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

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, усиливающим биогенную миграцию атомов. Этот принцип при антропогенном изменении 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 средой, создающейся и поддерживающейся на Земле космической энергией Солнца. Вследствие нарушения двух первых принципов космические взаимодействия из поддерживающих биосферу могут превратиться в разрушающие ее факторы.

Данные геохимические принципы соотносятся со следующими важными выводами Вернадского: каждый организм может существовать только при условии постоянной тесной связи с другими организмами и неживой природой; 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.

Глубоко изучив биосферу, В.И. Вернадский обобщил эмпирический материал в виде основополагающих выводов.

1. Принцип целостности биосферы. “Можно говорить о всей жизни, о всем живом веществе как о едином целом в механизме биосферы”. Строение Земли, по Вернадскому, есть согласованный механизм. “Твари Земли являются созданием стройного космического процесса, необходимой и закономерной частью сложного космического механизма”.

Узкие пределы существования жизни - физические постоянные, уровни радиации и т.п. - подтверждают это. Как будто кто- то создал такую среду, чтобы жизнь была 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 реакции. 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. Постоянная электромагнитного взаимодействия определяет конфигурацию электронных оболочек и прочность химических связей; ее изменение делает Вселенную мертвой. 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 «все учитывается и все приспосабливается с той же точностью, с той же механичностью и с тем же подчинением мере и гармонии, какую мы видим в сложных движениях небесных светил и начинаем видеть в системах атомов вещества».

3. Роль живого в эволюции Земли. “На земной поверхности нет химической силы, более постоянно действующей, а поэтому и более могущественной по своим конечным последствиям, чем живые организмы, взятые в целом. Все минералы верхней части земной коры - свободные алюмокремниевые кислоты (глины), карбонаты (известняки и доломиты), гидраты окиси железа и алюминия и многие сотни других - непрерывно создаются в ней под влиянием жизни”.

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 популяций возрастают до тех пор, пока среда может выдержать 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 организм, их неразрушимостью в определенных условиях среды. Максимальное поле жизни определяется крайними пределами выживания организмов. Верхний предел жизни обуславливается лучистой энергией, присутствие которой исключает жизнь и от которой предохраняет азоновый щит. Нижний предел связан с достижением высокой температуры. Интервал в 433^оС (от минус 252 ^оС до плюс 180 ^оС) является предельным тепловым полем.

8. Биосфера в основных своих чертах представляет один и тот же химический аппарат с самых древних геологических периодов. Жизнь оставалась в течение геологического времени постоянной, менялась только ее форма. Само живое вещество не является случайным созданием.

9. Повсеместность жизни в биосфере. Жизнь постоянно, медленно приспосабливаясь, захватила биосферу, и захват этот не закончился. Поле устойчивости жизни есть результат приспособленности в ходе времени.

10. Формы нахождения химических элементов: а)горные породы и минералы; б) магмы; в) рассеянные элементы; г)живое вещество.

Закон бережливости в использовании живым веществом простых химических тел: раз вошедший элемент проходит длинный ряд состояний и организм вводит в себя только необходимое количество элементов.

11. Постоянство количества живого вещества в биосфере. Количество свободного кислорода в атмосфере того же порядка, что и количество живого вещества (1,5 10¹⁵ т и 10¹⁴ - 10¹⁵ т). Это обобщение справедливо в рамках значительных геологических отрезков времени, и оно используется для того, чтобы показать, что живое вещество является посредником между Солнцем и Землей и стало быть: либо его количество должно быть постоянным, либо должны меняться его энергетические характеристики.

Вернадский сформулировал идею автотрофности человека, которая приобрела интересный поворот в рамках обсуждения проблемы создания искусственных экосистем в космических кораблях. 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.

Исходной основой существования биосферы и происходящих в ней био-геохимических процессов является астрономическое положение нашей планеты и в первую очередь её расстояние от Солнца и наклон земной оси к плоскости земной орбиты (эклиптики). Это пространственное расположение Земли определяет в основном климат на планете, а последний в свою очередь жизненные циклы всех существующих на ней организмов. Солнце является основным источником энергии биосферы и регулятором всех геологических, химических и биологических процессов на нашей планете. Эту её роль образно выразил один из авторов закона сохранения и превращения энергии Юлиус Майер (1814 - 1878 гг.), отметивший, что жизнь есть создание солнечного луча.

Решающее отличие живого вещества от костного заключается в следующем:

• изменения и процессы в живом веществе происходят значительно быстрее, чем в костных телах. Поэтому для характеристики изменений в живом веществе используется понятие исторического, а в костных телах - геологического времени. Для сравнения отметим, что секунда геологического времени соответствует примерно ста тысячам лет исторического;

• в ходе геологического времени возрастает мощь живого вещества и его воздействие на костное вещество биосферы. Это воздействие, указывает Вернадский, проявляется прежде всего “в непрерывном биогенном токе атомов из живого вещества в костное вещество биосферы и обратно”;

• только в живом веществе происходят качественные изменения организмов в ходе геологического времени. Процесс и механизмы этих изменений впервые нашли объяснения в теории происхождения видов путём естественного отбора Ч. Дарвина;

• живые организмы изменяются в зависимости от изменения окружающей среды, адаптируются к ней и, согласно теории Дарвина, именно постепенное накопление таких изменений служит источником эволюции. В. И. Вернадский высказывает предположение, что живое вещество, возможно, имеет и свой процесс эволюции, проявляющийся в изменении с ходом геологического времени, вне зависимости от изменения среды.

Непрерывный процесс эволюции, сопровождающийся появлением новых видов организмов, оказывает воздействие на всю биосферу в целом, в том числе и на природные биокостные тела, например, почвы, надземной и подземной воды.

Возникновение жизни на Земле, образование биосферы, её прогрессивная эволюция и появление человека долгое время не укладывались в строгую физическую картину мира, считались термодинамически маловероятными. Однако недавно оформилось представление, согласно которому по законам физики в открытых системах с протоком энергии вынужденно возникают динамические структуры в виде материальных циклов, интенсивно переносящих энергию. Во многих случаях кажется, что они возникают сами по себе, и поэтому явление называется самоорганизацией структур.

Но всегда есть внешняя материальная причина. На Земле - это поток солнечной энергии, который вызывает и организует круговороты вещества: от простых физических (воды, воздуха) до сложных, биологических. Цикл синтеза и распада органических веществ в биосфере, названный биотическим круговоротом, возник на основе круговорота неорганических масс под воздействием потока солнечной энергии.

На рис.1. схематически представлена эволюция биосферы в виде усложнения системы взаимосвязанных циклов.

Рис. 1 Стадии эволюции биосферы (по М.М. Камшилову):

1 - абиотический круговорот (климатический и почвенно-грунтовый), возникновение первичного примитивного биотического круговорота (Б); 2 - рост биосферы и биотического круговорота; 3 - стабильный биотический круговорот, появление человека (Ч); 4- рост человечества, появление техногенеза и техносферы (Т);5 - современная фаза, рост техносферы и влияние её на биотический и абиотический круговороты

Первая стадия соответствует возникновению первичного биотического цикла, осуществлённого сообществом фотосинтезирующих цианобактерий - сине-зелёных водорослей - первых примитивных, но чрезвычайно жизнестойких продуцентов. Поскольку круговорот ещё не сбалансирован с абиотическим, глобальной биосферы как таковой ещё нет.

Вторая стадия соответствует установлению сбалансированного биотического круговорота с участием аэробных форм автотрофов и гетеротрофов, способствующих развитию и росту биосферы.

К третьей стадии биосфера уже давно сформировалась и стабилизировалась, выполнила свои геологические функции, биотический круговорот достиг высокой степени совершенства; появился человек.

Четвёртая стадия характеризуется развитием человеческой цивилизации. И это создаёт новую ситуацию в эволюции биосферы. Новые циклы техносферы ещё не вписаны в биотический круговорот, во многих случаях даже угнетающе действует на функции биосферы.

Пятая стадия современной эпохи характеризуется тем, что человеческое общество поглощает вещество и энергию не только через биосферу, но непосредственно из абиотической среды. Это было бы кардинальным преобразованием хода эволюции биосферы, если бы при этом техногенная нагрузка на биосферу уменьшилась. К несчастью, пока что обращение человека к абиогенным ресурсам только увеличивает эту нагрузку.

 
3 Переход от биосферы к ноосфере

Превращение разума и труда человечества в геологическую силу планетного масштаба происходило в рамках биосферы, составной частью которой они являются. В.И.Вернадский в своих исследованиях неизменно подчёркивал, какое огромное воздействие человечество оказывает на расширение жизни путём создания новых культурных видов растений и животных. Опираясь на его идеи о биохимической основе биосферы, французский математик и философ Эдуард Леруа (1870 - 1954 гг.) ввёл в 1927 г. понятие ноосферы, или сферы разума, для характеристики современной геологической стадии развития биосферы. Его позицию разделял также крупнейший французский геолог и палеонтолог Пьер Тейяр де Шарден (1881 - 1951 гг.), впоследствии в своём труде “Феномен человека” определивший ноосферу как одну из стадий эволюции мира. Признавая, что эта стадия, как и сам человек, является результатом тысячелетней истории развития органического мира, он считал движущей силой эволюции целеустремлённое сознание (“ортогенез”).

В отличие от него И.В. Вернадский рассматривает возникновение сознания как закономерный результат эволюции биосферы, но, однажды возникнув, оно затем начинает оказывать всё возрастающее влияние на биосферу благодаря трудовой деятельности человека.

Ноосфера есть новое геологическое явление на нашей планете. В ней впервые человек становится крупнейшей геологической силой. Он может и должен перестраивать своим трудом и мыслью область своей жизни, перестраивать коренным образом по сравнению с тем, что было раньше.

Первоначальные представления о направленности эволюционного процесса в сторону возникновения мыслящих существ и признание геологической роли человечества высказывались многими учёными и до Вернадского. Так, уже в XVIII в. французский естествоиспытатель Ж. Бюффон высказал идею о царстве человека, которая в XIX в. была развита основателем современной геологии Жаном Луи Агассисом (1807 - 1873 гг.). Хотя эти идеи и опирались на признание всё возрастающей роли человечества в изменении лика Земли, но не были связаны с принципом направленности эволюции живого вещества биосферы.

Этот принцип в качестве эмпирического обобщения выдвинул американский учёный Джеймс Дана (1813 - 1895 гг.), который ещё до появления труда Ч. Дарвина впервые чётко заявил, что эволюция живого вещества идет в определённом направлении. Его последователь Ле Конт, основываясь на принципе направленности эволюции, назвал эру, связанную с появлением на Земле человека, психозойской. Ближе к нашему времени известный русский геолог Алексей Петрович Павлов (1854-1929 гг.) говорил об антропогенной эре в эволюции биосферы.

Хорошо сознавая, что труд представляет собой целесообразную деятельность, Вернадский указывал, что ноосфера, или сфера разума, будет всё больше и больше определять не только прогресс общества, но и эволюцию биосферы в целом, а через неё и процессы, совершающиеся на Земле. Недаром он рассматривает мысль как планетарное явление.

Эволюционный процесс получает особое геологическое значение благодаря тому, что он создал новую геологическую силу - научную мысль социального человечества... Под влиянием научной мысли и человеческого труда биосфера переходит в новое состояние — в ноосферу.

Каким же образом человеческая деятельность влияет на процессы в биосфере, как она способствует её эволюции?

Прежде всего следует отметить, что биологическая эволюция присуща лишь живому организму (веществу) биосферы, т.е. различным видам растений и животных и, разумеется, человеку в той мере, в какой он развивался до возникновения цивилизации и превращения в человека разумного. В дальнейшем эволюция биологического развития человека переходит в эволюцию социальную.

Эволюция живого вещества биосферы приводит к возникновению новых видов растений и животных, связанных с окружающей средой посредством питания и дыхания, обменом веществ. Такой обмен приводит к миграции, движению атомов от живого вещества к неживому, в особенности к биогенному, в котором живые элементы объединены с неживыми. А всё это во многом меняет характер взаимодействия живого вещества биосферы не только с её неживой частью, но и с остальными сферами оболочки Земли.

В период перехода от биосферы к ноосфере на сцену выступает такой мощный геохимический фактор, как постоянно увеличивающееся количество зелёного живого вещества в биосфере, получаемого посредством расширения посевных площадей и интенсификации земледелия. В результате искусственного отбора новых сортов растений и пород животных значительно ускоряются процессы эволюции, быстрее возникают новые виды. А это в свою очередь в ещё большей степени способствует ускорению процессов обмена между живым и костным веществом в биосфере.

По-видимому, постепенный переход к ноосфере начался ещё сотни тысяч лет назад, когда человек овладел огнём и стал изготовлять первые, несовершенные ещё орудия производства и охоты. Благодаря этому он получил огромное преимущество перед животными, но с геологической точки зрения гораздо более важным был длительный процесс приручения диких стадных животных и создание новых сортов культурных растений. Как известно, именно этот процесс положил начало скотоводству и земледелию, которые исторически привели к первому наиболее значительному разделению общественного труда и систематическому обмену его продуктами между различными племенами. В.И. Вернадский указывает:

Человек этим путём стал менять окружающий его мир и создавать для себя новую, не бывшую никогда на Планете живую природу. Огромное значение этого проявилось ещё и в другом - в том, что он избавился от голода новым путём, лишь в слабой степени известным животным - сознательным, творческим обеспечением от голода и, следовательно, нашёл возможность неограниченного проявления своего размножения.

Что же касается борьбы с животными, то человек одержал в ней победу по существу с изобретением огнестрельного оружия, и поэтому теперь он должен предпринимать особые меры, чтобы не допустить истребления всех диких животных. Еще большие усилия необходимы для сохранения самой биосферы в связи с многократно возросшими техногенными нагрузками на неё. В связи с этим возникает общая для всего человечества глобальная проблема сохранения окружающей среды и прежде всего живой природы.

 
4. Современная концепция экологии

О проблемах экологии по-настоящему заговорили в 70-е годы нашего века, когда не только специалисты, но и рядовые граждане почувствовали, какую возрастающую угрозу несёт нынешнему и будущим поколениям техногенная цивилизация. Загрязнение атмосферы, отравление рек и озёр, кислотные дожди, всё увеличивающиеся отходы производства, в особенности использованных радиоактивных веществ и многое другое -всё это проблемы сегодняшнего дня. В связи с этим изменился и сам взгляд на предмет экологии. Сам термин “Экология” был введён Э. Геккелем свыше ста лет назад, и как самостоятельная дисциплина она сформировалась ещё в 1900 г., тем не менее долгое время она оставалась чисто биологической дисциплиной. В настоящее время экология вышла уже из этих узких рамок и стала по сути дела междисциплинарным направлением исследований процессов, связанных с взаимодействием биосферы и общества. Как указывает известный специалист по этим вопросам Ю.Одум, сейчас экология оформилась в принципиально новую интегрированную дисциплину, связывающую физические и биологические явления и образующую мост между естественными и общественными науками.

О связи экологии с общественными и гуманитарными науками свидетельствует появление таких её разделов, как социальная, медицинская, историческая, этическая экологии.

Более подробное представление об экологии и её задачах мы получим, если будем рассматривать структуру и динамику различных экологических систем, а также разные уровни их организации.

  4.1 Экологические системы и их структура

К экологическим системам обычно относят все живые системы вместе с окружающей средой, начиная от отдельной популяции и кончая биосферой. Все они являются открытыми системами, которые обмениваются с окружающей природной средой веществом, энергией или информацией. Наименьшей единицей экологии является совокупность организмов определённого вида, которые взаимодействуют между собой внутри вида, а вид как целостная структура (система) - с окружающей средой. Следовательно, ни молекулярный, ни клеточный, ни организменный уровни не рассматриваются в экологии, хотя и живая молекула, и клетка, и тем более организм представляют собой открытые системы, которые могут существовать благодаря взаимодействию со средой. Даже отдельные популяции в чистом виде выделить трудно, поскольку в естественной природе они объединяются в более обширные сообщества живых систем и взаимодействуют также с неживой природой.

На популяционном уровне, как уже указывалось, различают такие экологические системы, как биоценозы, биогеоценозы, в которых сообщества исследуются в тесной связи с неживой природой, почвой, микроклиматом, гидрологией местности и др.

Более крупным системным объединением в экологии считается биом, который включает в свой состав живые системы и неживые факторы на обширной территории, например, лиственные породы деревьев на среднерусской возвышенности. Наконец, биосфера охватывает, согласно В.И. Вернадскому, всё живое, биокостное и костное вещество на поверхности нашей Планеты. И хотя она в известных пределах функционирует автономно, но в конечном счёте может существовать и развиваться только за счёт энергии Солнца и поэтому является также отрытой системой, которую в отличие от других систем называют экосферой.

В экосистеме можно выделить два уровня:

• на верхнем, автотрофном уровне, который называют также зелёным поясом, мы встречаемся с растениями, содержащими хлорофилл и перерабатывающими солнечную энергию и простые неорганические вещества в сложные органические соединения;

• на нижнем, гетеротрофном уровне происходит преобразование и разложение этих органических соединений в простые.

Таким образом, в механизме трофических или пищевых связей можно выделить следующие элементы: продуценты автотрофных организмов, главным образом зелёных растений, которые могут производить пищу из простых неорганических веществ; фаготрофы, к которым принадлежат гетеротрофные животные, питающиеся другими живыми организмами, растительными и животными; сапротрофы, которые получают энергию путём разложения мёртвых тканей или растворённого органического вещества.

В связи с этим гетеротрофные организмы разделяют на биофагов, поедающих живые организмы, и сапрофагов, питающихся мёртвыми тканями.

Одна из характерных черт всех экосистем состоит в том, что в них происходит постоянное взаимодействие автотрофных и гетеротрофных подсистем организмов. Такое взаимодействие приводит к круговороту вещества в природе, несмотря на то, что иногда организмы разделены в пространстве. Как мы видели, автотрофные процессы наиболее интенсивно протекают на зелёном ярусе системы, где растениям доступен солнечный свет, в то время как на нижнем ярусе усиленно протекают гетеротрофные процессы. Аналогичный разрыв может происходить и во времени, причём значительный разрыв между производством органического вещества автотрофами и гетеротрофами приводит к его накоплению. Именно благодаря этому разрыву на нашей планете образовались огромные запасы ископаемого топлива.

4.2 Взаимодействие экосистемы и окружающей её среды

В биологических исследованиях, в особенности в классической теории эволюции, обычно делается упор на изучение воздействия окружающей среды на живые организмы и их системы. Именно под таким углом зрения рассматривается действие различных факторов на их эволюцию. Однако живые системы отнюдь не являются пассивными в этом взаимодействии. Они в свою очередь оказывают мощное воздействие на окружающую среду.

В наибольшей степени такое воздействие можно проследить на примере больших экосистем. Именно на такого рода факты опирается известная гипотеза Геи, выдвинутая в 1970-е годы физиком и изобретателем Джеймсом Лавлоком и микробиологом Линн Маргулисом. Своё название эта гипотеза получила от древнегреческого слова “гея”, обозначающего землю. Она предполагает совершенно иной подход к причинам и факторам становления жизни на нашей планете. Если традиционно допускают, что жизнь на Земле появилась после того, когда возникла сначала атмосфера со значительным содержанием в ней кислорода, то согласно гипотезе Геи, образование кислорода в атмосфере в целом обязано воздействию тех простых живых организмов, которые в бескислородных условиях стали выделять в окружающее пространство кислород. Своё предположение авторы гипотезы подтверждают ссылкой на то, что на близких к Земле планетах Марсе и Венере их атмосфера состоит соответственно на 95 и 98% из углекислого газа, кислорода на Марсе содержится 0,13%, а на Венере замечены лишь его следы. Примерно такая же картина наблюдалась бы на безжизненной Земле. Конечно, гипотеза Геи нуждается в дальнейших разработках и обосновании, но опирается она на важную идею, что жизнь обеспечивает условия для своего дальнейшего существования и развития. Это подтверждается многочисленными фактами из истории развития органического мира.

Чтобы выжить, а тем более развиваться, экосистемы должны соответствующим образом регулировать свою деятельность и управляться, а это требует установления информационных связей между различными подсистемами и элементами системы.

4.3 Информация и управление в экосистемах

Наряду с потоками и круговоротом вещества экосистемы связаны также информационными связями. Управление и регулирование в них осуществляется с помощью физических и химических элементов. Такие управляющие системы по своему функциональному назначению можно рассматривать как кибернетические. Однако в отличие от искусственных систем, созданных человеком, в природных экосистемах элементы управления рассредоточены внутри самой системы, и поэтому процесс регулирования и управления в них происходит не из внешнего специального органа управления, как в технических кибернетических системах. Согласно кибернетическим принципам, всякий процесс управления связан с передачей и преобразованием информации. Для устойчивого динамического функционирования системы необходимо, во-первых, наличие прямых сигналов, несущих информацию от управляющего к исполнительному устройству, во-вторых, обратных сигналов, которые информируют управляющее устройство об исполнении команд. В экосистемах живой природы действие принципа положительной обратной связи приобретает более сложный характер, поскольку, как мы видели, регулирующие центры распределены внутри всей системы, а наличие избыточности, когда одна и та же функция выполняется несколькими компонентами, обеспечивает необходимую стабильность системы. Для более конкретной характеристики стабильности экосистем обычно вводят понятие резистентной устойчивости, которая определяется как способность системы сопротивляться внешним нагрузкам и оставаться при этом устойчивой. При благоприятных условиях внешней среды экосистемы обычно повышают свою сопротивляемость усложнением внутренней структуры. Таким образом, тесная связь и взаимодействие между живыми организмами и окружающей средой представляют собой характерную особенность всех экосистем. Наиболее важными и по существу решающими являются энергетические связи.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1.  Вернадский В.И. Биосфера. – М., 1967.

2.  Колесник С.В. Общие географические закономерности Земли. – М., 1970.

3.  Концепция биосферы и экологии [Электронный ресурс]: http://ineka.ru/student/kse/Emel_book/11/raz11.htm#Раздел%20_11

4.  Магницкий В.А. Внутреннее строение и физика Земли. – М., 1965.

5.  Учение о биосфере [Электронный ресурс]: http://www.college.ru/biology/course/content/chapter12/section3/paragraph1/theory.html