Реферат: Естествознание как отрасль научного познания

В развитие биологии в XX в. большой вклад внесли русские ученые. Русская биологическая школа имеет славные традиции. Первая научная модель происхожде­ния жизни создана А.И. Опариным. В.И. Вернадский был учеником выдающегося почвоведа В.В. Докучаева, который создал учение о почве как своеобразной оболоч­ке Земли, являющейся единым целым, включающим в себя живые и неживые компоненты. По существу, учение о биосфере было продолжением и распространением идей Докучаева на более широкую сферу реальности. Развитие биологии в этом направлении привело к созда­нию экологии.

Значение учения о биосфере Вернадского для эколо­гии определяется тем, что биосфера представляет собой высший уровень взаимодействия живого и неживого и глобальную экосистему. Результаты Вернадского поэтому справедливы для всех экосистем и являются обобщением знаний о развитии нашей планеты.

Основные положения учения

Существует два основных определения понятия «био­сфера», одно из которых и дало начало применению дан­ного термина. Это понимание биосферы как совокупнос­ти всех живых организмов на Земле. В.И. Вернадский, изучавший взаимодействие живых и неживых систем, пе­реосмыслил понятие биосферы. Он понимал биосферу как сферу единства живого и неживого.

Такое толкование определило взгляд Вернадского на проблему происхождения жизни. Из нескольких вариан­тов (1) жизнь возникла до образования Земли и была за­несена на нее; 2) жизнь зародилась после образования Земли; 3) жизнь возникла вместе с формированием Зем­ли) Вернадский придерживался последнего и считал, что нет убедительных научных данных, что живое когда-либо не существовало на нашей планете. Жизнь оставалась в течение геологического времени постоянной, менялась только ее форма. Иными словами, биосфера была на Зем­ле всегда.

Под биосферой Вернадский понимал тонкую оболоч­ку Земли, в которой все процессы протекают под прямым воздействием живых организмов. Биосфера располагает­ся на стыке литосферы, гидросферы и атмосферы. В атмо­сфере верхние границы жизни определяются озоновым экраном — тонким (в несколько миллиметров) слоем озо­на на высоте примерно 20 км. Океан населен жизнью це­ликом до дна самых глубоких впадин в 10—11 км. В твер­дую часть Земли жизнь проникает до 3 км (бактерии в нефтяных месторождениях).

Занимаясь созданной им биогеохимией, изучающей распределение химических элементов по поверхности планеты, Вернадский пришел к выводу, что нет практиче­ски ни одного элемента из таблицы Менделеева, который не включался бы в живое вещество. Он сформулировал три биогеохимических принципа.

1.Биогенная миграция химических элементов в био­сфере всегда стремится к максимальному своему проявле­нию. Этот принцип в наши дни нарушен человеком.

2.Эволюция видов в ходе геологического времени, приводящая к созданию устойчивых в биосфере форм жизни, идет в направлении, усиливающем биогенную миграцию атомов. Этот принцип при антропогенном из­мельчании средних размеров особей биоты Земли (лес сменяется лугом, крупные животные — мелкими) начина­ет действовать аномально интенсивно.

3. Живое вещество находится в непрерывном химиче­ском обмене с окружающей его средой, создающейся и поддерживающейся на Земле космической энергией Солнца. Вследствие нарушения двух первых принципов космические воздействия из поддерживающих биосферу
могут превратиться в разрушающие ее факторы.

Данные геохимические принципы соотносятся со сле­дующими важными выводами Вернадского, 1. Каждый организм может существовать только при условии посто­янной тесной связи с другими организмами и неживой природой. 2. Жизнь со всеми ее проявлениями произвела глубокие изменения на нашей планете. Совершенствуясь в процессе эволюции, живые организмы все шире распро­странялись по планете, стимулируя перераспределение энергии и вещества.

Эмпирические обобщения Вернадского

1. Первым выводом из учения о биосфере является принцип целостности биосферы. «Можно говорить о всей жизни, о всем живом веществе как о едином целом в ме­ханизме биосферы» (Вернадский В.И. Биосфера...). Стро­ение Земли, по Вернадскому, есть согласованный меха­низм. «Твари Земли являются созданием сложного косми­ческого процесса, необходимой и закономерной частью стройного космического механизма». Само живое вещество не является случайным созданием.

Узкие пределы существования жизни — физические постоянные, уровни радиации и т.п. — подтверждают это. Как будто кто-то создал такую среду, чтобы жизнь стала возможна. Какие условия и константы имеются в виду? Гравитационная постоянная, или константа все­мирного тяготения, определяет размеры звезд, темпера­туру и давление в них, влияющие на ход реакций. Если она будет чуть меньше, звезды станут недостаточно горя­чими для протекания в них термоядерного синтеза; если чуть больше — звезды превзойдут «критическую массу» и обратятся в черные дыры. Константа сильного взаимо­действия определяет ядерный заряд в звездах. Если ее изменить, цепочки ядерных реакций не дойдут до азота и углерода. Постоянная электромагнитного взаимодейст­вия определяет конфигурацию электронных оболочек и прочность химических связей; ее изменение делает Все­ленную мертвой. Это находится в соответствии с антропным принципом, по которому при создании моделей развития мира следует учитывать реальность существо­вания человека.

Экология также показала, что живой мир — единая система, сцементированная множеством цепочек пита­ния и иных взаимозависимостей. Если даже небольшая часть ее погибнет, разрушится и все остальное.

2. Принцип гармонии биосферы и ее организованнос­ти. В биосфере, по Вернадскому, «все учитывается и все приспособляется с той же точностью, с той же механич­ностью и с тем же подчинением мере и гармонии, какие мы видим в стройных движениях небесных светил и начи­наем видеть в системах атомов вещества и атомов энер­гии».

3. Закон биогенной миграции атомов: в биосфере миграция химических элементов происходит при обязательном непосредственном участии живых организмов. Биосфера в основных своих чертах представляет один и тот же химиче­ский аппарат с самых древних геологических периодов. «На земной поверхности нет химической силы, более постоян­но действующей, а потому и более могущественной по сво­им конечным последствиям, чем живые организмы, взятые в целом... Все минералы верхних частей земной коры — свободные алюмокремниевые кислоты (глины), карбонаты (известняки и доломиты), гидраты окиси Fe и А1 (бурые железняки и бокситы) и многие сотни других — непрерывно создаются в ней только под влиянием жизни» (там же, с. 21). Лик Земли фактически сформирован жизнью.

4. Космическая роль биосферы в трансформации энергии. Вернадский подчеркивал важное значение энер­гии и называл живые организмы механизмами превраще­ния энергии. «Можно рассматривать всю эту часть живой природы как дальнейшее развитие одного и того же про­цесса превращения солнечной световой энергии в дейст­венную энергию Земли».

5. Космическая энергия вызывает давление жизни, которое достигается размножением. Размножение орга­низмов уменьшается по мере увеличения их количества. Размеры популяции возрастают до тех пор, пока среда мо­жет выдерживать их дальнейшее увеличение, после чего достигается равновесие. Численность колеблется вблизи равновесного уровня.

6.Растекание жизни есть проявление ее геохимичес­кой энергии. Живое вещество, подобно газу, растекается по земной поверхности в соответствии с правилом инер­ции. Мелкие организмы размножаются гораздо быстрее, чем крупные. Скорость передачи жизни зависит от плот­ности живого вещества.

7.Жизнь целиком определяется полем устойчивости зеленой растительности, а пределы жизни — физико-химическими свойствами соединений, строящих о организм, их неразрушимостью в определенных условиях среды. Максимальное поле жизни определяется крайними пре­делами выживания организмов. Верхний предел жизни обусловливается излучением, Присутствие КОТОРОГО уби­вает жизнь и от которого предохраняет озоновый щит.

Нижний предел связан с достижением высокой темпера­туры. Интервал в 433 "С (от —252 "С до +180 °С) является (по Вернадскому) предельным тепловым полем.

8.Всюдность жизни в биосфере. Жизнь постепенно, медленно приспосабливаясь, захватила биосферу, и захват этот не закончился. Поле устойчивости жизни есть ре­зультат приспособленности в ходе времени.

9.Закон бережливости в использовании живым веще­ством простых химических тел: раз вошедший элемент проходит длинный ряд состояний, и организм вводит к себя только необходимое количество элементов. Формы
нахождения химических элементов: 1) горные породы и минералы; 2) магмы; 3) рассеянные элементы; 4) живое вещество.

10.Постоянство количества живого вещества в био­сфере. Количество свободного кислорода в атмосфере того же порядка, что и количество живого веществ; (1,5х1О²¹ г и 10²⁰ —10²¹ г). Это обобщение справедливо в рамках значительных геологических отрезков времени, и оно следует из того, что живое вещество является посредником между_Солнцем и Землей, и, стало быть, либо его количество должно быть постоянным, либо должны меняться его энергетические характеристики.

11.Всякая система достигает устойчивого равновесия, когда ее свободная энергия равняется или приближается к нулю, т.е. когда вся возможная в условиях сис­темы работа произведена.

12. Идея автотрофности человека. Автотрофными называют организмы, которые берут все нужные им для жизни химические элементы из окружающей их косной материи и не требуют для построения своего тела готовых соединений другого организма. Поле существования зе­леных автотрофных организмов определяется областью проникновения солнечных лучей. Вернадский сформу­лировал идею автотрофности человека, которая приобре­ла интересный поворот в рамках обсуждения проблемы создания искусственных экосистем в космических кораб­лях. Простейшей такой экосистемой будет система «че­ловек — 1 или 2 автотрофных вида». Но данная система является неустойчивой, и для надежного обеспечения жизненных потребностей человека необходима многови­довая система жизнеобеспечения.

В создании искусственной среды в космических кораблях вопрос ставится так: каков минимум разно­образия, необходимый для заданной временной ста­бильности? Здесь человек начинает ставить задачи, про­тивоположные тем, которые он решал ранее. Создание таких искусственных систем явится важным этапом раз­вития экологии. В их построении соединяются инже­нерная нацеленность на создание нового и экологичес­кая направленность на сохранение имеющегося, твор­ческий подход и разумный консерватизм. Это и будет осуществлением принципа «проектирования вместе с природой».

Пока искусственная биосфера представляет собой очень сложную и громоздкую систему. То, что в природе функционирует само собой, человек может воспроизвес­ти только ценой больших усилий. Но ему придется это де­лать, если он хочет осваивать космос и совершать дли­тельные полеты. Необходимость создания искусственной биосферы в космических кораблях поможет лучше понять биосферу естественную.