Учение Вернадского о биосфере

Учение о биосфере В.И. Вернадского
•
•
•
•
Биосфера - совокупность тех слоев Земли, которые на
протяжении ее геологической истории подвергались
воздействию организмов..
Биосфера является открытой термодинамической
системой. В нее поступает энергия извне, из космоса, в
основном - это солнечная энергия. Из живого
кругооборота биосферы для части вещества и энергии
есть выход «в геологию» путем формирования вторичных
осадочных горных пород.
Биосфера, обладающая способностью использовать для
своего развития энергию космического происхождения,
представляет собой грандиозную саморегулирующуюся
систему.
Толщина биосферы составляет около 20 км - тончайшая
пленка на поверхности Земли.
•
В структуре биосферы Вернадский выделял семь видов
вещества:
•
•
живое;
биогенное (возникшее из живого или подвергшееся
переработке);
косное (абиотическое, образованное вне жизни);
биокосное (возникшее на стыке живого и неживого; к
биокосному, по Вернадскому, относится почва);
вещество в стадии радиоактивного распада;
рассеянные атомы;
вещество космического происхождения.
В границах общего учения о биосфере и на его основе
развиваются науки: биология, почвоведение,
ландшафтоведение (география), геология, геохимия,
экология.
•
•
•
•
•
•
Учение о Биосфере В.И. Вернадского
В. И. Вернадский рассматривал различные гипотезы панспермии в
историческом контексте, он пришёл к заключению лишь об
извечности жизни в течение геологического времени [18]. Методы и
подходы кристаллографии Вернадский распространял на вещество
живых организмов. Живое вещество развивается в реальном
пространстве, которое обладает определённой структурой,
симметрией и дисимметрией. Строение вещества соответствует
некоему пространству, а их разнообразие свидетельствует о
разнообразии пространств. Таким образом, живое и косное не могут
иметь общее происхождение, они происходят из разных
пространств, извечно находящихся рядом в Космосе. Некоторое
время Вернадский связывал особенности пространства живого
вещества с его предполагаемым неевклидовым характером, но по
неясным причинам отказался от этой трактовки и стал объяснять
пространство живого как единство пространства-времени.
Важным этапом необратимой эволюции биосферы Вернадский
считал её переход в стадию ноосферы.
Основные предпосылки возникновения ноосферы:
расселение Homo sapiens по всей поверхности планеты и его
победа в соревновании с другими биологическими видами;
развитие всепланетных систем связи, создание единой для
человечества информационной системы;
открытие таких новых источников энергии, как атомная, после чего
деятельность человека становится важной геологической силой;
победа демократий и доступ к управлению широких народных масс;
всё более широкое вовлечение людей в занятия наукой, что также
делает человечество геологической силой.
Работам Вернадского был свойствен исторический оптимизм: в
необратимом развитии научного знания он видел единственное
доказательство существования прогресса.
Структура потребления
энергетических ресурсов в мире
100%
1900
1900
1920
1940
1960
1980
2000
2040
Функции биосферы
• Биосфера представляет собой оболочку
Земли. Нижняя часть биосферы находится на
глубине 2 - 3 км на суше, 1 - 2 км - ниже дна
океана. Верхней границей ее (высотой до 20
км) служит защитный озоновый слой.
Основные функции биосферы Земли
следующие:
• Связывание углекислоты, выделяемой
животными и образующейся в ходе
химических превращений в неживой
природе(например, сжигание топлива).
• Выделение кислорода в ходе фотосинтеза
наземными и водными растениями. Так,
зеленая масса насаждений на площади 1 га
производит
до 70 тонн кислорода за вегетативный период.
• Перевод в простые химические вещества
огромной массы непрерывно образующихся
трупов организмов и их выделений.
• Образование и восстановление почв.
• Очищение атмосферы и воды от загрязнений.
• Перемещение по планете (суша, моря, реки)
массы разнообразных химических элементов и
веществ.
• Участие в образовании горных пород
(известняк, каменный уголь, нефть, мел и т.д.).
• Аккумуляция и трансформация солнечной
энергии.
• Обеспечение веществами и энергией
животных и человека.
Естественные циклы
углерода и кислорода
•
•
Основой науки о биосфере является изучение
круговоротов химических элементов, особенно
кислорода и углерода. Важнейшую роль во всех
превращениях этих элементов играет
фотосинтез, являющийся первичным
источником всей биомассы планеты, в том
числе источником органических ископаемых.
Выделяющийся в атмосферу диоксид углерода
(СО2) поглощается растениями. В результате
процесса фотосинтеза образуются углеводы,
являющиеся исходным материалом для
формирования растений. Процесс описывается
реакцией
•
солнечный  свет , хлорофилл


 С 6 Н 12 О6  6О2 
6СО2 6Н 2 О 
•
•
Наземная и водная растительность планеты
аккумулирует в течение 1 года 3* IO25калорий
энергии Солнца. Это примерно в 100 раз больше
вырабатываемой во всем мире энергии. При этом
связывается 35 млрд. тонн углерода, фиксируется,
т.е превращается в усвояемое состояние 44 млрд.
тонн азота, выделяется несколько десятков млрд.
тонн кислорода и производится другая химическая
работа, обусловливающая современное состояние
природы Земли. По данным профессора Лаптева
И.П. (1975 г.), общая биомасса в биосфере
составляет 3* 1012 – 3*1013 тонн. Ежегодно
производится около 1,64 10 11тонн сухого
органического вещества.
Круговорот углерода и кислорода
СО2
Продуценты
Погибшие
животные
Негорение
Редуценты
Атм
О2
Водн.среда
Фотосинтез
Горение
Водн.среда
Консументы
Топливо
Дыхание
Атм
Круговорот азота
• Круговорот азота более сложен.
Атмосфера богата азотом, но он не
может быть непосредственно
использован, так как большинство
биологических форм не усваивает
газообразный азот. Для усвоения он
должен быть превращен в
органические (мочевина, белок,
нуклеиновая кислота) или некоторые
неорганические соединения ( NaNО3 ,
KNO3 ). Фиксация азота, т.е.
превращение N2 в неорганические или
органические соединения, может
производиться как физико-химическим,
так и биологическим способами.
Бактерии, грибки и водоросли основные азотофиксаторы. Так,
клубеньковая бактерия, проникая в
корневые волоски растений семейства
бобовых (горох, клевер, бобы и др.),
превращает азот в нитраты.
Основные понятия теории
В.И. Вернадского
•
Центральным является понятие «экологическая
система» - группа растений и животных,
которые интенсивно обмениваются между
собой и окружающей средой веществом и
энергией.
•
Понятие «экосистема» относится к классу
сложных систем. Наделенная известными
признаками сложности (невозможность строгого
математического описания, многозвенность
структурного состава и многосвязность
составляющих структурных единиц),
экосистема имеет свои специфические
особенности, отличающие ее от стереотипных
технических систем:
•
неадекватность поведения естественных и
искусственных объектов, составляющих
экосистему;
многомерность протекающих в системе
формирующих и деградационных процессов;
принципиальная неприменимость
традиционных методов оптимизации по
экономическим и прочим критериям и т. д.
•
•
• Вторым по значимости понятием
(после экосистемы) является
«биогеоценоз» — совокупность
на известном протяжении земной
поверхности однородных
природных явлений (атмосферы,
гидросферы, литосферы и
биосферы, т. е. животного и
растительного мира), имеющая
свою особую специфику
взаимодействия, подчиняющаяся
определенным закономерностям
своего развития.
Схема взаимодействия
компонентов биогеоценоза
Экотоп
Биоценоз
Интегральная характеристика
элементарного природного
ландшафта еl
• можно представить через
комплексные характеристики
регионального состояния
атмосферы, гидросферы,
литосферы и биосферы, выразив
полным дифференциалом функции
через соответственные частные
производные состояния геосфер:
атмосферы, гидросферы, литосферы и
биосферы
t 
t 
t 
t 








е  d t  
de 
de 
de 
de




l
l
l
l
l
A
A
l
G
G
L
L
B
B
Производная экологического взаимодействия
четырех геосфер: атмосферы, гидросферы,
литосферы и биосферы- природный
ландшафт
Схема формирования элементарного
природного ландшафта, находящегося в
равновесии
еА,еG, eL,eB –геосферы В.И. Вернадского
Схема формирования антропогенного ландшафта
Антропогенные факторы и
природно-технические
геосистемы
Антропогенными называются факторы, обязанные своим
происхождением деятельности людей, которые
взаимодействовали с природой и изменяли качество
среды обитания.
• Любое техническое сооружение, находящееся на
конкретной территории, взаимодействует с природой
настолько тесно, что для изучения этого взаимодействия
совокупный комплекс природной среды и ее техническое
насыщение необходимо рассматривать совместно, как
единую систему, которую определяют как природнотехническую геосистему, или ПТГ.
• Каждая природно-техническая геосистема (или
геотехническая система) создается человеком для
удовлетворения определенных потребностей современного общества: место проживания людей, орошение
полей, транспортировка топливно-энергетических
ресурсор, переработка сырья, производство
промышленной или продовольственной продукции и т. д.
• Таким образом, природно-техническая геосистема -- это
совокупность природных и искусственных объектов,
формирующаяся в результате строительства и
эксплуатации инженерных и иных сооружений,
комплексов и технических средств, взаимодействующих
с природными объектами (геологические тела, почва,
растительный покров, рельеф, водные источники и
атмосфера, фауна и социумы).
• Следовательно, природно-техническая геосистема — это
образование, которое непременно возникает в любом
регионе в связи с происходящей в нем хозяйственной
деятельностью и приходит на смену природным геосистемам, существовавшим там до внедрения людей и
техники в природную среду.
Основные понятия
•
•
•
•
•
•
•
«Экология - наука о законах, управляющих жизнью
растений и животных в естественной'среде
обитания».
Среда - одно из основных экологических понятий;
под ним подразумевается комплекс природных тел
и явлений, с которыми организм находится в
прямых или косвенных отношениях.
Окружающая среда - внешняя среда, находящаяся
в непосредственном контакте с объектами или
субъектами.
Природная среда - совокупность естественных и
измененных деятельностью человека факторов
живой и неживой природы, проявляющих эффект
воздействия на организмы.
Предлагается следующее определение предмета
инженерной экологии: исследование инженерных
средств, нормализующих среду обитания. При этом,
естественно, необходимо ранжирование
экологических объектов, поскольку теоретически и
практически невыполнимо условие, чтобы,
например, паслись и были сыты коровы и чтобы при
этом осталась несъеденной трава.
Инженерная экология зиждется на утверждении, что
в конфликтах с природой повинны не техника, не
производство само по себе, а наше неумение или
нежелание в силу тех или иных социальноэкономических причин организовать ненарушаемый
обмен веществ с природой.
Охрана окружающей среды-это практическая
реализация тех целенаправленных действия,
которые формируются в рамках самостоятельных
экологических дисциплин, наример, инженерной
экологии, популяционной экологии и т.д.