<<
>>

Биосфера как космопланетарная геосистема Земли

Биосфера (греч. bios — жизнь, sphaira — шар) — оболочка земли, состав, структура и энергетика которой обусловлены прошлой или современной деятельностью живых организмов.

Биосфера охватывает часть атмосферы, гидросферу и верхнюю часть литосферы, которые взаимосвязаны весьма сложными биохимическими циклами движения веществ и энергии.

Начальный момент биохимических циклов движения вещества и энергии заключён в трансформации солнечной энергии растениями и в синтезе биогенных веществ на Земле.

Термин «биосфера» был введен в 1875 году австрийским геологом

Э.              Зюссом, под которым понималось особая оболочка Земли, включающая совокупность всех организмов, и которая противопоставлялась другим земным оболочкам (атмосфере, гидросфере, литосфере). Научное обоснование термина «биосфера» было дано в 20-30 годы XX века русским учёным В. И. Вернадским, которые были опубликованы в работе «Биосфера», состоящей из двух очерков — «Биосфера и космос» и «Область жизни». В научных трудах о «биосфере» В. И. Вернадский развил идеи В. В. Докучаева о комплексном естественноисторическом анализе взаимодействующих в природе разнокачественных объектов и явлений (факторов почвообразования) и выявлении самостоятельных природных объектов гетерогенной (неоднородной) структуры и состава (почвы, природные зоны).

В основе учения Вернадского о биосфере лежат следующие концептуальные представления:

* о планетарной геохимической роли живого вещества, представляющего собой совокупность всех живых организмов (начиная от молекул и заканчивая сложными организмами), существовавших или существующих в определённый геологический период времени и рассматриваемых как мощный геологический фактор в эволюционном развитии биосферы; об организованности биосферы, являющейся продуктом сложного превращения вещественно-энергетического и информационного потоков живым веществом за время геологической истории Земли (более 4,0 млрд лет); охватываемое биосферой Земли пространство включает в себя: гидросферу до максимальных глубин Мирового океана (« 11 км), верхнюю часть литосферы материков до глубины 2—3 км (на таких глубинах в подземных водах встречаются живые микроорганизмы), нижняя часть атмосферы до верхней границы тропосферы (до 25 км); интегральное понятие «живое вещество», которое характеризует совокупность микроорганизмов, водорослей, грибов, растений и животных, населяющих планету Земля.

Распространения жизни в биосфере по вертикали ограничивается высотой около 6 км над уровнем моря, до которой сохраняются положительные температуры в атмосфере, и глубиной немногим более 11 км в океанической области и 12 км в сухопутной (материковой) области. Наглядное представление о биосферном пространстве показано на рисунке 1.9.

Биосфера включает в себя не только область жизни, включающая в себя биогеосферу, фитогеосферу, геомериду и витасферу, но и другие структуры Земли, которые генетически связаны с живым веществом. Согласно учению Вернадского, вещество биосферы состоит из сети разнообразных, но геологически взаимосвязанных частей: живое вещество; биокосное вещество; радиоактивное вещество; рассеянные атомы; вещество космического происхождения.

Живое вещество — это совокупность тел живых организмов, которые населяют Землю вне зависимости от их систематической принадлежности. Общий вес (биомасса) живого вещества на Земле (на суше и океане) приводится в таблице 1.11.

Косное вещество — это вещество, образуемое процессами, в которых живое вещество не участвует, к примеру, изверженные горные породы.

В результате длительных (около 3,5 млрд лет) биохимических процессов под воздействием солнечной энергии эволюционно формировалась биосфера Земли, которая занимает часть атмосферы (тропосфе-

Рис. 1.9. Вертикальная зональность биосферы и соотношение поверхностей, занятых основными структурными единицами (Рамад, 1981)

ра и нижняя часть стратосферы) высотой до 15-20 км, включает в себя всю гидросферу и верхнюю часть литосферы глубиной до 4,5 км (рис. 1.1), где в нефтеносных слоях обитают микроорганизмы. Верхнюю границу биосферы защищает озоновый экран, который предохраняет живые организмы на Земле от вредного воздействия ультрафиолетовых (У. Ф.) лучей.

Озон (03) имеет важное эколого-биологическое значение, так как молекулы озона 03 активно поглощают коротковолновые (менее 280 нм) УФ излучения Солнца, которое опасно для всею живою на Земле.

Содержание озона в атмосфере незначительное и составляет порядка 6-10 5 %

от общей массы атмосферы (% 3 • 109 т).

Объекты

Биомасса, т

Живая масса

Сухая масса

суши океана суши океана
Продуценты
Фитомасса наземная 6,5 • 1012 2,6 • 10'»
Фитопланктон 0,9 - 109 ©

00

©

Консументы
Зоомасса суши 6- 109 - 2- 109
Зоопланктон - 21,2- 10’ - 4,2 ¦ 10»
Зообентос -- 6,6 • 10» - 2,4 • 109
Некток -- 1,9- 10» 0,23 • 109
Все живое вещество 6,5 • 1012 29,9 • 10» 2,6 • 1012 ©

©

Живое вещество Земли

Таблица 1.11

В системном понимании биосфера представляет собой огромную равновесную экосистему (самую большую на Земле) с неотъемлемыми процессами круговорота вешеств, энергии и информации, в которых активную роль играют микроорганизмы.

Для биосферы характерно присутствие живого вещества; наличие огромного количества воды, представляющей собой гидросферу (577 тыс. км3, что составляет 0,02 % от массы Земли); восприятие мощного непрерывного потока энергии солнечных лучей порядка 250 ккал/ (см2*год) и присутствием поверхностей раздела между веществами, находящимися в трёх фазах: твёрдой, жидкой, газообразной. Эволюционное развитие биосферы определяет Космос, откуда поток энергии, поступающий к внешней границе тропосферы, составляет порядка 1000 ккал/( см2-год) или около 2 ккал/(см2-мин). Доминирующим источником энергии для Земли является Солнце, которая поглощает 167 ккал/( см2-год), из этого количества поступающей солнечной энергии 59 ккал/( см2-год) поглощается атмосферой, и на долю поглощения земной поверхностью приходится 108 ккал/( см2-год). Эта энергия расходуется на: физические и химические процессы, происходящие в атмосфере, гидросфере и литосфере; перемещение воздушных масс; испарение воды; выделение и поглощение газов; растворение веществ.

В виде длинноволнового инфракрасного излучения с поверхности Земли уходит 36 ккал/(см2-год) и, благодаря парниковому эффекту, непосредственно поверхность Земли получает 72 ккал/(см2-год).

Из 72 ккал/(см2*год) значительная часть солнечной энергии расходуется на процессы испарения воды 60 ккал/(см2-год) и оставшаяся часть солнечной энергии 12 ккал/(см2 год) возвращается в атмосферу через турбулентные потоки воздуха.

Основной проводник тепла между Космосом и Землёй является атмосфера, которая получает от Земли 60 ккал/(см2-год) за счёт конденсации водяных паров. Непосредственно от Солнца атмосфера получает 59 ккал/(см2-год) и 12 ккал/(см2-год) за счёт турбулизации воздушных масс. Вместе с результирующими 36 ккал/(см2-год) длинноволнового излучения от поверхности Земли суммарный расход составляет 167 ккал/ (см2*год), который в точности соответствует приходу равному 167 ккал/ (см2-год).

Система жизнеобеспечения на Земле функционирует с определённым интервалом температур, в которой среднегодовая температура составляет 14,25 °С. В Северном полушарии Земли средняя температура °С, а в Южном полушарии несколько ниже из-за высокой отражательной способности мирового панциря Антарктиды и составляет 13,5 °С.

Водами океанов, являющихся частью гидросферы Земли, поглощается вдвое больше солнечной энергии, чем поверхностью суши. Это объясняется большой теплоёмкостью и подвижностью воды. Воды океанов планеты Земля являются мощными аккумуляторами солнечной энергии (тепла), они накапливают в 27 раз больше того количества тепла, которое за год поступает от Солнца ко всей поверхности Земли 3,65-Ю20 ккал/год и 7,6*1023 ккал аккумулирующихся в водах океанов.

В целом гидросфера Земли работает как гигантская тепловая машина, источником энергии которой является Солнце. Значительная часть энергии, поступающей от Солнца, в рабочих процессах гидросферы расходуется на физический круговорот воды и, прежде всего, на испарение до 55 % энергии дошедшей до земной поверхности.

Биосфера разнообразна по структуре и составу, отражая при этом геохимическую географическую неоднородность Земли, на которой размещены океаны, озёра, реки, горы, равнины и т. п., а также неравномерность распределения живого вещества по планете, как в прошлые эпохи, так и в наше время.

Живое вещество биосферы образует порядка 1800 тыс. видов, суммарный объём, которых составляет около 2500 км3 или 2500 млрд т. Вся эта масса живого вещества располагается в объеме биосферы, составляющей 1400 тыс. км*. Биомасса растений в 2,5 тыс. раз превышает суммарную массу животных, однако видовое разнообразие животных в 6 раз превышает видовое разнообразие растений.

По своему химическому составу живое вещество в основном состоит из элементов, которые образуют газообразные и растворимые соединения, которые практически схожи с основными элементами (на 99,0 %) земной коры, что позволяет констатировать тот факт, что жизнь в биосфере есть геохимическая производная земной коры. В живых организмах имеются практически все элементы таблицы Д. И. Менделеева, т. е. они характеризуются теми же химическими элементами и их соединениями, что и неживая природа. В таблице 1.12 приведён средний химический состав живого вещества биосферы.

Таблица 1.12

Химический состав живого вещества биосферы

Постоянные

компоненты

Основные ~ 99 %

H- 11,0*

С - 18% 0-70%

Сопутствующие ~ 1 %

Na, Mg, Р, S, Cl, R. Са, N

Следовые lt; 0.05 %

В, F, Si, Mo, Y, Mn, Fe, Co, Cu, Zn

Переменные

компоненты

Сопутствующие

(побочные)

Al, Ti, V, Cr, Ni, As, Br, Rb, Sr

Следовые

He, Li, Be, At, Se, Ga. Ge, Sc, Y, Nb, Ag. Cb, Sn, Sb, Ba, La. W, An, Hg. Tl, Pb, Bi. Ra, Th, V

По функционально-физиологическому критерию содержащиеся элементы в живом веществе подразделяются на три группы: макроэлементы, микроэлементы и ультра микроэлементы.

Макроэлементы (Q2, Н, N, Р, Са, S, К и др.) составляют основную масу живых организмов, концентрация которых изменяется от 60 до 0,001 % массы тела.

Микроэлементы (Mg, В, Си, Mo, Вг, Al, Y) — это преимущественно ионы тяжёлых металлов, являющиеся компонентами ферментов, гормонов и других соединений. Концентрация этих элементов изменяется в пределах от 0,001 до 0,00001 % массы тела.

Ультра микроэлементы (Ra, Au, Se, Hg, и др. редкие и рассеянные элементы), содержание которых не превышает 0,00001 % массы тела, их физиологическая роль в живых организмах до конца ещё не изучена.

Отличительной особенностью живого вещества от косного является способ использования солнечной энергии.

Характер распределения живого вещества на поверхности Земли следующий: Максимальное содержание живого вещества гидросферы находится на мелководных участках прибрежных морских зон и на внутри- континентальных водных объектах. Минимальное содержание живого вещества гидросферы находится в глубинных акваториях Мирового океана. На суше неравномерность в распределении живого вещества проявляется в мозаике биогеоценотичности поверхностного покрова земной суши, на которой размещаются леса, болота, степи, пустыни, полупустыни и т. п. Минимальное содержание живого вещества находится в высокогорьях, пустынях и полярных областях.

По функциональному назначению живое вещество выполняет следующие общепланитарные функции:

• газовая, которая характеризуется миграцией газов и их превращением , обеспечивая при этом газовый состав и динамику газов биосферы. В процессе движения газового вещества образуются азот (N2), кислород (02), диоксид углерода (С02), сероводород (H2S) и др. Основная масса газов в биосфере имеет биогенное происхождение. В течение одного года растительный мир на Земле выделяет в атмосферу около 123 млрд т кислорода и при этом поглощает порядка 170 млрд т диоксида углерода;

концентрационная, которая характеризуется аккумуляцией живыми организмами химических элементов из внешней среды. В живых организмах преобладают атомы лёгких элементов и их концентрация в телах живых организмов в сотни и тысячи раз превышает чем во внешней среде, что определяет неоднократность химического состава биосферы. Так, на долю кислорода, углерода, водорода и азота приходится около 99 % массы живого вещества. Отдельные виды растений способны концентрировать в себе отдельные химические элементы. К примеру, морские водоросли концентрируют йод (I), фиалки — цинк (Zn) и т. п. Практическое использование функциональной способности живых организмов концентрировать отдельные химические элементы широко применяется в технологических процессах очистки воды от загрязняющих веществ; окислительно-восстановительная, которая характеризуется химическим превращением веществ, содержащих атомы с переменной валентностью — соединений железа, марганца, микроэлементов и т. д. В пла- нетарнОхМ масштабе преобладающее значение ИхМеют биогенные процессы окисления и восстановления. Как итоговый результат окислительно восстановительных процессов в почвенном покрове, водной среде и атмосфере образуются различные новые вещества (соли, окислы и т. п.). С процессами жизнедеятельности микроорганизмов связано формирование железных и марганцевых руд, известняков и т. п. Появление окисляющих бактерий и зелёных растений на Земле способствовало накоплению кислорода в атмосфере. Восстановительные процессы обязаны анаэробным организмам, которые способны жить при недостатке или отсутствии кислорода. Через восстановительные процессы образовались водород (Н2), оксиды азота и сернистые металлы, сероводород, метан, осадочные породы в морских прибрежных зонах, заболоченные территории на суше: деструктивная, характеризуемая процессами разложения организмов после отмирания (смерти). В процессе разложения организмов происходит минерализация органического вещества и превращение его в костное, что определяет процессы накопления биогенного и биокост- ного вещества в биосфере, а в почвенном покрове гумуса с потенциальным запасом энергии; информационная, связанная с накоплением, сохранением и передачей молекулярной (генетический код, вещества — регуляторы) и сигнальной (интеллектуальной, нервной) информации, которая определяет эволюционное развитие растительного и животного миров в биосфере; биохимические и биогеохимические, связанные с деятельностью человека, стимулирующая переход биосферы в техносферу и новое состояние — ноосферу. Совокупность и взаимодействие всех этих функций определяет собой все химические превращения в биосфере.

Диалектически эволюция биосферы связана с эволюцией форм живого вещества и усложнением его биохимических функций, которые непрерывно совершаются на общем фоне геологической истории Земли.

На современном этапе развития научной мысли о биосфере выделяют следующие основные аспекты: энергетический, освящающий связь биосферно-планетарных явлений с космическими излучениями, среди которых доминирующим является солнечная энергия и радиоактивные процессы в земных недрах; биохимический, отражающий роль живого вещества в распределении и поведении атомов (их изотопов) в биосфере и её структурных элементах — растительный и животный миры, человек, микробы и грибки; информационный, изучающий принципы организации и управления процессами жизнедеятельности в живой природе, а также взаимосвязи и влияния живого вещества на структуры и состав биосферы; пространственно временной, рассматривающий процессы формирования и эволюции различных структур биосферы в геологическом времени с особенностяхми пространственно-временной организованности живого вещества в биосфере; ноосферный, изучающий глобальные эффекты антропогенного воздействия на структуру и химию биосферы: разработка полезных ископаемых, получение новых, отсутствующих до того в биосфере веществ (например, чистый алюминий, железо, композитные материалы и т. п.), преобразование биогеоценотических (растительные сообщества вместе с населяющими его животным миром или зооценозом и соответствующих участков территорий земной поверхности) структур биосферы (сведение лесов, осушение болот, распашки земель, создание водохранилищ, загрязнение вод, почв и атмосферы продуктами хозяйственной деятельности человека, эрозия почв и т. д.).

Современная структура биосферы является продуктом длительной эволюции всего многообразия природных систем на суше и в океанос- фере, которые в своём динамичном развитии стремятся к состоянию динамического равновесия.

В системном понимании биосфера в соответствии с принципом эмерджентности (наличием у системного целого особых свойств, не присущих её подсистемам) представляет собой не простую совокупность множества её экосистем, а представляет особый глобальный объект, системного объединения всех подсистем с возникновением разнообразных форм взаимосвязей и взаимодействий между живым и костным веществом. Данные подсистемы зависят от ведущих средообразующих меробиосфер — аэробиосферра, гидробиосфера и геобисфера, которые имеют внутреннюю дифференциацию представленную на рисунке 1.10.

Рис. 1. И). Основные структурные подразделения биосферы (Реймерс 1990)

Системы взаимодействий живой (биоценоз) и неживой природы (биотоп) получили название экологических систем или биогеоценозе».

Термин «биогеоценоз» в экологическую науку было введено российским академиком В. Н. Сукачёвым, который является одним из основоположников учения о фитоценозе, его структуре и классификации.

По В.Н. Сукачёву, «биогеоценоз» — совокупность на известном протяжении земной поверхности однородных природных явлений: атмосферы, горной породы, гидрологических условий, растительности, животного мира, микроорганизмов и почвы.

Биогеоценозу характерна специфика взаимодействий слагающих его компонентов, их структура, процессы движения (обмена) вещества, энергии и информации между компонентами внутри системы и другими субъектами природной среды.

Живые компоненты любого биогеоценоза подразделяются на три основные группы организмов: растения (продуценты), которые являются производителями первичной продукции в качестве зелёных растений; консументы (животные), состоящие из первичных растительноядных животных и вторичных плотоядных животных, поедающих растительноядных животных; редуценты (микробы, грибы), которые разлагают органические соединения отмерших организмов до неорганических соединений, пригодных для использования продуцентами в построении своего тела. Между этими основными группами биогеоценоза действуют и развиваются самые разные функциональные связи (параллельные, перекрещивающиеся, перепистепные и. п.).

Биогеоценоз как природное явление, действующее и развивающееся по своим обособленным закономерностям, основу которых составляет метаболизм (обмен веществ) его компонентов, включает в себя или состоит из множества организованных отдельных групп взаимосвязанных популяций растений, животных, микроорганизмов и грибов, живущих практически в одинаковых условиях. Такие организованные группы получили название биоценоз, который занимает своё пространство (территорию) в рамках общего пространства биогеоценоза.

Пространство с более ярко выраженной однородностью условий проживания растений, животных, микроорганизмов и грибов носит название биотопа (topos — место).

Биотоп есть место обитания или место существования биоценоза, который характеризуется исторически сложившимся комплексом организмов (растений, животные, микроорганизмы) для какого-то конкретного биотопа. Поэтому биоценоз и биотоп вместе образуют биологическую макросистему более высокого иерархического уровня — биогеоценоз, схема которого приводится на рисунке 1.11.


Биогеоценоз является основной структурно-функциональной и материально-энергетической единицей (ячейкой) биосферы, в которой совершаются обменные процессы, характерные для биогеохимической деятельности биосферы в целом. В системном понимании биогеоценоз представляет собой саморазвивающую систему, способную к саморегулированию и самоорганизации.

Живые организмы в биоценозах взаимодействуют не только между собой, но и с компонентами неживой природы через процессы движения вещества и энергии. Известно, что протекающие через живые организмы потоки вещества и энергии в процессе обмена весьма велики. Высокая интенсивность потоков вещества из неорганической природы в живые организмы должна привести к полному исчерпанию необходимых запасов для жизни живых организмов. Этого не происходит, так как объективно существует в природе круговорот веществ. Только система круговорота веществ даёт этим запасам «свойство бесконечности», необходимое для всех процессов жизнедеятельности в природных и природно-технических системах. Процессы жизнедеятельности — круговорот веществ и энергии в природных и природно-технических системах возможны только при постоянном притоке энергии. Вся жизнь на Земле существует за счёт энергии Солнца, которая трансформируется синтезирующими организациями в химические связи органических соединений.

Под воздействием хозяйственной деятельности человека по современным оценкам до 30 % территории суши Земли практически полностью замещены техногенными или природно-техническими системами, в которых превалирующими компонентами системы являются техногенные (сети транспортных дорог, промышленные предприятия, во- дохранилищные гидроузлы, урбанизированные территории и т. п.) наряду с природными биотическими и абиотическими компонентами. В техногенных системах заметно прослеживается снижение биосферной активности и массы живого вещества. Сформировавшееся под воздействием хозяйственной деятельности человека новое состояние природной среды получило название техносфера. В техносфере наблюдаются нарушения естественных циклов круговорота вещества, что проявляется, прежде всего, в том, что изъятые из природной среды отдельные вещества биотического происхождения не возвращаются в природу в пригодном виде для включения в естественный биотический круговорот. Такой процесс вызывает снижение содержания отдельных веществ в природной среде, которые необходимы в естественном циклическом круговороте для самовозобновления живого вещества. Живое вещество биосферы обладает свойством экологического самообеспечения, что не наблюдается у техногенных компонентов, которые потребляют безвозвратно энергетические запасы (углеводородное и радиоактивное топливо), накопленные в биосфере. Необходима оптимизация процессов круговорота вещества и потоков энергии в созданной чело векам техносфере, используя при этом природные (биотические) принципы, основанные на взаимосовместимости живого вещества с окружающей средой. Развитие человеческого общества и соответственно

техносферы будет и дальше развиваться, поэтому процессы развития техносферы должны быть управляемы человеком, исходя из основополагающего природного принципа сбалансированного круговорота вещества и потоков энергии. В процессе хозяйственной деятельности в рамках биосферы и отдельных техносфер человек выполняет автотрофную функцию (растениеводство, селекция, освоение новых земель и т. п.), расширяет гетеротрофное звено биотического круговорота вещества и потока энергии (производство и переработка животноводческой, рыбной продукции и т. д.), выполняет роль деструктора (переработка отходов), берёт на себя функции физико-химического и биотического выветривания в процессах биотического круговорота и почвообразования (горнодобывающая, химическая промышленности, разработка и перемещение грунтовых материалов, почвообработка ит. п.), увеличивает потребление в технологических процессах солнечной энергии, «законсервированной» в каменном угле, нефти, газе, сланцах, торфе, древесине и трансформированной в движущихся потоках воды и воздушных масс. В научном и практическом плане на современном этапе развития человеческого общества, численность которого уже превышает 6 млрд человек и ежегодно увеличивается на 80 млн человек, стоит проблема, как с помошью труда соединить в единое целое отмеченные выше функции общественного производства в природных круговоротах вещества и энергии.

Процесс потребления природно-ресурсного потенциала биосферы закономерен и неизбежен, так как осуществляется по законам природы и общественного развития. Однако достижения научно-технического прогресса носят противоречивый характер. С одной стороны, расширяются возможности использования потенциала, а с другой стороны, усиливается негативное влияние на биосферные процессы. Поэтому для дальнейшего поступательного развития человеческого общества и сохранения человеческой популяции в условиях биосферных изменений, вызванных хозяйственной деятельностью человека, человечеству необходимо сформулировать новую экологическую нишу, т. е. новое место в природе и новые функциональные обязанности.

В работе В.И. Вернадского «Несколько слов о ноосфере» отмечается, что разумная деятельность человека — не только его «внутреннее» дело. Биосфера переходит в новую стадию — ноосферу («мыслящая оболочка», «сфера разума»), для которой характерна тесная взаимосвязь законов природы с законами мышления и социально-экономическими законами.

Ноосфера представляет собой высшую стадию развития биосферы, в которой хозяйственная деятельность человека должна гармонично сочетаться (взаимодействовать) с природными законами и процессами круговорота вещества и энергии. Переход человечества к ноосфере не простой и не быстрый процесс. Этот переход потребует своеобразной революции в человеческом мышлении по отношению к общему дому, каким является биосфера.

Возникновение и эволюционное развитие биосферы неразрывно связано с происхождением и развитием жизни на Земле. Происхождение жизни на Земле — одна из центральных проблем естествознания. Начало систематическому исследованию проблемы происхождения жизни было положено отечественным учёным А. И. Опариным. В 1924 году им была опубликована монография «Происхождение жизни», в которой впервые была сформулирована естественнонаучная концепция происхождения жизни на Земле. Согласно этой концепции возникновение жизни на Земле является результатом длительной эволюции материи. На основе результатов последующих исследований по данной проблеме, на современном этапе развития человеческого общества можно отметить, что возникновение жизни на Земле следует рассматривать как закономерный процесс эволюции углеродистых соединений. Современные радиоастрономические данные о наличии углеродистых соединений в межзвёздном пространстве, изучение кометных спектров и химического состава метеоритов показывает, что органическое вещество абиогенного происхождения присутствовало на Земле на стадии её образования из межзвёздной пыли. Абиогенное образование простейших углеводородов явилось первой ступенью в развитии органического вещества. Важным вкладом в развитие теории «Происхождение жизни» явились предположения А. И. Опарина и американского учёного Г. Юри о том, что первичная атмосфера Земли имела восстановительные свойства и на определённом этапе своего эволюционного развития должна была содержать наряду с газообразным водородом и парами воды соединения углерода в виде метана — СН4, циана CN и азота в виде аммиака — NH — с течением времени состав атмосферы постепенно изменялся, в её составе увеличивалось содержание кислорода за счёт возникновения анаэробных форм жизни, и атмосфера стала приобретать окислительные свойства. Планета Земля возникла 4,5 млрд лет назад, а первые признаки жизни появились на ней 2-3 млрд лет назад. Период эволюционного развития Земли, когда на ней отсутствовали признаки жизни (от 4,5 до 2—3 млрд лет назад), этот период называют периодом химической эволюции. В период химической эволюции на Земле протекали разнообразные химические превращения, которые приводили к образованию сложных органических веществ, явившимся в дальнейшем компонентами сначала фазообособленных систем органических веществ (пробионтов), а затем и простейших клеток — протоклеток, образовавшихся свойствами живого. С появлением простейших клеток — протоклеток — начинается период биологической эволюции. Предположения о химической эволюции вещества на пути к возникновению жизни на Земле были экспериментально подтверждены многими отечественными (А. Т. Пасынский, Т. Е. Павловская), и зарубежными (С. Миллером, X. Оро, С. Фокс и др.) учёными. Этими экспериментами было доказано, что абиогенного образования органических соединений во Вселенной много, происходит в результате воздействия тепловой энергии, ионизирующего и ультрафиолетового излучений, электрических разрядов. Первичным источником этих форм энергии являются термоядерные процессы, протекающие в недрах звёзд. Многочисленными геологическими исследованиями доказано, что на поверхности земного шара вранний геосинклинальный период (1,5-1,6 млрд лет назад) растворённые в воде вещества непрерывно перемещались из мест их образования в места накопления и концентрации. В процессах синтеза образовались более сложные органические вещества. В процессах распада эти вещества разрушались. Такие процессы могли приводить к многократному возникновению пробионтов. Такое представление полностью исключает гипотезу о случайном характере «Происхождения жизни». Наряду с этим представлением важное понимание имеет переход химической эволюции в биологическую. Такой переход должен бьггь связан с возникновением многомолекулярных фазообособленных открытых систем, способных взаимодействовать с внешней средой, т. е. расти и развиваться, используя её вещества, энергию и тем самым, преодолевая нарастание энтропии.

Возникновение и совершенствование приспособленности внутримолекулярного строения белков и нуклеиновых кислот к выполняемым

ими в организмах функциям могло происходить только на основе естественного отбора, которому подвергались целостные эволюционизи- рующие системы — пробионты — и возникшие из них живые вещества. В результате длительной эволюции и естественного отбора пробионты превратились в системы более высокого порядка, какими являются живые организмы. Появление нуклеиновых кислот как носителей генетической информации и ферментов как биохимических катализаторов не могло привести к возникновению жизни без системы, обеспечивающей передачу информации первых и постоянный синтез вторых. Поэтому невозможно представить себе, что «началом жизни» была единичная молекула нуклеиновой кислоты. Возникшая на основе формирования генетического кода способность передавать информацию от предков к потомкам стала неотъемлемым свойством живых организмов.

Эволюционное развитие живых организмов совершенствовало процессы регуляции и приспособления их к внешним условиям окружающей среды, что неотъемлемо оказывало влияние на эволюционное развитие биосферы.

На рисунке 1.12 схематически представлены этапы эволюционного развития биосферы.

Исходя из системного понимания, природные и природно-технические системы представляют собой весьма сложные открытые неравновесные системы, взаимодействующие с окружающей внешней средой — биосферой. Тенденции изменения окружающей среды под воздействием хозяйственной деятельности человека по Лосеву представлены в таблице 1.13.

Биосфера и составляющие её земные бассейновые геосистемы и входящие в них экосистемы обладают предельной хозяйственной (антропогенной) ёмкостью и превышение верхнего предела этой ёмкости сопровождается нарушением сбалансированных процессов жизнедеятельности биоты и окружающей природной среды. Верхним порогом хозяйственной деятельности человека является перевод в антропогенный канал более 1 % чистой первичной продукции биоты (фотосинтеза). Исходя из принципа Ле Шателье (изменение любых переменных в системе, в ответ на внешние воздействия, происходит в направлении компенсации воздействий) главной задачей на современном этапе развития человеческого общества является сохранение и восстановление естественных сообществ организмов в таких масштабах, чтобы вернуться в пределы хозяйственной ёмкости биосферы в целом.

Для решения различного рода проблемных вопросов, связанных с функциональной деятельностью биосферы, необходимо иметь базовые понятия о взаимодействии живого вещества с внешней средой. Взаимоотношения живых организмов с внешней средой основываются на гомеостазе, характеризующего состояние внутреннего динамического равновесия, которое поддерживается регулярным возобновлением основных структур природной системы, вещественно-энергетического состава и постоянной функциональной саморегуляцией её компонентов. Тесная связь между различными формами жизнедеятельности организма и изменением энергетического баланса в данной системе позволяет использовать в определённой мере термодинамические законы физики, в частности второй закон термодинамики (второе начало термодинамики), с вытекающими из него следствиями. Рассматривая биосферу как закрытую, но не изолированную микросистему, которая обменивается энергией с внешней средой — макросистемой, согласно второму закону термодинамики, энтропия в замкнутой системе может оставаться неизменной или будет возрастать к своему максимальному значению.

Тенденции изменения окружающей среды

Таблица 1.13

Показатель

Тенденция 1972-1992 гг.

Сценарий 2030 г.

Потребление первичной биологической продукции

Рост потребления: 40 % на суше, 25 % в целом (оценка 1985 г.)

Рост потребления: 80—85 % на суше, 50 -60 % в целом

Изменение концентрации парниковых газов в атмосфере

Прирост концентрации парниковых газов от десятых долей до 1 % ежегодно

Рост концентрации, ускорение роста концентрации СОг и СН4 за счёт ускорения разрушения биоты

Истощение озонового слоя, рост озоновой дыры в Антарктиде

Истощение озонового слоя на 1 2 % ежегодно, ежегодный рост площади озоновой дыры

Сохранение тенденции даже при условии прекращения выброса хлорфто- руглеродов

Сокращение площади лесов, особенно тропических

Сокращение со скоростью от 117 тыс. км2 (1980 г.) до 180+20 тыс. км2 (1989 г.) в год (восстанавливается 10 % сведённых лесов)

Сохранение тенденции, сокращение площади лесов в тропиках с 18 млн км2 (1990 г.) до 9 11 млн км2 (2030 г.), сокращение площади лесов умеренного пояса

Опустынивание

Расширение площади пустынь (60 тыс. км в год), рост техногенного опустынивания

Сохранение тенденции, возможен рост темпов за счёт уменьшения втагоо- борота на суше и накопление загрязняющих веществ в почвах

Деградация земель

Рост эрозии (24 млрд т ежегодно), снижение плодородия, накопление загрязняющих веществ, закисление, засоление

Сохранение тенденции, рост эрозии и зафязнения сельскохозяйственных земель

Повышение уровня океана

Подъём уровня на 1-2 мм/шд

Сохранение тенденции, возможно ускорение подъёма уровня до 7 мм/ год

Исчезновение видов организмов

Быстрое исчезновение видов

Усиление тенденции по мере разрушения биосферы

Качественное истощение вод суши

Рост объёмов сточных вод, точечных и площадных источни-

Сохранение и нарастание тенденций

Продолжение табл. 1.13

Показатель

Тенденция 1972-1992 гг.

Сценарий 2030 г.

ков загрязнения, числа загрязняющих веществ и их концентрации

Накопление поллютантов в средах и организмах, миграция в трофических цепочках

Рост накопления массы и числа загрязняющих веществ в средах и организмах, рост радиоактивности среды

Сохранение тенденций и возможное усиление

Ухудшение условий проживания людей, рост заболеваний

Рост бедности, нехватка продовольствия, высокая детская смертность, высокий уровень заболеваемости, необеспеченность чистой питьевой водой в развивающихся странах, проживание в зонах высокого загрязнения, рост генетических заболеваний, высокий уровень аварийности, рост аллергических заболеваний в развитых странах, пандемия СПИД в мире, понижение иммунного статуса

Сохранение тенденций, рост нехватки продовольствия, рост генетических заболеваний и заболеваний, связанных с экологи - ческими нарушениями, расширение территории инфекционных заболеваний, появление новых болезней

Понятие энтропия, введённое в термодинамику, характеризует меру необратимого рассеяния энергии. Если рассматривать произвольную систему А, которая взаимодействует с окружающей средой, то энтропия будет характеризовать направления теплообмена между системой А и окружающей средой и энергообмен в самопроизвольно протекающих процессах в данной системе (мера внутренней её энергетической неупорядоченности), что обуславливает тенденцию к беспорядочному равномерному распределению тепла (энергии) между всеми компонентами системы. Другими словами энтропия является мерой энергетического равновесия, мерой устойчивости энергетического состояния (переход всех форм энергии из менее стабильных в более стабильные и в конечном итоге в тепловую). Энтропия системы не может убывать: при всех возможных процессах протекающих в замкнутой системе. Энтропия при необратимых процессах может только возрастать или может оставаться постоянной при обратимых процессах. Когда энтропия достигает своего максимально-возможного значения в данной замкнутой системе, то совершение работы невозможно, так как при максимальном значении энтропии в системе наблюдается абсолютное равномерное распределение энергии между компонентами системы, т. е. отсутствуют энергетические градиенты. В этом случае энтропия характеризует ту часть от полной энергии системы, которая не может бьггь использована для выполнения работы. Та часть от полной энергии системы, которая может быть использована для выполнения работы, называется свободной энергией, а энтропия представляет собой, образно говоря отработанную энергию (деградированную).

Если обозначить свободную энергию через Е ^ и энтропию через S, то полная энергия системы может быть выражена формулой:

Е = Е . + S Т,              (1.13)

пол              свб              *              х 7

где Г — абсолютная температура в системе по Кельвину.

В природных системах бассейновых геосистем, в которых ведущую роль в процессах жизнедеятельности занимают биотические компоненты, наблюдается определённое «противостояние» энтропии как к процессу, ведущему к уравновешенному энергетическому состоянию, при котором достигается максимальное значение энтропии. Снижение уровня энтропии в системе характеризуется обратной величиной — негэнт- ронней. Негэнтропия является мерой удалённости от состояния энергетической уравновешенности между компонентами системы, мерой неравномерности, флуктуационной упорядоченности распределения элементов, мерой возможности совершать системой работу. При возрастании организованности в системе, негэнтропия увеличивается и, наоборот, с уменьшением организованности негэнтропия уменьшается. Следует отметить, что при увеличении загрязнённости водной среды энтропия возрастает, а при уменьшении уровня загрязнения энтропия уменьшается.

Понятия энтропии и негэнтропии позволяют делать количественную оценку процессам, которые происходят в замкнутых системах, в том числе и в биосфере.

Природные системы, какими являются бассейновые геосистемы, относятся к открытым системам, представляющие собой иерархический ряд в общей биосфере Земли.

Снижение уровня энтропии в природной системе, как и в живом организме, возможно только при способности системы к саморегуляции. Нарушение этой способности в природных системах приводит к увеличению энтропии и соответственно деградации природной среды. Поэтому важнейшей задачей является установление допустимых пределов увеличения энтропии в природных системах под влиянием хозяйственной деятельности человека.

В системном понимании хозяйственная деятельность человека обуславливается непрерывным использованием (потреблением) накопленной в биосфере Земли свободной энергии в виде топливных и других ресурсов (уголь, нефть, газ, древесина и др. полезные ископаемые) и поступающей из космоса лучистой энергии Солнца, изменения на скорости и направления потоков свободной энергии, которая преобразуется от менее стабильных форм к формам более стабильным и на конечном этапе в тепловую.

Направленность происходящих процессов в биосфере характеризуется понятиями, сформулированными А. П. Коганом (1977): общее направление превращений биосферы в целом или её функцию можно определить как повышение уровня структурной организации, накопление свободной энергии устойчивого не равновесия, появление и возрастание устойчивого не равновесия, появление и возрастание отрицательной энтропии (негэнтропии), которые достигаются за счёт энергетических и материальных ресурсов неживой природы и реализуются в синтезе первичной биомассы и эволюции её форм; общее направление превращений в растительной подсистеме биосферы или её функцию можно определить как первичный синтез биомассы из неорганических источников, создание исходного негэнтро- пийного материала; общее направление превращений в животной подсистеме биосферы или её функцию можно определить как прогрессивные преобразования биомассы, повышающие её структурную организацию и уровень нег энтропии; функцию человеческой подсистемы биосферы можно определить как производство все новых орудий труда, позволяющих создать не биологическим техническим путём свободную энергию негэнтропии в искусственных высокоорганизованных системах, воспроизводящих прямо или косвенно некоторые процессы, осуществляющиеся до того толь

ко живой материей (Человек и биосфера. — Ростов н/Д: Изд-во РГУ, 1977. С. 113-115).

По мнению ряда исследований, в частности И. Р. Пригожина, второй закон термодинамики можно применять к открытым системам, которые далеки от состояния термодинамического равновесия, когда потоки энтропии (рассеянной неиспользованной энергии) поступают из внешней среды в данную систему.

В процессах движения вещества и энергии, наблюдаемых в природных системах, в соответствии с законами физики и химии в неживой природе (абиотических компонентах), происходит непрерывное нивелирование энергетических градиентов: движение воздушных масс от областей с высоким давлением к областям с низким давлением; диффузные перемещения химических элементов от областей с высокой их концентрацией к областям с более низкой концентрацией и т. д. В процессах движения и превращения неживой материи наблюдается снижение уровня её организации. К примеру, разрушение горных пород выветриванием, водной эрозией, химическим распадом и т. п. Эти изменения происходят под воздействием абиотических компонентов — метеорологических, геологических, космических и др. и направлены на достижение равновесия между костными компонентами природной системы и самой системой в отношении компонентов. Количественная оценка явления неорганизованности (неуравновешенности) в системе, состоящей из природных компонентов, выражается энтропией (5). Мера неорганизованности энергетических потенциалов и материальных структур, выраженная энтропией, имеет тенденцию к непрерывному увеличению. Среди абиотических компонентов (неживой природы или костного вещества) направление превращений вещества и энергии характеризуется общим снижением уровня организации и качества энергии с тенденцией к устойчивому равновесию с возрастанием термодинамической и структурной энтропии. В биотических компонентах (живые организмы животного и растительного мира) направление превращения вещества и энергии характеризуется обшим повышением уровня организации и качества энергии с тенденцией увеличения уровня организованности и уменьшением термодинамической и структурной энтропии, что определяет ведущую роль биосферы на Земле. Только живой обмен веществ обеспечивает воспроизводство сложных структур организма посредством последовательного синтеза его струк-

турных компонентов в процессах роста и развития, в противовес их непрерывного разрушения. В процессах обмена веществ и энергии и информации, обуславливающих их циклические круговороты, в живом веществе происходит непрерывное восстановление градиентов энергии и накапливание свободной энергии устойчивого равновесия. Исходя из второго закона термодинамики в системах, где происходит накапливание свободной энергии, сопровождается процессом возрастания отрицательной энтропии (негэнтропии) за счёт энтропии окружающей среды.

Согласно понятиям классической термодинамике, физические системы неживой природы эволюционно развиваются в направлении воз- растания беспорядка, разрушения, дезорганизации или повышения уровня энтропии. В живой природе, согласно теории Дарвина, системы эволюционно развиваются в направлении своего совершенствования и усложнению своей организации. В общественном развитии человечества как очевидно, наблюдается прогресс. Отсюда следует вывод, что исходное понятие классической физики — понятие закрытой или изолированной системы — не отражает реальности, которая происходит в живых системах и общественной жизни человека. Абстрактное понятие закрытой системы, которое используется в классической физике, определённым образом искажает действительность, так как в природе фактически нет систем, которые не взаимодействовали бы с окружающей средой, включающей в себя разнообразные системы. Для объяснения возникших противоречий в абстрактном понятии закрытой системы и реальностью, в середине XX века появляется новая теория неравновесной (нелинейной) термодинамики, которая базируется на концепции необратимых процессов. Понятие закрытой, изолированной системы заменяется на понятие открытой системы, которая способна обмениваться с окружающей средой веществом, энергией и информацией.

Одним из первых новое определение сформулировал австрийский физик Э. Шредингер в 1947 году в книге «Что такое жизнь с точки зрения физики?» Важным элементом нового понятия открытых систем является то, что в биологических системах обмен веществом и энергии с окружающей средой протекает на достаточно низком уровне энтропии или достаточно высоком уровне у порядочности, которая непрерывно извлекается из окружающей систему среды. Таким образом, от

крытая система заимствует из окружающей среды новое вещество, свежую энергию, и одновременно выводит из системы использованное вещество и отработанную энергию. В процессе своего эволюционного развития система непрерывно обменивается энергией с окружающей средой и производит энтропию, которая транспортируется или передаётся в окружающую среду. Открытая система не может быть равновесной, поскольку процессы, обуславливающие поступление из внешней среды вещества и энергии носят непрерывный характер. В результате такого взаимодействия, по новому принципу, система получает из окг ружающей среды порядок, а возвращает в окружающую среду беспорядок (энтропию).

Изучением неравновесных процессов занимается термодинамика открытых систем, где особо важную роль (ключевую) роль играет понятие возрастание энтропии. Рост энтропии в единицу времени в единице объёма называется функцией диссипацией или потерей энергии. Если функция диссипации в системе отлична от нуля, то такая система но- сот название диссипативная. Для диссипативных систем характерен переход энергии упорядоченного процесса в энергию неупорядоченного процесса или в тепло. Если между двумя системами существует связь, то возможен переток энтропии из одной системы в другую, направление перехода энтропии определяется уровнями внутренней упорядоченности в системах. Энтропия переходит от системы с более высоким уровнем упорядоченности к системе с уровнем менее упорядоченным.

В открытых системах отток энтропии наружу или в другую систему уравновешивает её рост в самой системе. В закрытой или изолированной системе из-за отсутствия оттока энтропии в окружающую среду система остаётся в неравновесном состоянии. В открытой системе отток энтропии в окружающую среду или в другую систему способствует уравновешиванию её роста или увеличения в самой системе. Уравновешивание роста энтропии в открытой системе обеспечивает поддержание стационарного состояния или динамического равновесия. В стационарном состоянии энтропия открытой системы остаётся постоянной, но максимального значения не достигает. Стационарное состояние или динамическое равновесие в открытой системе обеспечивается за счёт постоянного протока свободной энергии из окружающей среды. Динамика энтропии в открытой системе выражается уравнением И. Р. Пригожина:

(1.14)

где — характеристика энтропии необратимых процессов внутри

самой системы; ¦              — характеристики обмена энтропией между 6110-

логической системой и окружающей средой.

В случае если необратимые процессы в открытой системе приближаются к стационарному состоянию, тостремится к минимально

возможному положительному значению. Равновесное состояние в системе может быть равновесным, неустойчивым. При обмене с внешней средой веществом энергией происходит суммарное уменьшение энтропии и даже может превысить её внутреннее производство, что вызовет неустойчивость предшествующего состояния. Возникают и возрастают до макроскопического уровня крупномасштабные флуктуации. При этом возможна саморегуляция или возникновение определённых структур и хаотического образования. Образовавшиеся упорядоченные структурные образования постепенно переходят в упорядоченное состояние и соответственно энтропия в них убывает. Такие упорядоченные структурные образования, возникающие в диссипативных системах при неравновесных необратимых процессах, И. Р. Пригожий назвал диссипативными структурами. Диссипативные струкгуры образуются в результате внутренней неустойчивости в системе или самоорганизации. Для функционирования диссипативных систем требуется больше энергии, чем для более простых структур, которые они сменяют.

Процессы самоорганизации основываются на обмене энергией вещества с окружающей средой и это позволяет поддерживать создаваемого состояния текущего равновесия в системе, когда потери на диссипацию (рассеивание) компенсируются извне. С поступлением дополнительной энергии или вещества неравновесность в системе возрастает, прежние взаимосвязи между элементами системы, определяющие её структуру, разрушаются и на их смену приходят новые взаимосвязи,

которые приводят к коллективному поведению её элементов. Такова общая технологическая схема процессов саморегуляции в открытых системах. Концептуальное понятие саморегуляции в открытых системах позволяет по-новому рассматривать взаимосвязи неживой и живой природы. Окружающих нас Мир и Вселенная представляют собой совокупность разнообразных самоорганизующихся процессов, которые лежат в основе любого эволюционного развития.

Для возникновения самоорганизации в различных природных системах необходимы определённые условия, к основным из которых относятся следующие (Г. И. Рузавин, 1997): Система должна быть открытой. Система должна быть достаточно далека от точки термодинамического равновесия, в которой наблюдается максимальное значение энтропии и соответственно система теряет всякую способность к какой-либо организации. В отличие от изолированных систем в открытых системах базовым (основополагающим) принципом самоорганизации является возникновение и усиление порядка через флуктуации (возникновение новых структур из хаотических образований). Возникновение самоорганизации опирается на принцип положительной обратной связи, в соответствии с которым изменения, возникающие в системе, не устраняются, а накапливаются и усиливаются, что приводит к возникновению нового порядка и структуры. Процессы самоорганизации сопровождаются нарушением симметрии, что приводит к разрушению старых и возникновению новых структур. Процессы самоорганизации могут начинаться в системах, обладающих достаточным количеством взаимодействующих между собой элементов, которые имеют определённые критические размеры.

Обобщённые выше условия, которые необходимы для возникновения процессов самоорганизации в той или иной природной системе, далеко не всегда достаточны в полной мере. Это объясняется тем, что при эволюционном развитии природной системы на новых её витках на процессы самоорганизации оказывают всё новые и новые факторы, ранее не участвующие в процессах самоорганизации.

Согласно И. Р. Пригожину, открытые природные системы составляют превалирующую часть физической Вселенной, неустойчивость и

неравновесность которых является доминирующими факторами. Всё, что нас окружает, представляет собой неравновесный мир, где всё взаимосвязано, Мир неустойчивости и необратимости, нелинейности и обратных связей, эволюции и катастроф, хаоса и сложнейших структур, диссипации и самоорганизации. Современная теория эволюции органического мира позволяет рассматривать биосферу Земли как открытую систему, которая находится в неравновесном состоянии, где эволюционное развитие живой материи идёт от низших форм к высшим.

По своему строению живая и косная материя имеют существенные различия между собой. Эти различия определяются весьма сложной структурой живого вещества и способностью живого вещества извлекать из окружающей среды необходимое количество свободной энергии. Исходя из основных положений теории открытых систем, можно отметить, что при существующих космических и земных предпосылках живое вещество способно оказывать своё «давление» на внешние оболочки Земли, и интенсивность этого давления не ослабевает. Хозяйственную деятельность человека, вызывающая деструкцию биосферы, следует рассматривать как флуктуацию, вызванную популяционным взрывом, который по законам регулирования неизбежно будет элиминирован или устранён. Биосфера эволюционно развивалась, развивается, и будет развиваться. Важно только определить место человека в этом процессе развития биосферы.

Человек как биологическая система, занимает место в космопланетарной экосистеме Земля, характеризуемое как мощной геологической силой над природой, но в своих целях он полностью ей подчинён. Нарушение этого постулата является основной причиной глобального системного кризиса в отношениях (взаимодействиях) между человеком и природой. 

<< | >>
Источник: под общ. ред. И. С. Румянцева. Природообустройство: территории бассейновых геосистем : Учебное пособие. 2010

Еще по теме Биосфера как космопланетарная геосистема Земли:

  1. Геологическая история и эволюция жизни на Земле
  2. Биосфера как космопланетарная геосистема Земли
  3. Элементы круговорота веществ и энергии в природных системах
  4. Основные понятия и определения в природоохранном обустройстве территорий