, в местах их скоплений (птичьи базары и другие колониальные поселения).

Седьмая функция – средообразующая. Преобразование физико-химических параметров среды. Эта функция является в значительной мере интегральной – представляет собой результат совместного действия других функций. Она имеет разные масштабы проявления. Результатом средообразующей функции является и вся биосфера, и почва как одна из сред обитания, и более локальные структуры. К средообразующим свойствам растительного покрова относятся: создание микроклимата, очистка воздуха и вод от загрязняющих веществ, усиление питания грунтовых вод, защита почв от эрозии и т.п.

Восьмая функция - рассеивающая . Функция, противоположная концентрационной – рассеивание веществ в окружающей среде. Она появляется через трофическую и транспортную деятельность организмов. Например, рассеивание вещества при выделении организмами экскрементов, смене покровов и т.п. Железо гемоглобина крови рассеивается кровососущими насекомыми.

Девятая функция – информационная. Накопление живыми организмами определенной информации, закрепление ее в наследственных структурах и передача последующим поколениям. Это одно из проявлений адаптационных механизмов.

Десятая функция – биогеохимическая деятельность человечества. Деятельность человека превратилась в мощный экологический фактор, нарушивший равновесие в биосфере. В результате деятельности человека (извлечение полезных ископаемых, отходы промышленности, химизация сельского хозяйства и пр.) нарушается круговорот веществ.

Основных круговоротов веществ в природе два: большой (геологический) и малый (биогеохимический). Движущей силой геологического круговорота являются эндогенные (тектонические движения, землетрясения, магматизм, метаморфизм) и экзогенные (выветривание, образование осадочных пород, удаление продуктов разрушения с одних участков земной коры и перенос их на новые участки, геологическая деятельность атмосферы, гидросферы) геологические процессы. Таким образом, геологический круговорот веществ протекает без участия живых организмов и осуществляет перераспределение вещества между биосферой и более глубокими слоями Земли.

Малый круговорот веществ (биогеохимический) осуществляется лишь в пределах биосферы. Сущность его в образовании живого вещества из неорганических соединений в процессе фотосинтеза и в превращении органического вещества при разложении вновь в неорганические соединения. Этот круговорот для жизни биосферы – главный, и он сам является порождением жизни. Изменяясь, рождаясь и умирая, живое вещество поддерживает жизнь не нашей планете, обеспечивая биогеохимический круговорот веществ. Главным источником энергии круговорота является солнечная радиация. В экосистеме органические вещества синтезируются автотрофами из неорганических веществ. Затем они потребляются гетеротрофами. В результате выделения в процессе жизнедеятельности или после гибели организмов (как автотрофов, так и гетеротрофов) органические вещества подвергаются минерализации и могут быть вновь использованы для синтеза автотрофами органических веществ.

Концепция ноосферы

Глобальный характер взаимоотношений человека со средой его обитания привел к появлению понятия ноосферы, введенного Леруа в 1927 г., а затем и концепции ноосферы, развитой Тейяром де Шарденом. Ноосфера по Тейяру де Шардену, - это коллективное сознание, которое станет контролировать направление будущей эволюции планеты и сольется с природой в идеальной точке Омега, подобно тому, как раньше образовывались такие целостности как молекулы, клетки и организмы.

Свою интерпретацию концепции ноосферы дал на основе учения о биосфере Вернадский. Как живое вещество преображает косную материю, являющуюся основой его развития, так человек неизбежно обладает обратным влиянием на природу породившую его. Как живое вещество и косная материя, объединенные цепью прямых и обратных связей, образуют единую систему – биосферу, так человечество и природная среда образуют единую систему – ноосферу.

Развивая концепцию ноосферы вслед за Тейяром де Шарденом, Вернадский рассмотрел то, как на основе единства предшествующей стадии взаимодействия живой и косной материи на следующей стадии взаимодействия природы и человека может быть достигнута гармония. Ноосфера по Вернадскому, «такого рода состояние биосферы, в котором должны проявляться разум и направляемая им работа человека как новая небывалая на планете геологическая сила».

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 на ход биогеохимических и других процессов и охваченной её взаимодействием среде Земли и околоземном пространстве. Вся эта среда весьма существенно изменяется человеком благодаря его труду. Он способен перестроить ее согласно своим представлениям и потребностям, изменить фактически ту биосферу, которая складывалась в течение всей геологической истории Земли.

Воздействие человеческого общества, как единого целого на природу, по своему характеру резко отличается от воздействий других форм живого вещества.

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).

Вернадский развил концепцию ноосферы как растущего глобального осознания усиливающегося вторжения человека в естественные биогеохимические циклы, ведущего в свою очередь, к все более взвешенному и целенаправленному контролю человека над глобальной системой.

К сожалению, Вернадский не закончил работу по развитию данной идеи.

В концепции ноосферы представлен в полной мере один аспект современного этапа взаимодействия человека и природы – глобальный характер единства человека с природной средой. В период создания этой концепции противоречивость данного взаимодействия не проявилась с такой силой как сейчас. В последние десятилетия в дополнение к глобальному характеру взаимоотношений человека и природной среды обнаружилась противоречивость этого взаимодействия, чреватая кризисными экологическими состояниями. Стало ясно, что единство человека и природы противоречиво хотя бы в том плане, что из-за увеличивающегося обилия взаимосвязей между ними растет экологический риск кА кплата человечества за преобразование природной среды.

За время своего существования человек сильно изменил биосферу. По мнению Реймерса: «люди искусственно и нескомпенсированно снизили количество живого вещества Земли, видимо, не менее чем на 30% и забирают в год не менее 20 % продукции всей биосферы. Такие цифры недвусмысленно свидетельствуют о том, что антропогенное изменение биосферы зашло слишком далеко. Биосфера превратилась в техносферу, причем направленность антропогенного воздействия прямо противоположна направленности эволюции биосферы. Можно сказать, что с появлением человека начинается нисходящая ветвь эволюции биосферы – снижается биомасса, продуктивность биосферы. Антропогенные воздействия разрушают естественные системы природы. Таким образом, пока еще нельзя ответить на вопрос, создаст ли в будущем человек сферу разума или своей неразумной деятельностью погубит и себя, и все живое.