44. Биосфера. Учение Вернадского о ноосфере.

Биосфе́ра (от греч. βιος — жизнь и σφαῖρα — сфера, шар) — оболочка Земли, заселённая живыми организмами, находящаяся под их воздействием и занятая продуктами их жизнедеятельности; «пленка жизни»; глобальная экосистема Земли.

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

Целостное учение о биосфере создал русский 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 всю гидросферу.

Верхняя граница в атмосфере: 15÷20 км. Она определяется озоновым слоем, задерживающим коротковолновое УФ-излучение, губительное для живых организмов.

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.

Нижняя граница в гидросфере: 10÷11 км. Она определяется дном Мирового Океана, включая донные отложения.

Биосферу слагают следующие типы веществ:

• 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 10−6 массы других оболочек 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.

• 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.

• Косное вещество — в образовании которого жизнь не участвует; твердое, жидкое и газообразное.

• 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.

• Вещество, находящееся в радиоактивном распаде.

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

• Вещество космического происхождения.

Ноосфе́ра (греч. νόος — «разум» и σφαῖρα — «шар») — сфера взаимодействия общества и природы, в границах которой разумная человеческая деятельность становится определяющим фактором развития (эта сфера обозначается также терминами «антропосфера», «социосфера», «биотехносфера»). Ноосфера — новая, высшая стадия эволюции биосферы, становление которой связано с развитием человеческого общества, оказывающего глубокое воздействие на природные процессы. Согласно Вернадскому, «в биосфере существует великая геологическая, быть может, космическая сила, планетное действие которой обычно не принимается во внимание в представлениях о космосе… Эта сила есть разум человека, устремленная и организованная воля его как существа общественного»

В ноосферном учении Человек предстаёт укоренённым в Природу, а «искусственное» рассматривается как органическая часть и один из факторов (усиливающийся во времени) эволюции «естественного». Обобщая с позиции натуралиста человеческую историю, Вернадский делает вывод о том, что человечество в ходе своего развития превращается в новую мощную геологическую силу, своей мыслью и трудом преобразующую лик планеты. Соответственно, оно в целях своего сохранения должно будет взять на себя ответственность за развитие биосферы, превращающейся в ноосферу, а это потребует от него определённой социальной организации и новой, экологической и одновременно гуманистической этики.

Ноосферу можно охарактеризовать как единство «природы» и «культуры». Сам Вернадский говорил о ней то как о реальности будущего, то как о действительности наших дней, что неудивительно, поскольку он мыслил масштабами геологического времени. «Биосфера не раз переходила в новое эволюционное состояние… — отмечает В. И. Вернадский. — Это переживаем мы и сейчас, за последние 10—20 тысяч лет, когда человек, выработав в социальной среде научную мысль, создаёт в биосфере новую геологическую силу, в ней не бывалую. Биосфера перешла или, вернее, переходит в новое эволюционное состояние — в ноосферу — перерабатывается научной мыслью социального человека» («Научная мысль как планетное явление»). Таким образом, понятие «ноосфера» предстаёт в двух аспектах:

ноосфера в стадии становления, развивающаяся стихийно с момента появления человека;

ноосфера развитая, сознательно формируемая совместными усилиями людей в интересах всестороннего развития всего человечества и каждого отдельного человека

"Ноосфера" - наука о человеке, который является неотъемлемой частью биосферы. Считать, что есть биосфера сама по себе и ноосфера сама по себе неверно. Нет смысла в этом вопросе ссылаться на Вернадского, так как последний хоть и сделал очень многое в этом направлении, но не сумел ответить на основные моменты в изучении явления жизни на Земле. Так, Вернадский не смог определиться с вопросом возникновения жизни на Земле, тем более не определился он и с происхождением человека. Изменения, которые происходят в биосфере, которые наблюдал Вернадский и еще в большой мере наблюдаем мы, изменения которые в большой частью совершаются руками человека, то что Вернадский называл "новой геологической силой"- закономерный процесс накопления материи Солнца на Земле, в этом процессе принимает участие вся биосфера, человек - последнее звено в этой цепи превращения материи Солнца в вещество Земли.Социальный человек - именно его должна изучать такая наука как ноосфера - в состоянии контролировать этот процесс, тогда как сегодня, социальный человек 21 века, не только не осознал свою роль в этом процессе, он своими действиями готов нарушить этот процесс не думая о том, что это приведет к его гибели и гибели жизни на Земле. Об этом можно прочесть в книге "О разуме человека" .

45-46. Термодинамика сложных открытых неравновесных систем. Школа И. Пригожина. Самоорганизация сложных систем и локальное убывание энтропии. Диссипативные структуры.

Познание природы предполагает изучение каждой формы материи в отдельности. К настоящему времени выделены следующие формы неживой материи: вакуум, поля, элементарные частицы, ядра атомов, атомы, молекулы, макротела, планеты и планетные системы, звезды, галактики, Вселенная. Эти формы обладают признаком иерархической системы:

Каждая последующая структурная форма является более сложной, т.к. включает в качестве составной части предыдущую, более простую форму, причем при переходе от менее сложных к более сложным формам появляются качественно новые свойства.

Так, из элементарных частиц образуются атомы, которые обладают качественно новым свойством – способностью к химическому взаимодействию с образованием молекул. Атомы объединяются в макротела, которые также приобретают качественно новые свойства, например упругость. Живым организмам, состоящим из молекул, присущи свойства, которых нет у других материальных форм. Наиболее сложной из известных материальных структур является человеческое общество (социум).

Структурное разнообразие в природе можно рассматривать как результат последовательно происходящих в ней качественных изменений. Описание процессов возникновения качественно новых структур связано с переходом к эволюционной парадигме, основанной на взглядах Дарвина. Существенной особенностью эволюционного естествознания является:

• Рассмотрение многообразия и иерархичности материальных структур как закономерного результата всеобъемлющего эволюционного процесса;

• Поиск закономерностей, единых для всех разнообразных процессов развития – фундаментальных законов эволюции.

Неравновесные термодинамические системы

Второе начало термодинамики описывает эволюцию изолированных систем как изменение, связанное с возрастанием энтропии, т.е. переходом от упорядоченных состояний к хаотичным, от сложного к простому. Такая направленность эволюции противоположна направленности эволюционных процессов в биологии. Возникшее кажущееся противоречие было снято с появлением неравновесной термодинамики, исследующей необратимые процессы в неравновесных открытых системах. Это такие системы, в которых неравновесное состояние поддерживается стационарно притоками энергии и вещества извне. В неравновесной термодинамике определяются условия, при которых энтропия открытых систем может убывать, что означает возрастание упорядоченности в таких системах, формирование в них новых структур.

Идеи неравновесной термодинамики, выдвинутые бельгийским (впоследствии американским) физиком и химиком российского происхождения Ильей Романовичем Пригожиным (1917 – 2003), лауреатом Нобелевской премии 1977 г., послужили основой принципиально нового подхода в объяснении возникновения упорядоченных структур как в физике и химии, так и в биологии. Эволюция сложных природных неравновесных систем рассматривается как процесс самоорганизации в них. Самоорганизация означает образование в системе определенной упорядоченной структуры без внешнего организующего воздействия.

Самые важные выводы были получены термодинамикой в отношении сильнонеравновесных систем. Подобные системы описываются нелинейными дифференциальными уравнениями, имеющими, вообще говоря, не единственное решение. Каждое решение соответствует определенному типу поведения системы. При возрастании т.н. термодинамических сил, характеризующих неравновесность системы (например, градиенты температуры или концентрации вещества) состояние неравновесной системы теряет устойчивость. Это означает, что малые вариации условий могут повлечь за собой резкое изменение состояние системы. При этом возрастает роль флуктуаций, возникающих благодаря неконтролируемому воздействию извне. В равновесных системах флуктуации релаксируют и исчезают, в неравновесных системах флуктуации могут разрастаться, создавая новый тип поведения. При этом наблюдается когерентное (согласованное) поведение различных элементов системы, приводящее к созданию новой стационарной структуры, существующей лишь в неравновесных условиях.

Пример – ячейки Бернара, упорядоченные конвективные структуры в слое жидкости, перпендикулярно которому направлен достаточно мощный и однородный тепловой поток. При этом флуктуация разрастается на всю систему, в ней устанавливается определенный порядок, в когерентное движение вовлекается больше 1000 частиц.

Неравновесные стационарные структуры отличаются от равновесных структур (например, кристаллов). Структуры, возникающие как результат самоорганизации в сильнонеравновесных системах, называются диссипативными, поскольку они существуют лишь за счет достаточно больших потоков энергии извне и способствуют эффективному рассеянию (диссипации) энергии. Они образуются в короткий промежуток времени в результате быстрой качественной перестройки системы, напоминающей фазовый переход (смену агрегатного состояния).

На рисунке показана диаграмма, качественно отображающая смену термодинамических ситуаций по мере увеличения в ней некоторого потока некоторой термодинамической силы (перепада температуры, давления и др.).

В нулевой точке система находится в равновесном состоянии. При появлении движущей силы и возрастании потока система становится неравновесной. Вблизи нуля (область 1) система слабонеравновесна, линейна и детерминирована. Возникающие в ней флуктуации затухают.

При достижении движущей силой достаточного большого значения система меняет свое поведение, становится нелинейной (область 2), все более заметную роль начинают играть флуктуации.

Образование упорядоченных структур происходит в области 3, где система становится неустойчивой. Флуктуации не гасятся, а усиливаются за счет обратных связей в системе и захватывают всю систему. Вместо одного варианта развития возможно несколько новых. Поскольку флуктуации возникают случайно, то и выбор системой одного из новых вариантов своего поведения непредсказуем.

Состояние, при котором в сильнонеравновесной и неустойчивой системе происходит переход к новому типу поведения, называется точкой бифуркации. Выбор нового варианта поведения носит вероятностный характер, что делает процесс эволюции системы принципиально необратимым. После осуществления выбора поведение системы на некотором отрезке (область 3) становится прогнозируемым. Таким образом, в поведении открытой сильнонеравновесной системы сочетаются случайность и детерминированность.

При дальнейшем увеличении движущих сил возникают новые бифуркации и ветвления (область 4). Системы, в которых бифуркации множественны, в ходе эволюции достигают такой степени запутанности поведения, что сложность становится беспорядком.

Процессы упорядочения и закон возрастания энтропии.

Когда система находится в неравновесном состоянии, и нет внешнего воздействия, то возникающие процессы переноса приводят систему в состояние ТД равновесия в соответствии с законом возрастания энтропии. Если же состояние неравновесно, и процессы переноса достаточно интенсивны, то на фоне общего стремления к равновесию могут возникать подсистемы, в которых энтропия локально убывает, а упорядоченность возрастает. В изолированной системе локальное уменьшение энтропии является временным, в открытой системе возможно возникновение стабильных диссипативных упорядоченных структур.

Локальной понижение энтропии, соответствующее локальной упорядоченности, обычно ничтожно мало по сравнению с суммарным увеличением энтропии системы в целом. Рождение локальных упорядоченных структур приводит к ускорению общего увеличения энтропии.

Необходимо отметить, что процесс образования упорядоченных структур в сильнонеравновесных системах неизбежен, он отражает стремление системы перейти к равновесному состоянию. Упорядоченные структуры реагируют на изменение внешних условий более чутко и разнообразно. Они могут легко разрушаться или превращаться в новые структуры. Нередко образование новой структуры невозможно без наличия предыдущей. В этом случае изменение состояний системы при изменении условий ее существования представляет собой однонаправленный процесс смены в ней одного порядка а другой, т.е. эволюцию .

В результате эволюции возникают новые упорядоченные системы, которые заменяют собой старые, когда происходит изменение внешних условий. Эти изменений могут быть вызваны, в том числе, и существованием данной упорядоченной подсистемы. В этом случае появляется основа для развития иерархических упорядоченных структур: на базе упорядоченность первого порядка возникает следующая, на базе упорядоченности второго порядка – упорядоченность третьего порядка и т.д., причем структуры высоких порядков должны приобретать качественно новые свойства, например, обратные связи, управляющие изменениями и упорядоченных структурах.

Таким образом, в случае достаточно мощных и длительных потоков через неравновесные системы появляется возможность (а в определенном смысле – необходимость) для самопроизвольного возникновения и развития локальной упорядоченности. При этом неустойчивость остается их характерным свойством.

Проведенный термодинамический анализ показывает, что явления, соответствующие эволюции живой природы, могут наблюдаться в любых сильнонеравновесных системах.

Природа полна проявлений самоорганизации в различных открытых неравновесных системах: в масштабе Вселенной самоорганизация проявилась в эволюции космологических систем; при формировании геологического облика Земли – в геологической эволюции; живые организмы, биологические виды и популяции представляют собой открытые системы, далекие от равновесия. К процессам самоорганизации относятся корпоративное поведение насекомых, регенерация живых тканей, вся жизнь на Земле, а также ее возникновение.

Необходимо отметить, что проблема возникновения жизни составляет предмет исторической дискуссии между естествознанием и религией. Эволюционная теория достаточно хорошо описывает развитие жизни, но не ее зарождение. Согласно равновесной термодинамике вероятность флуктуаций, приводящих к образованию высокоорганизованного белкового вещества из неорганической среды, чрезвычайно мала. Неравновесная термодинамика, наоборот, предполагает зарождение жизни не только принципиально возможным, но и необходимым. Жизнь представляется как высшее на данный момент проявление происходящей в природе самоорганизации.

Многообразие проявлений самоорганизации и возможность их исследования на основе единых принципов привели к развитию нового научного направления, названного синергетикой.

Эволюция и стрелы времени.

С понятием эволюции тесно связано понятие времени как возраста природных систем. В рамках эволюционной концепции для любого объекта необходимо рассматривать рождение (самоорганизация), развитие (смена упорядоченных форм) и распад (переход к неупорядоченному равновесному состоянию). Последовательность этих стадий задает стрелу времени.

Различным иерархическим уровням организации материи соответствует различный масштаб шкалы времени. Направленность же стрелы времени едина и определяется сутью процессов эволюции. Эволюционные процессы необратимы, необратимо и время.

В различных науках о природе эволюционные представления о природе формировались достаточно независимо, поэтому выделяют биологическую стрелу времени (развитие живых организмов), геологическую стрелу времени (формирование Земли), гелиологическую стрелу времени (возникновение и эволюция Солнечной системы), и наконец космологическую стрелу времени (эволюция Вселенной). При этом эволюционные процессы всех подсистем Вселенной можно рассматривать как составляющие единого эволюционного процесса. По мере расширения и остывания Вселенной происходит последовательный рост разнообразия и сложности форм материи.

Приведенная схема является, по сути, бифуркационной структурой. В точках бифуркации возникают новые материальные структуры, имеющие свою стрелу времени. Такое представление демонстрирует единство всего материального мира, а также увеличение разнообразия и сложности создаваемых Природой материальных объектов.