Не тот Вернадский

В 1920 г. П.В.Врангель назначил профессора Симферопольского университета Вернадского (сына академика В.И.Вернадского) заведующим печатью. Он попросил симферопольского губернатора (А.А.Ладыженского) познакомить его с профессором. В этот день Врангель приехал с фронта. Губернатор явился на вокзал и доложил, что профессора привезли, что он был на экскурсии и его еле разыскали. Врангель «с удивлением увидел дряхлого старца, в пальто-разлетайке табачного цвета с длинными седыми волосами, в очках на сморщенном лиде». При попытке обсудить общественную жизнь Симферополя, профессор сказал, что он не в курсе дела. Врангель недоумевал. И только вошедший А.В.Кривошеий (премьер врангельского правительства Крыма) всплеснул руками: - «Это не тот Вернадский, это - отец.» Кстати, академик Вернадский, которого Врангель описал старичком, пережил генерала.

Автор: доцент Смагин А.В.

I. Организационно-методический раздел

Цель курса: олучение знаний о количественных закономерностях структурно-функциональной организации динамических биокосных систем Земли, методах их исследования и менеджмента.

Задачи курса: Обучение современным принципам и методам количественного описания почв и экосистем как сложных динамических биокосных единств. Моделирование пространственно-временной динамики, устойчивости, явлений самоорганизации в динамических биокосных системах. Формирование понятия о средообразующей роли живых организмов, биогенной организации и физических факторах плодородия и продуктивности биокосных систем. Обучение основам научно-обоснованного менеджмента и конструирования сложных систем, прогноза их реакции на внешние нагрузки.

Место курса в профессиональной подготовке выпускника. Спецкурс читается при подготовке магистров ф-та почвоведения МГУ после прослушивания основных вузовских курсов: Физика, Высшая математика, Почвоведение, Экология.

Требования к уровню освоения содержания курса. Слушатели должны иметь достаточный уровень подготовки по высшей математике (теория функций, дифференциальное и интегральное исчисление), общей физики, физической химии, почвоведения и экологии.

II. Содержание курса

Биогеофизика - наука о физических свойствах и процессах организации биокосных систем Земли. Предмет биогеофизики. Схема биокосной физической системы. Иерархические уровни организации биокосных систем. Специфика живого вещества с точки зрения современной физики. Масштабы средообразующей деятельности живого вещества на планете. Фундаментальные и прикладные задачи биогеофизики. История становления биогеофизического направления, связь с другими естественнонаучными дисциплинами.

Принципы количественного описания физических систем. Выделение границ биокосных объектов во времени и пространстве, понятие целостности. Показатели состояния биокосных систем, экстенсивные и интенсивные переменные. Связи между показателями состояния, их виды и способы формализации. Термодинамический (равновесный) и кинетический подходы к количественному описанию биокосных систем. Термодинамическое равновесие и стационарное состояние. Сложные динамические системы, множественность и относительная устойчивость стационарных состояний, понятие об аттракторах. Скорость и градиент - характеристики динамики состояний системы. Феноменологические уравнения переноса, явления сопряжения, соотношения Онзаггера.

Локальные процессы (функции « источник-сток »), потоки в системах, проводимости сред, граничные условия. Базовая модель функционирования физической биокосной системы. Потенциальные режимы функционирования (поведения во времени и пространстве). Внешняя и внутренняя организация (самоорганизация) динамических систем. Линейный анализ устойчивости стационарных состояний и потенциальных режимов функционирования системы на базе кинетических моделей. Аналитические и численные методы решений начально-краевых задач при моделировании динамических систем. Проблема экстраполяции, масштабирования и учета пространственной неоднородности биокосных систем, сочетание детерминистских и стохастических подходов при их количественном описании.

Состояние и динамика органического вещества в биокосных системах. Показатели состояния - концентрации и запасы органических веществ (ОВ). Запасы биомассы, гумуса, детрита в различных ландшафтах и природных зонах. Балансовые модели трансформации ОВ, потоковые диаграммы. Численные примеры составления балансовой модели динамики ОВ под луговой и степной растительностью, расчет потоков. Модель глобального углеродного цикла. Линейные нераспределенные кинетические модели трансформации ОВ. Характерные времена и константы минерализации (разложения) опада, детрита, гумуса., зависимость от состава вещества, гидротермических факторов. Методы определения показателей трансформации ОВ в биокосных системах - лабораторные, полевые эксперименты и расчетная оценка (по стационарным состояниям). Энергетическая оценка процессов трансформации ОВ (на примере лесных экосистем). Критический анализ современных отечественных и зарубежных линейных моделей динамики ОВ. Воздействие микроорганизмов и зооценоза на интенсивность разложения ОВ, роль экзоферментов. Динамика ОВ в системе «биоценоз-почва», нелинейные эффекты, анализ устойчивости и потенциальных режимов поведения системы. Роль внутренних (структурных) связей в индуцировании сложных режимов функционирования системы «биоценоз-почва», явления самоорганизации.

Распределенные модели динамики ОВ почвы, стационарные и нестационарные варианты. Аналитические решения стационарных моделей, оценка показателей трансформации и переноса ОВ по форме органопрофиля почвы. Численные решения моделей динамики гумусового профиля на примере почв разного генезиса и гранулометрического состава. Реконструкция, прогноз деградации и восстановления гумусового профиля в численных модельных экспериментах. Моделирование пространственно-временной динамики неспецефических органических веществ, загрязняющих почву.

Физическая организация биокосных систем. Физическое состояние биокосной системы как функция содержания и качества природных и синтетических ОВ. Влияние детрита на водно-физические и теплофизические свойства почв. искусственные органогенные горизонты (мульчирование). Влияние специфических органических веществ почвы на ее дисперсность, агрегатную структуру, плотность, гидро- и теплофизические характеристики, проницаемость для газов и жидкостей. Искусственное оструктуривание почв, природные и синтетические биополимеры-цементы, ПАВ, гидрогели.. Современная термодинамическая концепция физического состояния почв. Теория и методы экологической оценки биофизического состояния почв. Использование современных инструментальных методов анализа при оценке земель и мониторинговых исследованиях. Воздействие живых организмов на физическое состояние биокосных систем. Биомасса и скорости трансформации живого вещества экосистем (фитоценоз, зооценоз, микробоценоз). Влияние микроорганизмов на физические свойства субстратов (твердую, жидкую и газовую фазы). Воздействие зооценоза (агрегирование, гомогенизция (перемешивание) почвы, рыхление, биогенные каналы). Планетарная газовая функция почв, проблема парникового эффекта и загрязнения атмосферы. Роль почвенной биоты в регуляции состава и состояния атмосферы (на примере динамики парниковых газов (СО2, СН4, N2O...), неорганических (CO, SO2...) и органических (ЛОВ) поллютантов. Средообразующая деятельность растений, влияние на водный, тепловой и газовый режимы почв. Организация лабораторных и полевых экспериментов по оценке влияния живых организмов на физическое состояние биокосных систем и его динамику. Моделирование динамики физического состояния и газовой функции почв при аккумуляции и разложении ОВ (сукцессионные смены лесных БГЦ, деградация пахотных почв...).

Физические условия роста и развития организмов в биокосных системах, их количественная оценка. Условия развития микроорганизмов (дисперсность, пористость, активность (термодинамический потенциал) влаги, аэрированность, температура). Потребности высших растений. Оценка влияния структурного состояния и уплотнения почвы на ее физическое плодородие, диаграммы структурного состояния почв. Критические величины потенциалов почвенной влаги, определение экологически оптимальных диапазонов влагосодержания почв. Солевое состояние почвы и продуктивность растений (экспрессная оценка по электропроводности). Световой, тепловой, водный и газовый режимы, их роль в биопродуктивности. Влияние периодических внешних факторов на рост и развитие организмов. Периодическое минеральное питание растений. Воздействие физических полей на рост, развитие и взаимоотношения организмов в биокосных системах.

Процессы переноса веществ, энергии и информации в биокосных системах. Механизмы и феноменологические законы переноса, диффузия, конвекция, дисперсия, хемотаксис, активный транспорт, эффекты сопряжения. Вертикальная структура распределенных биокосных систем, биогеогоризонты. Биогенные градиенты, источники и стоки, проводимости сред. Негэнтропия и перенос информации. Современные кинетические модели распределенных биофизических систем. Моделирование движения газообразных веществ, тепла, влаги и растворов в распределенных биокосных системах (VBA, EXCEL). Дифференциальный анализ воздействия организмов и продуктов их жизнедеятельности на процессы переноса в почвах. Самоорганизация в пространстве (нелинейные популяционные волны, диссипативные структуры в биокосных системах...). Преимущественные потоки в пористых средах. Линейный анализ устойчивости фронта движущегося флюида в пористой среде. Пальчатые гидроструктуры (fingers) в почвах.

Прикладные аспекты биогеофизики (менеджмент биокосных систем). Элементы теории управления сложными динамическими системами. Оптимизация свойств и состояний, (задачи линейного программирования), учет экологических последствий воздействия на окружающую среду. Численные примеры: минимизация затрат на внесение удобрений, почвенных кондиционеров. Оптимальные режимы эксплуатации (лесные и с/х угодия). Оптимизация режимов орошения и обработки почв, органическое земледелие (organic farming), организация бездефицитного баланса ОВ почв. Почвенные конструкции. Использование термодинамической концепции физического состояния почв при их проектировании. Слоистые почвенные конструкции для выращивания зеленых газонов, режимы орошения. Интродукция видов. Фиторемедиация, элиситорные свойства ОВ.

Дополнительные (факультативные) занятия. (Проводятся во внеурочное время по договоренности с фирмой СКАНЭКС и Отделом Экологии МГДТДиЮ). Основы программирования (VBA, EXCEL, MATLAB), разбор и модификация компьютерных программ, использующихся в основном курсе. Элементы ГИС и дистанционные методы мониторинга.

IV. Форма итогового контроля – экзамен.

V. Учебно-методическое обеспечение курса

Основная литература

  1. Рубин А.Б. Биофизика. М.: Высшая школа, 1987. 320 с.
  2. Сельскохозяйственные экосистемы. М. Агропромиздат, 1987. 250 с.
  3. Смагин А.В. Газовая фаза почв. М. МГУ, 1999. 200 с.
  4. Смагин А.В., Садовникова Н.Б., Хайдапова Д.Д., Шевченко Е.М. Экологическая оценка биофизического состояния почв. М. МГУ, 1999, 48 с.
  5. Смагин А.В., Садовникова Н.Б., Смагина М.В, Глаголев М.В и др. Моделирование динамики органического вещества почв. М. МГУ 2001, 120 с.

Дополнительная литература

  1. Базилевич Н.И., Гребенщиков О.С., Тишков А.А. Географические закономерности структуры и функционирования экосистем. М. Наука, 1986, 297 с.
  2. Белинцев Б.Н. Физические основы биологического формообразования. М.: Наука, 1991. 256 с.
  3. Воронин А.Д. Основы физики почв. М.МГУ, 1986, 244 с.
  4. Джефферс Дж. Введение в системный анализ: применение в экологии. М.: Мир, 1981. 256 с.
  5. Кобак К.И. Биотические компоненты углеродного цикла. М. Гидрометсоиздат, 1988. 248 с.
  6. Марри Дж. Нелинейные дифференциальные уравнения в биологии. М.: Мир, 1983. 400 с.
  7. Перт С.Дж. Основы культивирования микроорганизмов и клеток. М.: Мир, 1978. 336 с.
  8. Полуэктов Р.А., Пых Ю.А., Швытов А.А. Динамические модели экологических систем. Л.: Гидрометеоиздат, 1980.  288 с.
  9. Райс Э. Аллелопатия М. Мир, 1978. 392 с.
  10. Роде А.А. Почвообразовательный процесс и эволюция почв. М.: ОГИЗ, 1947.142 с.
  11. Родин Л.Е., Базилевич Н.И. Динамика органического вещества… М.-Л. Наука, 1965. 254 с.
  12. Рубин А.Б. Пытьева Н.Ф. Ризниченко Г.Ю. Кинетика биологических процессов. М. МГУ, 1984, 284 с.
  13. Свирежев Ю.М. Нелинейные волны, диссипативные структуры и катастрофы в экологии. М.: Наука, 1987. 368 с.
  14. Свирежев Ю.М., Логофет Д.О. Устойчивость биологических сообществ. М.: Наука, 1978. 352 с.
  15. Смагин А.В. Биогеоценологическое направление в почвоведении // Почвоведение. 1996. №3. С. 298-309.
  16. Смагин А.В. Режимы функционирования динамических биокосных систем // Почвоведение, 1999, №12. с.1433-1447.
  17. Смагин А.В., Губер А.К., Шеин Е.В., Мунир Гайз. Разработка почвенных конструкций и режимов орошения озеленяемых городских ландшафтов в условиях аридного климата // деградация почв и опустынивание. М.: МГУ, 1999. С. 470-482.
  18. Судницын И.И. Движение почвенной влаги и водопотребление растений М.: МГУ, 1979. 253 с.
  19. Смит Дж.М. Модели в экологии. М. Мир 1976, 184 с.
  20. Современные физические и химические методы исследования почв. М.: МГУ, 1987. 204 с.
  21. Сукачев В.Н. Основы лесной биогеоценологии. М.: Наука, 1964. 574 с.
  22. Томпсон Дж. М. Т. Неустойчивости и катастрофы в науке и технике. М.: Мир, 1985. 254 с.
  23. Хильми Г.Ф. Философские проблемы преобразования природы // Взаимодействие наук при изучении Земли. М.: Наука, 1964. с.55-65.
  24. Шевелуха В.С. Рост растений и его регуляция в онтогенезе. М.: Колос,1992. 600 с.
  25. Amali S. Rolston D.E., Yamaguchi T/ Transient multicomponent gas-phase transport of volatile organic chemicals in porous media // J. Env. Qual. 1996. V. 158. P. 106-114.
  26. Beven, K., Germann, P. 1982. Macropores and water flow in soils. // Water Resour. Res. 18, p. 1311-1325.
  27. Bridges E.M., Batjes N.H. Soil gaseous emissions and global climate change // Geography, 1996, V.81 (2), p.155-169.
  28. Campbell G.S. Soil Physics with BASIC. Elsevier Sci. 1985. 268 p.
  29. Driven by Nature: Plant litter quality and decomposition. Cab International. UK. 1997. 409 p.
  30. Geoderma V. 70, spec. issue: Fingered flow in unsaturated soil. Elsevier Sci Publ. 1996. P. 83-324.

Рецензент: профессор Поздняков А.И.