Биосфера, как область взаимодействия общества и природы

Учение о биосфере дало толчок дальнейшему развитию биологии, и, в частности, такому ее разделу, как экология, поскольку окружающая организмы среда предстала в более значительном и динамичном для живого плане, чем раньше. Возросло внимание биологов к надорганизменным уровням организации живого, организм стали рассматривать не как самодовлеющую величину, а как часть более сложного целого — популяции, биоценоза и биосферы в целом. Можно вполне согласиться с проф. К.М.Завадским, который считал важнейшей чертой нового способа мышления в биологии "отказ от признания организма единственно реальной и первичной формой организации живого". Здесь же он отметил, что "идею первичности не одной формы существования жизни, а сразу нескольких впервые обосновал В.И.Вернадский". У В.И.Вернадского эта идея органично вытекала из его концепции биосферы, поскольку, как справедливо полагал ученый, одиночный организм, и даже вид не "мог бы исполнить все геохимические функции жизни, которые существуют в биосфере изначала". Плодотворность системного подхода в данном случае очевидна, и не случайно, что сейчас, когда системный подход становится нормой исследований в биологии, идеи В.Вернадского переживают пору возрождения и ведут ученых к ценным результатам.

Если совсем недавно биоценология была второстепенным разделом биологии, то теперь она становится одним из наиболее важных ее участков, имеющих большое практическое значение.

С позиций биоценологии вся биосфера представляет собой систему взаимосвязанных обменными процессами биогеоценозов, которые являются очень важными звеньями реализации биологического круговорота вещества и энергии в его взаимодействии с геологическим круговоротом.

Взаимосвязь различных видов организмов в биогеоценозах такова, что продукты жизнедеятельности одних видов, вредные для них самих, выступают условием жизнедеятельности других. Складывается, таким образом, непрерывная последовательность цепей питания, каждое из звеньев которых достаточно необходимо и незаменимо полностью. В обобщенном виде эти звенья можно представить как цепочку, идущую от автотрофов через гетеротрофы к сапрофагам, которые, разлагая органическое вещество, обеспечивают возврат химических элементов обратно в неживую природу. Следовательно, в биогеоценозах обеспечивается цикличность обменных процессов, их замкнутость. Однако эта цикличность относительна, так как в неживой природе идет непрерывный процесс совершенствования видов в ходе борьбы за существование.

Каждый органический вид стремится увеличить свою биогеохимическую энергию. Выживают и развиваются те виды, которые более преуспевают в этом процессе. В итоге каждый развивающийся вид способствует общему процессу аккумуляции вещества и анергии в биосфере. В силу обратного воздействия следствия на причину повышение вещественно-энергетического уровня биосферы сообщает органическому миру новый импульс развития и т.д. В целом образуется интегральный процесс восходящего развития всей живой природы.

В свете учения о биосфере все ее компоненты предстают как закономерно возникшие и необходимым образом связанные друг с другом обменными процессами. Каждый компонент играет вполне определенную и незаменимую для данного состояния роль в поддержании целостного и упорядоченного характера биосферы как системы. Сколько-нибудь существенное изменение любого из компонентов рано или поздно отражается на остальных и обусловливает соответственное их изменение. За счет этого обеспечивается саморегуляция биосферы и закономерный характер ее изменений во времени.

Принципы саморегуляции и целостности биосферы представляют для нас особый интерес. Поэтому мы остановимся на их рассмотрении подробнее.

2. Основные закономерности развития биосферы

Для уяснения специфики биосферы как саморазвивающейся системы необходимо прежде всего рассмотреть основные ее компоненты15, показать, что они — результат прогрессивной дифференциации вещества в ходе саморазвития биосферы, наконец, что взаимосвязь этих частей характеризуется специфическими закономерностями, обеспечивающими саморегулирование и целостность системы.

Такими частями являются: наружный слой литосферы, гидросфера, атмосфера, космические излучения в зоне поверхности Земли, живое вещество планеты и почва. Каждая из них в свою очередь состоит из частей меньшего порядка. Например, живое вещество состоит из тесно связанных между собой больших групп организмов: автотрофов, гетеротрофов и хемотрофов.

Исключительная разнородность частей биосферы и придает ей как целому особое своеобразие. Выделяются следующие виды неоднородности биосферы: агрегатная, пространственная, энергетическая, геохимическая, зональная качественная. В.И.Вернадский придавал большое значение свойству неоднородности биосферы, характеризовал его как своеобразную диссимметрию, мозаичность и видел в этом важнейший источник ее развития.

Агрегатная неоднородность биосферы состоит в том, что она представляет собой, пожалуй, единственный природный комплекс, в котором тесно взаимодействуют, оставаясь качественно обособленными, три агрегатных состояния — твердое, жидкое и газообразное. При постоянном, но неравномерном притоке космических излучений и особенно энергии Солнца, в условиях электромагнитного поля Земли и сферической земной поверхности взаимодействие различных агрегатных состояний вещества приобретает крайне противоречивый характер. Огромные массы воды, около 519000 куб. км в год, испаряясь с поверхности водоемов, переходят в газообразном состоянии в состав атмосферы, переносятся движением воздуха и низвергаются на сушу в виде ливней или оседают туманом и росой, Потоки воды вновь стекают к понижениям рельефа, оттуда попадают в многочисленные водоемы чтобы затем опять подняться в составе испарений в атмосферу.

Работа поверхностных вод постепенно приводит к выравниванию рельефа и, следовательно, к уменьшению энергии водного стока. Этому процессу противостоит поднятие отдельных участков суши в результате тектонических движений земной коры, происходящих медленно и незаметно, но иногда сменяющихся периодами бурного горообразования с землетрясениями и извержениями.

Наряду с поднятием одних участков суши происходит соответственное опускание других. Тектоническая неравномерность движений земной коры играет большую роль в изменении поверхности биосферы, в создании соответственной орографической неравномерности в виде неровностей рельефа, обуславливающих движение вещества на суше.

Пространственная неоднородность состоит, во-первых, в неравномерности распределения вещества в биосфере и, во-вторых, в структурной неравномерности тел биосферы по причине своеобразного соотношения моментов симметрии и диссимметрии.

Анализ вещественного состава биосферы показывает исключительную неравномерность распределения масс вещества в различных состояниях. Наибольшее количество массы сосредоточено в наружном слое литосферы и в гидросфере, гораздо меньшее — в составе атмосферы и, наконец, сравнительно незначительное количество вещества входит в состав организмов биосферы. Неравномерность распределения вещества, характерная и для неорганической части биосферы, в отношении органической части биосферы особенно разительна. Эта неравномерность распределения масс вещества и разнородность его агрегатных состояний, создавая разность потенциалов, обусловливает возможность движения и усложнения материи в системе биосферы.

Не менее велика роль вещественной неравномерности и структурной разнородности во взаимодействии органической и неорганической частей биосферы. Характерной чертой неживых тел является симметричное соотношение элементов структуры на молекулярном уровне, т.е. примерно одинаковое количество левых и правых стереоизомеров в составе вещества, тогда как для жизненно важных компонентов тел живой природы — белков, жиров, углеводов — характерно преобладание стереоспецифических изомеров, преимущественно левых. Это имеет большое значение для развития живой природы и биосферы в целом, поскольку стереоспецифические вещества энергетически более активны.

Энергетическая неоднородность выражается в неравномерном распределении по земной поверхности солнечной энергии (тепла, света), а также в неодинаковом соотношении вещества и энергии в телах биосферы в зависимости от их структуры. В симметрично организованных телах энергия находится преимущественно в связанном, потенциальном состоянии. И, наоборот, в телах, диссимметрично организованных (таковы в основном организмы), большая часть энергии пребывает в свободном, эффективном состоянии, что делает их энергетически более интенсивными. Следовательно, большей массе симметрично организованного вещества может соответствовать меньшее количество эффективной энергии, чем сравнительно небольшой массе диссимметрично и, особенно, асимметрично организованного вещества. Это прослеживается уже в неживой природе, но особенно характерно при сопоставлении живых и неживых систем. Наиболее симметричное тело неживой природы — кристалл — в то же время обладает наименьшим количеством эффективной энергии, и, наоборот, структурно диссимметричные жидкие и особенно газообразные тела энергетически наиболее активны. Например, кинетическая энергия морей составляет не более 2% кинетической энергии атмосферы, причем большая часть ее создана воздействием ветра на воду. В свою очередь энергия ветра возникает в основном за счет перепада температур между полярными и экваториальными зонами.

Энергетическая активность живых тел с их ярко выраженной асимметричностью структуры на молекулярном уровне настолько велика, что в орбиту живой материи вовлекаются непрерывно нарастающие массы вещества, и практически весь химизм биосферы оказывается функцией деятельности организмов. Неравномерное распределение энергии приводит к очень важным для развития биосферы последствиям: создается значительная разность потенциалов между элементами и частями биосферы и особенно между неживой и живой природой, чем обеспечивается преимущественный ток атомов от первой ко второй. Отсюда тенденция возрастания массы живого вещества и накопления энергетически богатого биогенного вещества в земной коре.

Геохимическая неоднородность — это неравномерность распределения атомов различных химических элементов в земной коре. Причины неравномерности распределения химических элементов в биосфере различны: здесь, и геологические условия возникновения земной поверхности, и особенности структуры самих атомов и т.д. Однако с момента возникновения жизни деятельность организмов стала решающим фактором неравномерности перераспределения химических элементов по периферии нашей планеты благодаря способности организмов концентрировать строго определенные элементы в составе своего тела соответственно видовым особенностям. Одной из основных задач биогеохимии является изучение роли живого вещества в миграции атомов по земной поверхности.

Зональная неоднородность поверхности Земли впервые четко была определена В.В.Докучаевым, хотя предвосхищавшие это положение идеи высказывались еще А. Тумбольдтом. Неравномерное по широтным зонам расселение органических форм и отложение продуктов их жизнедеятельности отражает диссимметрию неорганических условий существования жизни и составляет одну из закономерностей биосферы.

Таким образом, неоднородность — важнейшая черта биосферы. Биосфера — это единственная на нашей планете область, где полностью представлены во взаимодействии все известные формы движения материи: микрофизическая, химическая, физическая, биологическая, социальная.

Неоднородность частей и элементов биосферы обусловливает их неразрывное взаимодействие в рамках целого и исключительную степень зависимости частей друг от друга. Эта зависимость обеспечивается обменными процессами, связывающими все части в единое целое в рамках некоторого цикла. Каждая из частей в обменном цикле играет весьма важную роль, и с выпадением любой части нарушилась бы вся система.

Обменный цикл, ответственный за объединение частей целого, принято называть интегративным фактором. Таким фактором, обеспечивающим взаимодействие неорганических частей будущей биосферы до возникновения жизни, являлся абиогенный геологический круговорот вещества и энергии. С появлением жизни наряду с абиогенным круговоротом вещества и энергии складывается биологический круговорот. Поскольку масса живого вещества увеличивается, биологический круговорот имеет тенденцию к постепенному расширению сферы своего действия, вовлекая все большее количество вещества и энергии за счет элементов геологического круговорота. Функциональное переключение природных круговоротов на развитие живого вещества планеты способствовало более четкой их направленности, а также нарастанию их интенсивности и организованности соответственно развитию взаимосвязи цепей питания в биоценозах, составляющих биосферу.

Сама биосфера как качественно особое образование возникла тогда, когда сложился достаточно развитый биологический круговорот вещества и энергии. По мнению А.П.Виноградова, это произошло не менее 2*109 лет назад.

В ходе естественного отбора у организмов архейской биосферы, по-видимому, довольно скоро появилась способность к фотосинтезу, что обеспечило возможность нового скачка в развитии живой материи. С этих пор количество свободного кислорода в атмосфере стало быстро возрастать за счет высвобождения его из воды деятельностью автотрофов.

В результате восстановительная среда все больше заменялась на окислительную, в условиях которой становилось невозможным химическое образование углеродных соединений, а могло происходить лишь их разрушение. По-видимому, этот этап замены восстановительной среды на окислительную можно считать периодом перехода пробиосферы в биосферу с наличием присущих ей частей.

Важным этапом в развитии биосферы явилось возникновение такой ее части как почвенный покров. С возникновением почвы достаточно развитого профиля биосфера становится целостно завершенной системой, все части которой тесно взаимосвязаны и зависят друг от друга.

Рассмотрим характер взаимосвязи частей биосферы и их обусловленность в процессе развития.

Во всякой целостной системе выделяют следующие аспекты взаимодействия частей: координация, корреляция, субординация. Если понятие координации раскрывает характер взаимосвязи между частями целого, а понятие корреляции — характер изменения самих частей в ходе их взаимодействия, то понятие субординации раскрывает порядок взаимосвязи между частями целого. Все эти типы отношений мы находим и между частями биосферы. Зависимость частей системы складывается по мере их формирования и имеет исторический характер.

Биосферу можно представить как систему взаимосвязанных между собой биогеоценозов. Каждый из них относительно замкнут в себе, но в то же время связан обменными вихрями атомов с другими ценозами. Биосфера в целом и составляющие ее биогеоценозы представляют собой авторегуляционные системы. Это такие системы, которые обладают способностью самовосстановления нарушенного равновесия обменных процессов, причем в направлении, благоприятном для дальнейшего существования системы, т.е. имеют место отрицательные и положительные обратные связи. Поскольку биосфера относится к системам, аккумулирующим вещество и энергию, то ее авторегуляция обеспечивает прогрессивное саморазвитие с повышением организованности частей и возрастанием степени целостности. Воздействие человеческого общества пока сильно нарушает этот естественный процесс.

Основой авторегуляции биогеоценозов и взаимосвязи между ними является жизнедеятельность популяций различных видов растений и животных. Между организмами устанавливаются взаимообусловленные цепи питания и размножения, регулирующие их численность и соотношение особей внутри видов и между ними.

Регулятивная роль организмов в поддержании целостности биогеоценозов обеспечивается высокой реактивностью живых систем. Организм активно приспосабливается к изменяющейся среде, биотической и абиотической. Это приспособление достигается как изменением поведения организма, так и изменением его внутреннего строения. В обоих случаях изменения, происходящие в органическом мире, по закону обратной связи отражаются в изменениях окружающей среды, и так до бесконечности. Взаимосвязь изменений играет огромную роль в развитии биосистем, и учет этого фактора выступает как важный методологический принцип в теории эволюции.

Какие бы изменения ни происходили в системе биоценоза, они увязываются в общий целостный обменный цикл посредством взаимодействия, в первую очередь организмов. В процессе жизнедеятельности складывается устойчивая система взаимосвязей в сообществах. Эта система имеет определенную самостоятельность, замкнутость по отношению к окружающей среде, выступает до некоторой степени как обособленная, что очень важно учитывать людям в хозяйственной деятельности. Под замкнутостью биоценоза подразумевают его большую или меньшую способность противостоять внедрению в его состав новых видов, причем одни биоценозы являются более замкнутыми, другие — менее замкнутыми.

Новый вид может внедряться в уже существующий биоценоз в том случае, если для него найдется экологическая ниша. Ясно, что такая возможность скорее представится в неразвитом биоценозе со слабой видовой насыщенностью. Чем богаче биоценоз, тем выше его целостность и больше устойчивость. Это обусловливается тем, что в богатом биоценозе с высокой видовой насыщенностью складывается гораздо большее многообразие связей и возрастает вероятность компенсирующего воздействия частей целого друг на друга. Видовая насыщенность культурных земель сведена человеком до минимума (как правило, один вид), что делает культуры на них крайне уязвимыми для вредителей.

Каждый вид и каждая особь в природе имеют определенную экологическую амплитуду, в пределах которой могут совершаться приспособительные изменения соответственно вариациям среды без изменения качественного состояния организма. Эта экологическая пластичность резко возрастает в биоценозе с большим многообразием видов, так как новые аспекты связей с другими видами организмов раскрывают и новые возможности каждого из них.

В нашу задачу не входит подробный анализ взаимоотношений организмов. Хочется лишь обратить внимание на многообразие связей, возникающих между частями целого и не присущих каждой части в отдельности. Это еще раз показывает, что новые свойства целого образуются за счет складывающихся между его частями отношений, способствующих проявлению новых возможностей этих частей в составе целого.

Биосфера как система взаимосвязанных биогеоценозов представляет собой такое целостное образование, в котором развиваются свойства, отсутствующие у составляющих ее частей, но, главное, многие свойства самих частей являются результатом саморазвития биосферы как целого. Поэтому биосферу следует отнести к типу органического целого.

К сожалению, это обстоятельство не всегда учитывается при изучении и хозяйственном использовании природной среды. Как правило, упускается из виду, что все части биосферы являются продуктом ее собственного развития во взаимодействии с окружающей средой и в ходе постоянного взаимовлияния дифференцирующихся частей друг на друга, в результате чего сформировалась высокоорганизованная система, ни один из фрагментов которой не может существовать в данном качестве вне целого. Это положение не требует доказательств в отношении органической части биосферы, возникшей позднее, но оно может показаться спорным в отношении таких неорганических частей биосферы, как горная порода земной суши, гидросфера, тропосфера и космическая околоземная радиация.

Однако достаточно вспомнить, что говорилось выше о качественном изменении этих компонентов в результате обратного воздействия на них живого вещества, чтобы все возражения отпали. Вне взаимодействия с организмами неорганические части биосферы утратят целый ряд своих черт биогенного происхождения, что в общем комплексе даст качественно иное состояние этой системы.

Страницы: 1, 2, 3