Организованность биосферы. Космические предпосылки формирования земли и биосферы

«…в действительности имеем дело со своеобразной
организованностью биосферы, с естественным планетным телом,
которое мы не можем разделить без его уничтожения»
В.И. Вернадский (1977)
Уровни организованности:
пространственно-временной
физический, в т.ч. термодинамический, агрегатный,
энергетический
химический, в т. ч. биогеохимический
биологический (структурно-функциональный)
парагенетический

«Планетарная биосфера» - это единая система,
из числа доступных изучению, объединяющая
неживую и живую материю, имеющая
собственную внутреннюю среду, отличную от
внешней, термодинамически неравновесную по
отношению к окружающей среде (Космосу),
самостоятельно поддерживающую это
неравновесие, обменивающуюся с ней (внешней
средой) веществом, энергией и информацией,
имеющую выраженную границу
несмешиваемых сред.

Кибернетические принципы организованности биосферы

Кибернетические системы - это сложные динамические
системы любой природы (технические, биологические,
экономические, социальные, административные) с обратной
связью.
Сложными динамическими системами называются такие
системы, которые содержат в себе множество более простых,
взаимодействующих друг с другом систем и элементов,
которые меняются, т.е. под воздействием определенных
процессов переходят из одного устойчивого состояния в
другое.
Самоорганизация - структура в действии.

ГОМЕОСТАЗ. Стремление к гомеостазу – мощнейший
фактор эволюции.
ОБРАТНАЯ СВЯЗЬ. Отрицательные обратные связи
поддерживают гомеостаз, положительные – ухудшают
стабильность системы. Одной из особенностей любого из важнейших эволюционных процессов, протекающих в живом
мире, является противоречие между тенденциями к стабильности, т.е. сохранению гомеостаза, и укреплению отрицательных обратных связей, и тенденциями к поиску новых,
более рациональных способов использования внешней энергии
и вещества, т.е. укреплению положительных обратных связей.
ИНФОРМАЦИЯ – отражённая структура, воспроизводящая
структуру оригинала, определяет целенаправленность
развития живой системы (реализация генетической
программы, достижение видового разнообразия и т.д.)

Свойства самоорганизующихся систем

сохраняет состояние термодинамического
равновесия
негаэнтропийный характер действия
(использование информации)
обладает функциональной активностью,
выражающейся в противодействии внешним
силам
обладает выбором линии поведения и
целенаправленностью действия
обладает гомеостазом и адаптивностью системы

Закон вектора развития. Развитие однонаправленно.
Закон необратимости эволюции (Л. Долло, 18571931).
Закон усложнения системной организации (К.Ф.
Рулье, 1814-1858).
Закон неограниченного прогресса.
Закон последовательности прохождения фаз
развития системы.
Системогенетический закон.
Закон синхронизации и гармонизации подсистем (Ж.
Кювье, 1769-1832)

Закономерности внутреннего развития систем

Правило разновременности развития подсистем
в больших системах (закон аллометрии, Д.
Хаксли, 1887-1975)
Правило системно-динамической
комплементарности

10. Термодинамика живых систем

Принцип энергетической проводимости. Водообмен в
биологической особи занимает часы, в аэробиосфере - 8 дней,
в реках - 16 дней, в озерах - 17 лет, в подземных водах -
1400 лет, в океане - 2500 лет.
Закон сохранения массы.
Первое начало термодинамики.
Второе начало термодинамики:
1. Энергетические процессы могут идти самопроизвольно
только при условии перехода энергии из концентрированной
формы в рассеянную;
2. Потери энергии в виде недоступного для использования тепла
всегда приводят к невозможности стопроцентного перехода
одного вида энергии (кинетической) в другой (потенциальную)
и наоборот;

11.

3. В замкнутой (изолированной в тепловом и механическом
отношении) системе энтропия либо остается неизменной (если
в системе протекают обратимые, равновесные процессы),
либо возрастает (при неравновесных процессах) и в состоянии
равновесия достигает максимума.
ЭНТРОПИЯ - мера неупорядоченности системы, стремящаяся
согласно второму принципу термодинамики, к возрастанию до
состояния физического равновесия, которое необратимо.
Теорема сохранения упорядоченности (И.Р. Пригожин, 1977).
В открытых системах энтропия не возрастает - она падает
до тех пор, пока не достигается минимальная постоянная
величина, всегда большая нуля. При этом вещество в системе
распределяется неравномерно и организуется таким образом,
что местами энтропия возрастает, а в других местах
снижается. В целом же, используя поток энергии, система не
теряет упорядоченности.

12.

Принцип Ле Шателье-Брауна.
Закон минимума диссипации энергии (Л. Онсагер,
1903-1976).
Закон максимизации энергии и информации (Ю.
Одум).
Принцип максимизации мощности.
Правило основного обмена

13. Пространственно-временная организованность

Пространство понимается как форма бытия материи,
характеризующая ее протяженность, структурность,
сосуществование и взаимодействие элементов во всех
материальных системах.
Характеристики пространства биосферы:
1. Земная кора химически резко отлична от внутренних слоев
планеты;
2. По набору химических элементов в земной коре преобладают
элементы с четными порядковыми номерами;
3. Химический состав оболочек Солнца и звёзд соответствует
составу земной коры;
4. Пространство биосферы является дисимметричным и
хиральным.

14.

Абиогенная симметрия и асимметрия живого вещества
1. Гипотеза голобиоза - методологический подход, основанный на
идее первичности структур типа клеточной, наделенной
способностью к элементарному обмену веществ при участии
ферментного механизма. Появление нуклеиновых кислот в ней
считается завершением эволюции, итогом конкуренции
протобионтов.
2. Гипотеза генобиоза (информационная гипотеза) - исходит из
убеждения в первичности молекулярной системы со свойствами
первичного генетического кода.
3. Молекулярная хиральность - присуща только живой материи и
является ее неотъемлемым свойством (Л. Пастер, 1860).
Превращение молекулярно-симметричных веществ неживой
природы в молекулярно-диссимметричные живой неразрывно
связано с происхождением живой материи. Оно осуществлялось
посредством особых диссимметрических сил, вызывающих
диссимметризацию молекул этой материи (мощные электрические
разряды, геомагнитные колебания, вращение Земли вокруг
Солнца, появление Луны).

15.

Время - характеризует последовательность смены состояний и
длительность бытия любых объектов и процессов, внутреннюю связь
изменяющихся и сохраняющихся состояний.
Свойства геологического
Свойства биологического
времени
времени
- однонаправленно,
- циклично,
- линейно,
- закруглено,
- необратимо, существует
- необратимо, возникает с
всегда,
рождением,
- фон для всех процессов
- течение вызвано рождением,
ростом, гибелью и сменой
поколений.
Движение времени осуществляется биологически, учитывается
сменой поколений живого вещества, обуславливающей «дление»
времени. Геологическое время определяется только через
биологическое время. Биологическое время является абсолютной
системой отсчета времени. В биосфере существует «пространствовремя» - категория, основа которого – существование ЖВ.

16.

Структурно-функциональная организованность биосферы
Пищевая цепь – это ряд организмов, связанных между собой
передачей энергии от ее источника – автотрофов к
потребителю – гетеротрофам. Звенья пищевой цепи,
образованные сходными по типу питания организмами,
называются трофическими уровнями.
Энергетическим
материалом
для
функционирования
трофического
уровня
служат
биомасса
организмов
предыдущего трофического уровня или продукты деструкции
отмерших остатков.
Два основных типа пищевых цепей: пастбищные, или цепи
выедания, начинающиеся с зеленого растения, и детритные,
или цепи разложения.

17.

Энергетический баланс продуцентов:
1.запасание энергии в процессе фотосинтеза (на каждый моль
ассимилированной углекислоты запасается 114 ккал энергии);
2.запасание солнечной энергии идет в очень удобной для
биологического использования форме – в молекулярной, т.е. в
химических связях сахаров, аминокислот, белков;
3.часть запасенной энергии используется продуцентом для
построения собственного организма, часть поступает в
детритные цепи и часть поступает на трофический уровень
консументов.

18.

Энергетический баланс консументов:
1.Поглощённая пища усваивается не полностью, 10-20% (сапрофаги)
до 75% - плотоядные виды;
2.Большая часть энергии тратится на метаболизм – трата на
дыхание;
3.Меньшая часть энергии расходуется на пластические процессы;
4.Передача энергии химических соединений в организме идёт с
потерей в виде тепла (низкий КПД животных клеток);
5.Потери энергии составляют около 90% при каждой передаче
энергии через трофический уровень. Потерянная в цепях питания
энергия может быть восполнена только поступлением ее новых
порций. Поэтому биогеоценоз функционирует только за счет
направленного потока энергии, постоянного поступления ее из вне в
виде солнечного излучения или готовых запасов органического
вещества.

19.

Переплетения разных цепей
питания в составе
биогеоценозов образуют
сложные сочетания видовых
популяций, которые называют
циклами питания или
пищевыми сетями. Принцип
образования пищевых сетей
состоит в том, что каждый
продуцент имеет не одного, а
нескольких консументов. В
свою очередь консументы
пользуются не одним, а
несколькими источниками
питания.

20. Парагенетический уровень организованности

парагенезис - закономерное совместное
нахождение в земной коре минералов, связанных
общими условиями образования. Изучение
парагенезиса минералов имеет большое значение
при поисках и оценке месторождений полезных
ископаемых, имеющих сходную геохимическую
историю.
биосфера – парагенетическая оболочка
отражением парагенезиса биосферного вещества
являются его типы:

21. Типы биосферного вещества:

живое вещество
биогенное вещество
косное вещество
биокосное вещество
вещество, находящееся в процессе
радиоактивного распада
рассеянные атомы
вещество космического происхождения

Учение о биосфере

Согласно воззрениям основоположника современного учения о биосфере академика В.И. Вернадского, с момента возникновения жизни на Земле происходил процесс длительного формирования единства живой и косной материи, т. е. биосферы (от гр. bios - жизнь, sphaira - шар). Термин «биосфера» был введен в 1875 г. австрийским ученым, иностранным почетным членом Петербургской академии наук Э.Зюссом (1831 - 1914). Биосфера - область активной жизни Земли (ее оболочка), состав, структура и энергетика которой обусловлены в основном деятельностью живых организмов (живого вещества). Живое вещество, по Вернадскому, - это носитель свободной энергии в биосфере, где все главные организмы связаны со средой обитания самоуправляемыми биологическими и геохимическими процессами. Ученый четко обозначил верхний и нижний пределы распространения жизни. Верхний предел обусловливается лучистой энергией, приходящей из космоса, губительной для живых организмов. Здесь имеется в виду жесткое ультрафиолетовое излучение, которое задерживается озоновым слоем (экраном). Его нижняя граница проходит на высоте около 15 км, верхняя - на рекордной высоте полета птиц. Нижний предел жизни связан с повышением температуры в земных недрах. На глубине 3... 3,5 км температура достигает 100 "С. Нижний предел жизни в океане колеблется от 5 см до 114 м ниже поверхности морского дна. Общая структура биосферы, в состав которой входят нижняя часть атмосферы (до озонового пояса - на высоте 20...25 км); вся гидросфера - океаны, моря, поверхностные воды суши (до максимальных глубин - 11022 м); поверхность суши; литосфера - верхние горизонты твердой земной оболочки, приведена на рис. 1.1. Например озоновый «экран», или озоновый слой, - это слой атмосферы в пределах стратосферы, расположен на разной высоте от поверхности земли и имеет наибольшую плотность озона. Высота озонового слоя у полюсов равна 1... 8 км, у экватора 17... 18 км, а максимальная высота присутствия озона 45... 50 км. Выше озонового слоя существование жизни невозможно (из-за жесткого ультрафиолетового излучения Солнца). Важнейшие характеристики состояния биосферы - это атом биомассы, количество углерода и связанной в биомассе (на поверхности и в почве) энергии, годичный прирост и количество минеральных веществ, заключенных в биомассе. Живое вещество суши составляет 1012...1013 т, биомасса лесов - 1011...12 т, минеральные вещества и азот - 1010 т. Около 90% биомассы биосферы сосредоточено в лесах. Годичный прирост биомассы в тайге равен 4...7%, в лиственных лесах 10... 15%, прирост травы 30...50%.
Рис. 1.1. Строение биосферы (по Г.В.Стадницкому, 1997) На рис. 1.2 показаны границы биосферы и распределение в ней живых организмов. Организмы связаны с окружающей средой биогенным током атомов: своим дыханием и размножением. Миграция химических элементов с помощью живых организмов и создает необходимые для них условия существования. Живые организмы аккумулируют солнечную энергию, превращают ее в химическую и создают все многообразие жизни. Миграция химических элементов в биосфере связана с жизнедеятельностью живых организмов, их дыханием, питанием, размножением, смертью и разложением. Живые организмы принимают участие в перераспределении химических элементов, образовании горных пород и минералов, выполняют особые геохимические функции: газообмен, концентрационную, окислительно-восстановительную, созидания и разрушения. Живые организмы в биосфере можно изучать на уровне популяций (группа особей одного вида, совместно населяющих общую территорию), сообществ (организмов, связанных с неорганической средой) и экосистем (совокупность организмов и неорганических компонентов, в которой может осуществляться круговорот веществ). Экосистема относительно устойчива во времени и термодинамически открыта в отношении притока и оттока живого вещества и энергии. Рис. 1.2. Распределение живых организмов в биосфере: 1 - озоновый слой; 2 - граница снегов; 3 - почва; 4 - животные, обитающие в пещерах; 5 - бактерии в нефтяных водах В некоторых типах экосистем вынос живого вещества за их пределы настолько велик, что их стабильность поддерживается в основном за счет притока такого же количества вещества извне, тогда как внутренний круговорот малоэффективен. Таковыми являются проточные реки, ручьи, участки на крутых склонах гор. Другие экосистемы, например леса, луга, озера и др., имеют более полный круговорот веществ и относительно автономны. Количество живого вещества тех или иных организмов или всего сообщества, приходящееся на единицу площади или объема, называется биомассой. Биомасса, производимая популяцией или сообществом (на единицу площади) в единицу времени, называется биологической продуктивностью. Участок земной поверхности с определенным составом живых и косных (приземный слой атмосферы, почва и др.) компонентов, объединенных обменом веществ и энергии, называется биогеоценозом, т. е. элементарной однородной единицей биосферы. Основную долю биомассы суши составляют зеленые растения - 99,2%, а в океане только 6,3%, в то время как масса животных и микроорганизмов суши равна 0,8%, а в океане - 93,7%. Масса живого вещества на поверхности материков в 800 раз превышает биомассу океана. Биосфера в видовом и морфологическом отношении чрезвычайно многообразна. Сейчас на Земле существует более 2 млн видов организмов, из которых на долю животных приходится более 1,5 млн, растений - всего лишь около 500 тыс. видов. Необходимо отметить, что в своих взглядах В.И.Вернадский подошел к биосфере как к планетарной среде, в которой распространено живое вещество. В отличие от ряда ученых, которые рассматривали биосферу только как совокупность живых организмов и продуктов их жизнедеятельности, Вернадский считал, что живое вещество (в биохимическом понимании) не может быть оторвано от биосферы, функцией которой оно является. Кроме того, биосфера есть область превращения космической энергии, ибо космические излучения, идущие от небесных тел, проникают сквозь всю толщину биосферы. Поэтому, по Вернадскому, биосфера есть «планетарное явление космического характера» , в котором преобладает живое вещество как основа биосферы. В живых организмах на порядок увеличивается скорость химических реакций в процессе обмена веществ. К уникальным особенностям живого вещества можно отнести следующие признаки: - способность быстро занимать или осваивать все свободное пространство. Данное свойство дало основание Вернадскому сделать вывод, что для определенных геологических периодов количество живого вещества было примерно постоянным; - способность к адаптации в различных условиях и в связи с этим освоение не только всех средств жизни (водной, почвенной), но и крайне трудных по физико-химическим параметрам условий; - высокая скорость протекания реакций. Она на несколько порядков выше, чем в неживом веществе. Например, гусеницы некоторых насекомых потребляют за день количество пищи, которое в 100...200 раз больше веса их тела; - высокая скорость обновления живого вещества. Подсчитано, что для биосферы она составляет в среднем 8 лет, при этом для суши - 14 лет, а для океана, где преобладают организмы с коротким периодом жизни (например, планктон), - 33 дня; устойчивость при жизни и быстрое разложение после смерти, с сохранением высокой физико-химической активности. Так, в атмосфере смена кислорода происходит за 2000 лет, углекислого газа - за 6,3 года. Процесс полной смены вод на Земле (в гидросфере) осуществляется за 2800 лет, а время, необходимое для фотосинтетического разложения всей массы воды, насчитывает 5...6 млн лет. В работах российских ученых доказано, что главными составными элементами живого вещества являются кислород (65... 70%) и водород (10%). Остальные элементы представлены углеродом, азотом, кальцием (от 1 до 10%), серой, фосфором, калием, кремнием (от 0,1 до 1%), железом, натрием, хлором, алюминием и магнием. Таким образом, живое вещество - это совокупность и биомасса живых организмов в биосфере. В.И.Вернадский писал: «На земной поверхности нет химической силы, более постоянно действующей, а потому и более могущественной по своим конечным последствиям, чем живые организмы, вместе взятые». Учение В.И.Вернадского о биосфере произвело переворот в геологии, во взглядах на причины ее эволюции. До Вернадского в эволюции верхних слоев литосферы, прежде всего земной коры, первенство отводилось физико-химическим процессам, в основном выветриванию. И только он показал преобразующую роль живых организмов, механизмов разрушения горных пород, изменения водной и атмосферной оболочек Земли. По Вернадскому, биосферу разделяют на необиосферу и палеобиосферу, более древнюю биосферу. В качестве примера последнего определения можно назвать скопления органических веществ (залежи каменных углей, нефти, горючих сланцев и др.) или запасы других соединений, образовавшихся при участии живых организмов (известь, мел, рудные образования, соединения кремния). Важнейшими особенностями биосферы являются ее организованность и устойчивое равновесие. Например, можно говорить о термодинамическом уровне организованности биосферы - наличии двух взаимосвязанных «слоев» верхнего, освещенного (фотобиосфере), и нижнего, почвенного (афотобиосфере). Термодинамический уровень организованности биосферы проявляется в специфике градиентов температуры в гидросфере, атмосфере и литосфере. Выделяют и другие уровни организованности и устойчивости биосферы. Современные философские концепции сводятся к тому, что процесс взаимодействия общества и биосферы должен быть управляемым во взаимных интересах. В отличие от биогенеза данный этап эволюции биосферы рассматривают в качестве этапа разумного развития, т.е. ноогенеза (от гр. noos - разум). Соответственно происходит постепенное превращение биосферы в ноосферу. Понятие «ноосфера» введено в XIX в. французским ученым и философом Э.Леруа (1870 - 1954) и развито французским философом Тейяр де Шарденом (1881 - 1955), а концепцию о ноосфере обосновал В. И. Вернадский. Под этим термином подразумевалось образование особой оболочки Земли со всеми ее атрибутами: обществом людей, строениями, языком и т.д. Ноосфера рассматривалась в качестве некоего «мыслящего пласта над биосферой». В.И.Вернадский считал, что ноосфера - это новое геологическое явление на Земле. В ней впервые человек становится мощной геологической силой. Но мыслить и действовать человек, как и все живое, может только в биосфере, с которой он связан и из которой не может выйти. На данном этапе эволюции жизни развитие пойдет по пути ноогенеза, являющегося этапом разумного регулирования взаимоотношений человека и природы, т.е. исправление уже имеющихся нарушений в природе и предотвращение нарушений и отклонений в будущем. По Вернадскому, биосфера неизбежно превратится в ноосферу, т.е. в сферу, где разум человека будет играть доминирующую роль в развитии системы человек-природа. Некоторые ученые рассматривают этот закон как социальную утопию. Но совершенно очевидно, что если человечество не начнет регулировать собственные воздействия на природу, опираясь на ее законы, то оно обречено на гибель. Условием создания ноосферы академик Вернадский считал научное и культурное объединение всего человечества, усовершенствование средств связи и обмена, открытие новых источников энергии, подъем благосостояния, равенство всех людей и исключение войн из жизни общества. К ключевым положениям учения о биосфере относятся функции живого вещества. К ним относится энергетическая функция - растения в процессе фотосинтеза аккумулируют солнечную энергию в виде органических соединений, энергия которых в дальнейшем является источником химической энергии биосферы. Внутри экосистемы эта энергия в виде «пищи» распределяется между животными. Например, коровы, овцы, козы и другие животные употребляют в качестве пищи траву и листву деревьев. Частично энергия рассеивается, а частично накапливается в отмершем органическом веществе. Это вещество переходит в ископаемое состояние. Так образовались залежи торфа, каменного угля, нефти и других полезных ископаемых. Другая функция - деструктивная, которая состоит в разложении, минерализации мертвого органического вещества и вовлечении образовавшихся минералов в биотический круговорот, а затем в разложении его (вещества) до простых органических соединений (углекислый газ, вода, метан, аммиак), которые вновь используются в начальном звене круговорота. Например, бактерии, водоросли, грибы, лишайники оказывают на горные породы сильнейшее химическое воздействие растворами целого комплекса кислот: угольной, азотной, серной. Разлагая с их помощью те или иные минералы, организмы извлекают и включают в биотический круговорот важнейшие питательные элементы: кальций, калий, натрий, фосфор, кремний. Третья функция - концентрационная. Эта функция заключается в избирательном накоплении в организмах атомов веществ, рассеянных в природе. Например, в морских организмах по сравнению с природной средой накапливаются в большом количестве микроэлементы, тяжелые металлы, в том числе ядовитые (ртуть, свинец, мышьяк и другие химические элементы). Их концентрация в рыбах может в сотни раз превосходить содержание в морской воде. Благодаря этому морские организмы полезны как источник микроэлементов. Четвертая функция живого вещества - средообразующая, состоит в трансформации параметров среды обитания (литосферы, гидросферы, атмосферы) в условиях, благоприятных для жизни организмов, в том числе человека, т. е. эта функция поддерживает в равновесии баланс вещества и энергии в биосфере. Вместе с тем живое вещество способно восстанавливать условия обитания среды, нарушенные в результате природных катастроф или антропогенного воздействия, если производимые возмущения не превышают пороговых значений. Несмотря на то, что общая масса живого вещества, покрывающая Землю, ничтожно мала, результаты жизнедеятельности организмов сказываются на составе литосферы, гидросферы и атмосферы. В.И.Вернадский объясняет такое состояние экосистемы тем обстоятельством, что масса организмов осуществляет свою планетарную роль за счет быстрого размножения, т. е. весьма энергичного круговорота веществ, связанного с этим размножением. Единственным источником энергии для всех природных процессов, развивающихся в биосфере, является солнечная радиация. Поток солнечной радиации на Землю приблизительно равен 4190 103 Дж/(м2- год). На единицу поверхности в среднем поступает 1/5 части общей величины потока. Сумма потоков солнечной энергии, приходящих к поверхности Земли и уходящих от нее, называется «радиационным балансом земной поверхности». Энергия радиационного баланса расходуется на нагревание атмосферы, испарение, теплообмен со слоями гидро- или литосферы и ряд других процессов. Некоторые из этих процессов влияют на фотосинтез, переходящий в форму химической энергии, и на создание органического вещества. Организмы, синтезирующие из неорганических соединений органические вещества с использованием энергии Солнца, называются автотрофами, а за счет энергии, освобождающейся при химических реакциях, - хемотрофа-ми. Организмы, питающиеся готовыми органическими веществами, называются гетеротрофами. Автотрофы и хемотрофы, производящие органическое вещество из неорганических соединений, называются продуцентами. Организмы, питающиеся органическими веществами и преобразующие их в новые формы, называются консументами. Организмы, превращающие в ходе жизнедеятельности органические остатки в неорганические вещества, называются редуцентами. Солнечная энергия на Земле вызывает два круговорота веществ: большой, или геологический, наиболее ярко проявляющийся в круговороте воды и циркуляции атмосферы, и малый, или биологический. Оба круговорота взаимосвязаны и представляют единый процесс. Геологический круговорот происходит в течение сотен тысяч или миллионов лет. Он заключается в том, что горные породы подвергаются разрушению, выветриванию, а продукты выветривания, в том числе растворимые в воде, сносятся потоками воды в мировой океан. Здесь они образуют морские напластования и лишь частично возвращаются на сушу с осадками. Биологический круговорот является частью геологического и заключается в том, что питательные вещества почвы - вода, углерод - аккумулируются в живом веществе растений, расходуются на построение тела и осуществление жизненных процессов как их самих, так и организмов-консументов. Продукты распада органического вещества попадают в почву из мезофауны (например, из бактерий, грибков, червей, моллюсков и др.) и вновь разлагаются до минеральных компонентов, опять-таки доступных растениям и вновь вовлекаемых ими в поток живых веществ. Малый круговорот веществ, втягивая в свои многочисленные орбиты косную среду, обеспечивает воспроизводство живого вещества и оказывает активное влияние на облик биосферы. Одним из положений учения о биосфере является установление закона сохранения (бережливости) биосферы. Смысл закона заключается в том, что атомы, вошедшие в какую-нибудь форму живого вещества, или с трудом возвращаются, или не возвращаются назад, т. е. можно говорить об атомах, остающихся в живой материи в течение геологических периодов.

Биосферный уровень - высшая форма организации жизни на Земле. На этом уровне происходит объединение всех круговоротов веществ и превращения энергии в единый круговорот. Живое организовано по типу иерархичных систем: переход с одного уровня на другой связан с сохранением функциональных механизмов, действовавших на предыдущем уровне, и с появлением новых структур и функций, новых качеств. Уровень представлен биосферой - областью активной жизни. Она охватывает аэросферу (нижнюю часть атмосферы), гидробиосферу (гидросферу), террабиосферу (поверхность суши) и литобиосферу (верхнюю часть литосферы). Биосфера - достаточно тонкий слой: микробная жизнь распространена до высот 22 км над поверхностью, а в океанах наличие жизни обнаружено на глубинах до 10- 11 км ниже уровня моря. В земную кору жизнь проникает меньше, микроорганизмы найдены при бурении до глубин 2 - 3 км. Случайно живая материя попадает и в слои, лежащие рядом «над» и «под», их называют пара- и метабиосферой соответственно. Но «пленка жизни» покрывает всю Землю, даже в пустынях и льдах обнаружены следы живого. Распределение жизни крайне неравномерно. В почве (верхние слои литосферы), гидросфере и нижних слоях атмосферы - самое большое количество живого вещества.

Разработка учения о биосфере имеет свою историю. Одним из первых естествоиспытателей, смотревших на Землю как на целое, был М.В.Ломоносов. Он писал в работе «О слоях земных», что «чернозем не первообразная и не первозданная материя, но произошел от согнития животных и растущих тел со временем», что бурый уголь, каменный уголь и чернозем - результаты влияния организмов на грунт. Ломоносов дал общий очерк геологии Земли, доказывал ее древность как планеты. В то время даже окаменелости - ископаемые остатки организмов - далеко не всеми воспринимались как следы некогда бывшей жизни. В 1802 г. Ламарк в «Гидрогеологии» указывал на роль живых организмов в геологических процессах. В книге А. Гумбольдта «Космос» собрано много материала о влиянии живого на геологические структуры.

Зарождение отечественной агрохимии связано с Д.И.Менделеевым. Он исследовал проблемы питания растений и повышения урожайности

сельскохозяйственных культур. Эффективностью минеральных и органических удобрений занимались А.Н.Энгельгардт и Д.Н.Прянишников. Возникшая в начале XX в. геохимия исходила из принципов эволюции. Почвенным лесообразованием занимался В. А. Обручев, положив начало мерзлотоведению, он изучал тектонику и геологию. В.В.Докучаев своей работой «Русский чернозем» открыл почвоведение как научную дисциплину, стоящую на стыке геологии, биологии и химии. У него почва - особое природное тело, имеющее огромное значение для сельского хозяйства. Он дал первую в мире классификацию почв, изложил учение о ландшафтно-географических зонах, разработал планы борьбы с засухой, предусмотрев в них ряд агрономических и лесомелиоративных мер. Вместе с ним работали М. М. Сибирцев и П. А. Костычев. Сибирцев участвовал во многих экспедициях в южные степи России, написал первый учебник «Почвоведение» (1889). Костычев показал связь свойств почв с жизнедеятельностью растений и микроорганизмов, роль человека в изменении этих связей. Он установил (1886) решающую роль низших организмов в образовании перегноя (гумуса). Немецкий ученый Г.Гельригер показал опытным путем симбиоз бобовых культур с клубеньковыми бактериями (1888), что оказалось важным в агрономии.

Русский ученый В. Р. Вильямc доказал роль биологических факторов (природных сообществ высших зеленых растений и микроорганизмов) в формировании плодородия почв. Он первым подчеркнул значение биологического круговорота элементов в формировании не только органической, но и минеральной части почв, разработал научные основы травопольной системы земледелия (1914). Докучаев, преподававший минералогию, определил жизненные интересы В. И. Вернадского еще в студенческие годы. Вернадский исследовал эволюцию минералов земной коры (1908), создал геохимическую классификацию химических элементов, разработал учение о миграции атомов в земной коре, заложил основы генетического направления в минералогии, и именно общие проблемы минералогии и геологии привели его к концепции биогеохимии (1917). «Биосфера» Вернадского дает целостную картину механизма формирования земной коры с учетом определяющего влияния жизни.

В.И.Вернадский создал учение о биосфере как об активной оболочке Земли, в которой совокупная деятельность живых организмов - геохимический фактор планетарного масштаба и значения. Термин «биосфера», введенный (1875) Э.Зюссом, относился к совокупности организмов, обитающих на поверхности Земли. В понятие живых организмов Вернадский включил и человека. Он выделял в биосфере косное (солнечная энергия, горные породы, минералы и т.д.) и биокосное (почвы, поверхностные воды и органические вещества). Хотя живое вещество по массе и объему составляет незначительную часть биосферы, оно играет основную роль в геологических процессах, связанных с изменением нашей планеты.

По Вернадскому, биосфера - это живое вещество планеты и преобразованное им косное вещество. Понятие «биосфера» - фундаментальное понятие биогеохимии, а не биологическое и не геологическое. Биосфера организует процессы на Земле и около Земли, в ней происходят биоэнергетические процессы и обмен веществ вследствие жизнедеятельности. Живой организм - неотъемлемая часть земной коры, могущая изменять ее. Живое вещество - совокупность организмов, участвующих в геохимических процессах. Организмы берут из окружающей среды химические элементы, строят из них тела, возвращают их в ту же среду и в процессе жизни и после своей смерти. Потому живое вещество связывает биосферу воедино, является системообразующим фактором. Изменения в живом веществе происходят существенно быстрее, чем в косном, поэтому в нем пользуются понятием исторического времени, а в косном - геологического. В ходе геологических времен растет мощь живого вещества и его воздействия на косное вещество, и только в живом веществе за эти времена происходят качественные изменения. И живое вещество, возможно, имеет свой процесс эволюции, вне зависимости от изменения среды.

Если «жизненный цикл» отдельного организма конечен и его существование не беспредельно, то живое как целое можно считать геологически бессмертным. Геологически жизнь вечна, поэтому если отдельный индивидуум со временем теряет возможность совершать работу и прекращает свое существование, то сам процесс жизни отличается непрерывным ростом возможности совершать внешнюю работу. Эту идею он выразил в трех принципах, которые назвал биогеохимическими:

1 - свободная (биогеохимическая) энергия стремится в биосфере к максимальному проявлению;

2 - при эволюции видов выживают те организмы, которые своей жизнью увеличивают свободную энергию;

3 - заселение Земли должно быть максимально возможным в течение геологического времени.

Эти принципы выражают закон только живой природы и не противоречат законам термодинамики. Весь поток живого вещества от самых простейших до самых развитых форм, включая разум человека и общественный труд, является той формой движения материи, где действует закон убывания энтропии, тогда как она растет для неорганической материи. И эти два вида материи связаны в единое целое. Закон возрастания энтропии Вернадский успешно применял для объяснения космической эволюции Земли. А рождение биосферы рассматривал как планетарно-косми-ческую «особую точку» - качественный скачок, до которого на поверхности нашей планеты преобладали процессы неживой природы, а после которого стали преобладать процессы в живой при-

роде. Под действием лучистой энергии возникает и необратимо развивается органическая жизнь.

Вернадский считал, что жизнь на Земле возникла одновременно с формированием планеты: «Твари Земли являются созданием космического процесса, необходимой и закономерной частью стройного космического механизма». Среди множества закономерностей, имеющих место в биологии, геологии, биохимии и геохимии, Вернадский выделил основные эмпирические принципы.

1. Принцип целостности биосферы обеспечивается самосогласованностью всех процессов в биосфере. Жизнь ограничена узкими пределами - физическими константами, уровнями радиации и пр. Гравитационная постоянная определяет размеры звезд, температуру и давление в них. Если она станет меньше, звезды будут иметь меньшие массы, их температура станет недостаточной для протекания ядерных реакций; если чуть больше, звезды перейдут свою «критическую массу», выйдут из общего круговорота и превратятся в черные дыры. Постоянная электромагнитного взаимодействия определяет химические превращения, отвечает за электронную оболочку атомов и прочность связей в молекулах. Константа слабого взаимодействия, отвечающего за превращения элементарных частиц, при своем изменении «подорвет» весь наш мир. Константа сильного взаимодействия, отвечающего за стабильность ядер атомов, тоже не должна меняться, иначе в звездах реакции пойдут по-другому, могут не образоваться углерод и азот. Да и непонятно, возможна ли будет вообще жизнь нашего типа.

2. Принцип гармонии биосферы и ее организованности связан с предыдущим. Законы преобразования энергии на Земле, законы движения атомов есть отражение гармонии Космоса, ритмичности движения небесных тел. Основа существования биосферы - положение Земли в Космосе, наклон земной оси к эклиптике, определяющий климат и жизненные циклы всех организмов. Солнце - основной источник энергии биосферы и регулятор биологических процессов. Как отметил еще Ю. Р. Майер, «жизнь есть создание солнечного луча».

3. Космическая роль биосферы в трансформации энергии - можно рассматривать эту часть живой природы как дальнейшее развитие одного и того же процесса превращения солнечной световой энергии в действенную энергию Земли. Биосфера является одним и тем же космическим аппаратом с самых древнейших геологических времен. Жизнь все это время оставалась постоянной, менялась только ее форма. Само живое вещество не является случайным созданием. Источники энергии геологических явлений - космическая, преимущественно солнечная; планетная, связанная со строением и космической историей Земли; внутренняя энергия материи - радиоактивность. Живое вещество активно трансформирует солнечную энергию в химическое молекулярное движение и в сложность биологических структур.

4. Растекание жизни - проявление ее геохимической энергии, аналог закона инерции неживой материи. Мелкие организмы размножаются быстрее, чем крупные. Скорость передачи жизни зависит от плотности живого вещества.

5. Автотрофные организмы все нужное для жизни берут из окружающей их косной материи и не требуют для построения своего тела готовых соединений другого организма. Поле существования зеленых автотрофных организмов определяется прежде всего областью проникновения солнечных лучей.

6. Космическая энергия вызывает давление жизни, которое достигается размножением. Размножение организмов уменьшается по мере роста их количества.

7. Формы нахождения химических элементов: горные породы и минералы, магмы, рассеянные элементы, живое вещество. Земная кора - сложный механизм, где постоянно движутся атомы и молекулы, происходят разнообразные геохимические круговороты, определяемые в значительной мере деятельностью живого вещества. 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.

8. Жизнь на Земле полностью определяется полем устойчивости зеленой растительности. Пределы жизни определяются физико-химическими свойствами соединений, строящих организм, их неразрушимостью в определенных условиях среды. Максимальное поле жизни определяется крайними пределами выживания организмов. Верхний предел жизни обусловлен лучистой энергией, присутствие которой исключает жизнь и от которой предохраняет озоновый слой. Нижний предел связан с достижением высокой температуры. Интервал в 432 °С (от -252 до +180 °С) является предельным тепловым щитом.

9. Принцип постоянства количества живого вещества в биосфере. Количество свободного кислорода в атмосфере того же порядка, что и количество живого вещества (1,5-10 18 кг и 10 17 -10 18 кг). Скорость передачи жизни не может перейти пределы, нарушающие свойства газов. Идет борьба за нужный газ.

10. Всякая система достигает положения устойчивого равнове
сия, когда ее свободная энергия равняется нулю или приближает
ся к нему, т. е. когда вся возможная в условиях системы работа про
изведена. Понятие устойчивого равновесия исключительно важно.

Антропный принцип, выдвинутый Г.М.Идлисом (1958), связан с первым из перечисленных здесь принципов Вернадского и состоит в точном соответствии значений мировых констант с возможностями существования жизни. Удивительная согласованность ряда величин производит впечатление, что может существовать скрытый принцип, упорядочивающий всю Вселенную. К этому

факту обращались очень многие. Сейчас его формулируют в двух вариантах - слабом и сильном. Как выразился известный американский физик Дж. Дайсон: «Если мы приглядимся ко Вселенной и увидим, как много случайностей послужили нам во благо, то кажется почти, что Вселенная знала, что мы появимся». Это - одна из формулировок слабого принципа, в английской литературе - WAP. Но он не отвечает на многие вопросы, например, почему Вселенная такова, что допустила зарождение жизни. А, может, не нужно создавать теорий, которые не допускают существование наблюдателя? Сильный принцип - возникновение жизни закономерно во Вселенной, но, может, появление наблюдателя и есть цель эволюции Вселенной?

Геологическую роль живого Вернадский классифицировал по пяти категориям: энергетическая, концентрационная, деструктивная, средообразующая, транспортная. Живые организмы творят миграцию химических элементов в биосфере посредством своего дыхания, питания, обмена веществ, непрерывной сменой поколений. Биогеохимическая энергия живого является источником энергии преобразования геосфер.

ЖИВОЕ ВЕЩЕСТВО (ЖИВЫЕ ОРГАНИЗМЫ). БИОМАССА

Живое вещество - совокупность и биомасса живых организмов в биосфере.

Понятие «живое вещество» введено в науку В.И. Вернадским. Оно характеризуется суммарной массой, химическим составом, энергетикой.

Живые организмы - это мощный геологический фактор, преобразующий лик Земли. В.И. Вернадский подчеркивал, что на земной поверхности нет силы более могущественной по своим конечным результатам, чем живые организмы в целом. И атмосфера (воздушная оболочка), и гидросфера (водная оболочка), и литосфера (твердая оболочка) своим современным состоянием и присущим им свойствам обязаны тому влиянию, которое оказали на них организмы за миллиарды лет своего существования благодаря непрерывному потоку элементов в биогенном обмене веществ. Влияя на окружающий мир и изменяя его, живое вещество выступает в качестве активного фактора, определяющего и свое собственное существование.

Представление о планетарной геохимической роли живого вещества - одно из основных положений в учении о биосфере В.И. Вернадского. Другое важное положение в его теории - это представление о биосфере как об организованном образовании, продукте сложных превращений живым веществом материально-энергетических и информационных возможностей окружающей среды.

Биосферу с современных позиций рассматривают как наиболее крупную экосистему планеты, участвующую в глобальном круговороте веществ. Под системами биосферы являются экосистемы более низкого уровня. Биогеоценоз - структурная единица активной части современной биосферы.

Биосфера - продукт длительной эволюции живого и экосистем разной сложности, находящихся во взаимодействии и динамическом равновесии друг с другом и с косной средой.

Количество живого вещества организмов, приходящееся на единицу площади или объема, выраженное в единицах массы, называют биомассой. Организмы, составляющие биомассу, обладают способностью воспроизводства - размножения и распространения по планете.

Особенность любого живого организма и биомассы в целом заключается в постоянном обмене веществами и энергией с окружающей средой.

В настоящее время на Земле существует более двух миллионов видов организмов. Из них на долю растений приходится около 500 тыс. видов, а на долю животных - более 1,5 млн видов. Самая многочисленная по числу видов группа - это насекомые (около 1 млн видов).

БИОГЕННЫЙ КРУГОВОРОТ

Биохимический круговорот - это перемещение и превращение химических элементов через косную и органическую природу при активнoм участии живого вещества. Химические элементы циркулируют в биосфере по различным путям биологического круговорота: поглощаются живым веществом и заряжаются энергией, затем покидают живое вещество, отдавая накопленную энергию во внешнюю среду. Такие циклы Вернадский назвал биохимическими. Их можно подразделить на два основных типа:

1) круговорот газообразных веществ с резервным фондом в атмосфере и гидросфере;

2) осадочный цикл с резервным фондом в земной коре.

Во всех биохимических циклах активную роль играет живое вещество. К главным циклам можно отнести круговорот углерода, кислорода, азота, фосфора.

ФУНКЦИИ БИОСФЕРЫ

Благодаря биотическому круговороту биосфера выполняет определенные функции.

1. Газовая функция - осуществляется зелеными растениями в процессе фотосинтеза и всеми животными и растениями, микроорганизмами в результате биологического круговорота веществ. Большинство газов порождено жизнью. Подземные горючие газы - продукты разложения органических веществ растительного происхождения, захороненных в осадочных породах.

2. Концентрационная функция - связана с накоплением в живом веществе различных химических элементов.

3. Окислительно-восстановительная функция (окисление веществ в процессе жизнедеятельности). В почве образуются окиси, соли. Бактерии создают известняки, руды и т.д.

4. Биохимическая функция - осуществляются обмен веществ в живых организмах (питание, дыхание, выделение) и разрушение, разложение отмерших организмов.

5. Биохимическая деятельность человечества. Она охватывает все возрастающее количество вещества земной коры для нужд промышленности, транспорта, сельского хозяйства.

ОРГАНИЗОВАННОСТЬ И СТАБИЛЬНОСТЬ БИОСФЕРЫ

Биосфера - сложная организованная система, функционирующая как единое образование, способное к саморегуляции. Ее структурной единицей является биогеоценоз - одна из наиболее сложных природных систем, представляющих комплекс из живых организмов и косной среды, находящихся друг с другом в постоянном взаимодействии и связанных между собой обменом веществ и энергии. Стабильность биосферы определяется стабильностью биогеоценоза - продуктов длительного естественноисторического развития органического мира.

Важным свойством биогеоценоза является его способность к саморегуляции, которая проявляется в его устойчивом динамическом равновесии. Последнее достигается скоординированностью и сложностью тех взаимодействий, которые складываются между его составляющими - живой и неживой частями. Потребление созданного органического вещества происходит параллельно с его производством и не должно по масштабам превышать последнее. Чем многообразнее физико-химические качества среды, условия жизни в рамках биотопа, тем многообразнее видовой состав ценоза, тем более он устойчив. Отклонения условий существования от оптимума приводят к видовому его обеднению. Стабильное состояние ценоза определяется и выходом валовой продукции, обеспечивающей поток энергии через трофические уровни и сохранение всех живых компонентов, связанных друг с другом в цепи питания и участвующих в общем круговороте веществ. Сбалансированные отношения между организмами разных трофических уровней - одно из условий стабильности биогеоценоза.

В условиях непостоянства физико-химической среды надежность биогеоценоза обеспечивается суммарным перераспределением живого вещества между входящими в его состав видами, способными заменить друг друга (или дублировать) в рамках одного уровня экологической пирамиды. В определенных условиях более комфортно чувствуют себя одни виды (в связи с чем увеличивается численность их популяций) и хуже - другие, близкие им, но занимающие в биогеоценозе подчиненное положение. Смена условий может отрицательно отразиться на первых и, напротив, способствовать процветанию вторых. В зависимости от силы и продолжительности действия нового природного фактора внутри биогеоценоза происходят более или менее существенные изменения в его организации. Один из механизмов, обеспечивающих сохранность биоценозов, проявляется в способности формировать под давлением внешних факторов иную структуру с усилением «элементов дублирования».

Отдельные биогеоценозы не изолированы друг от друга; они взаимозависимы и находятся в постоянном взаимодействии. Ярким доказательством этого могут служить примеры глобального круговорота биогенных элементов, в котором принимают участие не только отдельные подсистемы, но вся биосфера и другие геосферы Земли. Сбалансированность круговоротов элементов и веществ на планете, особенно круговоротов биогенных элементов, без которых невозможна жизнь, обеспечивается постоянством всей массы живого вещества. Через живые организмы проходит большое число элементов. Фотоавтотрофами определяются скорость фиксации солнечной энергии и обеспечение ею других обитателей планеты. Зеленые растения поставляют молекулярный кислород, необходимый для существования почти всех живущих на Земле организмов; исключение составляют лишь анаэробные формы. Для обеспечения стабильности круговорота, помимо постоянства массы живого вещества, необходимо постоянство между продуцентами, консументами и редуцентами. Все вместе они создают и стабилизируют условия существования биосферы как целостного и гармоничного образования.

Экологическое дублирование на уровне видов в биогеоценозе дополняется в природе экологическим дублированием на уровне ценоза, что проявляется в смене одного биоценоза другим при изменяющихся условиях в пределах целостной биосферы.

Суммарное количество живого вещества в биосфере заметно изменяется в рамках достаточно продолжительного геологического времени (закон константности количества живого вещества В.И. Вернадского). Его количественная стабильность поддерживается постоянством числа видов, определяющим общее видовое разнообразие в биосфере.

Таким образом, биогеоценозы - среда, в которой протекают разнообразные жизненные процессы на нашей планете, круговороты веществ и энергии, вызванные жизнедеятельностью организмов и в сумме составляющие большой биосферный круговорот.

Биогеоценоз - это относительно стабильная и открытая система, имеющая вещественно-энергетические «входы» и «выходы», связывающие смежные биоценозы.

НООСФЕРА

Ноосфера (греч. noos - разум + сфера) - это высшая стадия развития биосферы, сфера влияния человеческого разума, взаимодействия природы и общества. Появившись на Земле, человек постепенно стал мощной геологической силой, воздействующей на окружающий его мир.

Понятие ноосферы как идеально мыслящей оболочки Земли ввели в науку в начале ХХ в. французские ученые и философы П. Тейяр де Шарден и Э. Леруа. П. Тейяр де Шарден рассматривал человека как вершину эволюции и преобразователя материи через включение в творчество эволюции. Основное значение в эволюционных построениях ученый придавал коллективу и духовному фактору, не умаляя роли технического прогресса и развития экономики.

В.И. Вернадский, говоря о ноосфере (1944), подчеркивал необходимость разумной организации взаимодействия общества и природы, отвечающей интересам каждого человека, всего человечества и окружающего его мира. Ученый писал: «Человечество, взятое в целом, становится мощной геологической силой. И перед ним, перед его мыслью и трудом, поставлен вопрос о перестройке биосферы в интересах свободно мыслящeгo человечества как единого целого. Это новое состояние биосферы, к которому мы, не замечая этого, приближаемся, и есть ноосфера».

Природа несет на себе следы деятельности человека в условиях разных общественно-экономических формаций, сменявших друг друга. Формы воздействия многообразны. Результаты его за последние 100- 150 (200) лет, особенно на территориях Европы и Северной Америки, превосходят таковые за всю предшествующую историю человечества. С ростом численности населения и повышением его благосостояния давление на природу становилось все большим. Считают, что в начале нашей эры на Земле насчитывалось около 200 млн человек. К тысячелетию эта цифра возросла до 275 млн; к середине ХX в. население планеты увеличилось почти в 2 раза (500 млн). За 200 лет цифра возросла до 1,3 млрд, за полвека прибавилось еще 300 млн (1900 г. - 1,6 млрд). В 1950 г. на Земле насчитывалось уже 2,5 млрд человек, в 1970 г. - 3,6 млрд, к 2025 г. ожидается цифра 8,5 млрд. Из этого числа 83% населения планеты будет проживать в развивающихся странах - в Азии, Африке, Южной Америке, где и сейчас ощутим прирост населения. Необходимо иметь представление о возможностях по жизнеобеспечению населения, чтобы избежать катастрофических последствий демографического взрыва.

Быстрый рост населения планеты делает острым вопрос о границах биологической производительности биосферы Земли. В результате активной деятельности человека в период научно-технического прогресса, направленной на повышение материального и духовного уровня всего человечества, в значительной мере истощились запасы невозобновляемых природных ресурсов. Глобальному нарушению на огромных площадях подверглись самовозобновляющиеся ресурсы, некоторые из них утратили способность к самовозобновлению. Стали мертвыми или находятся на грани между жизнью и смертью многие внутриматериковые водоемы. Мировой океан загрязнен отходами производства, разливами нефти, радиоактивными веществами, нарушен естественный круговорот - глобальный и особенно локальный - ряда жизненно важных биогенных элементов. Часто на стол потребителю попадают экологически «грязные» продукты питания и недоброкачественная питьевая вода.

Загрязнение среды и нарушение естественных местообитаний многих видов растений и животных привело к сокращению численности популяций или их вымиранию, а следовательно, к потере генофонда, создаваемого в течение миллионов лет. Под воздействием мутагенов, загрязняющих среду, появились не только новые формы вредителей агроценозов и естественных биоценозов, но и болезнетворные организмы, против которых не выработаны защитные свойства ни у человека, ни у других обитателей планеты.

Беспощадная эксплуатация природы, подчиненная удовлетворению сиюминутных запросов, не решает насущных проблем даже сегодняшнего дня, создавая неблагоприятные перспективы на будущее. Часть населения Земли недоедает и, умирает от голода (25% от всего урожая ежегодно теряется из-за сельскохозяйственных вредителей). Множество людей, среди которых преобладают дети, ежегодно умирают от заболеваний, вызванных употреблением недоброкачественной воды. Здоровье человека страдает от повышенной загрязненности окружающей среды, особенно в больших промышленных городах. Отрицательное воздействие на многих людей оказывает не только деградация экологических систем, но и нищета, возрастающее неравенство между богатыми и бедными.

Во избежание отрицательных последствий, вызванных хозяйственной деятельностью человека и стихийными бедствиями, необходимо учитывать законы, действующие в окружающей нас природе и поддерживающие ее самовозобновление. Задача охраны природы и рационального ее использования стала не только государственной, но и международной, и ее решение должно основываться на знании законов жизни и развития окружающего нас мира.

От степени осознания обществом кризисной ситуации в биосфере и от скорости его реакции зависит не только благосостояние людей, но и их жизнь.

«…в действительности имеем дело со своеобразной организованностью биосферы, с естественным планетным телом, которое мы не можем разделить без его уничтожения» В. И. Вернадский (1977) Уровни организованности: ь пространственно временной ь физический, в т. ч. термодинамический, агрегатный, энергетический ь химический, в т. ч. биогеохимический ь биологический (структурно функциональный) ь парагенетический

«Планетарная биосфера» это единая система, из числа доступных изучению, объединяющая неживую и живую материю, имеющая собственную внутреннюю среду, отличную от внешней, термодинамически неравновесную по отношению к окружающей среде (Космосу), самостоятельно поддерживающую это неравновесие, обменивающуюся с ней (внешней средой) веществом, энергией и информацией, имеющую выраженную границу несмешиваемых сред.

Кибернетические принципы организованности биосферы Кибернети ческие системы - это сложные динамические системы любой природы (технические, биологические, экономи ческие, социальные, административные) с обратной свя зью. Сложными динамическими системами называются та кие системы, которые содержат в себе множество более простых, взаимодействующих друг с другом систем и эле ментов, которые меняются, т. е. под воздействием опре деленных процессов переходят из одного устойчивого состояния в другое. Самоорганизация структура в действии.

ГОМЕОСТАЗ. Стремление к гомеостазу – мощнейший фактор эволюции. ОБРАТНАЯ СВЯЗЬ. Отрицательные обратные связи поддерживают гомеостаз, положительные – ухудшают стабильность системы. Одной из особенностей любого из важ нейших эволюционных процессов, протекающих в живом мире, является противоречие между тенденциями к ста бильности, т. е. сохранению гомеостаза, и укреплению от рицательных обратных связей, и тенденциями к поиску но вых, более рациональных способов использования внешней энергии и вещества, т. е. укреплению положительных об ратных связей. ИНФОРМАЦИЯ – отражённая структура, воспроизводящая структуру оригинала, определяет целенаправленность развития живой системы (реализация генетической программы, достижение видового разнообразия и т. д.)

Свойства самоорганизующихся систем сохраняет состояние термодинамического равновесия негаэнтропийный характер действия (использование информации) обладает функциональной активностью, выражающейся в противодействии внешним силам обладает выбором линии поведения и целенаправленностью действия обладает гомеостазом и адаптивностью системы

Закономерности внутреннего развития систем Закон вектора развития. Развитие однонаправленно. Закон необратимости эволюции (Л. Долло, 1857 1931). Закон усложнения системной организации (К. Ф. Рулье, 1814 1858). Закон неограниченного прогресса. Закон последовательности прохождения фаз развития системы. Системогенетический закон. Закон синхронизации и гармонизации подсистем (Ж. Кювье, 1769 1832)

Закономерности внутреннего развития систем Правило разновременности развития подсистем в больших системах (закон аллометрии, Д. Хаксли, 1887 1975) Правило системно динамической комплементарности

Термодинамика живых систем Принцип энергетической проводимости. Водообмен в биологической осо би занимает часы, в аэробиосфере - 8 дней, в реках - 16 дней, в озерах - 17 лет, в подземных водах - 1400 лет, в океане - 2500 лет. Закон сохранения массы. Первое начало термодинамики. Второе начало термодинамики: 1. Энергетические процессы могут идти самопро извольно только при условии перехода энергии из концентрированной формы в рассеянную; 2. Потери энергии в виде недоступного для исполь зования тепла всегда приводят к невозможности сто процентного перехода одного вида энергии (кинети ческой) в другой (потенциальную) и наоборот;

3. В замкнутой (изолированной в тепловом и ме ханическом отношении) системе энтропия либо ос тается неизменной (если в системе протекают обратимые, равновесные процессы), либо возрастает (при неравновесных процессах) и в состоянии равно весия достигает максимума. ЭНТРОПИЯ мера неупорядоченности системы, стремящаяся согласно второму принципу термодинамики, к возрастанию до состояния физического равновесия, которое необратимо. Теорема сохранения упорядоченности (И. Р. Пригожин, 1977). В открытых системах энтропия не возраста ет - она падает до тех пор, пока не достигается минимальная постоянная величина, всегда большая нуля. При этом вещество в системе распределяет ся неравномерно и организуется таким образом, что местами энтропия возрастает, а в других ме стах снижается. В целом же, используя поток энергии, система не теряет упорядоченности.

Принцип Ле Шателье Брауна. Закон минимума диссипации энергии (Л. Онсагер, 1903 1976). Закон максимизации энергии и информации (Ю. Одум). Принцип максимизации мощности. Правило основного обмена

Пространственно временная организованность Пространство понимается как форма бытия материи, характеризующая ее протяженность, структурность, сосуществование и взаимодействие элементов во всех материальных системах. Характеристики пространства биосферы: 1. Земная кора химически резко отлична от внутренних слоев планеты; 2. По набору химических элементов в земной коре преобладают элементы с четными порядковыми номерами; 3. Химический состав оболочек Солнца и звёзд соответствует составу земной коры; 4. Пространство биосферы является дисимметричным и хиральным.

Абиогенная симметрия и асимметрия живого вещества 1. Гипотеза голобиоза методологический подход, основанный на идее первичности структур типа клеточной, наделенной способностью к элементарному обмену веществ при участии ферментного механизма. Появление нуклеиновых кислот в ней считается завершением эволюции, итогом конкуренции протобионтов. 2. Гипотеза генобиоза (информационная гипотеза) исходит из убеждения в первичности молекулярной системы со свойствами первичного генетического кода. 3. Молекулярная хиральность присуща только живой материи и является ее неотъемлемым свойством (Л. Пастер, 1860). Превращение молекулярно симметричных веществ неживой природы в молекулярно диссимметричные живой неразрывно связано с происхождением живой материи. Оно осуществлялось посредством особых диссимметрических сил, вызывающих диссимметризацию молекул этой материи (мощные электрические разряды, геомагнитные колебания, вращение Земли вокруг Солнца, появление Луны).

Время характеризует последовательность смены состояний и длительность бытия любых объектов и процессов, внутреннюю связь изменяющихся и сохраняющихся состояний. Свойства геологического Свойства биологического времени однонаправленно, циклично, линейно, закруглено, необратимо, существует необратимо, возникает с всегда, рождением, фон для всех процессов течение вызвано рождением, ростом, гибелью и сменой поколений. Движение времени осуществляется биологически, учитывается сменой поколений живого вещества, обуславливающей «дление» времени. Геологическое время определяется только через биологическое время. Биологическое время является абсолютной системой отсчета времени. В биосфере существует «пространство время» категория, основа которого – существование ЖВ.

Структурно функциональная организованность биосферы Пищевая цепь – это ряд организмов, связанных между собой передачей энергии от ее источника – автотрофов к потребителю – гетеротрофам. Звенья пищевой цепи, образованные сходными по типу питания организмами, называются трофическими уровнями. Энергетическим материалом для функционирования трофического уровня служат биомасса организмов предыдущего трофического уровня или продукты деструкции отмерших остатков. Два основных типа пищевых цепей: пастбищные, или цепи выедания, начинающиеся с зеленого растения, и детритные, или цепи разложения.

Энергетический баланс продуцентов: 1. запасание энергии в процессе фотосинтеза (на каждый моль ассимилированной углекислоты запасается 114 ккал энергии); 2. запасание солнечной энергии идет в очень удобной для биологического использования форме – в молекулярной, т. е. в химических связях сахаров, аминокислот, белков; 3. часть запасенной энергии используется продуцентом для построения собственного организма, часть поступает в детритные цепи и часть поступает на трофический уровень консументов.

Энергетический баланс консументов: 1. Поглощённая пища усваивается не полностью, 10 20% (сапрофаги) до 75% плотоядные виды; 2. Большая часть энергии тратится на метаболизм – трата на дыхание; 3. Меньшая часть энергии расходуется на пластические процессы; 4. Передача энергии химических соединений в организме идёт с потерей в виде тепла (низкий КПД животных клеток); 5. Потери энергии составляют около 90% при каждой передаче энергии через трофический уровень. Потерянная в цепях питания энергия может быть восполнена только поступлением ее новых порций. Поэтому биогеоценоз функционирует только за счет направленного потока энергии, постоянного поступления ее из вне в виде солнечного излучения или готовых запасов органического вещества.

Переплетения разных цепей питания в составе биогеоценозов образуют сложные сочетания видовых популяций, которые называют циклами питания или пищевыми сетями. Принцип образования пищевых сетей состоит в том, что каждый продуцент имеет не одного, а нескольких консументов. В свою очередь консументы пользуются не одним, а несколькими источниками питания.

Парагенетический уровень организованности парагенезис закономерное совместное нахождение в земной коре минералов, связанных общими условиями образования. Изучение парагенезиса минералов имеет большое значение при поисках и оценке месторождений полезных ископаемых, имеющих сходную геохимическую историю. биосфера – парагенетическая оболочка отражением парагенезиса биосферного вещества являются его типы:

Типы биосферного вещества: живое вещество биогенное вещество косное вещество биокосное вещество, находящееся в процессе радиоактивного распада рассеянные атомы вещество космического происхождения

Предыдущая статья: Чему равна скорость света Следующая статья: Углерод — характеристика элемента и химические свойства