Высшее профессиональное образование т. Я. Дубнищева концепции современного естествознания

Вид материала

Документы

Содержание Концепции строения Биосферный уровень Принцип целостности Принцип гармонии биосферы и ее организованности Космическая роль биосферы в трансформации энергии Растекание жизни Космическая энергия Принцип постоянства количества живого вещества Всякая система достигает положения устойчивого равновесия Антропный принцип 14.2. Распределение на Земле солнечной энергии. Биотический круговорот Биотический круговорот органических веществ

Подобный материал:

• Учебно-методический комплекс концепции современного естествознания высшее профессиональное, 2306.3kb.
• Учебно-методический комплекс концепции современного естествознания высшее профессиональное, 2307.28kb.
• С. Г. Хорошавина концепции современного естествознания курс лекций, 6750.33kb.
• С. Г. Хорошавина концепции современного естествознания курс лекций, 5892.74kb.
• В. М. Найдыш Концепции современного естествознания, 8133.34kb.
• Учебно-методический комплекс дисциплины концепции современного естествознания Специальность, 187.08kb.
• Концепции Современного Естествознания, 274.86kb.
• Программа курса «Концепции современного естествознания», 168.05kb.
• Программа дисциплины Концепции современного естествознания Специальность/направление, 456.85kb.
• Бюллетень новых поступлений в нб согу за период с 05. 2011 по 10. 2011гг, 975.89kb.

Глава 14

КОНЦЕПЦИИ СТРОЕНИЯ

И ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ НА БИОСФЕРНОМ

УРОВНЕ ОРГАНИЗАЦИИ ЖИВОЙ МАТЕРИИ

14.1. Биосферный уровень организации жизни. Основы учения В.И.Вернадского о биосфере

Биосферный уровень — высшая форма организации жизни на Земле. На этом уровне происходит объединение всех круговоротов веществ и превращения энергии в единый круговорот. Живое организовано по типу иерархичных систем: переход с одного уровня на другой связан с сохранением функциональных механизмов, действовавших на предыдущем уровне, и с появлением новых структур и функций, новых качеств. Уровень представлен биосферой — областью активной жизни. Она охватывает аэросферу (нижнюю часть атмосферы), гидробиосферу (гидросферу), террабиосферу (поверхность суши) и литобиосферу (верхнюю часть литосферы). Биосфера — достаточно тонкий слой: микробная жизнь распространена до высот 22 км над поверхностью, а в океанах наличие жизни обнаружено на глубинах до 10— 11 км ниже уровня моря. В земную кору жизнь проникает меньше, микроорганизмы найдены при бурении до глубин 2 — 3 км. Случайно живая материя попадает и в слои, лежащие рядом «над» и «под», их называют пара-и метабиосферой соответственно. Но «пленка жизни» покрывает всю Землю, даже в пустынях и льдах обнаружены следы живого. Распределение жизни крайне неравномерно. В почве (верхние слои литосферы), гидросфере и нижних слоях атмосферы — самое большое количество живого вещества.

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. 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.

Зарождение отечественной агрохимии связано с Д.И.Менделеевым. Он исследовал проблемы питания растений и повышения урожайности

557

сельскохозяйственных культур. Эффективностью минеральных и органических удобрений занимались А.Н.Энгельгардт и Д.Н.Прянишников. Возникшая в начале XX в. геохимия исходила из принципов эволюции. Почвенным лесообразованием занимался В. А. Обручев, положив начало мерзлотоведению, он изучал тектонику и геологию. В.В.Докучаев своей работой «Русский чернозем» открыл почвоведение как научную дисциплину, стоящую на стыке геологии, биологии и химии. У него почва — особое природное тело, имеющее огромное значение для сельского хозяйства. Он дал первую в мире классификацию почв, изложил учение о ландшафтно-географических зонах, разработал планы борьбы с засухой, предусмотрев в них ряд агрономических и лесомелиоративных мер. Вместе с ним работали М. М. Сибирцев и П. А. Костычев. Сибирцев участвовал во многих экспедициях в южные степи России, написал первый учебник «Почвоведение» (1889). Костычев показал связь свойств почв с жизнедеятельностью растений и микроорганизмов, роль человека в изменении этих связей. Он установил (1886) решающую роль низших организмов в образовании перегноя (гумуса). Немецкий ученый Г.Гельригер показал опытным путем симбиоз бобовых культур с клубеньковыми бактериями (1888), что оказалось важным в агрономии.

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.

558

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:

1. — свободная (биогеохимическая) энергия стремится в биосфере к максимальному проявлению;
   
2. — при эволюции видов выживают те организмы, которые своей жизнью увеличивают свободную энергию;
   
3. — 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-косми-ческую «особую точку» — качественный скачок, до которого на поверхности нашей планеты преобладали процессы неживой природы, а после которого стали преобладать процессы в живой при-

559

роде. 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». Среди множества закономерностей, имеющих место в биологии, геологии, биохимии и геохимии, Вернадский выделил основные эмпирические принципы.

1. 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. Константа 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.
   
2. 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».
   
3. 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.
   

560

4. 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.
   
5. 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.
   
6. Космическая энергия вызывает давление жизни, которое достигается размножением. Размножение организмов уменьшается по мере роста их количества.
   
7. 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.
   
8. Жизнь на Земле полностью определяется полем устойчивости 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.
   
9. Принцип постоянства количества живого вещества в биосфере. Количество свободного кислорода в атмосфере того же порядка, что и количество живого вещества (1,5-10¹⁸ кг и 10¹⁷—10¹⁸ 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 приближает
ся к нему, т. е. когда вся возможная в условиях системы работа про
изведена. 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

561

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». 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.

14.2. Распределение на Земле солнечной энергии. Биотический круговорот

Лишь небольшая часть солнечной энергии, поступающей на Землю, улавливается биосферой (рис. 14.1). Ультрафиолетовая часть спектра, составляющая около 30 % всей солнечной энергии, доходящей до Земли, почти полностью задерживается атмосферой. Половина поступающей энергии превращается в теплоту и затем излучается в космическое пространство, 20 % расходуется на испарение воды и образование облаков и только около 0,02 % используется биосферой (см. рис. 12.4). В процессе фотосинтеза зеленые растения и водоросли усваивают эту энергию и запасают в форме Сахаров. От этого процесса зависит все существование биосферы.

Солнечная энергия преобразуется в процессах брожения и дыхания в специальных структурах клеток растений в энергию химических связей. Эта энергия высвобождается и используется живыми организмами. В центре этих превращений в клетке находится АТФ, которая синтезируется из АДФ и Н₃РO₄ за счет световой энергии или энергии, выделяемой при брожении или дыхании. При гидролизе АТФ выделяется энергия, необходимая для совершения всей работы живого организма, — от создания градиентов концентрации ионов и сокращения мышц до синтеза белка (см. гл. 11 — 12).

Биотический круговорот состоит из разных круговоротов (рис. 14.2). Каждый биоценоз — модель биосферы в миниатюре. Иногда выделяют биоценотический уровень организации жизни, представлен-

562



ный биоценозами (экосистемами). Они представляют собой системы, состоящие из взаимозависимых сообществ организмов и абиотических факторов среды, которые сложились в ходе исторического развития. Экосистемам присуще динамическое равновесие между организмами и абиотическими факторами. Важны и исторические факторы формирования биоценоза, и климат, и ландшафт, и многое другое. Известный американский эколог Е. Одум предложил систему структурирования экосистем. Например, экосистема леса включает биоценозы различных типов лесов — хвойных, лиственных, тропических, каждый из которых характеризуется своим круговоротом веществ. Английский ученый Ч. Элтон в 1960 г. обратил внимание на разную насыщенность жизнью различных биоценозов.

563

Переработка пищи в организмах сопровождается выделением энергии, частично запасаемой в форме химической энергии и используемой для совершения работы. Животные, поедая растения, а хищники — травоядных животных, освобождают ее для себя, сжигая сахара и другие питательные вещества при помощи кислорода. Устанавливаются трофические уровни (рис. 14.3). В отличие от простейших существ, у которых сжигание веществ может происходить в любой части организма, высшие животные обладают специальной системой, распределяющей по организму кислород и энергоносители. В легких кровь поглощает кислород и выделяет углекислый газ, в кишечнике она получает питательные вещества. Процессы переваривания пищи обеспечивают разложение сложных компонентов пищи на более простые, которые усваиваются кишечником и поступают в кровь, при этом высвобождается энергия. Конечные продукты обмена веществ (избыток солей, воды, чужеродные и токсичные соединения) поступают через почки в мочу и выводятся из организма.

В организме постоянно совершается работа: перекачивается кровь, поглощаются питательные вещества, происходят процессы возбуждения молекул, в которых запасается энергия, выводятся отходы жизнедеятельности и вредные вещества и т.д. Для создания упорядоченных систем (высокого уровня генетической или нервной организации) тоже необходима энергия. Эффективное функционирование систем обеспечивается также информацией о внешнем и внутреннем окружении. Работа состоит в выработке сигналов, регулирующих энергетические процессы, организующих биоструктуры, контролирующих расход энергии и т. п. (см. рис. 11.10). Животные не получают нужную энергию непосредственно от Солнца. Для добывания пищи им нужна сенсорная система ее обнаружения (глаза, уши, нос или сонар — ультразвуковой локатор, иные органы) и мускульная система, приводящая в движение руки, ноги, плавники, крылья и т.д. Кроме того, у животных имеются регулирующие системы — железы, выделяющие гормоны, и нервная система.

Удовлетворение энергетических потребностей организмов происходит в рамках равновесия, которое устанавливается между различными организмами данной среды обитания (экосистемы). Среди обитателей выделяют два типа организмов: одни способны непосредственно использовать солнечную энергию и перерабатывать в пищу вещества из неживой окружающей среды (автотрофы), другие зависят от остальных производителей энергии, т.е. сами не производят необходимую им пищу (гетеротрофы) (см. рис. 14.3). Все элементы, из которых построены организмы, многократно используются в биосфере, тем более что масса всего живого, когда-либо заселявшего Землю, много больше массы самой Земли. Обмен энергии в биосфере отличается от круговорота веществ в

564









ней. Частично энергия рассеивается при переходе от продуцентов (зеленых растений) к травоядным, а затем и к плотоядным животным (редуцентам), поэтому необходима постоянная подпитка биосферы солнечной энергией.

Биотический круговорот органических веществ — основа биосферы. В закономерностях этого круговорота решена проблема развития и длительного существования жизни. Мы не говорим «бесконечного», потому что все на Земле имеет конец: сама Земля представляет собой ограниченное тело, конечен запас минеральных элементов и т.д. «Единственный способ придать ограниченному количеству свойство бесконечного, — писал В. Р. Вильямc в книге «Агрономия», — это заставить его вращаться по замкнутой кривой. Зеленые растения создают органическое вещество, не зеленые разрушают его. Из минеральных соединений, полученных из распада органического вещества, новые зеленые растения строят новое органическое вещество, и так без конца» (рис. 14.4).

Жизнь на Земле идет именно таким путем. Каждый вид — это только звено в биотическом круговороте. Непрерывность жизни обеспечивается процессами синтеза и распада, каждый организм отдает или выделяет то, что используют другие организмы. Особенно велика в этом круговороте роль микроорганизмов, которые

566

превращают останки животных и растений в минеральные соли и простейшие органические соединения, вновь используемые зелеными растениями для синтеза новых органических веществ. При разрушении сложных органических соединений высвобождается энергия, теряется информация, свойственная сложно организованным существам. Любая форма жизни участвует в биотическом круговороте, и на нем основана саморегуляция биосферы. Микроорганизмы при этом играют двоякую роль: они быстро приспосабливаются к разным условиям жизни и могут использовать различные субстраты в качестве источника углерода и энергии. Высшие организмы не обладают такими способностями и потому располагаются выше одноклеточных в экологической пирамиде, опираясь на них как на фундамент.

Суммарную годовую продукцию фотосинтеза Земли в 46 • 10¹² кг органического углерода оценил в 1967 г. советский физиолог А.А.Ничипорович. Для производства такого количества углерода нужно связать 170 10¹² кг углекислоты и 68 • 10¹² кг воды, в результате чего образуются 115 • 10¹² кг сухого органического вещества и 123 • 10¹² кг кислорода. При этом усваиваются 18,55 • 10²⁰ Дж солнечной радиации. Но в процессе фотосинтеза участвуют не только вода и углекислота. Ежегодно используются около 6 • 10¹² кг азота, 2 • 10¹² кг фосфора и других элементов (калий, кальций, сера, железо, медь, кобальт, молибден и пр.). Большое количество воды тратится на испарение. Более точные расчеты дают в 2 раза больший прирост продукции, причем фитомасса океана, составляющая 0,01 % суммарной, дает 25,8 % всей первичной продукции Земли. Объясняется это тем, что на суше первичная продукция создается достаточно медленно растущими цветковыми растениями, а в океане — быстро размножающимся планктоном. Из сопоставления всей биомассы растений (2400 • 10¹² кг) с величиной ежегодной продукции (235,5 • 10¹² кг) можно сделать вывод, что ежегодно возобновляется менее 10 % биомассы (рис. 14.5).

Часть этого вещества (232,2-10¹² кг) должна потребляться животными и микроорганизмами, суммарная масса которых 23 10¹² кг. Растения ежегодно продуцируют органическое вещество, составляющее примерно 10 % их биомассы, а деструкторы должны перерабатывать эту массу органики, которая в 10 раз превышает их массу. Так что компоненты биотического круговорота должны быть тщательно подогнаны. В круговороте неорганики тоже наблюдаются определенные соотношения. По данным Е. Рабиновича (1951), весь кислород в атмосфере оборачивается через организмы примерно за 2000 лет, углекислота — за 300 лет, вода — за 2 млн лет.

За время существования жизни на Земле не только углекислота и кислород, но и вода успели пройти через живое вещество не одну тысячу раз. Распределение производства органики по поверхности Земли весьма неравномерно. В среднем на 1 га приходится

567



160,9 т растительной массы при годовой продукции 11,5 т (в тропиках — около 440 т, а в пустынях — около 7 т). Интенсивность кругооборота характеризуется скоростью накопления и разложения мертвого органического вещества, которое образуется при опадании листьев и отмирании организмов. Этот круговорот — основа организации жизни в планетарном масштабе, о чем говорил Вернадский.