когда и кем создано учение о биосфере
Основные положения учения В.И. Вернадского о биосфере.
Владимир Иванович Вернадский, биография
Учение Вернадского о биосфере стало итогом и вершиной жизни и научной деятельности этого выдающегося человека, но и послужило основанием для развития ряда «наук о Земле», стало началом философской концепции о роли человека, его разума и деятельности в жизни планеты и ее преобразовании.
Российский и советский ученый Вернадский Владимир Иванович родился 28 февраля 1863 года в городе Санкт–Петербург в либерально-демократической семье потомственного запорожского казака. Его отец – Иван Васильевич был профессором экономики в Киеве, после переезда в Санкт-Петербург стал служить в чине тайного советника. Мать – Анна Петровна – потомственная русская дворянка.
В 1868 году Вернадские переезжают в Харьков, где в 1873 г. Владимир поступает в первый класс классической гимназии. Через три года семья возвращается в столицу, и обучение его продолжается в Первой Санкт-Петербургской классической гимназии. С 1881 г. по 1885 г. Владимир Вернадский учится на физико-математическом факультете университета, где его учителями были Д.И. Менделеев и А.Н. Бекетов. До 1890 года он продолжает обучение за границей – во Франции, Италии и Германии. Защищает докторскую диссертацию и поступает на кафедру кристаллографии и минералогии Московского университета. С 1906 по 1917 год В.И. Вернадский занимает различные должности в российских академиях наук и университетах, в Государственном совете, занимается организацией изучения радиоактивных материалов, работает за границей. В 1917 году он приезжает в Украину и основывает академию наук. Преподает в Киевском и Таврическом университете. В 1921 году возвращается в Петроград, где был арестован по подозрению в шпионаже. Но был освобожден и в 1922 году создает Радиевый институт, директором которого был до 1939 года. В продолжение этих лет он преподает во Франции, является председателем Комиссии по изучению естественных природных сил России, один из создателей плана ГОЭЛРО. Он продолжает находиться под негласным подозрением и уже с 1930 года не может выезжать за пределы страны. В 1935 году здоровье В.И. Вернадского ухудшилось. Ему было позволено выехать на лечение в Карловы Вары. По окончании лечения, он едет работать во Францию, Германию и Великобританию. Он возвращается в СССР, хотя его дети живут в США. В начале войны он уезжает в Казахстан, где продолжает свои исследования в области ядерной энергетики и пишет книги «О состоянии пространства в геологических явлениях Земли» и «Химическое строение биосферы Земли и ее окружения». 6 января 1945 года Владимир Иванович Вернадский умер.
В.И. Вернадский – академик Санкт-Петербургской и Российской академии наук, Академии наук СССР. Ученый, мыслитель, естествоиспытатель, общественный деятель. В сфере его интересов была химия, геология, биология, почвоведение, минералогия, радиология, философия и история. Благодаря разносторонним, глубоким и фундаментальным знаниям, а также философскому складу мышления, он развил ранее предложенные теории, создал учение о биосфере и преобразовал, в ранее несуществовавшую науку — биогеохимию.
Учение о биосфере
Если попытаться изложить учение Вернадского о биосфере кратко, то оно будет выглядеть так: главная и определяющая роль в биосфере принадлежит живому веществу, в котором человек занимает центральное и решающее положение.
В первую очередь учение Вернадского о биосфере определяет ее структуру. Основными составляющими являются живое и неживое или косное вещество. Объем косного вещества на планете значительно превышает объем живого, которое составляет всего лишь 0,25% всей биосферы. Кроме того, в структуру входит еще пять компонентов. Биогенное вещество, то есть полученное в результате жизнедеятельности живого и переработанное им. Биокосное или то, которое образуется при взаимодействии живого и неживого. Прежде всего вода и почва. Биосфера содержит в себе вещества, находящиеся в стадии радиоактивного распада и попавшие в нее из космоса, а также рассеянные атомы.
Живое вещество В.И. Вернадский рассматривает не как нечто единожды появившееся и застывшее в своем начальном состоянии, а как постоянно развивающееся, обладающее структурой и строением. Оно различно по этим признакам, как во времени, так и в пространстве. Определенному строению вещества соответствует определенное пространство. Из этого ученый делал вывод, что и само пространство разнообразно, а раз так, то живое и косное вещество имеют разное происхождение.
Рассматривая различные теории происхождения жизни, формы ее существования во Вселенной, а также считая ее одной из обязательных форм существования материи, В.И. Вернадский пришел к выводу, что о жизни можно говорить как о чем-то вечном, но только в геологическом временном исчислении. И, тем не менее, настаивал на единстве пространства и времени для жизни.
Родоначальниками теории о биосфере следует считать французских ученых XIX Ламарка и Реюта, которые для обозначения области распространения жизни ввели термин «биосфера». Австрийский геолог Зюсс применял этот термин для обозначения особой оболочки Земли, включающей всю совокупность живых организмов. Такое определение биосферы существует и сейчас.
Свое учение о биосфере В.И. Вернадский системно изложил в книге «Биосфера», состоящую из двух частей: «Биосфера и космос» и «Область жизни», опубликованной в 1926 году. Продолжение учение получило в книге «Химическое строение биосферы Земли», изданное через 20 лет после смерти ученого.
В них биосфера представлена как целостная система, обладающая всеми ее характерными качествами. Функцию управления системой он отдал живому веществу. Взаимодействие живого и неживого порождает разнообразные гео- и биохимические процессы, содействует миграции атомов. Как утверждал В.И. Вернадский, биосфера – это единство пространства или среды обитания и результата деятельности живых организмов, который происходит благодаря солнечной энергии и обеспечивает круговорот веществ в природе. Вступая во взаимодействие с внешним слоем земной коры, живое вещество воздействует на него, изменяет его химическое состояние и дает старт круговороту или миграции атомов. Это же влечет за собой эволюцию живых организмов. Изменение и создание новых форм жизни, по мнению В.И. Вернадского, должно привести к увеличению биогенной миграции и расширению пределов существования живого вещества. Область существования может быть ограничена только неблагоприятными абиотическими факторами. Это: наличие или отсутствие кислорода, углекислого газа и минералов, воды в жидком ее состоянии, температурные показатели, химическое состояние среды.
Для учения о биосфере автор определил ее функцию, которую охарактеризовал пятью постулатами. Первый – первичная жизнь уже при своем появлении была формой разнообразной, сложной и многофункциональной. Второй – не было первого живого организма, потому что их сразу возникла масса. И эта масса была таковой, что благодаря своему составу и сложности, могла обеспечить всю биохимическую полноту жизни. То есть первым появился не отдельный организм, а целостный биоценоз. Третий, является следствием второго. Какие бы биоценозы по виду и составу ни появлялись и исчезали в процессе эволюции, все они обеспечивают единственную функцию – химическую. Четвертый постулат касается обеспечения миграции химических элементов в биосфере. Для этого живые организмы дышат, питаются, растут, рождаются и умирают, а химические элементы на протяжении миллионов и миллионов лет образуют все те же минералы и проходят все те же циклы преобразования. Для того чтобы эти преобразования осуществлялись достаточно деятельности простых одноклеточных организмов. И об этом пятый постулат.
То есть разнообразие живых организмов необходимо лишь для устойчивости системы, но не является обязательным условием для круговорота химических элементов. А раз так, то появление человека не являлось обязательным этапом эволюции, и тем более его вершиной. Он считал ключевым условием существование жизни на Земле поступление солнечной энергии, главным преобразователем которой являются зеленые растения.
В.И. Вернадский определил границы биосферы, то есть те пределы, в которых существует жизнь. Это нижняя часть атмосферы, верхняя часть литосферы и вся гидросфера. Он определил общность живого и неживого вещества. Это то, что они состоят из одних и тех же химических элементов. На этом основании были сформулированы основные биогеохимические принципы. Это стремление биогенной миграции к максимальному своему проявлению, для чего идет перманентная эволюция видов в направлении создания наиболее эффективных форм и происходит постоянный химический обмен между живым веществом и окружающей средой под воздействием солнечной энергии.
Ноосфера
Понятие «ноосфера» было предложено миру французским математиком Леруа. Свое авторство он делил с геологом и философом Шарденом. Разрабатывая свое учение, В.И. Вернадский биосфера и ноосфера, как термины и понятия, расположил в иерархическом и историческом порядке.
Развитие жизни, благодаря центральной роли в ней человека, согласно теории В.И. Вернадского, обязательно придет к стадии ноосферы. Для наступления этого этапа в эволюции биосферы существовали все необходимые предпосылки.
Ноосфера или сфера разума, место взаимодействия человеческого общества и природы. В.И. Вернадский считал, что разумная деятельность человека должна вести к развитию. Он говорил, что это новая стадия эволюции биосферы. Во времена создания своей теории ноосферы, достижения человечества в ядерной сфере были на начальном этапе. Сам В.И. Вернадский уделял большое внимание этому направлению развития науки. Его слова о том, что разум и воля человека являются огромной силой, оказывающей глубокое воздействие на природу и до сих пор еще не получившей надлежащей оценки, нашли свое подтверждение. Уровень и степень его воздействия на природу трудно преувеличить – он глобален. Но, к сожалению, кроме воли, в нем немного разума. Ученый явно переоценил человека.
Биогеохимия
В.И. Вернадский автор еще одной научной теории или дисциплины или даже научного направления – это биогеохимия, которая легла в основу учения о биосфере.
Биогеохимия является разделом геохимии и изучает состав живого вещества и процессы, происходящие при его участии в биосфере. Биогеохимию можно назвать междисциплинарной, так как она изучает общие проблемы с биологией, экологией, почвоведением и другими науками об окружающей среде. Основным предметом исследования в биогеохимии является углекислый газ, его соединения и природные циклы. Именно в ней возникли вопросы, касающиеся глобального потепления. Одним из достижений биогеохимии считается открытие биогеохимических провинций, то есть областей с недостатком или избытком какого-либо химического вещества или соединения.
Видео — Владимир Иванович Вернадский. Ученый
Биосфера
Запомните, что наибольшая концентрация живого вещества сосредоточена на границе сред (к примеру, на границе литосферы и атмосферы).
Границы биосферы
Выше «озонового экрана» существование жизни в привычном для нас виде невозможно, так как губительное УФ (ультрафиолетовое) излучение уничтожает все живое. Возникновению жизни в недрах Земли препятствует высокая температура, оказывающая разрушительное воздействие.
Вещество биосферы
Формируется без участия живых организмов. Базальт, гранит, песок, золотоносные руды. К косному веществу можно отнести горные породы магматического происхождения, образовавшиеся в результате извержения вулканов.
Это вещество образуется живыми организмами в процессе их жизнедеятельности. Примерами биогенного вещества могут послужить залежи известняка, природный газ, кислород, нефть, каменный уголь, торф.
Биокосное вещество создается одновременно деятельностью живых организмов и косными процессами. Таким образом, биокосное вещество объединяет в себе живое и косное вещества.
Функции живого вещества
Деятельность живых организмов обеспечивает постоянный газовый состав атмосферы. В ходе дыхания животные поглощают кислород и выделяют углекислый газ, а растения в ходе фотосинтеза поглощают углекислый газ и выделяют кислород. Бактерии хемотрофы также выделяют в атмосферу некоторые газы, полученные окислением сероводорода, азота.
Я никогда не перестану восхищаться этой функцией живого вещества. Вы только вдумайтесь: на одной и той же почве, рядом друг с другом, растут совершенно разные растения по форме, размеру и окраске плодов, цветков! Каждый раз задумываешься: как это возможно?
Живые организмы способны окислять и восстанавливать различные химические вещества. На реакциях окисления и восстановления основан метаболизм (обмен веществ) любого живого существа, подобные реакции протекают постоянно в ходе фотосинтеза, энергетического обмена.
Теория биогенной миграции атомов Вернадского В.И.
При непосредственном участии живого вещества в биосфере непрерывно осуществляется биогенная миграция атомов. Даже сейчас, с каждым вашим вдохом, атомы кислорода соединяются с гемоглобином эритроцитов, доставляются по крови к клеткам тканей организма и становятся частью ваших клеток.
Откуда взялся кислород, которым мы дышим? Его в процессе фотосинтеза выделили растения. Для процесса фотосинтеза необходим углекислый газ, который в процессе дыхания выделяют животные, углекислый газ, который образуется при разложении останков растений и животных. Получается круговорот атомов.
Я искренне восхищаюсь этой теорией, она показывает непрерывность жизни, бесконечность нашего существования и единство всего живого.
Ноосфера
К сожалению, нынешняя ситуация напоминает старую поговорку: «Пока не потеряешь, не осознаешь ценность». Неужели растения должны исчезнуть с лица Земли, чтобы мы вспомнили о том, что благодаря фотосинтезу в их листьях мы дышим кислородом? В этом случае чувство нашего ложного величия может сильно пострадать.
Круговорот веществ
Подобно этому, долгое время нефть и уголь были почти полностью исключены из круговорота веществ, однако в настоящее время человек «вернул их в строй» вместе с выхлопными газами.
Азот находится в воздухе, которым мы дышим, и составляет 78% от его объема. Большая часть азота поступает в почву и воду благодаря деятельности микроорганизмов, бактерий и водорослей.
Широко известны клубеньковые бактерии на корнях бобовых растений, находящиеся с ними в симбиозе. Клубеньковые бактерии переводят атмосферный азот в нитраты, которые необходимы для роста и развития растения и могут быть усвоены им, в отличие от атмосферного азота (газа).
© Беллевич Юрий Сергеевич 2018-2021
Данная статья написана Беллевичем Юрием Сергеевичем и является его интеллектуальной собственностью. Копирование, распространение (в том числе путем копирования на другие сайты и ресурсы в Интернете) или любое иное использование информации и объектов без предварительного согласия правообладателя преследуется по закону. Для получения материалов статьи и разрешения их использования, обратитесь, пожалуйста, к Беллевичу Юрию.
Учение В.И. Вернадского о биосфере
Согласно взглядам академика Владимира Вернадского, основоположника современного учения о биосфере, с момента возникновения жизни на нашей планете (3-4 миллиарда лет назад) происходил процесс формирования биосферы — единой системы, в которую входили живая и косная (неживая) материи.
ОБРАТИТЕ ВНИМАНИЕ! Об этом уже было сказано, но лишний раз повторить не мешает — биосфера (биологическая земная оболочка) не только территория нашей планеты, охваченная жизнью, но и структурно ею организованная. Живая материя влияет на неживую, изменяя ее!
Вернадский писал: ««Биосфера — это планетное явление космического характера, ее важной особенностью, главной геологической силой является жизнь — «живое вещество», не просто населяющее биосферу, а преобразующее облик Земли».
Основой учения Вернадского о биосфере является понятие о живом веществе и его роли в биосферных процессах.
Вернадский выявил следующие особенности живого вещества:
Несмотря на значительное различие в формах и размерах живых организмов, для живого вещества характерно одно общее свойство — физико-химическое единство.
В живых организмах химические реакции, за счет участия в них ферментов, протекают намного быстрее, чем в неживом веществе и для их протекания не требуются жесткие условия (высокая температура и др.).
Химические реакции в живых организмах упорядочены. Они проводятся по заданной генами программе.
Химические связи, образующиеся в живом веществе, заключают в себе достаточно много энергии (вспомним про АТФ). Живое вещество является преобразователем и накопителем энергии солнечного излучения.
Благодаря такому свойству, как подвижность, живое вещество заполняет собой все доступные для жизни среды. Такое «растекание» живого вещества называется «давлением жизни». Перемещаясь, живое вещество переносит органические вещества и накопленную в себе солнечную энергию. Этот перенос происходит также и против сил неживой природы (в горизонтальном направлении, вверх) и переносит вещества. Вернадский выделял две формы движения живого вещества: пассивную, возникающую за счет роста и размножения организмов, и активную, возникающую в результате перемещения организмов.
По сравнению с косным веществом, живое характеризуется гораздо большим морфологическим и химическим разнообразием.
Живое вещество обладает способностью к постоянному обновлению за счет размножения, обеспечивающего смену поколений.
Для живого вещества характерно эволюционное развитие.
В ходе эволюции живое вещество выполняет геологическую работу, в результате которой возрастает биологическая масса, увеличивается разнообразие форм жизни, изменяется среда обитания. Эта работа приводит к изменению физико-химических свойств биосферы.
Живое вещество — преобразователь биосферы! Ознакомимся с его основными функциями:
Газовая функция живого вещества выражается в выделении свободного кислорода и его в переходе в озон; в выделении свободного азота, сероводорода, метана и других газов при разложении живого вещества; в поддержании на определенном уровне количества углекислого газа в атмосфере. Живое вещество сформировало нынешний состав атмосферы и поддерживает его.
С газовой функцией связаны два переломных (критических) периода в эволюции биосферы, которые называются первой и второй точками Пастера в честь известного французского ученого Луи Пастера.
Первая точка относится к периоду эволюции (примерно 1,2 млрд. лет назад), в котором содержание кислорода в атмосфере Земли достигло примерно 1% от современного уровня. Стало возможным появление первых аэробных организмов.
Вторая точка Пастера относится к периоду, в котором содержание кислорода в атмосфере достигло примерно 10% от современного уровня (примерно 420 млн. лет назад). Такая концентрация создала условия для синтеза озона и образования озонового слоя в стратосфере. После того, как у нашей планеты появился «озоновый щит», стала возможной жизнь на суше. До того от губительного воздействия коротких ультрафиолетовых волн живое вещество защищала вода.
Биогеохимическая функция заключается в поступлении химических элементов Земли в живые организмы и возвращение этих веществ путем в окружающую среду (воду, почву, атмосферу). Концентрационная функция заключается в извлечении из окружающей среды и накоплении химических элементов, необходимых для построения тел живых организмов. Концентрационная способность живого вещества весьма велика, она на несколько порядков может превышать содержание атомов химических элементов в окружающей среде. Так, например, содержание углерода в растениях в 200 раз превышает его содержание в земной коре, а азота — в 30 раз. Результатом концентрационной деятельности живого вещества может стать образование из их останков залежей полезных ископаемых — нефти, каменного угля, горючих сланцев, осадочных пород и т.п.
Рассеивающая функция противоположна концентрационной. Рассеивание веществ в окружающей среде происходит при выделении организмами экскрементов, при линьке и т.п.
Окислительно-восстановительная функция, как видно из названия, заключается в окислении и восстановлении различных веществ с участием живых организмов.
Биохимическая или энергетическая функция — связывание и запасание солнечной энергии в живом веществе и последующее рассеяние энергии при потреблении и минерализации вещества.
Транспортная функция заключается в переносе вещества и энергии в результате активной формы движения организмов. Подобный перенос может осуществляться на огромные расстояния (при сезонных миграциях животных).
Информационная функция заключается в накоплении живыми организмами определенной информации, закреплении ее в наследственных структурах и передаче последующим поколениям.
Средообразующая функция заключается в преобразовании физико-химических параметров среды. Она представляет собой результат совместного действия всех остальных функций.
В отдельную функцию из-за ее важности выделяют биогеохимическую деятельность человека — изменение биосферы для своих хозяйственных и бытовых нужд.
«На земной поверхности нет химической силы более постоянно действующей, а потому и более могущественной по своим конечным последствиям, чем живые организмы, взятые в целом», писал Вернадский.
Он сформулировал пять постулатов, относящихся к биосфере:
Постулат первый: «С самого начала биосферы жизнь, в нее входящая, должна была быть уже сложным телом, а не однородным веществом, поскольку связанные с жизнью ее биогеохимические функции по разнообразию и сложности не могут быть уделом какой-нибудь одной формы жизни». То есть первобытная биосфера изначально была представлена богатым разнообразием форм жизни.
Постулат второй: «Организмы проявляются не единично, а в массовом эффекте. Первое появление жизни должно было произойти не в виде появления одного какого-нибудь вида организмов, а их совокупности, отвечающей геохимической функции жизни. Должны были сразу появиться биоценозы».
Постулат третий: «В общем монолите жизни, как бы не менялись его составные части, их химические функции не могли быть затронуты морфологическим изменением». Говоря о химических функциях, Вернадский имел в виду глобальные функции, благодаря которым осуществляется обмен веществ и энергии. В процессе эволюции отдельные (можно сказать — «второстепенные») химические функции живых организмов могут изменяться, но глобальные остаются постоянными.
Постулат четвертый: «Живые организмы своим дыханием, своим питанием, своим метаболизмом, непрерывной сменой поколений порождают одно из грандиознейших планетных явлений — миграцию химических элементов в биосфере, поэтому на всем протяжении протекших миллионов лет мы видим образование тех же минералов, во все времена шли те же циклы химических элементов, какие мы видим и сейчас». Четвертый постулат по сути является расширенным толкованием постулата третьего.
Постулат пятый: «Все без исключения функции живого вещества в биосфере могут быть исполнены простейшими одноклеточными организмами». Обмен веществ и энергии, а также воспроизводство происходят на клеточном уровне, так что это утверждение верно.
Суть концепции эволюции биосферы, созданной Вернадским заключается в том, что биосфера формируется под воздействием живых организмов и вместе с ними находится в постоянном процессе эволюции.
Первыми обитателями биосферы нашей планеты были гетеротрофные анаэробные организмы Мирового океана. Гетеротрофными называются организмы, неспособные образовывать органические вещества из неорганических и питающиеся готовыми органическими веществами. Например, большинство животных — гетеротрофы.
Пищей для гетеротрофных анаэробных организмов служили органические вещества, возникших в результате сложных химических процессов, протекавших в Мировом океане. Гетероторфов становилось все больше и больше, а запасы органических веществ уменьшались. В ходе эволюции появились анаэробные автотрофные организмы, т.е. способные самостоятельно создавать органические вещества в процессе фотосинтеза, используя для этого солнечную энергию. В результате жизнедеятельности анаэробных автоторфов в атмосферу стал выделяться кислород. Постепенно его скопилось столько, что стало возможным появление аэробных организмов (первая точка Пастера!). «Можно сказать, что свободный кислород на нашей планете в своей подавляющей массе создается кислородно-углекислотной функцией живого хлорофильного вещества», писал Вернадский. Строение организмов усложнялось, появлялись новые виды, вместе с эволюцией форм жизни происходила (и происходит) эволюция биосферы.
Вернадский выделял три этапа развития биосферы:
Первый этап — возникновение жизни и первичной биосферы под воздействием геохимических и климатических изменений на нашей планете. На этом этапе жизнь была представлена прокариотами — одноклеточными живыми организмами, не обладающими оформленным клеточным ядром и другими внутренними мембранными органоидами. Пример прокариотов — бактерии.
Биологический круговорот, постоянную циркуляцию химических элементов между живыми организмами, атмосферой, гидросферой и почвой, Вернадский назвал главной силой, организующей биосферу в единую самоподдерживающуюся биологическую систему.
Второй этап — усложнение структуры биосферы в результате появления эукариотных организмов, клетки которых имели оформленное ядро и органоиды. В ходе биологической эволюции появляются новые виды живых организмов, как одноклеточных, так и многоклеточных, растет их численность.
Третий этап начался с возникновения человека и формирования человеческого общества. Этот этап характеризуется постепенным превращением биосферы в ноосферу. Ноосферой называется состояние биосферы, решающим фактором развития которой является разумная деятельность человека. Третий этап определяется целенаправленной деятельностью человеческого разума, в отличие от первого и второго, которые протекали под действием природных процессов.