Биосфера как глобальная экосистема. Состав и свойства биосферы Схема экосистемы на примере биосферы

Термин «биосфера» в научную литературу введен в 1875 г. австрийским ученым-геологом Эдуардом Зюссом. К биосфере он отнес все то пространство атмосферы, гидросферы и литосферы (твердой оболочки Земли), где встречаются живые организмы.

(Вернадский)Под био­сферой понимается все пространство (оболочка Земли), где существует или когда-либо существовала жизнь, то есть где встречаются живые организмы или продукты их жизнедеятельности. При этом в понятие биосферы включается преобразующая деятельность организмов не только в границах распространения жизни в настоящее время, но и в прошлом.

В. И. Вернадский не только сконкретизировал и очертил границы жизни в биосфере, но, самое главное, всесторонне раскрыл роль живых организмов в процессах планетарного масштаба. Он показал, что в природе нет более мощной геологической (средообразующей) силы, чем живые организмы и продукты их жизнедеятельности.

Ту часть биосферы, где живые организмы встречаются в насто­ящее время, обычно называют современной биосферой, или необиосферой, а древние биосферы относят к палеобиосферам, или белым биосферам. В качестве примеров последних можно назвать безжизненные скопления органических веществ (залежи каменных углей, нефти, горючих сланцев и т. п.) или запасы других соединений, образовавшихся при участии живых организмов (из­весть, мел, соединения кремния, рудные образования и т. п.).

Границы биосферы. По современным представлениям нео­биосфера в атмосфере простирается примерно до озонового экра­на (у полюсов 8-10 км, у экватора - 17-18 км и над остальной поверхностью Земли - 20-25 км). За пределами озонового слоя жизнь невозможна вследствие наличия губительных космических ультрафиолетовых лучей. Гидросфера практически вся, в том чис­ле и самая глубокая впадина (Марианская) Мирового океана (11022 м), занята жизнью. К необиосфере следует относить также и дон­ные отложения, где возможно существование живых организмов. В литосферу (твердая оболочка Земли, состоящая из земной коры и верхней части мантии) жизнь проникает на несколько метров, ограничиваясь в основном почвенным слоем, но по отдельным трещинам и пеще­рам она распространяется на сотни метров. Нижняя граница в литосфере: 3,5-7,5 км. Она определяется температурой перехода воды в пар и температурой денатурации белков (потеря белками их естественных свойств).

Состав биосферы Биосферу слагают следующие типы веществ:

§ Живое вещество - вся совокупность тел живых организмов, населяющих Землю, физико-химически едина, вне зависимости от их систематической принадлежности. Это одна «из самых могущественных геохимических сил нашей планеты», поскольку живое вещество не просто населяет биосферу, а преобразует облик Земли. Живое вещество распределено в пределах биосферы очень неравномерно.

§ Биогенное вещество - вещество, создаваемое и перерабатываемое живым веществом. На протяжении органической эволюции живые организмы тысячекратно пропустили через свои органы, ткани, клетки, кровь всю атмосферу, весь объём мирового океана, огромную массу минеральных веществ. Эту геологическую роль живого вещества можно представить себе по месторождениям угля, нефти, карбонатных пород и т. д.

§ Косное вещество - продукты, образующиеся без участия живых организмов.

§ Биокосное вещество, которое создается одновременно живыми организмами и косными процессами, представляя динамически равновесные системы тех и других. Таковы почва, ил, кора выветривания и т. д. Организмы в них играют ведущую роль.

§ Вещество, находящееся в радиоактивном распаде.

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

§ Вещество космического происхождения.

Основные свойства биосферы. Биосфере, как и составляющим ее другим экосистемам более низкого ранга, присуща система свойств, которые обеспечивают ее функционирование, саморегулирование, устойчивость и другие параметры. Рассмотрим основные из них.

1.Биосфера - централизованная система . Центральным звеном ее выступают живые организмы (живое вещество).

2. Биосфера - открытая система . Ее существование немыслимо без поступления энергии извне.Она испытывает воздействие космических сил, прежде всего солнечной активности.

3.Биосфера - саморегулирующаяся система, для которой, как отмечал В. И. Вернадский, характерна организованность. В настоящее время это свойство называют гомеостазом, понимая под ним способность возвращаться в исходное состояние, гасить возникающие возмущения включением ряда механизмов. Гомеостатические механизмы связаны в основном с живым веществом, его свойствами и функциями.

4. Биосфера - система, характеризующаяся большим разнообразием. Разнообразие - важнейшее свойство всех экосистем. Биосфера как глобальная экосистема характеризуется максимальным среди других систем разнообразием.

Для любой природной системы разнообразие - одно из важнейших ее свойств. С ним связана возможность дублирования, подстраховки, замены одних звеньев другими (например, на видовом или популяционном уровнях), степень сложности и прочности пи-щевых и других связей. Поэтому разнообразие рассматривают как основное условие устойчивости любой экосистемы и биосферы в целом. Это свойство настолько универсально, что сформулировано в качестве закона (автор его У. Р. Эшби).

5.Важное свойство биосферы - наличие в ней механизмов, обеспечивающих круговорот веществ и связанную с ним неисчерпаемость отдельных химических элементов и их соединений. Только благодаря круговоротам и наличию неисчерпаемого источника солнечной энергии обеспечивается непрерывность процессов в биосфере и ее потенциальное бессмертие.

§ Большой круговорот обусловлен взаимодействием солнечной энергии с энергией Земли и осуществляется перераспределением веществ между биосферой и более глубокими горизонтами земли.(Пример: круговорот воды)

§ Малый круговорот совершается только в пределах биогегосферы. Он представляет собой обмен макро- и микроэллементов и простых неорганических веществ, таких как СО2, О2 с веществом атмосферы, гидросферы и литосферы, а круговороты отдельных веществ называются биогеохимическими циклами.

212.Экологический кризис и экологическая катастрофа .

Экологический кризис - это обратимое изменение равновесного состояния природных комплексов; нарушение равновесия между природными условиями и воздействием человека на окружающую природную среду.

Человек выступает при экологическом кризисе активно действующей стороной. История цивилизации доказывает, что вслед за экологическим кризисом следует революционное изменение во взаимоотношениях общества и природы.

В предистории и истории человечества выделяют ряд экологических кризисов и революций.

Экологические кризисы и революции (масштаб условный), по Н. Ф. Реймерсу, 1990:

1. Изменение среды обитания живых существ, вызвавшее возникновение прямоходящих антропоидов - непосредственных предков человека.

2. Кризис относительного обеднения доступных примитивному человеку ресурсов промысла и собирательства, обусловившего стихийные биотехнические мероприятия типа выжигания растительности для лучшего и более раннего роста.

3. Первый антропогенный экологический кризис - массовое уничтожение (перепромысел) крупных животных («кризис консументов»), связанный с последовавшей за ним сельскохозяйственной экологической революцией.

4. Экологический кризис засоления почв и деградация примитивного поливного земледелия, недостаточность его для растущего народонаселения Земли, что привело к преимущественному развитию неполивного земледелия.

5. Экологический кризис массового уничтожения и нехватки растительных ресурсов, или «кризис продуцентов», связанный с общим бурным развитием производительных сил общества, вызвавший широкое применение минеральных ресурсов, промышленную, а в дальнейшем и научно-техническую революцию.

6. Современный кризис угрозы недопустимого глобального загрязнения. Здесь редуценты не успевают очищать биосферу от антропогенных продуктов или потенциально не способны это сделать в силу неприродного характера выбрасываемых синтетических веществ.

Причины экологического кризиса:

1. Безудержный и очень быстрый рост населения Земли.(сейчас на нашей планете живет около 6 млрд. человек. По мнению ученых, это значительно больше допустимого для биосферы Земли населения людей, так как каждому человеку необходимо удовлетворять свои потребности, а достигается это за счет жесткой эксплуатации природы)

2. Несовершенные сельскохозяйственные и промышленные технологии.(все это ведет к загрязнению воздуха, воды, почв, и т.д)

3. Легкомысленность человечества и пренебрежение законами развития биосферы (т.е. потребительское отношение человека к природным ресурсам)

Экологическая катастрофа - это природная аномалия, зачастую возникающая на основе прямого или косвенного воздействия человеческой деятельности на природные процессы и ведущая к остронеблагоприятным экономическим последствиям или массовой гибели населения определенного региона. В более широком понимании экологические катастрофы - это фазы развития биосферы, где происходит качественное обновление живого вещества, например вымирание одних видов и возникновение других.

Причины экологической катастрофы:

1. Естественные природные процессы, ведущие к стихийным бедствиям.(наступление ледников, извержение вулканов, наводнения

2. Антропогенное воздействие на экологию деятельность человека, а также нерациональное использование природных ресурсов. Человек веками бесконтрольно использовал то, что дала ему Земля.

Предпосылки экологических кризисов и катастроф:а)глобальное потепление, парниковый эффект, сдвиг климатических зон;б)озоновые дыры, разрушение озонового экрана;в)сокращение биологического разнообразия на планете;г)глобальное загрязнение окружающей среды;д)неутилизируемые радиоактивные отходы;е)водная и ветровая эрозия и сокращение площадей плодородных почв;ж)демографический взрыв, урбанизация;з)истощение невозобновляемых минеральных ресурсов;и)энергетический кризис;к)резкий рост числа ранее неизвестных и зачастую неизлечимых болезней;л)недостаток продуктов питания, перманентное состояние голода большей части населения планеты;м)истощение и загрязнение ресурсов Мирового океана.

Суть экологической угрозы заключается в том, что всевозрастающее давление на биосферу антропогенных факторов может привести к полному разрыву естественных циклов воспроизводства биологических ресурсов, самоочищения почвы, вод, атмосферы. Это вызовет резкое и стремительное ухудшение экологической обстановки, что может повлечь за собой гибель населения планеты. Уже сейчас экологи предупреждают о нарастании парникового эффекта, расползании озоновых дыр, выпадении все большего количества кислотных осадков и т.д. Перечисленные отрицательные тенденции в развитии биосферы постепенно приобретают глобальный характер и представляют угрозу для будущего человечества.

Выход из надвигающегося экологического кризиса многие видят в радикальном изменении сознания людей, их нравственности, в отказе от взгляда на природу как объект бездушной эксплуатации ее человеком.Активность стихийной деятельности человека во многом зависит от этических норм его поведения.

Экосистема – это система, состоящая из живых существ и среды их обитания объединенных в единое функциональное целое.

Основные свойства:

1) способность осуществлять круговорот веществ

2) противостоять внешним воздействиям

3) производить биологическую продукцию

Виды экосистем:

1) микроэкосистемы (ствол дерева в стадии размножения, аквариум, небольшой водоем, капля воды и т. д.)

2) мезоэкосистема (лес, пруд, степь, река)

3) макроэкосистема (океан, континент, природная зона)

4) глобальная экосистема (биосфера в целом)

Ю. Одум предложил классификацию экосистемы на основе биомов. Это крупные природные экосистемы соответствующие физико-географическим зонам. Характеризуется каким – либо основным типом растительности или другой характерной особенностью ландшафта.

Типы биомов

1) наземные (тундра, тайга, степи, пустыни)

2) пресноводные (текучие воды: реки, ручьи, стоячие воды: озера, пруды, заболоченные воды: болота)

3) морские (открытый океан, воды шельфа, глубоководные зоны)

Понятие биогеоценоз и экосистема близки, но есть различия. Любой биогеоценоз это система. Экосистема может включать несколько биогеоценозов, но не каждая экосистема, есть биогеоценоз, поскольку не обладает всеми признаками его.

В экосистеме можно выделить два компонента - биотический и абиотический . Биотический делится на автотрофный (организмы, получающие первичную энергию для существования из фото- и хемосинтеза или продуценты) и гетеротрофный (организмы, получающие энергию из процессов окисления органического вещества - консументы и редуценты) компоненты, формирующие трофическую структуру экосистемы.

Единственным источником энергии для существования экосистемы и поддержания в ней различных процессов являются продуценты, усваивающие энергию солнца, (тепла, химических связей) с эффективностью 0,1-1 %, редко 3-4,5 % от первоначального количества. Автотрофы представляют первый трофический уровень экосистемы. Последующие трофические уровни экосистемы формируются за счёт консументов (2-й, 3-й, 4-й и последующие уровни) и замыкаются редуцентами, которые переводят неживое органическое вещество в минеральную форму (абиотический компонент), которая может быть усвоена автотрофным элементом.

Основные компоненты экосистемы

С точки зрения структуры в экосистеме выделяют:

1.климатический режим, определяющий температуру, влажность, режим освещения и прочие физические характеристики среды;

2.неорганические вещества, включающиеся в круговорот;

3.органические соединения, которые связывают биотическую и абиотическую части в круговороте вещества и энергии:

Продуценты - организмы, создающие первичную продукцию;

Макроконсументы, или фаготрофы, - гетеротрофы, поедающие другие организмы или крупные частицы органического вещества;

Микроконсументы (сапротрофы) - гетеротрофы, в основном грибы и бактерии, которые разрушают мёртвое органическое вещество, минерализуя его, тем самым возвращая в круговорот.

Последние три компонента формируют биомассу экосистемы.

С точки зрения функционирования экосистемы выделяют следующие функциональные блоки организмов (помимо автотрофов):

биофаги - организмы, поедающие других живых организмов,

сапрофаги - организмы, поедающие мёртвое органическое вещество.

Данное разделение показывает временно-функциональную связь в экосистеме, фокусируясь на разделении во времени образования органического вещества и перераспределении его внутри экосистемы (биофаги) и переработки сапрофагами. Между отмиранием органического вещества и повторным включением его составляющих в круговорот вещества в экосистеме может пройти существенный промежуток времени, например, в случае соснового бревна, 100 и более лет.

Все эти компоненты взаимосвязаны в пространстве и времени и образуют единую структурно-функциональную систему.

Термин биосфера был введён Жаном-Батистом Ламарком в начале XIX века, а в геологии предложен австрийским геологом Эдуардом Зюссом в 1875 году. Однако создание целостного учения о биосфере принадлежит русскому учёному Владимиру Ивановичу Вернадскому.

Биосфера - экосистема высшего порядка, объединяющая все остальные экосистемы и обеспечивающая существование жизни на Земле. В состав биосферы входят следующие «сферы»:

Атмосфера - это самая лёгкая из оболочек Земли, граничит с космическим пространством; через атмосферу происходит обмен вещества и энергии с космосом (внешним пространством).

Гидросфера - водная оболочка Земли. Почти такая же подвижная, как и атмосфера, она фактически проникает всюду.Вода - соединение с уникальными свойствами, одна из основ жизни, универсальный растворитель.

Литосфера - внешняя твёрдая оболочка Земли, состоит из осадочных и магматических пород. На данный момент под земной корой понимается верхний слой твёрдого тела планеты, расположенный выше границы Мохоровичича.

Биосфера тоже не замкнутая система, она фактически полностью обеспечивается энергией Солнца, небольшую часть составляет тепло самой Земли. Ежегодно Земля получает от Солнца около 1,3·1024 калорий. 40 % от этой энергии излучается обратно в космос, около 15 % идёт на нагрев атмосферы, почвы и воды, вся остальная энергия является видимым светом, который и является источником фотосинтеза.

В. И. Вернадский впервые чётко сформулировал понимание того, что всё живое на планете неразрывно связанно с биосферой и обязано ей своим существованием:

В. И. Вернадский

Живое вещество (совокупность всех организмов на Земле) составляет ничтожно малую часть от массы Земли, однако влияние живого вещества на процессы преобразования Земли огромно. Весь тот облик Земли, который наблюдается сейчас, не был бы возможен без миллиардов лет жизнедеятельности живого вещества.

На данный момент сам человек, как часть живого вещества, является существенной геологической силой и значительно изменяет направления процессов, происходящих в биосфере, тем самым ставя под угрозу своё существование:

В ярком образе экономист Л. Брентано иллюстрировал планетную значимость этого явления. Он подсчитал, что, если бы каждому человеку дать один квадратный метр и поставить всех людей рядом, они не заняли бы даже всей площади маленького Боденского озера на границе Баварии и Швейцарии. Остальная поверхность Земли осталась бы пустой от человека. Таким образом, всё человечество, вместе взятое, представляет ничтожную массу вещества планеты. Мощь его связана не с его материей, но с его мозгом, с его разумом и направленным этим разумом его трудом. В гуще, в интенсивности и в сложности современной жизни человек практически забывает, что он сам и всё человечество, от которого он не может быть отделён, неразрывно связаны с биосферой - с определённой частью планеты, на которой они живут. Они - геологически закономерно связаны с её материально-энергетической структурой. Человечество, как живое вещество, неразрывно связано с материально-энергетическими процессами определённой геологической оболочки Земли - с её биосферой. Оно не может физически быть от неё независимым ни на одну минуту. Лик планеты - биосфера - химически резко меняется человеком сознательно и главным образом бессознательно. Меняется человеком физически и химически воздушная оболочка суши, все её природные воды.

В. И. Вернадский.

Искусственные экосистемы

Пашня - типичная искусственная экосистема, неразрывно соседствует с естественным лугом

Искусственные экосистемы - это экосистемы, созданные человеком, например, агроценозы, природно-хозяйственные системы или Биосфера 2.

Искусственные экосистемы имеют тот же набор компонентов, что и естественные: продуценты, консументы и редуценты, но есть существенные отличия в перераспределении потоков вещества и энергии. В частности, созданные человеком экосистемы отличаются от естественных следующим:

меньшим числом видов и преобладанием организмов одного или нескольких видов (низкая выравненность видов);

невысокой устойчивостью и сильной зависимостью от энергии, вносимой в систему человеком;

короткими цепями питания из-за небольшого числа видов;

незамкнутым круговоротом веществ вследствие изъятия урожая (продукции сообщества) человеком, тогда как естественные процессы наоборот стремятся включить в круговорот как можно большую часть урожая

Без поддержания энергетических потоков со стороны человека в искусственных системах с той или иной скоростью восстанавливаются естественные процессы и формируется естественная структура компонентов экосистемы и вещественно-энергетических потоков между ними.

Лекция №2

Биосфера. Экосистемы: типы и составляющие.

1. Границы и структура биосферы.

2. Функции живого вещества.

3. Структура и типы экосистем.

4. Биотические компоненты экосистемы.

5. Взаимодействие видов в экосистемах.

1. По современным данным, масса Земли составляет 5,976 10 24 кг, объем – 1,08 1012 км3, площадь поверхности – 510,2 млн км 2 . Размеры, а следовательно, и все природные ресурсы нашей планеты ограничены. Поэтому главной задачей человека является сохранение экологического баланса на планете.

Наша планета имеет неоднородное строение и состоит из концентрических оболочек (геосфер) – внутренних и внешних. К внутренним относятся ядро, мантия, а к внешним – литосфера (земная кора), гидросфера, атмосфера и сложная оболочка Земли – биосфера.

Биосфера – оболочка Земли, заселённая живыми организмами, находящаяся под их воздействием и занятая продуктами их жизнедеятельности (преобразованная ими); глобальная экологическая система Земли. Она начала формироваться с появлением на Земле первых организмов. В Гренландии исследователями был найден образец горной породы с крошечным вкраплением углерода. Возраст образца болеез,8 млрд лет. Источником углерода, скорее всего, было какое-то органическое вещество – за такое время оно полностью утратило свою структуру. Ученые полагают, что этот комочек углерода может быть самым древним следом жизни на Земле.

Французский учёный-естествоиспытатель Жан Батист Ламарк в начале XIX в. впервые предложил концепцию биосферы, ещё не введя даже самого термина. Термин «биосфера» был предложен австрийским геологом и палеонтологом Эдуардом Зюссом в 1875 г. Целостное учение о биосфере создал биогеохимик и философ В.И. Вернадский. Он впервые отвёл живым организмам роль главнейшей преобразующей силы планеты Земля, учитывая их деятельность не только в настоящее время, но и в прошлом.

Как уже было сказано, биосфера представляет собой совокупность всех живых организмов. В ней обитает более 3 млн. видов растений, животных, грибов и бактерий. Человек тоже является частью биосферы, его деятельность превосходит многие природные процессыи, как сказал В.И. Вернадский: «Человек становится могучей геологической силой».

Биосфера проникает во всю гидросферу, верхнюю часть литосферы и нижнюю часть атмосферы, т.е. населяет экосферу.

Экосфера – совокупность экосистем; свойства Земли как планеты, создающие условия для развития биологических систем. Пространственно включает в себя все слои атмосферы, гидросферу и часть литосферы, где возможна жизнь. Впервые предложил использовать термин Л. Кол (1958), также термин встречается в трудах Б. Коммонера (1973).

Законы экологии Б. Коммонера сформулированы в начале 70-х годов XX в.

Первый закон. Все связано со всем. Это закон об экосистемах и биосфере, обращающий внимание на всеобщую связь процессов и явлений в природе. Он призван предостеречь человека от необдуманного воздействия на отдельные части экосистем, что модет привести к непредвиденным последствиям. (например, осушение болот приводит к обмелению рек).

Второй закон. Все должно куда-то деваться. Это закон о хозяйственной деятельности человека, отходы от которых неизбежны, и потому необходимо думать как об уменьшении их количества, так и о последующем их использовании.

Третий закон. Природа "знает" лучше. Это закон разумного, сознательного природопользования. Нельзя забывать, что человек - тоже биологический вид, что он - часть природы, а не ее властелин. Это означает, что нельзя пытаться покорить природу, а нужно сотрудничать с ней. Пока мы не имеем полной информации о механизмах и функциях природы, а без точного знания последствий преобразования природы недопустимы никакие ее "улучшения".

Четвертый закон. Ничто не дается даром. Это закон рационального природопользования. "...Глобальная экосистема представляет собой единое целое, в рамках которого ничего не может быть выиграно или потеряно и которая не может являться объектом всеобщего улучшения". Платить нужно энергией за дополнительную очистку отходов, удобрением - за повышение урожая, санаториями и лекарствами - за ухудшение здоровья человека и т д.

В отличие от биосферы понятие экосферы включает в себя характеристику состояния окружающей среды, в которой находятся биологические системы, а также области, где могут находиться живые организмы (в том числе за пределами естественной среды обитания).

Границы биосферы:

■ верхняя граница в атмосфере: 15-20 км. Она определяется озоновым слоем, задерживающим коротковолновое ультрафиолетовое излучение, губительное для живых организмов;

■ нижняя граница в литосфере: 3,5-7,5 км. Она определяется температурой перехода воды в пар и температурой денатурации белков, однако в основном распространение живых организмов ограничивается вглубь несколькими метрами;

■ граница между атмосферой и литосферой в гидросфере: 10- 11 км. Определяется дном Мирового океана, включая донные отложения.

Живое вещество – вся совокупность тел живых организмов, населяющих Землю. Живое вещество составляет примерно 0,01% от всей массы биосферы, но благодаря высокой химической и геологической активности, именно оно является основой биосферы, состав которой определяется совокупной деятельностью живых организмов в настоящем и прошлом (табл. 2.1). Но это одна из самых могущественных геохимических сил Земли, поскольку живые организмы не просто населяют земную кору, а преобразуют облик планеты.

Таблица 2.1

Живые организмы населяют земную поверхность очень неравномерно. Их распространение зависит от географической широты.

Биогенное вещество – вещество, создаваемое и перерабатываемое живым организмом. На протяжении органической эволюции живые организмы тысячекратно пропустили через свои органы, ткани, клетки, кровь большую часть атмосферы, весь объём мирового океана, огромную массу минеральных веществ. Эту геологическую роль живого вещества можно представить себе по месторождениям угля, нефти, карбонатных пород и т.д.

Косное вещество – продукты, образующиеся без участия живых организмов. К ним относятся небиогенные минералы и горные породы, образовавшиеся в основном или глубже биосферы (вне области жизни) или в пределах биосферы на глубине нескольких километров без участия живого вещества. Примерами косного вещества являются изверженные горные породы. Мертвые (косные) небиогенные горные породы и минералы по массе во много раз превышают массу всего живого вещества (см. табл. 2.1).

Биокосное вещество – вещество, которое создается одновременно живыми организмами и косными процессами, представляя динамически равновесные системы тех и других. Таковы почва, ил, кора выветривания и др. Организмы в них играют ведущую роль.

Вещество, находящееся в радиоактивном распаде.

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

Вещество космического происхождения. Живое вещество неотделимо от биосферы. Оно является как функцией биосферы, так и одной из самой могущественной геологической силой на планете, выполняя различные функции.

2. Как указывает А.В. Лапо, классификация функций живого вещества выделяет десять основных функций.

1. Энергетическая функция связана с запасанием энергии в процессе фотосинтеза, передачей ее по цепям питания, и рассеиванием. Энергетическая функция живого вещества нашла отражение в двух биогеохимических принципах, сформулированных В.И. Вернадским. В соответствии с первым из них геохимическая биогенная энергия стремится в биосфере к максимальному проявлению. Второй принцип гласит, что в процессе эволюции выживают те организмы, которые своей жизнью увеличивают геохимическую энергию.

2. Газовая функция проявляется в способности изменять и поддерживать определенный газовый состав среды обитания и атмосферы в целом. В частности, включение углерода в процессы фотосинтеза, а затем в цепи питания обусловливало аккумуляцию его в биогенном веществе (органические остатки, известняки и т.п.) В результате этого шло постепенное уменьшение содержания углерода и его соединений, прежде всего двуокиси (С 02) в атмосфере с десятков процентов до современных 0,03%. Это же относится к накоплению в атмосфере кислорода, синтезу озона и другим процессам.

3. Окислительно-восстановительная функция выражается в ускорении под влиянием живого вещества процессов окисления (при наличии кислорода) и восстановления (разложение органических веществ при дефиците кислорода). Восстановительные процессы обычно сопровождаются образованием и накоплением сероводорода, а также метана. Это, в частности, делает практически безжизненными глубинные слои болот, а также значительные придонные толщи воды (например, в Черном море). Данный процесс в связи с деятельностью человека прогрессирует.

4. Концентрационная функция заключается в способности живых организмов концентрировать в своем теле рассеянные химические элементы, поглощаемые из среды. По некоторым металлам, например, по марганцу, концентрирование достигает 106. Результат концентрационной деятельности – залежи горючих ископаемых, известняки, рудные месторождения и т. п. Эту функцию живого вещества всесторонне изучает наука биоминералогия. Организмы-концентраторы используются для решения конкретных прикладных вопросов, например для обогащения руд интересующими человека химическими элементами или соединениями.

5. Противоположная по результатам рассеивающая функция проявляется через питательную и транспортную деятельность организмов. Например, рассеивание вещества при выделении организмами экскрементов, гибели организмов, смене покровов и т.д.

6. Деструктивная функция состоит в разрушении организмами и продуктами их жизнедеятельности, в том числе после их смерти, как мертвого органического вещества, так и косных веществ. Механизм связан с круговоротом веществ.

7. Транспортная функция выражается в переносе вещества в результате активной формы движения. Часто такой перенос осуществляется на колоссальные расстояния, например, при миграциях и кочевках животных.

8. Средообразующая функция заключается в способности живого вещества изменять химические параметры среды в более благоприятные для живых организмов условия обитания. Она направлена на обеспечение условий жизни всех ее членов, в том числе и человека; осуществляется посредством изменения газового состава атмосферы и химического состава гидросферы, образования почвы и осадочных пород, баланса веществ и энергии в биосфере, восстановления нару­шенных человеком условий обитания и др.

9. Средорегулирующая функция – биотическая регуляция окружающей среды. Биота (любая пространственная совокупность живых организмов) способна с большой точностью и длительное время поддерживать на постоянном уровне важные параметры окружающей среды несмотря на сложность регулируемой системы. Например, биота океана регулирует и стабилизирует концентрацию оксида углерода (II) СО 2 в атмосфере. Механизм этой регуляции сводится к следующему. Атмосферная концентрация СО 2 находится в равновесии с его концентрацией в поверхностном слое океана. Биота океана, регулируя концентрацию в поверхностном слое океана, фактически стабилизирует концентрацию в атмосфере.

10. Информационная функция живого вещества биосферы. Именно с появлением первых примитивных живых существ на планете появилась и активная («живая») информация, отличающаяся от той «мертвой» информации, которая является простым отражением структуры. Организмы оказались способными к получению информации путем соединения потока энергии с активной молекулярной структурой, играющей роль программы. Способность воспринимать, хранить и перерабатывать молекулярную информацию совершила опережающую эволюцию в природе и стала важнейшим экологическим системообразующим фактором.

Таким образом, структура и функции биосферы достаточно сложны. Но необходимо отметить главное: ни одна из составляющих биосферу оболочек не может развиваться изолированно от других. Любое качественное изменение одной из них адекватно сказывается на другой.

Всеобщий закон сбалансированности биосферы является основным принципом направленности в развитии всего органического и неорганического мира. Дисбаланс в этот процесс вносят не только (и не столько) любые естественные катастрофические изменения, происходящие на земле, но и хозяйственная деятельность человека, которая может быть не только соизмерима с катастрофическими развивающимися природными факторами, но даже превышать уровень их воздействия.

3. Объектами экологии являются преимущественно системы выше уровня организмов (рис. 2.1), т.е. изучение организации и функционирования надорганизменных систем: популяций, биоценозов (сообществ), биогеоценозов (экосистем) и биосферы в целом. Другими словами, главным объектом изучения в экологии являются экосистемы, т.е. единые природные комплексы, образованные живыми организмами и средой обитания:

Рис 2.1 Структура биологических систем в биосфере

(по И.А. Шилову, 1988)

Живой организм – это любая форма жизнедеятельности. В курсе школьной биологии чаще всего используется классификация, в которой выделяют четыре царства: бактерии, грибы, растения и животные. Более сложная классификация включает в себя дополнительно вирусы и простейшие органические соединения (гумус). Размеры растений варьируют от микроскопических одноклеточных плавающих растений, известных как фитопланктон, до самых больших из всех живых организмов – деревьев секвойя, произрастающих в западной части Северной Америки. Размеры животных могут изменяться от мельчайшего плавающего зоопланктона до 4-метрового африканского слона и 30-метрового голубого кита.

Бактерии не меют оформленного клеточного ядра, поэтому их объединяют в надцарство, называемое надцарством прокариотов. Растения, грибы и животные имеют оформленное клеочное ядро, по причине чего их также объединяют в одно надцарство, называемое надцарством эукариотов.

Популяция – группа организмов одного вида, проживающих на определенной территории. Примерами популяций являются все окуни в пруду, белки обыкновенные или дубы белые в лесах, население в отдельной стране или население Земли в целом. Популяции – это динамичные группы организмов, адаптирующиеся к изменениям условий окружающей среды путем изменения своих размеров, распределения возрастных групп (возрастной структуры), генетического состава.

Вид – совокупность популяций особей, представители которых фактически или потенциально скрещиваются друг с другом в естественных условиях. Подсчитано, что в мире существует от 3 до 30 млн видов живых организмов.

Каждый организм или популяция имеет свое местообитание (ареал): местность или тип местности, где они проживают. Совокупность видов растений, животных и микроорганизмов, объединенных общей областью распространения, называют биотой. Примерами являются все растения, животные, грибы, вирусы, произрастающие и проживающие в лесу, пруду, пустыне или в аквариуме.

Экосистема – взаимосвязь сообществ (биоценоз) с химическими и физическими факторами, создающими неживую окружающую среду (биотоп). Это вечно меняющаяся (динамичная) сеть биологических, химических и физических взаимодействий, которые поддерживают жизнеспособность сообществ и помогают им приспосабливаться к изменениям условий окружающей среды. Примером может служить лиственный лес в средней полосе России с определённым составом лесной подстилки, характерной для этого типа лесов почвой и устойчивым растительным сообществом, и, как следствие, со строго определёнными показателями микроклимата (температуры, влажности, освещённости) и соответствующим таким условиям среды комплексом животных организмов.

Экосистема = Биотоп + Биоценоз

Масштабы или размеры экосистем в природе чрезвычайно разнообразны. Выделяют микроэкосистемы (лужа, ствол гниющего дерева, труп животного с населяющими его организмами, аквариум, пока в нем присутствуют живые организмы, способные осуществлять круговорот), мезоэкосистемы (лес, пруд и т.д.), макроэкосистемы (океан, континент и т.п.). Глобальная экосистема одна – это биосфера.Таким образом, более крупные экосистемы включают в себя экосистемы меньшего ранга.

По мнению Ю. Одума (1986), выделяют три группы природных экосистем: наземные (биомы), пресноводные и морские (рис. 2.2).

Рис 2.2 Основные типы природных экосистем

В основе классификации лежат определенные признаки: для наземных – тип растительности, для пресноводных – физические свойства воды и др.

Как большие, так и малые экосистемы обычно не имеют четких границ. Переходная зона между двумя смежными экосистемами называется экотоном. Экотон включает в себя представителей видов растений, животных и деструкторов обеих смежных экосистем.

Неживые, или абиотические, компоненты экосистемы включают различные физические и химические факторы. К важным физическим факторам, как вы уже знаете, относятся солнечный свет, тень, испарения, ветер, температура и водные течения. Главными химическими факторами являются питательные элементы и их соединения в атмосфере, гидросфере и земной коре, необходимые в больших или малых количествах для существования, роста, размножения организмов.

4. Биотические компоненты экосистемы – основные типы организмов, которые формируют живые компоненты экосистемы. Прежде всего все организмы делятся по способу питания на автотрофов и гетеротрофов

1. Автотрофные организмы используют неорганические источники для своего существования, тем самым создавая органическую материю из неорганической. К таким организмам относятся фотосинтезирующие зеленые растения суши и водной среды, сине-зеленые водоросли, некоторые хемосинтезирующие бактерии и др. Это замечательные химические фабрики.

Используя энергию света, они из углекислого газа и воды синтезируют глюкозу, выделяя в качестве побочного продукта кислород. Окисляя часть глюкозы для получения дополнительной химической энергии из остальной глюкозы и извлекаемых из почвы биогенов, они образуют другие сложные органические молекулы и все ткани растений, за счет которых и растут.

Гетеротрофы в свою очередь в зависимости от источника готовых органических веществ делятся на:

■ сапрофиты (например, грибы, микроорганизмы), потребляющие мертвую органику,

Как видим, главное отличие гетеротрофов от автотрофов заключается в химической природе необходимых им питательных веществ. Отличается и сущность процессов их питания. Автотрофные организмы затрачивают энергию при преобразовании неорганических веществ в органические, гетеротрофы энергию при питании не затрачивают.

Поскольку организмы достаточно разнообразны по видам и формам питания, то они вступают между собой в сложные трофические (пищевые) взаимодействия, тем самым выполняя важнейшие экологические функции в биотических сообществах. Одни из них производят продукцию, другие потребляют, третьи преобразуют ее в неорганическую форму. Их принято подразделять на продуцентов, консументов иредуцентов. Это разделение базируется на преобладающем способе питания организмов.

Продуценты («самопитающиеся») производят пищу себе и снабжают питанием всех остальных – и консументов, и редуцентов; это наземные зеленые растения, производящие органические вещества из неорганических.

Консументы – потребители органических веществ. В зависимости от источников питания консументы подразделяются на три основных класса:

■ фитофаги (растительноядные) – это консументы первого порядка, питающиеся исключительно живыми растениями (либо целиком, либо их отдельными органами). Например, птицы едят семена, почки и листву. Олени и зайцы питаются ветками и листьями. Кузнечики и многие другие виды насекомых потребляют все части растений;

■ хищники (плотоядные) – это консументы второго порядка, которые питаются исключительно растительноядными животными (фитофагами), а также консументы третьего порядка, питающиеся только плотоядными животными. Пауки и птицы, поедающие хищных насекомых, и тунец, питающийся сельдью, являются вторичными консументами. Ястреб или сокол, охотящиеся на змей и горностаев, а также акула, питающаяся другими рыбами, относятся к третичным консументам;

■ эврифаги (всеядные),которые могут поедать как растительную, так и животную пищу. Примерами являются свиньи, крысы, лисы, тараканы, а также человек.

Редуценты (восстановители) возвращают вещества из отмерших организмов снова в неживую природу, разлагая органику до простых неорганических соединений и элементов (СО 2 , NО 2 , Н 2 О). Возвращая в почву или водную среду биогенные элементы, они тем самым завершают биохимический круговорот. Существует два основных класса редуцентов: детритофаги и деструкторы.

Детритофаги напрямую потребляют мертвые организмы или органические остатки. К ним можно отнести, например, крабов, шакалов, термитов, дождевых, червей, многоножек, муравьев и грифов.

Большая часть мертвой материи в экосистеме, особенно мертвые древесные породы и листья, проходят стадии разложения и гниения, в результате чего сложные органические молекулы делятся на более простые неорганические соединения. Этот процесс, также входящий в пищевую цепь, производится отдельным типом редуцентов – деструкторами. К деструкторам относятся два типа организмов – грибы и микроскопические одноклеточные бактерии. В свою очередь, грибы и бактерии являются важным источником питания для таких живых организмов, как черви и насекомые, обитающие в почве и воде. Редуценты являются завершающим звеном в круговороте веществ.

5. Экологическая ниша – это комплекс всех физических, химических и биологических факторов среды, которые необходимы тому или иному биологическому виду, для жизни, роста и размножения в данной экосистеме. Понятие ниши включает в себя и роль организма в экосистеме. Известная аналогия утверждает, что местообитание организма – это его «адрес» в экосистеме, тогда как экологическая ниша – его «род занятий» и «стиль жизни».

Знание экологической ниши позволяет ответить на вопросы, как, где и чем питается вид, чьей добычей он является, каким образом и где он отдыхает и размножается.

Пока экосистема обладает достаточным количеством ресурсов общего пользования, разные виды потребляют их сообща. Однако если два или более видов в одной экосистеме начнут потреблять один и тот же дефицитный ресурс, они окажутся в отношениях межвидовой конкуренции. Их экологические ниши, по крайней мере частично, пересекаются. Дефицитными ресурсами могут оказаться пища, вода, углекислый газ, солнечный свет, почвенные питательные вещества, жизненное Пространство, места укрытия или любой другой жизненно важный фактор среды. Пример межвидовой конкуренции – борьба серых и черных крыс, в результате которой серые крысы вытеснили с большей территории черных, так как они лучше приспособлены к существованию.

Внутривидовые взаимодействия означают объединение животных одного вида в группы по две или более особей. Внутривидовая конкуренция проявляется в основном в территориальном поведении животных, которые защищают места своих; гнездовий и известную площадь в округе. Таковы взаимодействия многих птиц и рыб.

Межвидовые взаимоотношения значительно более разнообразны. Два живущих рядом вида могут вообще никак не влиять друг на друга, могут влиять благоприятно или неблагоприятно.

Нейтрализм – оба вида независимы и не оказывают никакого воздействия друг на друга. В этом случае виды не связаны непосредственно друг с другом и даже не контактируют между собой. Например, совы и лисы, змеи и тигры.

Аменсализм – это такие биотические отношения, при которых происходит торможение роста одного вида (аменсала) продуктами выделения другого. Лучше всего они изучены у растений и микроорганизмов, которое в борьбе с конкурентами за ресурсы применяют различные ядовитые вещества и это явление называют аллелопатией. Например, плесневые грибы, находясь в одной среде обитания с кишечной палочкой, выделяют вещество, которое вызывает гибель последней.

Хищничество – это когда отдельная особь одного вида, называемого хищником, питается организмами (или частями организмов) другого вида, называемого жертвой, причем хищник живет отдельно от жертвы. В таких случаях говорят, что эти два вида организмов вовлечены в отношения типа хищник-жертва. В океанах одним из наиболее опасных хищников является акула. Виды-жертвы пользуются целым рядом защитных механизмов, чтобы не стать легкой добычей для хищника. Некоторые из них умеют быстро бегать или летать. Другие обладают толстой кожей или панцирем. Третьи имеют защитную окраску или способны изменять цвет, маскируясь в окружающей среде. Четвертые выделяют химические вещества с запахом, или вкусом, отпугивающим хищника или даже отравляющим его.

У хищников тоже есть несколько способов добычи жертвы. Плотоядные в отличие от травоядных обычно вынуждены преследовать и догонять свою пищу. Одни хищники, чтобы прокормиться, вынуждены быстро бегать, как, например, гепард. Другие, например пятнистые гиены, львы, волки, достигают той же цели, охотясь стаями. В естественных условиях такие виды обычно более многочисленны, чем леопарды, тигры и пантеры, которые охотятся в одиночку.

Третий способ добывания пищи хищниками – это отлов в качестве жертв преимущественно больных, раненых и прочих неполноценных особей. Подобный естественный отбор особей того или иного вида идет на благо виду в целом, поскольку сдерживает распространение заболеваний в популяции и оставляет более сильных и здоровых особей для размножения.

Четвертый путь обеспечения себя животной пищей – это путь, по которому пошел человек разумный, путь изобретения орудий охоты и ловушек, а также одомашнивания животных.

Комменсализм (от лат. «сотрапезник») характеризуется тем, что один из двух видов (комменсал) извлекает из такого взаимодействия пользу, тогда как на другом это практически не отражается (ни положительно, ни отрицательно). Например, в открытом океане некоторые виды усоногих рачков селятся прямо на челюстных костях китов. В результате такого сожительства рачки приобретают безопасное убежище и стабильный источник пищи. Для кита от такого соседства, очевидно, нет никакой пользы, но и вреда оно тоже не приносит.

Протокооперация – оба организма получают преимущества от объединения, хотя их сосуществование не обязательно для их выживания. Например, крабы и кишечнополостные: краб «сажает» себе на спину кишечнополостное, которое маскирует и защищает его (имеет стрекательные клетки), но, в свою очередь, оно получает от краба кусочки пищи и использует его как транспортное средство.

Мутуализм (от лат. «взаимный») – форма симбиоза, при которой каждый из сожителей получает относительно равную пользу, при этом они не могут существовать друг без друга. Такая форма совместного существования благоприятна для их роста и выживания. Мутуалистические взаимоотношения можно проследить между хвойными деревьями и некоторыми видами грибов, произрастающих на их корнях. Грибы поглощают из корней нужные им растворы, обогащенные питательными веществами и в то же время помогают древесным корням извлекать из почвы воду и минеральные элементы. Классическим примером служат лишайники – тесное сожительство гриба и водоросли. Гриб защищает водоросль, а последняя его кормит.

? Вопросы для самоконтроля

1. Дайте определение биосферы.

2. Чем отличается биосфера и экосфера?

3. Перечислите структурные элементы биосферы.

4. Какова роль «живого вещества» на Земле?

5. Дайте классификацию живым организмам.

6. Какие существуют типы экосистем?

7. На какие две группы по типу питания делятся все живые организмы?

8. Как взаимосвязаны продуценты, консументы. и редуценты?

9. В чем заключается межвидовая и внутривидовая конкуренция? Ответ проиллюстрируйте примерами.

10. Поясните, чем отличаются такие виды взаимодействия видов, как нейтрализм, аменсализм, хищничество.

Биосфера (от греч. bios - жизнь, sphaira - шар) - область системного взаимодействия живого и косного вещества планеты. Она представляет собой глобальную экосистему - совокупность всех биогеоценозов (экосистем) нашей планеты.

Заслуга создания целостности учения о биосфере принадлежит В. И. Вернадскому. Используя этот термины, он создал науку «биосфера», ввел понятие «живое вещество» - совокупность всех живых организмов, а также отвел живым организмам роль главнейшей преобразующей силы планеты Земля, учитывая деятельность организмов не только в настоящее время, но и в прошлом. Поэтому биосфера - это все пространство, где существует или когда-либо существовала жизнь, т. е. где встречаются живые организмы или продукты их жизнедеятельности.

Жизнь в биосфере зависит от потока энергии и круговорота веществ между биотическим и абиотическим компонентами. Круговороты веществ называются биогеохимическими циклами. Существование этих циклов обеспечивается энергией Солнца. Наглядное представление о путях прохождения энергии дают пищевые цепи. Каждое их звено – это определенный трофический уровень. Первый трофический уровень занимают автотрофы , или продуценты. Организмы второго трофического уровня называются первичными консументами , третьего – вторичными консументами и т.д. Продуценты – это растения, цианобактерии (сине-зеленые «водоросли») и некоторые другие типы бактерий. Консументы зависят прямо (травоядные) или косвенно (хищники) от величины чистой первичной продукции как источника энергии и веществ. Прохождение энергии через живое вещество представляет собой путь от света к продуцентам, далее к консументам, а от тех и других – к теплу. Этот путь – поток, а не круговорот, поскольку в виде тепла энергия рассеивается в окружающей среде и не может снова использоваться для фотосинтеза. Таким образом, энергетический поток через живое вещество – это процесс потери накопленной организмами энергии. Поддержание динамического равновесия между биотическим и абиотическим компонентами биосферы является необходимым условием существования всех форм жизни. Воздействие человека на биосферу, сопровождающееся ухудшением качества воды, сведением лесов или выбросом в атмосферу загрязняющих веществ, может создать угрозу жизни на Земле Свойства биосферы .

Биосфере, как и составляющим ее другим экосистемам, более низкого ранга, присуща система свойств, которые обеспечивают ее функционирование, саморегулирование, устойчивость и другие параметры. Свойства:

1.Биосфера - централизованная система . Центральным звеном ее выступают живые организмы (живое вещество).

2.Биосфера - открытая система . Ее существование немыслимо без поступления энергии извне. Она испытывает воздействие космических сил, прежде всего солнечной активности.

3. Биосфера - саморегулирующаяся система , для которой, характерна организованность. В настоящее время это свойство называют гомеостазом, понимая под ним способность возвращаться в исходное состояние, гасить возникающие возмущения включением ряда механизмов.

4. Биосфера - система , характеризующаяся большим разнообразием . Это и разные среды жизни (водная, наземно-воздушная, почвенная, организменная); и разнообразие природных зон, различающихся по климатическим, гидрологическим, почвенным, биотическим и другим свойствам; и наличие регионов, различающихся по химическому составу; и, самое главное, объединение в рамках биосферы большого количества элементарных экосистем со свойственным им видовым разнообразием.

5. Важное свойство биосферы - наличие в ней механизмов , обеспечивающих круговорот веществ и связанную с ним неисчерпаемость отдельных химических элементов и их соединений. Только благодаря круговоротам и наличию неисчерпаемого источника солнечной энергии обеспечивается непрерывность процессов в биосфере и ее потенциальное бессмертие.

структура биосферы .

Биосфера включает в себя:

аэробиосферу - нижнюю часть атмосферы;

гидробиосферу - всю гидросферу;

литобиосферу - верхние горизонты литосферы (твердой земной оболочки).

Биосфера является глобальной экосистемой. Как уже было отмечено ранее, биосфера расчленена на геобиосферу, гидробиосферу и аэробиосферу. Геобиосфера имеет подразделения в соответствии сосновными средообразующими факторами: террабиосфера и литобиосфера-в пределах геобиосферы, маринобиосфера (океа-нобиосфера) и аквабиосфера - в составе гидробиосферы. Данные образования называют подсферами. Ведущим средообразующим фактором в их образовании является физическая фаза среды жизни: воздушно-водная в аэробиосфере, водная (пресноводная и солено-водная) в гидробиосфере, твердо-воздушная в террабиосфере и твер-доводная в литобиосфере.

В свою очередь, все они распадаются на слои: аэробиосфера - на тропобиосферу и альтобиосферу; гидробиосфера - на фотосферу, дисфотосферу и афотосферу.

Структурообразующие факторы здесь, помимо физической среды, энергетика (свет и тепло), особые условия формирования и эволюции жизни - эволюционные направления проникновения биоты на сушу, в ее глубины, в пространства над землей, бездны океана, несомненно, различны. Вместе с апобиос-ферой, парабиосферой и другими под- и надбиосферными слоями они составляют так называемый «слоеный пирог жизни» и геосферы (экосферы) ее существования в пределах границ мегабиосферы (рис. 12.40).

Рис. 12.40. Протяженность биосферы по вертикали и соотношение

поверхностей, занятых основными структурными единицами

(по Ф. Рамаду, 1981)

Перечисленные образования в системном отношении - это крупные функциональные части фактически общеземной или субпланетарной размерности. Общая иерархия подсистем биосферы представлена на рис. 12.41.

Рис. 12.41. Иерархия экосистем биосферы (по Н. Ф. Реймерсу, 1994)

Ученые считают; что в биосфере имеется восемь - девять уровней относительно самостоятельных круговоротов веществ в пределах взаимосвязей семи основных вещественно-энергетических экологических компонентов и восьмого - информационного (рис. 12.42).

Рис. 12.42. Экологические компоненты (по Н. Ф. Реймерсу, 1994)

Глобальные, региональные и местные круговороты веществ незамкнуты и в рамках иерархии экосистем частично «пересекаются». Это вещественно-энергетическое, а отчасти и информационное «сцепление» обеспечивает целостность экологических надсистем вплоть до биосферы в целом.

Общие закономерности организации биосферы. Биосферу формируют в большей степени не внешние факторы, а внутренние закономерности. Важнейшим свойством биосферы является взаимодействие живого и неживого, нашедшего отражение в законе биогенной миграции атомов В. И. Вернадского, и рассмотрено нами в разделе 12.6.

Закон биогенной миграции атомов дает возможность человечеству сознательно управлять биогеохимическими процессами как в целом на Земле, так и в ее регионах.

Количество живого вещества в биосфере, как известно, не подвержено заметным изменениям. Эта закономерность была сформулирована в виде закона константности количества живого вещества В. И. Вернадского: количество живого вещества биосферы для данного геологического периода есть константа. Практически данный закон является количественным следствием закона внутреннего динамического равновесия для глобальной экосистемы - биосферы. Поскольку живое вещество в соответствии с законом биогенной миграции атомов есть энергетический посредник между Солнцем и Землей, то или его количество должно быть постоянным, или должны меняться его энергетические характеристики. Закон физико-химического единства живого вещества (все живое вещество Земли физико-химически едино) исключает значительные перемены в последнем свойстве. Отсюда для живого вещества планеты неизбежна количественная стабильность. Она характерна в полной мере и для числа видов.

Живое вещество как аккумулятор солнечной энергии должно одновременно реагировать как на внешние (космические) воздействия, так и на внутренние изменения. Снижение или увеличение количества живого вещества в одном месте биосферы должно приводить к процессу с точностью наоборот в другом месте, потому что освободившиеся биогены могут быть ассимилированы остальной частью живого вещества или будет наблюдаться их недостаток. Здесь следует учитывать скорость процесса, в случае антропогенного изменения намного более низкую, чем прямое нарушение природы человеком.

Помимо константности и постоянства количества живого вещества, нашедшего отражение в законе физико-химического единства живого вещества, в живой природе наблюдается постоянное сохранение информационной и соматической структуры, несмотря на то» что она и несколько меняется с ходом эволюции. Данное свойство было отмечено Ю. Голдсмитом (1981) и получило название закона сохранения структуры биосферы - информационной и соматической, или первого закона экодинамики. .

Для сохранения структуры биосферы живое стремится к достижению состояния зрелости или экологического равновесия. Закон стремления к климаксу - второй закон экодинамики Ю. Голдсмита, относится к биосфере и другим уровням экологических систем, хотя и имеется специфика - биосфера более закрытая система, чем ей подразделения. Единство живого вещества биосферы и гомологич-ность строения ее подсистем приводят к тому, что сложно переплетены эволюционно возникшие на ней живые элементы различного геологического возраста и первоначального географического происхождения. Переплетение различных по пространственно-временному генезисуалементов во всех экологических уровнях биосферы отражает правило или принцип гетерогенеза живого вещества. Данное сложение не является хаотичным, а подчинено принципам экологической дополнительности (комплементарности), экологического соответствия (конгруэнтности) и другим закономерностям. В рамках экодинамики Ю. Голдсмита это третий ее закон - принцип экологического порядка, или экологического мутуализма, указывающий на глобальное свойство, обусловленное влиянием целого на его части, обратного воздействия дифференцированных частей на развитие целого и т. п., которое в сумме ведет к сохранению стабильности биосферы в целом.

Взаимопомощь в рамках экологического порядка, или системный мутуализм, утверждается законом упорядоченности заполнения пространства и пространственно-временной определенности: заполнение пространства внутри природной системы из-за взаимодействия между ее подсистемами упорядочено так, что позволяет реализоваться гомеостатическим свойствам системы с минимальными противоречиями между частями внутри ее. Из данного закона следует невозможность длительного существования «ненужных» природе случайностей, включая и чуждые ей.создан-ные человеком. В число правил мутуалистического системного порядка в биосфере входит и принцип системной дополнительности, который гласит, что подсистемы одной природной системы в своем развитии обеспечивают предпосылку для успешного развития и саморегуляции других подсистем, входящих в ту же систему.

К четвертому закону экодинамики Ю. Голдсмита относят закон самоконтроля и саморегуляции живого: живые системы и системы под управляющим воздействием живого способны к самоконтролю и саморегулированию в процессе их адаптации к изменениям в окружающей среде. В биосфере самоконтроль и саморегуляция происходят в ходе каскадных и цепных процессов общего взаимодействия - в ходе борьбы за существование естественного отбора (в самом широком смысле этого понятия), адаптации систем и подсистем, широкой коэво-люции и т.д. При этом все эти процессы ведут к положительным «с точки зрения природы» результатам - сохранению и развитию экосистем биосферы и ее как целого.

Связующим звеном между обобщениями структурного и эволюционного характера служит правило автоматического поддержания глобальной среды обитания: живое вещество в ходе саморегуляции и взаимодействия с абиотическими факторами автодинамически поддерживает среду жизни, пригодную для ее развития. Данный процесс ограничен изменениями, космического и общеземного экосферного масштаба и происходит во всех экосистемах и биосистемах планеты, как каскад саморегуляции, достигающей глобального размаха. Правило автоматического поддержания глобальной среды обитания следует из биогеохимических принципов В. И. Вернадского, правил сохранения видовой среды обитания, относительной внутренней непротиворечивости и служит константой наличия в биосфере консервативных механизмов и одновременно подтверждением правила системно-динамической комплементарности.

О космическом воздействии на биосферу свидетельствует закон преломления космических воздействий: космические факторы, оказывая воздействие на биосферу и особенно ее подразделения, подвергаются изменению со стороны экосферы планеты и потому по силе и времени проявления могут быть ослаблены и сдвинуты или даже полностью утерять свой эффект. Обобщение здесь имеет значение в связи с тем, что зачастую идет поток синхронного воздействия солнечной активности и других космических факторов на экосистемы Земли и населяющие ее организмы (рис. 12.43).

Следует отметить, что многие процессы на Земле и в ее биосфере хотя и подвержены влиянию космоса и предполагаются циклы солнечной активности с интервалом в 1850, 600,400, 178, 169,88,83,33,22,16, 11,5(11,1), 6,5 и 4,3 года, сама биосфера и её подразделения не обязательно во всех случаях должны реагировать с той же цикличностью. Космические воздействия системы биосферы могут блокировать нацело или частично.

Рис. 12.43. Пути космического влияния на биосферу

Деятельность человека и

Эволюция биосферы

Э. И. Колчинский (1988) в эволюции биосферы выделяет следующие тенденции: постепенное увеличение общей ее биомассы и продуктивности; прогрессивное накопление аккумулированной солнечной энергии в поверхностных оболочках Земли; увеличение информационной емкости биосферы, проявляющейся в нарастающем росте органических форм, увеличении числа геохимических барьеров и возрастании дифференцированности физико-географической структуры биосферы; усиление некоторых биогеохимических функций живого вещества и появление новых функций; усиление преобразующего воздействия жизни на атмосферу, гидросферу, литосферу и увеличение роли живого вещества, продуктов его жизнедеятельности в геологических, геохимических и физико-географических процессах; расширение сферы действия биологического (биотического) круговорота и усложнение его структуры. Несомненно, к этому перечню необходимо отнести трансформирующее воздействие на биосферу человеческой деятельности, не исключая нисходящую ветвь эволюции биосферы - все эволюционирующие системы не являются бессмертными, а имеют «начало» и «конец» своего существования. Так, если в эволюции живого вещества имеется непрерывный поток генетической информации, а в геноме человека есть гены от всего ряда его предков, то в составе биосферы имеются виды различного географического возраста - «эиогеноэлементы», или «биоэлементы», экосистем. Происходит эволюционная замена данных экогеноэ-лементов (биоэлементов), иногда в региональных рамках полная замена, с исчезновением предшественников.

Не могло не изменить естественных процессов массовое истребление человеком растений и животных, к примеру, плиоценовое исчезновение крупных животных, по всей вероятности, происходило не только из-за прямого преследования, но и в результате нарушения цепей питания, в целом пищевых сетей, что вело к преобразованию экосистем. Современное уничтожение видов, которое идет намного быстрее, чем во времена плиоценового перепромысла, должно вести и ведет к процессам, обратным к названным Э. И. Колчинским - снижается биомасса, продуктивность и информационность биосферы, меняется характер аккумуляции солнечной энергии в поверхностных оболочках планеты и т. п. Отсюда закономерности эволюции биосферы необходимо рассматривать как в прогрессивном, так и в регрессивном плане.

Как нам уже известно, эволюция живого началась с возникновения форм преджизни, а в дальнейшем и праорганизмов (рис. 12.44).

Рис. 12.44. Последовательность этапов симбиогенетического

происхождения клеток эукариот, наложенная на

родословное древо клеточных (кариот)

Примечание: показана неоднократность этапов симбиогенеза клетки эукариот

С этого геологического времени начал действовать принцип Реди: живое происходит только от живого, между живым и неживым веществом существует непроходимая граница, несмотря на то, что имеется постоянное взаи-модействие. В дальнейшем данное обобщение было заново сформулировано В. И. Вернадским в 1924 г. Именно этот принцип служит подоснов Д вой сложения экосистем в рамках таких закономерностей, как разграничение между живым и неживым. Взаимосвязь между ними формирует дополнительность и соответствие внутри биотического сообщества и связь биотоп - биоценоз.

В реальной эволюции принцип Реди проявляется весьма многообразно-способы видообразования, сложения био-, экобио- и экосистем многочисленны, хотя и подчиняются общим законам биологической микро- и макроэволюции, а также экогенез. На разных этапах развития биосферы процессы в ней не были одинаковыми, несмотря на то что шли по аналогичным схемам. Наличие ярко выраженного круговорота веществ, согласно закону глобального замыкания биогеохимического круговорота, является обязательным свойством биосферы любого этапа ее развития. Вероятно, это непреложный закон ее существования. Следует особо обратить внимание т увеличение доли биологического, а не геохимического, компонента в замыкании биогеохимического круговорота веществ. Ныне существующий тип биогеохимического обмена, состоящий из автотрофов-процудентов, гете-ротрофов-консументов и гетеротрофов-редуцентов со все большим ростом управляющего значения среднего звена, практически сложился в середине мелового периода. Если на первых этапах эволюции преобладал общебиосферный цикл - большой биосферный круг обмена (сначала только в пределах водной среды, а затем разделенный на два подцикла - суши и океана), то в дальнейшем он стал дробиться. Вместо относительно гомогенной биоты появились и все глубже дифференцировались экосистемы различного уровня иерархии и географической дислокации. Приобрели важное значение малые, биогеоценотические, обменные круги. Возник так называемый «обмен обменов» - стройная система биогеохимических круговоротов с высочайшим значением биотической составляющей.

Деятельность человека ведет к гомогенизации систем биосферы. Все больше «стираются» элементарные экосистемы, превращаясь в «монотонные» агросистемы, однообразные по биогеохимическим характеристикам культурные ландшафты. При этом снижается степень замкнутости биогеохимических циклов. Вероятно, в этом заключается секрет накопления в биосфере, и в первую очередь в атмосфере, малых газовых примесей, выброса тех веществ, которые, естественно, образуются в меньшем количестве и обычно ранее утилизировались биотой практически полностью. Чем больше организмы воздействовали на среду биосферы, тем интенсивнее шла эволюция. Этот принцип максимума эффекта внешней работы, закон саморазвития биосистем или закон исторического развития биологических систем, был сформулирован в 1935 г. Э. Бауэром: развитие биологических систем является результатом увеличения их внешней работы - воздействия этих систем на окружающую среду.

Физико-математическое подтверждение вышеназванных обобщений дает теорема порога возрастания энтропии в биосфере, или теорема К. С. Тринчера, выведенная в 1964 г., - продукция энтропии живым веществом биосферы возрастает до порога, определяемого уравнением:

, (12.9)

где t - абсолютное время;

r - единица биологического (системно характерного)времени;

S sp - специфическая энтропия одного вида живого,

е - основание натурального логарифма.

Важно здесь то, что минимум энтропии возникает при неравномерном распределении веществ в системе. Человеческая деятельность нарушает эту неравномерность, делает живое вещество гомогенным или даже, образно говоря, сдирает «живую кожу» с лика Земли, видоизменяет энтропийные и негэнтропийные процессы.

Антропогенное воздействие на окружающую среду оказалось деструктивным. Эволюция вынуждена идти экстенсивно, под воздействием внешних факторов, с темпом, диктуемым не ходом естественных явлений, а трансформацией природы человеком. Закон исторического развития биосистем работает не в полной мере или совсем не работает в силу того, что роль биотического воздействия на среду относительно снизилась. Преобладает преобразующая деятельность человека (рис. 12.45).

Рис. 12.45. Воздействие человека на природу на разных

стадиях развития производства:

I - период до времени использования огня; II - период со времени использования огня, появления и совершенствования примитивных орудий труда (100-10 тыс. лет до н. э.); III - период становления и развития земледелия и скотоводства (10 тыс. лет до н. э. - XIV в.); IV - период развития ремесел, появления и роста мануфактуры, расширения сельскохозяйственного производства (XV-XVIII вв.); V - период машинной индустрии, развития различных отраслей хозяйств (XIX в. - 1-я половина XX в.); VI - период научно-технической революции (2-я половина XX в.)

Здесь вслед за прямым уничтожением видов следует ожидать самодеструкции живого. Этот процесс фактически и идет в виде массового размножения отдельных организмов, разрушающих сложившиеся экосистемы. Насколько такое положение опасно для биосферы? Все зависит от темпов изменений. Следует учесть, что эволюция биосферы не была равномерной (рис. 12.46), и, несмотря на увеличение степени совершенства биогеохимического круговорота, этот процесс не шел гладко.

Рис. 12.46. Спираль времени

Закрученная в спираль лента графически изображает 4,5 млрд лет истории Земли. Отсчет времени начинается (нижний конец ленты) с формирования нашей планеты. Стрелками указаны ключевые моменты в эволюции жизни, обнаруживающие относительную молодость млекопитающих как целостной группы, не говоря уже о человеке, время существования которого - 1 млн лет или около того – указано на самом верху ленты. Одно деление нанесенной на ленте шкалы соответствует приблизительно 4,5 млн лет

Сегодня известны эволюционные катастрофы, происшедшие на нашей планете. Например, 650 млн лет назад эволюционно-экологический кризис привел к «внезапному» исчезновению многих видов одноклеточных водорослей. На рубеже 450 млн лет назад вымерло большинство панцирных обитателей океана, 230 млн лет назад исчезли многие виды гигантских амфибий, и, по эволюционным меркам, сравнительно быстро - 65 млн лет назад-вымерли гигантские рептилии и многие виды других групп организмов. Взгляды ученых на вымирание живых организмов неоднозначны. Так, вымирание гигантских рептилий связывают с похолоданием, прошедшим на Земле в результате падения огромного метеорита-астероида (предполагается, что он образовал крупнейший метеоритный кратер на территории современной Мексики). Похолодание привело к срыву инкубации яиц рептилий, а также могло дать преимущества для эволюции ночных групп животных и привести к исчезновению особо теплолюбивых дневных млекопитающих. Конечно, причины вымирания, его механизмы могли быть и другими. К едва заметным на взгляд человека, энергетическим перестройкам ведут даже незначительные изменения абиотической среды. Одно несомненно - вид никогда не исчезает один, всегда наблюдается изменение пищевых и информационных сетей. Происходит глобальная перестройка на всех уровнях экосистем. Одни виды исчезают, другие их замещают. Это явление находит отражение в правиле (принципе) катастрофического толчка: глобальная природная или природно-антропогенная катастрофа (сближение Земли с другим крупным космическим телом, столкновение с астероидом, резкое изменение климата, обеднение биоты и т. д.) всегда приводит к существенным эволюционным перестройкам, которые относительно прогрессивны для природы (адаптируют ее системы к новым условиям среды), но не обязательно полезны для вида или иной систематической категории, в том числе для человека и его хозяйственной деятельности. В связи с тем что отмечаются ускорения и замедления эволюции, действует и принцип прерывности и непрерывности развития биосферы: процесс медленного эволюционного изменения организмов закономерно прерывается фазами бурного развития и вымирания практически без переходных (палеонтологических) форм. Здесь интересен не столько механизм эволюции, а сам факт различного ускорения эволюционных процессов и их направленности. В случае, если ведущую роль в отборе играли верхние уровни природных систем и они же фактически направляли эволюцию, то антропогенные изменения биосферы, которые идут с большей скоростью, могут для нового ускорения эволюционных перестроек дать толчок в любой момент, вследствие чего произойдет капитальная перестройка экологических условий на Земле. Человечество как биологическое и социально-экономическое образование к таким преобразованиям едва ли готово. Нужны хотя бы общие показатели-рамки для установления, что является опасным, а что еще не грозит опасностью в ходе эволюции среды и жизни. По мнению ряда ученых, такими критическими показателями могут быть точки Пастера и правила одного и десяти процентов. Как известно из раздела 2.3, основной точкой Л. Пастера является момент, когда уровень содержания кислорода в атмосфере Земли в процессе эволюции составил 1% современного. Аэробная жизнь стала возможной с этого времени, что соответствует геохронологически архею. Считается, что накопление кислорода шло взрывообразно, в течение около 20 тыс. лет (рис. 12.47).

Рис. 12.47. Происхождение кислорода в атмосфере (по Е. Одуму, 1971)

Вторая точка Пастера - достижение также в архее содержания кислорода в атмосфере Земли около 10% современного. Создались предпосылки формирования озоносферы (рис. 12.48). Появилась возможность жизни на мелководьях, а в дальнейшем и на суше.

Рис. 12.48. Механизмы образования озонового слоя (внизу)

и его роль в атмосфере (вверху), по Е. А. Криксунову и др., 1995

Точки Пастера, как и закон пирамиды энергий Р. Линдемана (раздел 12.7), дали основание для формулировки правил одного и десяти процентов, получившего название закона Линдемана. Так называемое «магическое число» 1% возникает из соотношения возможностей потребления-энергии и «мощностей», необходимых для стабилизации среды. Доля возможного для биосферы потребления общей первичной продукции не превышает одного процента, что следует и из закона Р. Линдемана: около 1% чистой первичной продукции в энергетическом выражении потребляют позвоночные животные как консументы высших порядков, около 10% - беспозвоночные животные как консументы низших порядков, оставшуюся часть - бактерии и грибы-сапрофаги. Человечество, как только на грани XIX-XX вв.стало использовать большее количество продукции биосферы (в 90-х гг. XX в. - не менее 10%), так и перестал удовлетворяться принцип Ле Шателье-Брауна (примерно с 0,5% общей энергетики биосферы), рис. 12.49 и 12.50.

Рис. 12.49. Биосфера и человек-модель развития системы

их взаимоотношений (по Н. Ф. Реймерсу, 1990)

Примечание: толщина стрелок внутри кругов отражает силу воздействий; 1-3 - фазы преобразования природы человеком (промышленная, скотоводческо-земледельческая, индустриальная)

Принцип Ле Шателье-Брауна гласит, что при внешнем воздействии, выводящем систему из состояния устойчивого равновесия, равновесие смещается в том направлении, при котором эффект внешнего воздействия ослабляется. Так, растительность не давала прироста биомассы в соответствии с увеличением концентрации СО 2 и т. д. Прирост связанного растениями углерода наблюдался лишь в XIX в.

Достаточно признанным считается порог потребления 5-10% суммы вещества, который приводит с переходом через него к заметным изменениям в системах природы. Он в большей степени принят на эмпирическо-интуитивном уровне, без различия форм и характера управления в данных системах. Приближенно намечающиеся переходы для природных систем можно разделить на с организменным и консорционным типом управления и популяционных систем. Для первых порог выхода из стационарного состояния до 1 % от потока энергии или «нормы» потребления и порог саморазрушения составляет около 10% этой «нормы». Для популяционных систем превышение в среднем 10% объема изъятия приводит к выходу этих систем из стационарного состояния.

Обратим внимание на формулировку «выход из стационарного состояния». Для глобальной энергетической системы такой выход, вероятно, происходит в рамках 0,1-0,2% возмущения общепланетных процессов, т. е. значительно раньше, чем наступают сбои в действии принципа Ле Шателье-Брауна и заметные природные аномалии. В подтверждение вышесказанного можно указать на то, что опустынивание начало существенно расти еще в прошлом веке. Трудно доказать или опровергнуть антропогенность климатических процессов, происходящих в последние два столетия.

Эволюционные переходы в биосфере занимают относительно небольшое время. Правила усиления интеграции биологических систем И. И. Шмалъгаузе-на гласят, что в процессе эволюции биологические системы становятся все более интегрированными, со все более развитыми регуляторными механизмами, обеспечивающими такую интеграцию. Н. Ф. Реймерс в работе «Системные основы природопользования» указывал на то, что разрушение более трех уровней иерархии экосистем абсолютно необратимо и катастрофично. Для поддержания надежности биосферы обязательна множественность конкурентно взаимодействующих экосистем. Таким путем шла эволюция биосферы. Антропогенные же воздействия нарушают этот ход. Правило множественности экосистем вытекает и из правила экологического дублирования, и вообще из теории надежности. Здесь интеграция оказывается «скользящей» по иерархической лестнице экосистем.

Развитие биосферы в

Ноосферу - сферу разума

С появлением человеческого общества, под влиянием которого в современных условиях происходит дальнейшая эволюция биосферы, приводит к изменению качественного состава самой биосферы, к ее переходу в ноосферу. Под ноосферой понимают сферу взаимодействия природы и общества, в котором разумная деятельность людей становится главным, определяющим фактором развития. Название «ноосфера» происходит от греч. «ноос» - разум и таким образом обозначает сферу разума. Понятие ноосферы ввел в 1927 г. французский ученый-математик Э. Леруа, подразумевая под ним современную геологическую стадию развития биосферы. Э. Леруа отмечал, что пришел к такому представлению вместе со своим другом - геологом и палеонтологом П. Тейером де Шарденом, который в дальнейшем разработал собственное представление о ноосфере. В книге «Феномен человека» автор определил ноосферу как «новый покров», «мыслящий пласт, который, зародившись в конце третичного периода, разворачивается над миром растений и животных - вне биосферы и над ней».

Научное и практическое значение деятельности В. И. Вернадского как основателя учения о биосфере состоит в том, что он впервые во всеоружии знаний своего времени глубоко обосновал единство человека и биосферы. Сама живая материя как носитель разума, отмечал В. И. Вернадский, составляет небольшую часть биосферы по массе. Возникновение человеческого общества явилось результатом длительного развития живого вещества в пределах биосферы. Появление человека на Земле предопределило неизбежность возникновения нового состояния биосферы - переход ее в ноосферу, оболочку разума, охваченную целенаправленной деятельностью самого человека. При этом периоду сознательной деятельности человека предшествовал длительный период его дикого, полудикого и в целом стихийного существования. В пределах биосферы возникла первоначально сфера первобытной деятельности человеческого общества, которую нередко называют антропос-ферой. Начало ей положило расселение человека по всей поверхности суши в результате использования огня. Человек, овладев огнем, стал относительно независимым от климата и заселил все континенты, кроме Антарктиды. По свидетельству уникальных палеонтологических находок, человек, зародившись в дебрях Центральной Африки, освоил Европу, Азию, Австралию, а при дальнейшем совершенствовании своего организма достиг просторов Северной и Южной Америки. В ходе развития производительных сил антропосфера, охватывающая стихийную деятельность человеческого общества, объективно должна перейти в ноосферу - сферу сознательной деятельности. В современную эпоху становление ноосферы теснейшим образом связано с овладением различными формами движения материи - первоначально механической, потом тепловой, химической, атомно-ядерной. На очереди овладение биологическими формами движения - создание живых форм с помощью методов и средств биотехнологии и генной инженерии. С этим связано и возникновение новых по качеству круговоротов веществ в биосфере.

В. И. Вернадский, оценивая роль человеческого разума и научной мысли, делает следующие выводы.

1. Ход научного творчества является той силой, которой человек меняет биосферу, в которой он живет.

2. Это проявление изменения биосферы есть неизбежное явление, сопутствующее росту научной мысли.

3. Это изменение биосферы происходит независимо от че-ловеской воли, стихийно, как природный естественный процесс.

4. А так как среда жизни есть организованная оболочка планеты - биосфера, то вхождение в нее в ходе ее геологически длительного существования нового фактора ее изменения - научной работы человечества - есть природный процесс перехода биосферы в новую фазу, в новое состояние - ноосферу.

5. В переживаемый нами исторический момент мы видим это более ясно, чем могли видеть раньше. Здесь вскрываются перед нами «законы природы». Новые науки - геохимия и биогеохимия -дают возможность впервые выразить некоторые важные черты процесса математически.

Выводы о том, что биосфера неизбежно превратится в ноосферу, т. е. сферу, где разум человека будет играть доминирующую роль в развитии системы «человек - природа», получили название закона ноосферы В. И. Вернадского.

В дальнейшем эволюции биосферы и переходу ее в ноосферу были посвящены научные работы многих зарубежных и отечественных исследователей. Так, М. М. Камшилов (1974), рассматривая эволюцию биосферы, отмечал (рис. 12.51):

Рис. 12.51. Стадии эволюции биосферы, представленные

в виде последовательно вовлекаемых в круговорот

циклов (по М. М. Камшилову, 1974)

1 - в большом абиотическом круговороте веществ (А) возникла биосфера (Б);

2 - по мере развития жизни она расширяется;

3 - в ней появляется человеческое общество (Ч);

4 - человеческое общество начинает поглощать вещество и энергию не только через биосферу, но и непосредственноизабиотической среды (Т);

5 - биосфера, превратившаяся в ноосферу (Н), стала развиваться под контролем разумной деятельности человека (ноогенез); управление взаимными отношениями человеческого общества и природы осуществляется с помощью ноогенетики, жизнь, развиваясь по пути ноогенеза, все полнее осваивает вещество, энергию и потенциал информации неживой приро- | ды, распространяясь за пределы Земли (пунктирные линии).

В XX в.накопился огромный фактический материал по биосфере, по производственной деятельности человеческого общества. Рождающаяся ноосфера в своих главных проявлениях характеризуется следующими признаками (рис. 12.52).

Рис. 12.52. Геохимия ноосферы (по Д. И. Перельману, 1973)

Процессы, унаследованные от биосферы, но существенно измененные в ноосфере: 1 - биологический круговорот атомов; 2 - круговорот воды, водная и атмосферная миграция элементов; 3 - рассеяние элементов - отработка месторождений и т. д. Процессы, чуждые биосфере: 4 - получение металлов и других элементов, неустойчивых в термодинамическом поле биосферы; 5 - производство энергии на атомных электростанциях; б - синтез органических веществ, не существовавших в биосфере (полимеры и др.)

1. Возрастающим количеством механически извлекаемого материала литосферы - ростом разработки месторождений полезных ископаемых. В 90-х гг. оно превышало 100 млрд т в год, что в 4 раза больше массы материала, выносимого речным стоком в океан в процессе денудиции суши.

2. Массовым потреблением продуктов фотосинтеза прошлых геологических эпох, главным образом в энергетических целях. Химическое равновесие в биосфере в связи с этим смещается в сторону, противоположную глобальному процессу фотосинтеза, что неизбежно приводит к росту содержания углекислого газа в биосфере и уменьшению содержания свободного кислорода.

3. Процессы в ноосфере приводят к рассеиванию энергии Земли, а не к ее накоплению, что являлось характерным для биосферы до появления человека. Возникает важная энергетическая проблема.

4. В ноосфере создаются в массовом количестве вещества, которые ранее в биосфере отсутствовали. Происходит металлизация биосферы.

5. Характерно для ноосферы появление новых трансурановых химических элементов в связи с развитием ядерной технологии и ядерной энергетики. Овладение ядерной энергией происходит за счет деления тяжелых ядер. Предвидится в недалеком будущем получение термоядерной энергии за счет синтеза легких ядер, что позволит полностью отказаться от горючих полезных ископаемых в качестве источника энергии.

6. Ноосфера выходит за пределы биосферы в связи с огромным прогрессом научно-технической революции. Возникла космонавтика, которая обеспечивает выход человека за пределы планеты Земля. Происходит освоение космического, околокосмического пространства с непредвиденными возможностями. Создается принципиальная возможность создания искусственных биосфер на других планетах.

7. С образованием ноосферы планета Земля переходит в новое качественное состояние. Если биосфера - это сфера Земли, то ноосфера - это сфера Солнечной системы. Ноосфера в будущем станет областью Солнечной системы в познавательных и производственных целях человеческого общества.

Таким образом, хаотическое саморазвитие, основанное на процессах естественной саморегуляции, будет заменено разумной стратегией, базирующейся на прогнозно-плановых началах, регулировании процессов естественного развития. Это управление, несомненно, должно быть лишь «мягким» и следовать только законам природы и развития общества. В основе формирования ноосферы могут быть лишь благо и заинтересованное понимание, а не насилие и волюнтаризм. Человечеству придется решать массу тяжелых для нового времени проблем, но это будут иные, чем сегодняшние, проблемы.