Вчення академіка В.І.Вернадського про біосферу

 

У розвитку екології як науки велику роль відіграв видатний учений-енциклопедист, засновник і перший президент Академії наук України, академік В.І. Вернадський. Однією з центральних проблем його вчення була теорія переходу біосфери у ноосферу – сферу розуму (проблема людини, її всебічного розвитку в умовах перетворення планетарного і космічного середовища, збереження здоров’я, удосконалення психофізіологічних ресурсів і можливостей). Вчення академіка про біосферу (1926 р.), якій надає специфічної організованості жива речовина, про перебудову біосфери у ноосферу по мірі розвитку людської діяльності і впровадження у практику досягнень наукових знань, набуває особливої актуальності як основа фундаментального підходу до комплексних екологічних проблем.

В.І. Вернадський розглядав живу речовину як особливе явище у планетарному і космічному масштабах, характеризував її взаємозв’язки з космічними силами. Важливе значення має висловлювання вченого про те, що земна оболонка, біосфера, що обіймає всю земну кулю, має чітко обмежені розміри: у значній мірі вона зумовлена існуванням в ній живої речовини – нею заселена. Між неживою частиною, природними тілами та живими речовинами, що її населяють, йде безперервний обмін. Він матеріально відбувається у русі атомів, які теж викликаються живою речовиною.

Основні положення теорії про біосферу

1) За визначенням академіка: біосфера – зовнішня оболонка (сфера) земною кулі, що зайнята живими речовинами, які діють як геологічна сила, що формує вигляд Землі.

2) Біосфера включає в себе живі організми планети та елементи неживої природи, що складають середовище їх існування. Товща біосфери не перевищує 40 км. Границі біосфери: нижня частина атмосфери (до висоти 20 км), поверхню Землі та верхній шар літосфери (до глибини 5 км), всю гідросферу (до глибини 12 км).

3) Основою взаємозв’язку речовин природи є міграція хімічних елементів літосфери, гідросфери, атмосфери і біосфери в цілому. Провідне значення має міграція елементів, пов’язана з утворенням рослинного покриву та розкладом мертвих залишків організмів, тобто обмін речовин між живими організмами та середовищем їх життя,

4) Міграція хімічних елементів в ландшафтах, в основному, визначається двома протилежними процесами:

– утворенням живої речовини з елементами оточуючого середовища, що відбувається за рахунок сонячної енергії;

– розпадом органічних речовин, що супроводжується виділенням енергії, внаслідок чого елементи переходять з органічних сполук в мінеральні.

5) Складні взаємозв’язки, ще існують між компонентами екосистем, створювались століттями, завдяки чому підтримуються в них життєві процеси. Тому система функціонує як динамічний природний комплекс, якому властиві саморегуляція, стійкість, опір.

Кількість можливих зв’язків в екосистемі між її членами визначається за формулою: А=N*(N-1)/2, де А – число зв'язків; N – число видів у екосистемі.

6) Зміна людиною однієї чи декількох елементів в екосистемі обумовлює певні перебудови в ній, завдяки чому поновлюється рівновага в системі. Дуже важливим є те, ще при господарському використанні екосистем необхідно вірно підтримувати історично відпрацьовані складні взаємозв’язки між середовищем та компонентами екосистем, щоб не порушити потенційну можливість до саморегуляції.

Функції живої речовини

У 1928-1931рр. академік сформулював найважливіші біогеохімічні функції живої речовини:

– енергетична функція – пов’язана з накопиченням енергії в процесі фотосинтезу, передавання її по ланцюгу живлення та розсіюванням

– газова функція – це здатність змінювати і підтримувати певний газовий склад середовища проживання (більшість звичайних газів атмосфери – О2, СО2, Н2, СН4– мають біогенне походження).

– концентраційна функція – речовини сконцентровані завдяки діяльності живих істот (карбон – у вугіллі, торфі, нафті; Са – у вапні та інших речовинах);

– окисно-відновна функція – пов’язана з інтенсифікацією під впливом живої речовини процесів окиснення, завдяки збагаченню середовища киснем, так і відновлення, насамперед у тих випадках, коли відбувається розкладання живих речовин за дефіциту кисню (окиснення і відновлення Fe, Mn, S бактеріями);

– змінна функція, завдякибіохімічній та біогеохімічній діяльності людини;

– транспортна функція – пов’язана з перенесенням речовини та енергії в результаті активного руху організмів;

– деструктивна функція – це руйнування організмами та продуктами їх життєдіяльності, в тому числі і після смерті, як решток органічної речовини, так і косної речовини. Основний механізм пов’язаний з колообігом речовин;

– середовищеутворювальна функція – утворення середовища життя живих організмів;

– споживально-відтворювальна функція – визначає швидкість (інтенсивність)процесів життя живої речовини біосфери;

– розсіювальна функція – виявляється через трофічну і транспортну діяльність організмів та в процесі здійснення антропогенних ресурсних циклів;

– інформаційна функція – виражається в тому, що живі організми та їх співтовариства накопичують певну інформацію, закріплюють її в спадкових структурах і потім передають наступним поколінням.

Крім того, згідно вчення живій речовині притаманні і наступні функції:

– здатність швидко освоювати вільний простір;

– рух: пасивний – під дією гравітаційних сил тощо, активний – наприклад, проти течії води, сил гравітації, повітряного потоку;

– стійкість за життя і швидке розкладання після смерті;

– висока здатність пристосовуватись до різних умов тощо;

– надзвичайно велика швидкість перебігу реакцій в живій матерії, ніж в неживій;

– висока швидкість оновлення.

Склад і особливості біосфери

Згідно вчення В.І. Вернадського, біосфера складається з декількох компонентів, найважливішими з яких є:

1) жива речовина (рослини, тварини, мікроорганізми);

2) біогенна речовина – органічні та органомінеральні продукти, створені живими організмами; розрізняють:

– фітогенні – що складаються з рослинних залишків (кам’яне вугілля, бітум, горючі гази, нафта, торф, ґрунтовий гумус);

– зоогенні – ті, що складаються із залишків тваринних організмів (крейда, вапняк та інші осадові породи).

3) нежива (косна) речовина – гірські речовини – гірські породи магматичного, неорганічного походження, що створюють земну кору, і вода;

4) біокосні речовини – продукти розкладу та переробки гірських та осадових порід живими організмами: осадові породи, ґрунти, мули тощо;

5) радіоактивне, електромагнітне та інші види випромінювання; космічна речовина (метеорити тощо).

Ці речовини утворюються в результаті взаємодії живих організмів з неживою природою (нижні шари атмосфери, осадочні породи, глинисті мінерали, ґрунт тощо). Наприклад, ґрунт має, в середньому, 93% мінеральних та 7% органічних (живих та біогенних) речовин.

Біосфера як середовище життя живих організмів складається з атмосфери, гідросфери та літосфери. Саме завдяки живим організмам та сонячної енергії відбуваються наЗемлі два кругообіги: біологічний, або малий, та геологічний, або великий. Обидва вони взаємопов’язані та представляють єдиний процес.

Еволюція біосфери

Близько 5 млрд. років тому сформувалась літосфера (вік найдавніших порід – 4,5 млрд. років). Первинний океан (гідросфера) виник, можливо, близько 4 млрд. років тому, бо найдавніші осадочні періоди, утворення яких можливе тільки у воді, мають вік 3,9 млрд. років. Спочатку на Землі розвивались тільки без’ядерні організми. У шарах віком 3,8 млрд. років уже знаходять сліди існування мікроскопічних форм життя. Вапняки архейської ери – результат їхнього бурхливого розвитку. 3 млрд. років тому температура повітря досягала +70 °С. Лише бактерії і ціанеї (синьозелені водорості) могли існувати за таких умов. Саме ціанеї були здатні до фотосинтезу. Пізніше виникли сукаріоти – ядерні організми, потім колоніальні джгутикові. Вважають, що 1,6-1,5 млрд. років тому з’явились багатоклітинні тварини, а 1,3-1,5 млрд. років тому – багатоклітинні рослини. Завдяки фотосинтетичній діяльності зелених рослин, кількість кисню в атмосфері постійно зростала. 1 млрд. років тому розпочалась дивергенція багатоклітинних тварин. Кисню в атмосфері на той час було вже 1% від теперішньої кількості. Близько 650 млн. років тому вміст СО2в океанічній воді зменшився, рН води досягла 7. За цих умов стало можливим життя карбонатів, що сприяло появі скелета у безхребетних тварин. У цей час спостерігається своєрідний «біологічний вибух» – у відкладах знаходять майже всі типи тварин.

0,5 млн. років тому з’явились перші безщелепні і перші панцирні риби, а також перші наземні рослини – псилофіти. Озоновий екран Землі виник приблизно 400 млн. років тому, коли атмосфера мала 10% О2від сучасного рівня. Виникнення озонового шару дало можливість живим організмам освоїти сушу, почалося інтенсивне засвоювання її рослинами і тваринами. Перші амфібії з’явились близько 400 млн. років тому, рептилії і крилаті комахи – 350 млн. років тому, пізніше – покритонасінні і ссавці. Кліматична зональність виникла близько 135 млн.років тому. Перші примітивні примати виникли 70-65 млн. років тому, а перші мавпи – 50-40 млн. років тому, людина – 3,0-2,6 млн. років тому. Перше плейстоценове зледеніння мало місце – 1,8-0,7 млн. років тому, друге – 0,5-0,3 млн. років тому, третє – 0,2-0,1 років тому, а останнє 65-10 тис. років тому.

Людина розумна виникла 70-50 тис. років тому. 3 тисячі років тому виникла сучасна цивілізація, більше 300 років тому – епоха індустріалізації.

 

Основні екологічні закони

1) Закон біогенної міграції атомів (або закон В.І. Вернадського): міграція хімічних елементів на земній поверхні та в біосфері в цілому здійснюється під переважаючим впливом живої речовини, організмів.

2) Закон внутрішньої динамічної рівноваги: речовина, енергія, інформація, динамічні якості окремих природних систем і їх ієрархії дуже тісно пов’язані між собою, так що будь-яка зміна одного з показників неминуче призводить до функціонально-структурних змін інших, але при цьому зберігаються загальні якості системи – речовинно-енергетичні, інформаційні та динамічні.

Слід зазначити, що незначна зміна одного показника може спричинити сильні відхилення в інших і в усій екосистемі.

3) Закон генетичної різноманітності: все живе генетично різне і має тенденцію до збільшення біологічної різноманітності (н-д, виникаючі мутації тощо).

4) Закон історичної необоротності: розвиток біосфери і людства як цілого не може відбуватися від пізніших фаз до початкових, загальний процес розвитку однонаправлений.

5) Закон константності (сформульований В.І. Вернадським): кількість живої речовини біосфери (за певний геологічний час) є величина постійна.

6) Закон кореляції (закон Ж. Кюв’є): в організмі, як цілісній частині, всі його частини відповідають одна одній як за будовою, так і за функціями. Зміна однієї частини неминуче викликає зміни в інших.

7) Закон максимізації енергії (закон Одума-Реймерса): у конкуренції з іншими системами зберігається та з них, яка найбільше сприяє надходженню енергії та інформації і використовує максимальну їх кількість найефективніше.

8) Закон максимуму біогенної енергії (закон Вернадського-Бауера): будь-яка біологічна та «біонедосконала» система з біотою, що перебуває в стані «стійкої нерівноваги» (динамічно рухливої рівноваги з довкіллям), збільшує, розвиваючись, свій вплив на середовище. Цей закон є основою для розробки стратегії природокористування.

9) Закон мінімуму (закон Лібіха): стійкість організму визначається найслабшою ланкою в ланцюзі його екологічних потреб. Якщо кількість і якість екологічних факторів близькі до необхідного мінімуму організму, він виживає, якщо менші за цей мінімум, організм гине, екосистема руйнується.

10) Закон обмеженості природних ресурсів: усі природні ресурси в умовах Землі вичерпні.

11) Закон однонаправленості потоку енергії: енергія, яку одержує екосистема і яка засвоюється продуцентами, розсіюється або разом з їх біомасою необоротно передається консументам 1-го, 2-го, 3-го та інших порядків, а потім редуцентам, що супроводжується втратою певної кількості енергії на кожному трофічному рівні в результаті процесів, що супроводжують дихання.

12) Закон оптимальності: ніяка система не може звужуватись або розширюватись до безкінцевості.

13) Закон піраміди чисел (закон Р. Ліндемана): з одного трофічного рівня екологічної піраміди на інший переходить у середньому не більше 10% енергії.

14) Закон рівнозначності умов життя: всі природні умови середовища, необхідні для життя, відіграють рівнозначні ролі.

15) Закон розвитку довкілля: будь-яка природна система розвивається лише за рахунок використання матеріально-енергетичних і інформаційних можливостей середовища. Абсолютно ізольований розвиток (саморозвиток) – неможливий.

Наслідки цього закону:

– абсолютно безвідхідне виробництво неможливе;

– будь-яка більш організована біотична система (високоорганізована) у своєму розвитку є потенційною загрозою для менш організованих систем. Тому, в біосфері Землі неможливе повторне зародження життя – воно буде знищено вже існуючими організмами.

– біосфера Землі як система розвивається за рахунок внутрішніх і космічних ресурсів

16) Закон зменшення енерговіддачі в природокористуванні: у процесі одержання з природних систем корисної продукції з часом (у історичному аспекті) на її виготовлення, в середньому, витрачається дедалі більше енергії (зростають енергетичні витрати на одну людину). Нині витрати енергії на одну людину за добу майже в 60 разів більші, ніж у часи наших далеких предків (кілька тисяч років тому).

17) Закон сукупної дії природних факторів (закон Мітчерліха-Тінемана-Баулє): обсяг урожаю залежить не від окремого фактора, а від усієї сукупності екологічних факторів одночасно.

18) Закон толерантності (закон Шелфорда): лімітуючим фактором процвітання організму може бути як мінімум так і максимум екологічного впливу, діапазон між якими визначає ступінь витривалості (толерантності) організму до даного фактора. Відповідно до закону, будь-який надлишок речовини чи енергії в екосистемі стає її ворогом, забруднювачем.

19) Закон ґрунтостомлення (закон зменшення родючості): поступове зниження природної родючості ґрунтів відбувається через тривале їх використання і порушення природних процесів ґрунтоутворення, а також внаслідок тривалого вирощування монокультур (в результаті накопичення токсичних речовин, що виділяються рослинами, залишків пестицидів, міндобрив).

20) Закон фізико-хімічної єдності живої речовини (закон В.І. Вернадського): уся жива речовина на Землі мав єдину фізико-хімічну природу.

21) Закон екологічної кореляції: в екосистемі, як і в будь-якій іншій, всі види живої речовини і абіотичні екологічні компоненти функціонально відповідають одне одному. Випадіння однієї частини системи (виду) неминуче призводить до вимикання пов’язаних з нею інших частин екосистеми і функціональних змін.

 

«Природа – це єдина книга з великим змістом на кожній сторінці...»

Й. Гете