функциональной организации биосферы

Государственное образовательное учреждение высшего
профессионального образования «Ставропольская государственная
медицинская академия» Министерства здравоохранения и
социального развития Российской Федерации
КАФЕДРА БИОЛОГИИ С ЭКОЛОГИЕЙ
А.Б.Ходжаян
Н.Н. Федоренко
Л.А. Краснова
СОВРЕМЕННЫЕ КОНЦЕПЦИИ СТРУКТУРНО –
ФУНКЦИОНАЛЬНОЙ ОРГАНИЗАЦИИ БИОСФЕРЫ
(дополненное)
ДЛЯ СТУДЕНТОВ І КУРСА СтГМА
СТАВРОПОЛЬ,
2009
УДК 577.4
Современные концепции структурно – функциональной организации
биосферы/Методическая разработка для студентов 1-го курса СтГМА\Ставрополь. Изд:
СтГМА 2009, с.8.
В данной методической разработке, написанной для студентов 1-го курса медицинского
вуза, в сжатой форме изложены основные аспекты современных концепций биосферы. что
позволяет не только расширить представления по данному вопросу. но также четче понять
задачи, которые стоят перед учеными в изучении данного раздела биологии.
Составители: д.м.н., проф.Ходжаян А.Б., к.м.н., доц.Федоренко НН., к.м.н.,
доц.Краснова Л.А.
Рецензент: к.пед.н., доц. кафедры общей биологии СГУ Р.Н.Мищенко
© Ставропольская государственная
медицинская академия, 2009
Термин «биосфера» (греч.»биос» -жизнь, «сфера» - шар) ввел в 1975 году
австрийский ученый Эдуард Зюсс для оюозначения оболочки земли,
населенной живыми организмами.
Основоположником современного учения о биосфере является
В.И.Вернадский (1853-1945). Опираясь на работы Ж.Б.Ламарка по
гидрологии, идеи К.А.Тимирязева о способности хлорофилла фиксировать
энергия Солнца, а также работы Докучаева по почвообразованию,
В.И.Вернадский выдвинул гипотезу о преобразующем влиянии живого
вещевтва как совокупности всех житвых организмов, населяющих нашу
планету, на геологические оболочки Земли в масштабах глобального
пространства и времени. По В.И.Вернадскому. биосфера – поверхностная
оболочка Земли, глубоко переработанная живым веществом былых
геологических эпох и перерабатываемая в настоящее время разными
формами живых организмов, возникающих в ходе эволюции на планете
Земля.
По В.И.Вернадскому биосфера возникла одновременно с появлением
жизни на Земле, и ее основу составляет непрерывный биотический
круговорот веществ, осуществляющийся при участии всех населяющих
планету организмов. Он выражается в том. что зеленые растения создают из
неорганических веществ органические вещества, а животные и
микроорганизмы потребляют и разрушают его. Из минеральных соединений,
полученных от распада органического вещества, зеленые растения строят
новое органическое вещество и так без конца.
Биосфера по В.И.Вернадскому – это устойчивая динамическая система. Со
времен архейской эры устойчивость биосферы проявляется в постоянстве ее
общей массы , а также массы живого вещества и энергии. связанной с живым
веществом .
Несмотря на постоянство этих показателей видовой состав биосферы в
ходе эволюции изменился до неузнаваемости. как полагал В.И.Вернадский.
эволюционный процесс в биосфере вначале привел к вовлечению в живое
вещество максимального количества химических элементов из окружающей
среды. а затем к увеличивающейся биогенной миграции атомов и
разнообразию новых форм живых организмов, устойчивых в биосфере.
Вернадский указывал также, что биосфера. будучи целостной и
организованной системой, связана с Космосом. Электромагнитные лучи
солнечного и космического происхождения играют важную роль в
регуляции пространственно – временной организации биосферы. Кроме того,
солнечная энергия является основным источником энергии для биосферы. И
в этом отношении биосфера является открытой системой.
В.И.Вернадский считал, что после возникновения человека биосфера стала
постепенно переходить в новое состояние. преобразованное человеческой
деятельностью. – в ноосферу. то есть сферу разума. Под ноосферой
Вернадский понимал новый этап в развитии биосферы. а именно, этап
разумного регулирования взаимоотношений человека и природы
С учетом современных представлений биосферу можно охарактеризовать
как целостную, термодинамически открытую. саморегулирующуюся
устойчивую систему. в основе функционирования которой лежит
непрерывный круговорот вещества и энергии, поддерживающий в состоянии
равновесия входящие в нее компоненты.
СОВРЕМЕННЫЕ КОНЦЕПЦИИ СТРУКТУРНО –
ФУНКЦИОНАЛЬНОЙ ОРГАНИЗАЦИИ БИОСФЕРЫ
Организованность биосферы – явление многоплановое, и по мере изучения
этого вопроса шесть концепций, отражающих основные принципы
структурной организации биосферы: биогеоценотическая, биогеохимическая,
геофизическая, термодинамическая, кибернетическая и социальноэкономическая.
Биогеоценотическая биосферы.
Биосфера, будучи целостной глобальной системой, а в то же время
дискретна. Её элементарной структурой – функциональной единицей
является биогеоценозы (или экосистемы).
Термин «экосистема» ввел английский ботаник А.Тенсли в 1935г., а
«биогеоценоз» - русский ботаник и лесовед В.Н.Сукачев в 1940г.
Биогеоценоз – это эволюционно сложившаяся, пространственно
ограниченная природная система живых организмов и окружающей среды,
между компонентами которой идет непрерывный обмен веществом,
энергией, информацией (биотический круговорот). Каждый биогеоценоз
представляет собой как бы модель биосферы в миниатюре. Он состоит из
системы популяций организмов разных видов (биоценоз) и пространства, в
которой они обитают (биотоп).
Биогеоценозы различаются как составом биогеоценозов и свойствами
биотопов, так и видом используемой организмом энергии (солнечной
энергии, энергия химических соединений, скрытая энергия оседающих на
акваторий органических остатков и прочее). Однако, при этом основная
схема структуры и функции биогеоценозов остается единой. Любой биоценоз
включает три функциональные группы организмов: продуцентов
органического вещества, консументов (потребителей органического
вещества) и редуцентов, обеспечивающих минерализацию органических
веществ и тем самым возвращающих в неживую природу химические
элементы, участвующие в биотическом круговороте.
Постоянная циркуляция веществ и движение энергии между компонентами
неживой и живой природы (растениями, животными и микроорганизмами)
осуществляется в биогеоценозах по пищевым (трофическим) цепям.
Пищевой цепью называется ряд микроорганизмов, в котором одни поедают
предшественников и, в свою очередь, оказываются съеденными, которые
следуют за ними. Первый трофический уровень в таких цепях занимают
аутотрофы или, так называемые, первичные продуценты. Организмы второго
трофического уровня - первичные консументы, третьего – вторичные
консументы и т.д. Обычно бывает 4-5 трофических уровней, редко 6 и более,
так как по грубой оценке общая энергия каждого трофического уровня
уменьшается в 10 раз, а при передаче от первичных продуцентов
консументам даже в 100 раз. Следствием этого является ограниченная длина
пищевых цепей, а так же уменьшение количества особей, биомассы и общей
энергии от низших уровней к высшим. Такую динамику указанных
процессов принято называть правилом экологической пирамиды: пирамида
энергии пирамида численности и пирамида биомассы.
Биогеоценозы, будучи саморегулирующимися система, способны
поддерживать свой гомеостаз. В основе этой способности лежит принцип
всеобщей связи компонентов экосистемы, как внутрипопуляционных, так и
межпопуляционных. Установившиеся при этом связи не случайны, а
избирательны, с учетом чего можно говорить о принципе соответствия.
Следующий принцип – относительная терпимость экосистемы к её
нарушениям до определенного предела. Всякое давление на экосистему
(стресс), такое как необычное изъятие продукции, внедрение новой
популяции, массовое размножение фитофагов и т.п., рано или поздно
приводит к появлению компенсаторных противоположно направленных
процессов. Они возвращают систему к норме (при условии ограничения
стресса некоторым пределом) или переводят ее на более низкий уровень
продуктивности. Крупная и сложная экосистема скорее и надежнее может
погасить резкие воздействия стресса, чем небольшая по размеру. Основным
условием для самовосстановления является сохранение ландшафтноклиматических условий и возможности пополнения генофонда со стороны
при условии достаточно длительного времени.
Важнейшим принципом, на которой указывал В.И.Вернадский в учении о
биосфере, является, является принцип её организованности. Биогеоценоз как
элемент биосферы является первичным носителем такой организованности,
охватывающей и живое и костное вещество. Эта организованность
выражается в динамическом равновесии составляющих систему
компонентов, что отличает её от механизмов, свойственных неживой
природе.
Биогеоценоз в хронологическом отношении функционирует в
значительных масштабах времени. Однако, со временем в экосистеме любой
степени наступают изменения, затрагивающие как и абиотическую части.
Если при этом экосистема в общем сохраняет свои структурнофункциональные черты, то можно говорить о временных ритмичных
(например, сезонных) и аритмичных (случайных) изменениях.
Всякий поступательный процесс смены одних биогеоценозов другими
называется секцессией. Стабильная зрелая стадия в развитии биогеоценозов
называется климаксом.
Биогеохимическая концепция
Эта концепция впервые была разработана В.И.Вернадским, который
показал, что основной ход геохимических преобразований в земных
оболочках определяется в первую очередь живым веществом, которое в
течение геологического времени многократно пропускает через себя воду,
углевод, кислород, фосфор, серу и не менее 30 других химических элементов,
причем, эти вещества не только пропускаются через живые организмы, но и
участвуют в окислительных процессах как внутри самих организмов, так и во
внешней среде. Основной движущей силой биогенной миграции атомов
служит прежде всего солнечная радиация.
Биотический круговорот основан на определенной организованности
биосферы. С геохимической точки зрения биосфера прошла две стадии
исторического развития: 1)Анаэробную, живое вещество которой
использовало энергию брожения и химосинтеза, когда атмосфера была
лишена свободного кислорода и озонового экрана, и 2)Аэробную
формирующуюся постепенно от1800 до 600млн. лет назад и использующую
энергетически более выгодный окислительный метаболизм. Анаэробная
жизнь при этом сохранилась, но потеряла господствующее положение.
Эффективность, которой достигла биосфера в осуществлении химических
реакций, намного превосходит возможности современных химических
лабораторий.
По мнению В.И.Вернадского, если бы не прекратилась жизнь «… старые,
нам известные тела (минералы) безвозвратно исчезли бы. С исчезновением
жизни не оказалось бы земной поверхности силы, которая могла бы давать
непрерывно начало новым химическим соединениям. На ней неизбежно
установилось бы химическое равновесие, химическое спокойствие
непрерывное начало новым химическим соединениям. На ней неизбежно
установилось бы химическое равновесие, химическое спокойствие…»
Химическое плодородие биологических форм жизни препятствует
свободному развитию неорганических процессов - по оценкам специалистов
в биосфере содержится сегодня около 2-х млн. органических соединений в
сравнении с 20 тыс. неорганических веществ.
Геофизическая концепция
С физической точки зрения биосфера трехфазна (твердая, жидкая и
газообразная). В соответствии с этим в биосфере выделяют три оболочки:
атмосферу - воздушную оболочку, литосферу - твердую оболочку и
гидросферу-водяную среду. Вода является составной частью всех
компонентов биосферы с одним из необходимых факторов существования
живых организмов, однако основная её часть-95% заключена в Мировом
океане.
Границы биосферы определяются областью распространения организмов в
атмосфере, гидросфере и литосфере. В атмосфере верхняя граница жизни
проходит примерно на высоте 20-22 км. над уровнем моря. Таким образом,
живые организмы рассеяны в тропосфере и нижних слоях стратосферы.
Лимитирующим фактором распространения жизни выше этих пределов
является нарастание ультрафиолетовой радиации. В океанах жизнь
проникает на всю глубину, что подтверждается обнаружением живых
организмов до глубины 10-11 км.. В литосфере область распространения
жизни определяется уровнем 7,5 км., хотя основная масса живых организмов
занимает всего несколько метров, обитая в основном в почве.
Термодинамическая концепция
В.И.Вернадский отмечал, что биосфера является динамической оболочкой
с температурой от +50 до-50 давлением около одной атмосферы. Эти условия
составляют границу жизни для большинства организмов. При этом
атмосфера характеризуется увеличением температуры по мере приближения
к поверхности Земли, в гидросфере с глубиной температура понижается, в
литосфере же, наоборот, повышается.
Живые организмы адаптированы к существованию в строго определенном
режиме. Особенно высока зависимость от температурного фактора у
растений и пойкилотермных животных. Наиболее совершенной
терморегуляцией обладают гомойотермные (птицы и млекопитающие). В
природе температура всегда колеблется и часто выходит за уровень,
благоприятный для жизни, что привело к возникновению у растений и
животных специальных приспособлений, ослабляющих неблагоприятное
действие таких колебаний.
Кибернетическая концепция
Согласно этой концепции, биосфера рассматривается как кибернетическая
система, в которой информационные сигналы управляют вещественноэнергетическими преобразованиями. Световые, температурные, химические
и другие информационные сигналы обеспечивают согласованность обмена
веществом и энергией живых организмов с окружающей средой в
соответствии с суточными и многолетними циклами. Будучи
кибернетической системой, биосфера отличается относительной
устойчивостью. Известно, что любая кибернетическая система только тогда
обладает устойчивостью для блокирования внутренних и внешних
возмущений, когда имеет достаточное внутреннее разнообразие. Биосфера
как система обладает достаточным разнообразием составляющих её
компонентов.
Биосфера, будучи дискретной системой, состоящей из различных
биогеоценозов, имеет широкий выбор вариантов для приспособления всех
форм жизни к различным условиям существования. Биогеоценоз как
подсистемы биосферы функционируют, как и вся биосфера, в соответствии с
информационными сигналами по принципу положительных и отрицательных
обратных связей.
В биосфере действуют мощные гомеостатические механизмы как в
основных газовых и минеральных циклах биотического круговорота,
способствующих успешному развитию жизни, так и в поддержании
определённых климатических условий, необходимых для продолжения и
распространения жизни.
Социально-экономическая концепция
В течение длительного периода, когда человек находился еще в животной
стадии, он выполнял в природе функцию естественного экологического
фактора в роли консумента растительной и животной продукции и всецело
подчинялся законам природы. однако, с появлением человека разумного это
положение коренным образом изменилось: став существом биосоциальным,
человек вырвался из-под непосредственного давления экологических
закономерностей и стал существенной, по В.И.Вернадскому, геохимической
силой планеты. При этом сила антропогенного влияния на природу со
временем стала сопоставима с важнейшими силами природы, отставая от них
на 1-2 порядка.
По мере того, как человечество рассеялось по планете и осваивало
различного рода ремесла и земледелие, появилась так называемая
техносфера, которая прошла три основные стадии: Наиболее раннюю, когда
строительным материалом было дерево, а источником энергии - вода; во
второй стадии преобладали железо и уголь. В начале ХХ столетия стали
использоваться сплавы металлов и электроэнергия (3-я стадия). В настоящее
время прогнозируется четвертая стадия в развитии техносферы - стадия
биотехники, т.е. техники, основанной на законах биологии. Движение по
этому пути началось с создания ЭВМ по модели головного мозга человека.
Далее, по мнению В.И.Вернадского, наступит черёд ноосферы-создания
разумного начала, способного объединить биосферу и техносферу в одно
органичное целое.
Техносфера, изначально существующая за счет биосферы, стала
развиваться по своим собственным законам, все чаще вступая в конфликт с
эволюционными тенденциями биосферы. Нарушение экологических законов
биосферы проявляется в следующем: 1)превышение меры присвоения
ресурсов, подрывающее их естественное воспроизводство; 2)разрушение
экосистем и ландшафтов, превращение их в экосистемы с крайне низкой и
даже нулевой продуктивностью; 3)загрязнение биосферы неразлагающимися
или трудноразлагающимися токсичными отходами производства,
транспорта, быта; 4)разрыв циклических путей превращения веществ в
производстве, производящий к непредсказуемым, необратимым и опасным
для системы последствиям; 5)высокая концентрация производства при
ультравысокой плотности людей в крупных городах мегаполисах).
Таким образом, с биологической точки зрения человечество, само являлось
продуктом биосферы. Проявило себя как вид, «приносящий бедствия»,
поскольку оказался неспособным ни поддерживать равновесие между
масштабами своей хозяйственной деятельности и количеством отходов
производства, ни ограничить постоянный рост народонаселения.
Разрабатывая свою теорию, В.И.Вернадский видел в ноосфере
неотъемлемые черты самой биосферы и новый этап её эволюционного
развития, на котором происходит разумное регулирование отношений между
человеком и природой. Ноосфера будущего должна выступить в качестве
фактора, устраняющего конфликт между биосферой и техносферой, где
человечество возьмет на себя роль творческого помощника и представителя
интересов эволюции. Растущее противоречие между техносферой и
биосферой может быть преобразовано в сотрудничество за счет установления
человеком в масштабах земной биосферы разумного порядка между
развивающейся техносферой и своим собственным биологическим видом с
его постоянно растущей численностью. Историческая необходимость
участвовать в создании ноосферы будущего представляет чрезвычайно
жесткие требования к поведению каждого жителя нашей планеты. Кроме
того, необходимо найти механизмы научного подхода в реализации
поставленной цели. А пока что, по мнению многих специалистов,
современное состояние биосферы таково, что его можно сравнить с
балансированием на грани между эволюционной трансформацией биосферы
и сохранением в ней человека и положением, которое грозит полным
исчезновением человека в силу разрушения биосферы. Человечество может
пасть жертвой разрушительного воздействия на все оболочки биосферы и
неконтролируемого роста народонаследования.
В любом случае срок жизни биосферы ограничен и в лучшем случае равен
продолжительности существования Солнца. Однако, есть надежда, что
молодые её ростки будут отправлены в космическое пространство для
освоения новых районов Вселенной.
Литература:
1.Дж.Аллен, М.Нельсон. Космические биосферы. Пер.с англ. М.: Прогресс –
1991.
2. В.А.Барабай, И.Н.Димант. Социально – биологические и экологические
проблемы человека. Ташкент: Медецина – 1989.
3.Ф.Дре. Экология. Пер. с фран. проф.В.В.Алпатова. М.:Политиздат – 1976.
4.В.А.Лось. Человек и природа. Социально – философские проблемы
экологических проблем. М.:Политиздат – 1978.
5.Д.П.Никитин, Ю.В.Новико. Окружающая среда и человек. Учебное
пособие для студентов вузов. М.:Высшая школа – 1986.
6.Ю.П.Ожегов, Е.В.Никонорова. Экологический импульс: проблемы
формирования экологической культуры у молодежи. м.:Молодая гвардия 1990.
7.Н.Ф.Райменс. Экология. Теории. законы правила, принципы. гипотезы.
М.:Россия молодая – 1994.
8. А.М. Сердюк. Непростые вопросы человечества. Научно – технический
прогресс. здоровье человека, экология. М.:Политиздат – 1088.
9. Ю.А. Школенко. Эта хрупкая планета. М.:Мысль – 1988.
10.Экологические очерки о природе человека. Под редакцией Г.Ржишечка.
М.:Прогресс -1988.
Современные концепции структурно-функциональной организации биосферы
Методическое пособие для студентов 1-го курса СтГМА.
Издание 2-е, дополненное
Составители: д.м.н., проф. А.Б. Ходжаян,
к.м.н., доц. Н.Н.Федоренко,
к.м.н., доц. Л.А. Краснова
ЛР №020326 от 20января 1997г.
Сдано в набор 22.03.09. Подписано в печать 22.03.09.Формат 60х901/16
Бумага типог. №1. Печать офсетная. Гарнитура офсетная. Усл. печ. л.3,3.
Уч.-изд.л. 3,5. Заказ 224. Тираж 100.
Ставропольская государственная медицинская академия,
355017, г.Ставрополь, ул. Мира,310.