Шпаргалка по «Концепции современного естествознания»

Термин «биосфера» был введён в  биологии Жаном-Батистом Ламарком в начале XIX в., а в геологии предложен австрийским геологом Эдуардом Зюссом в 1875 году^[1].

Целостное учение о биосфере создал биогеохимик и философ В. И. Вернадский. Он впервые отвёл живым организмам роль главнейшей преобразующей силы планеты Земля, учитывая их деятельность не только в настоящее время, но и в прошлом.

Существует и другое, более широкое  определение: Биосфера — область распространения жизни на космическом теле. При том что существование жизни на других космических объектах, помимо Земли пока неизвестно, считается что биосфера может распространяться на них в более скрытых областях, например, в литосферных полостях или в подлёдных океанах. Так, например, рассматривается возможность существования жизни в океане спутника Юпитера Европы.

Биосфера располагается на пересечении  верхней части литосферы, нижней части атмосферы и занимает практически всю гидросферу.

Границы биосферы:

1. Верхняя граница в атмосфере: 15—20 км. Она определяется озоновым слоем, задерживающим коротковолновое ультрафиолетовое излучение, губительное для живых организмов.

2. Нижняя граница в литосфере: 3,5—7,5 км. Она определяется температурой перехода воды в пар и температурой денатурации белков, однако в основном распространение живых организмов ограничивается вглубь несколькими метрами.

3. Граница между атмосферой и литосферой в гидросфере: 10—11 км. Определяется дном Мирового Океана, включая донные отложения.

4. Биосферу слагают следующие типы веществ^[2]:

5. Живое вещество — вся совокупность тел живых организмов, населяющих Землю, физико-химически едина, вне зависимости от их систематической принадлежности. Масса живого вещества сравнительно мала и оценивается величиной 2,4…3,6·10¹² т (в сухом весе) и составляет менее одной миллионной всей биосферы (ок. 3·10¹⁸ т), которая, в свою очередь, представляет собой менее одной тысячной массы Земли. Но это одна «из самых могущественных геохимических сил нашей планеты», поскольку живое вещество не просто населяет биосферу, а преобразует облик Земли. Живое вещество распределено в пределах биосферы очень неравномерно.

6. Биогенное вещество — вещество, создаваемое и перерабатываемое живым веществом. На протяжении органической эволюции живые организмы тысячекратно пропустили через свои органы, ткани, клетки, кровь всю атмосферу, весь объём мирового океана, огромную массу минеральных веществ. Эту геологическую роль живого вещества можно представить себе по месторождениям угля, нефти, карбонатных пород и т. д.

7. Косное вещество — продукты, образующиеся без участия живых организмов.

8. Биокосное вещество, которое создается одновременно живыми организмами и косными процессами, представляя динамически равновесные системы тех и других. Таковы почва, ил, кора выветривания и т. д. Организмы в них играют ведущую роль.

9. Вещество, находящееся в радиоактивном распаде.

10. Рассеянные атомы, непрерывно создающиеся из всякого рода земного вещества под влиянием космических излучений.

11. Вещество космического происхождения.

Слои биосферы

Весь слой воздействия жизни  на неживую природу называется мегабиосферой, а вместе с артебиосферой — пространством человекообразной экспансии в околоземном пространстве — панбиосферой.

1. Аэробиосфера

Субстратом для жизни в атмосфере  микроорганизмов (аэробионтов) служат водные капельки — атмосферная влага, источником энергии — солнечная  энергия и аэрозоли. Примерно от верхушек деревьев до высоты наиболее частого расположения кучевых облаков простирается тропобиосфера (с тропобионтами; это пространство — более тонкий слой, чем тропосфера). Выше ростирается слой крайне разреженной микробиоты — альтобиосфера (с альтобионтами). Выше простирается пространство, куда организмы проникают случайно и не часто и не размножаются — парабиосфера. Выше расположена апобиосфера.

2. Геобиосфера

Геобиосферу населяют геобионты, субстратом, а отчасти и средой жизни для  которых служит земная твердь. Геобиосфера  состоит из области жизни на поверхности  суши —террабиосфера (с террабионтами), разделяемую на фитосферу (от поверхности земли до верхушек деревьев) и педосферу (почвы и подпочвы; иногда сюда включают всю кору выветривания) и жизнь в глубинах Земли — литобиосфера (с литобионтами, живущими в порах горных пород, главным образом в подземных водах). На больших высотах в горах, где уже невозможна жизнь высших растений, расположена высотная часть террабиосферы — эоловая зона (с эолобионтами). Литобиосфера распадается на слой, где возможна жизнь аэробов — гипотеррабиосфера и слой, где возможно лишь обитание анаэробов — теллуробиосфера. Жизнь в неактивной форме может проникать глубже — в гипобиосферу. Метабиосфера — все биогенные и биокосные породы. Глубже расположена абиосфера.

В глубинах литосферы есть 2 теоретических  уровня распространения жизни — изотерма 100 °C, ниже которой вода при нормальном атмосферном давлении вода кипит, и изотерма 460 °C, где при любом давлении вода превращается в пар, т. е. в жидком состоянии быть не может.

3. Гидробиосфера

Гидробиосфера — весь глобальный слой воды (без подземных вод), населённый гидробионтами — распадается  на слой континентальных вод — аквабиосфера (с аквабионтами) и область морей и океанов — маринобиосфера (с маринобионтами). Выделяют 3 слоя — относительно ярко освещённую фотосферу, всегда очень сумеречную дисфотосферу (до 1 % солнечной инсоляции) и слой абсолютной темноты — афотосфера.

Между верхней границей гипобиосферы и нижней парабиосферы лежит собственно биосфера — эубиосфера.

Эволюция представлений  о биосфере 

Большинство утверждений и заключений, касающихся возникновения и эволюции биосферы, носит гипотетический характер. Это предположительные суждения о различных стадиях процесса эволюции, которые не противоречат современным физическим, химическим, биохимическим и другим законам, но которые невозможно полностью, а иногда и частично подтвердить экспериментально. Такие гипотезы касаются следующих ключевых моментов эволюции биосферы. 

В 1922 г. советский математик и  геофизик Александр Александрович  Фридман нашел решение уравнений  общей теории относительности Альберта Эйнштейна. Оказалось, что решение  является нестационарным, то есть Вселенная  должна либо расширяться, либо сжиматься. В 1929 г. американский астроном Эдвин Хаббл обнаружил разбегание галактик, что свидетельствовало о расширении Вселенной. Обращая мысленно вспять картину расширения Вселенной, ученые пришли к выводу что примерно 20 млрд лет назад Вселенная была сжатой в точку и имела сколько угодно большую плотность. В результате Большого взрыва она начала расширяться, иначе говоря существовать. Ученые смогли восстановить картину развития Вселенной с малых долей первой секунды после Большого взрыва, но никто не знает ни причин, вызвавших взрыв, ни то, что было до него. "Теория Большого взрыва в настоящее время столь надежно установлена и верна, сколько верно то, что Земля вращается вокруг Солнца", - констатировал академик, советский физик-теоретик Зельдович в 1982 г. на международном конгрессе. Спустя 15 млрд лет после Большого взрыва, то есть примерно 5 млрд лет назад, сформировалась планета Земля как космическое тело.

Еще Луи Пастер в XIX в. первым обратил  внимание на то, что в неживой  природе молекулы либо зеркально симметричны (H2O, CO2), либо одинаково часто встречаются их правые и левые стереоизомеры. Молекулы, из которых построены живые организмы, зеркально асимметричны, то есть киральны, чаще всего они подобны винтам, а во многих случаях ими и являются (например, двойная спираль молекулы ДНК). Но самое главное, эти молекулы встречаются в природе лишь в каком-то одном варианте - либо только левом, либо только правом: это так называемые кирально чистые молекулы (так, спираль молекулы ДНК всегда только правая). Пастер, а затем Вернадский полагали, что именно здесь проходит граница между химией живой и неживой природы. Можно сказать, что в отличие от неорганических объектов живые организмы построены из винтов, причем винты одного типа только левые, другого - только правые. Специфика живой природы - киральная чистота молекул. Человек как живой организм построен из молекул определенной киральности (для одних видов молекул левой, для других - правой). Потребляемая человеком органическая пища также построена из молекул определенной киральности. Ясно, что киральность молекул пищи согласуется с киральностью молекул человеческого организма (подобно тому, как правые гайки согласуются с правыми винтами, а левые - с левыми). А что будет, если киральность молекул пищи вдруг изменится? Такая пища будет уже непригодной (как непригодны левые гайки для правых болтов), она может оказаться биологически ядовитой. Современная химия в ряде случаев искусственно получает зеркально отраженные стереоизомеры; их действие на организм человека оказывается совершенно иным по сравнению с действием природных стереоизомеров. Так "отраженный" стереоизомер витамина С не воспринимается организмом; добавки в пищу некоторых искусственно полученных "отраженных" стереоизомеров, например фенилаланина, приводят к резкому нарушению обмена веществ, сопровождающемуся умопомешательством. Именно с вопросами зеркальной симметрии-асимметрии на молекулярном уровне тесно связана проблема возникновения жизни на Земле - ведь живая материя возникла в свое время из неживой! Это возникновение обусловлено нарушением существовавшей до того зеркальной симметрии, образованием кирально чистых молекул. Современная наука пришла к выводу, что переход от мира зеркально симметричных соединений к кирально чистому состоянию живого вещества биосферы произошел не в процессе длительной эволюции, а скачком - в виде своеобразного Большого биологического взрыва. Происхождение этого состояния связано с катастрофой, то есть с достижением развивающейся средой критической точки (точки бифуркации), за которой теряется устойчивость прежнего симметричного состояния. Этоакт самоорганизации материи. По некоторым оценкам процесс глобального перехода к киральной чистоте значительной части молекул мог произойти всего за 1 - 10 млн лет. Появление живого вещества ознаменовало собой переход от геохимической эволюции к биогеохимической. Мы отметили принципиальную физико-химическую разницу между живым и неживым веществом: живое - кирально асимметрично, неживое - симметрично. Для возникновения этой разницы были необходимы уникальные и неповторимые условия ранней эволюции Земли как планеты. Но как только появились первые предбиологические формы и праорганизмы, начал действовать принцип Реди: живое происходит только от живого, между живым и неживым веществом существует непроходимая граница, хотя и имеется постоянное взаимодействие. Это обобщение было сделано итальянским естествоиспытателем и врачом Реди еще в XVII веке. Если бы сложились локальные условия для возникновения жизни в наши дни (например, в жерле потухшего вулкана) или она была бы привнесена из космоса, то либо не смогла бы долго существовать, либо стала глобальным бедствием. В первом случае она была бы уничтожена ныне существующими организмами, во втором - подавила бы их. Но второй вариант мало вероятен: живое - достаточно хорошо приспособлено к условиям Земли и потому обладает большой надежностью. В развитой биосфере повторное возникновение живого исключено.

Следующий этап развития биосферы Земли  связан с эволюцией живого вещества и вызванного этим изменением физико-химического состава планеты. Этот процесс подробно описан В.И. Вернадским и составляет суть его учения о биосфере. Впервые единую картину мира и роль в нем живого вещества представил русский ученый, натуралист, философ, академик Владимир Иванович Вернадский. Он обосновал, что возникновение биосферы на Земле - это объективный результат развития общего космического процесса. При этом биосферу нужно рассматривать как целостную геологическую оболочку Земли, состоящую из живого и неживого. Вернадский подчеркивал, что для строения биосферы характерны физико-химическая и геометрическая разнородности. Разнородность строения является господствующим фактором, резко отличающим биосферу от всех других оболочек земного шара. Живое вещество охватывает всю биосферу, ее создает и изменяет. Живое вещество едва ли составляет одну - две сотых процента по весу. Но геологически оно является самой большой силой в биосфере, определяет все идущие в ней процессы. В.И. Вернадский показал, что тонкая оболочка Земли - биосфера, состоящая из разнородных структур - живого и неживого вещества, поддерживает в состоянии динамического равновесия все протекающие в ней процессы благодаря непрерывному перетоку (круговороту) атомов из косной материи через живое вещество снова в неживую природу. Он раскрыл геологическую роль живых организмов в создании современного газового состава атмосферы, в формировании горных пород, вод мирового океана. Учение В.И. Вернадского - это философское и естественнонаучное обобщение законов развития нашей планеты с позиций единого космического процесса и исключительной роли, которую выполнило и выполняет на ней живое вещество. В.И. Вернадский создал его в 20-30-е годы ХХ века. Отчасти это было "предвидение, предсказание прошлого". Многие экспериментальные и фактические данные, подтверждающие правильность его идей, появляются только сейчас. На основе учения Вернадского в настоящее время биосферу определяют как активную оболочку Земли, в которой совокупная деятельность живых организмов проявляется как геохимический фактор планетарного масштаба. Такое определение биосферы отражает важный тезис: наша планета Земля такая, какая она есть сегодня, только потому, что на ней существует жизнь!

17. Экология. Экологические системы.

Эколо́гия (от др.-греч. οἶκος — обиталище, жилище, дом, имущество и λόγος — понятие, учение, наука) — наука об отношениях живых организмов и их сообществ между собой и с окружающей средой. Термин впервые предложил немецкий биолог Эрнст Геккель в 1866 году в книге «Общая морфология организмов» («Generelle Morphologie der Organismen»).

Современное значение понятия экология имеет более широкое значение, чем в первые десятилетия развития этой науки. В настоящее время чаще всего под экологическими вопросами ошибочно понимаются, прежде всего, вопросы охраны окружающей среды. Во многом такое смещение смысла произошло благодаря всё более ощутимым последствиям влияния человека на окружающую среду, однако необходимо разделять понятия ecological («относящееся к науке экологии») и environmental («относящееся к окружающей среде»). Всеобщее внимание к экологии повлекло за собой расширение первоначально довольно чётко обозначенной Эрнстом Геккелем области знаний (исключительно биологических) на другие естественнонаучные и даже гуманитарные науки.

Классическое определение экологии^[1]: наука, изучающая взаимоотношения живой и неживой природы.

Второе определение дано на 5-м  Международном экологическом конгрессе (1990) с целью противодействия размыванию понятия экологии, наблюдаемому в  настоящее время. Однако это определение  полностью исключает из компетенции экологии как науки аутэкологию (см. ниже), что в корне неверно.

Вот некоторые возможные определения  науки «экология»:

• Экология — познание экономики природы, одновременное исследование всех взаимоотношений живого с органическими и неорганическими компонентами окружающей среды… Одним словом, экология — это наука, изучающая все сложные взаимосвязи в природе, рассматриваемые Дарвином как условия борьбы за существование.^[2]
• Экология — биологическая наука, которая исследует структуру и функционирование систем надорганизменного уровня (популяции, сообщества, экосистемы) в пространстве и времени, в естественных и изменённых человеком условиях.
• Экология — наука об окружающей среде и происходящих в ней процессах

Сложности определения экологии

• Неопределённость границ дисциплины и взаимоотношения со смежными дисциплинами
• Неустоявшиеся представления о структуре дисциплины.
• Деление экологии на общую экологию и частную экологию
• Подразделение экологии на четыре отдела — экологию особей, популяций, биогеоценозов и экосистем
• Место экологии популяции при разделении на аутэкологию и синэкологию
• Различия в терминологии между экологами растений и экологами животных.

Экология, как комплекс наук, тесно  связана с такими науками, как биология, химия, математика, география, физика, эпидемиология, биогеохимия.