О биосфере

7.1. Генезис биосферы

Геологические условия возникновения биосферы. ô Эволюция биосферы. Живое вещество. Функции живого вещества в биосфере. Биосферно-космические связи. ô Роль абиотических и биотических круговоротов. Экологические факторы среды. ô Порядок распространения жизни. Движущая сила эволюции.

Особенностью планеты Земля является поверхностная оболочка – биосфера. Эта оболочка является местом сочетания резко отличающихся в физико-химическом отношении компонентов (литосфера, гидросфера, атмосфера), которые входят в новую организованность. Целостный характер биосферы определяется живым веществом, а область, которую оно заполняет, получает собственное название – биосфера. Она в течение примерно 4 млрд. лет преобразовывала лик Земли, существенным образом определяла динамику литосферных, гидросферных и атмосферных процессов и событий. За этот период времени, питаясь энергией космических излучений, биосфера сформировала сложные саморегулирующиеся механизмы, которые обеспечили ей внутреннее саморазвитие, и дали гарантии защиты от губительных факторов космической среды[i].

7.1.1. Геологические условия возникновения

биосферы

Земля оказалась своего рода исключением в ряду планет Солнечной системы. Только она одна приобрела себе массивный спутник за счет остатков ударяющихся об нее тел. Можно предположить, что разгадка понимания ранней истории формирования Земли заключена в тайне образования Луны. Если бы Луна образовалась не из остатков метеоритов и астероидов, то значит, их было не так много, а, следовательно, их бы не хватило на быстрый разогрев Земли. Но, видимо, как раз этого «добра» падало на Землю достаточно, и для самой планеты и для образования ее спутника. Ученые рассчитали, что в то время, когда масса Земли постепенно приближалась к семидесяти процентам от современной, скорости тел, ударяющихся о поверхность планеты протоЗемли, достигли такого уровня, что вызвали не только появление отдельных участков расплава, но и перемешивали своими ударами слой до тысячи километров глубиной! (Современный радиус Земли приблизительно равен шести с половиной тысячам километров).

Но уже при росте массы Земли от 0,70 до 0,95 процентов ее современной величины, средняя толщина слоя ударного перемешивания уменьшается от тысячи до первых сотен километров. Таким образом, на основной стадии формирования протоЗемли лишь низы примитивной мантии не были подвержены влиянию ударов разнообразных тел. Очевидно следующее: вопреки широко распространенным моделям формирования Земли – «холодная начальная Земля» или «магматический океан» – должна рассматриваться компромиссная, но более сложная модель «умеренно горячей первичной Земли».

Стараниями постоянно падающих тел, постепенно, набирая обороты, начался прогрев Земли, достигая тысячи градусов на глубинах около тысячи километров, происходила дифференциация вещества, словом, все то, что можно назвать началом развития планеты.

Вполне естественно, что с течением времени под первичной поверхностью Земли – пока примитивной корой, которая подвергалась ударам многочисленных тел – происходила термогравитационная конвекция: тяжелое двигалось вниз, легкое наверх. Это движение так бы и происходило до сегодняшнего дня, как это случилось на ранних стадиях с Марсом или Венерой. Но на их поверхности нет рифтов и движущихся континентов, несмотря на то, что первичный материал, из которого сформировались все планеты солнечной системы, был почти один и тот же.

Однако на Земле, в отличие от Марса и от Венеры, были водные бассейны и образовались осадочные породы и затем, в процессе метаморфизации, они превращались в граниты. Иными словами, кроме базальтовой коры на Земле получились граниты. А гранитная кора отличается тем, что она легче и может образовывать достаточно «легкие» континенты, плавающие на более плотных базальтах.

С другой стороны, для того, чтобы происходило движение пусть даже и базальтовых плит по поверхности планеты, необходимо перемещение вещества под ней. На остывшем Марсе этот механизм не работает, в отличие от Венеры. Тем не менее, континентов подобно земным на ней нет. Потому что на Венере отсутствуют все те же океаны. Нет даже льда, который лежал бы на базальтах, и движение одного типа коры относительно другого все равно бы состоялось, пусть бы это и называлось тектоникой ледяных плит. Вода, главный «виновник» появления гранитов на Земле появилась на нашей планете тоже благодаря уникальному стечению обстоятельств, которых не было на других планетах. Дело в том, что Земля располагается «всего» на 0,28 астрономической единицы дальше от Солнца, чем Венера. К тому же современный солнечный поток больше первоначального на двадцать процентов градусов или плюс десять. Но это не все равно для нас. На Венере средняя температура двадцать пять – тридцать градусов, к тому же парниковый эффект приводит к дополнительному разогреву атмосферы. А на Земле постоянная температура плюс пятнадцать и все время существовали теплые области.

Текучая вода на поверхности оказалась только на одной планете, только на ней появились граниты, которые были включены в сложный процесс дифференциации вещества, начавшийся после массивной бомбардировки протоЗемли астероидами и метеоритами. Но стоило только появиться первой гранитной выплавке, как тут же из нее были «построены» первые континенты. Именно они, подобно ледоколам перемещаясь по Земле, вспарывают ее недра до самого ядра. Только они управляют процессами возникновения или затухания потоков из самых глубин мантии. Не будь на Земле континентов, не было бы того целостного и упорядоченного механизма, который все перемешал внутри нашей планеты.

С другой стороны, движение твердых плит строго закономерно, и однажды возникнув, они неминуемо должны были вновь и вновь образовывать суперконтиненты, чтобы затем расходиться в разные стороны. Количество континентов, их форма могла быть произвольной, но, однажды появившись, они уже запустили современный геодинамический «котел» внутри Земли.

7.1.2. Эволюция биосферы. Живое вещество

Живое вещество резко обособлено от окружающей косной среды в форме миллиардов организмов, размеры которых колеблются от сотен метров до 10^-6 см. Они представляют собой автаркические* центры энергетических и физико-химических процессов и непрерывно связаны с окружающей средой биогенной миграцией атомов этой среды в них и из них. Законы физики и химии в живом веществе те же самые, которые мы наблюдаем во всей остальной природе, но они не охватывают целиком всех явлений жизни.

Для живого вещества на планете Земля речь идёт не о новой геометрии, а об особом природном явлении, свойственном пока только живому веществу, о явлении пространства – времени, геометрически не совпадающем с пространством, в котором время проявляется не в виде четвёртой координаты, а в виде смены поколений. Таким образом, организм сам создаёт своё вещество и резко отграничен от евклидово-ньютоновского или эйнштейновского понимания его окружения[ii].

Живое вещество в биосфере играет активную роль и ни с чем, ни с какой геологической силой не может даже быть сравниваемо по своей мощности и непрерывности во времени. В сущности, оно определяет все основные химические закономерности в биосфере. Структура биосферы, функционирующая в течение не менее двух миллиардов лет, очень закономерна и резко отличается от механических структур наших приборов и аппаратов. В биосфере в жизненном процессе проявляется то же самое явление, которое в косной среде наблюдается только в условиях высокой температуры и давления[iii].

Биосфера представляет собой многокомпонентную иерархическую систему. Различные компоненты системы связаны между собой разными категориями связи. Наиболее стабильные связи сохраняются. Имеется постоянный источник энергии – это излучение Солнца. Прогрессирующая буферность биосферы, обусловленная её многокомпонентностью, обеспечивает стабильность вновь возникающих систем. Ведь в итоге отбора сохраняются лишь достаточно стабильные системы. Наследственная изменчивость, изменение условий жизни в итоге жизнедеятельности, а также в результате абиогенных причин открывают неограниченные возможности прогрессивной эволюции. Лишь в ветви, ведущей к человеку, тенденция развиваться вне конкуренции и без контролирующей роли естественного отбора нашла своё достаточно полное выражение.

Закономерности эволюции биосферы обусловлены тремя факторами: своеобразием отношения биосферы к среде, взаимодействием живого и неживого в пределах биосферы, особенностями взаимных отношений между организмами. Живое вещество перерабатывает на нашей планете три различных формы энергии:

• Лучистую энергию Солнца, тепловую, световую.
• Космическую атомную энергию радиоактивного распада, причина которого неизвестна, но который охватывает, по-видимому, все элементы (α, β, и γ, – излучения).
• Космическую, исходящую из нашей галактики (Млечного пути) энергию рассеянных элементов[iv].

Жизнь возникла на основе круговорота органического вещества, обусловленного взаимодействием процессов его синтеза и деструкции. В ходе очередной дифференциации из круговорота органического вещества выделился биотический круговорот, в котором основную роль стали играть организмы. Так возникла биосфера.

Сначала биосфера функционировала путём взаимодействия одноклеточных синтетиков* и деструкторов* между собой и с абиотическими* факторами. Затем в итоге новой дифференциации появились многоклеточные организмы.

Все эволюционные теории, включая дарвиновскую, базируются на представлении о развитии от простого к сложному. Это представление сталкивается с противоречиями, которых накапливается все больше. В частности, оно противоречит известному в кибернетике правилу Эшби: управляемая система никогда не может быть более сложной, чем управляющая, она всегда более простая. Это правило иногда высказывают так: горшок никогда не может быть сложнее гончара.

Открытие и изучение генетического кода свидетельствует, что индивидуальное развитие любого живого существа (онтогенез) и развитие систематической группы существ (филогенез) более похожи на редактирование и распечатку готового текста или введение в ЭВМ программы, зашифрованной в дискете. При этом наблюдается такой парадокс: организмы воссоздают себя, то есть воссоздают новые организмы без уменьшения сложности своего строения. Более того, палеонтологам известны такие продолжительные периоды эволюции, на протяжении которых сложность организмов увеличивалась.

В то же время попытки кибернетиков создать автоматы, способные самовозобновлять себя (то есть «размножаться»), натолкнулись на непреодолимое препятствие: в процессе самовоспроизведения механических систем неминуемо наблюдается уменьшение их сложности («вырождение»). Причину такого несоответствия живых и механических систем, например, М. М. Камшилов усматривает в том, что «живые организмы также не являются самовоспроизводимыми. Они воссоздают себя в условиях чрезвычайно сложной среды — биосферы». Другими словами, организмы получают некоторые «руководящие указания», информацию из внешней среды, из биосферы, причем система, которая руководит развитием индивида, развертыванием информации, записанной в его генетическом коде, намного сложнее самого организма. Что же это за система? В последнее время все более убедительными кажутся выводы В. Вернадского о том, что биосфера в своем развитии руководствуется информацией, которая поступает из Космоса. Он утверждал, что «космические излучения, которые идут от всех небесных тел, охватывают биосферу, пронизывают всю ее и все в ней… Биосферу нельзя понять в явлениях, которые в ней происходят, если будет упущена эта ее резко выступающая связь со строением всего космического механизма».

Впервые теснейшую связь процессов в биосфере с космическими, солнечными процессами открыл выдающийся русский ученый А. Л. Чижевский. Он доказал, что биосфера находится под влиянием излучения, поступающего от Солнца и отдаленных галактик. Урожайность сельскохозяйственных растений, периоды массового размножения многих животных, таких, как саранча, лемминги и т. п., эпидемии, пики сердечно-сосудистых заболеваний людей и много других процессов в биосфере, связаны с процессами на Солнце (солнечными вспышками, пятнами и т. п.). «Мы — дети Солнца»,—так образно высказался А. Л. Чижевский.

Электромагнитные поля играют универсальную роль носителей информации в биосфере. Это обусловлено следующими их преимуществами:

• распространение в любой среде жизни — воде, воздухе, грунте и тканях организмов;
• максимальная скорость распространения;
• распространение независимо от погоды и от сезона;
• возможность передачи на любое расстояние;
• поступление на Землю из Космоса;
• на них реагируют все биосистемы.

Раньше биологи учитывали лишь электромагнитные излучения Солнца в высокоэнергетическом участке его спектра — инфракрасные, видимые и ультрафиолетовые части диапазона — как источник энергии для всего живого. Лишь в последние десятилетия стала проявляться важная роль, которая отведена природой электромагнитным полям земного и космического происхождения в диапазонах радиочастот, низких и инфранизких частот. Оказалось, что именно эти слабые энергетическое сигналы несут информацию, которая воспринимается, накапливается и используется организмами. Это вопросы еще очень мало изучены. Тем не менее, на основании тех сведений, которые имеют сегодня гелио – и космобиологи, можно утверждать, что функционирование биосферы в целом связано с информационными сигналами космического происхождения. Как считает американский биолог К. Гробстайн, «невозможно рассматривать жизнь как сугубо земное явление — оно стало неотъемлемой от Вселенной и ее эволюции».

Установлено, что чувствительность организмов к электромагнитным сигналам увеличивается с усложнением строения организмов. Так, позвоночные животные намного чувствительнее к электромагнитным полям, чем беспозвоночные и тем более — простейшие. С усложнением биосистем возрастает их способность накапливать слабые сигналы и воспринимать ту информацию, которую они несут.

Со времен Ч. Дарвина традиционно считается, что генетическую информацию контролирует окружающая среда путем естественного отбора наиболее приспособленных индивидов. Нам следует помнить, что лучше всего приспособлены к разнообразным земным условиям простейшие существа — бактерии, вирусы, сине-зеленые водоросли. Они существуют на Земле без заметных перемен своей организации на протяжении миллиардов лет. Простейшие властвовали на нашей планете в архейскую эру и с того времени так изменили окружающую среду и биосферу, что с появлением новых, сложно организованных организмов вынуждены были отойти на задний план.

Сегодня прокариоты (простейшие организмы без клеточного ядра) процветают там, где никто существовать не может — в концентрированных рассолах некоторых озер, высокотемпературных гидротермальных источниках, даже в ядерных реакторах. Эти организмы действительно хорошо приспособлены к условиям среды. Они придерживаются стратегии максимальной стойкости, консерватизма, сохранения достигнутого уровня совершенства.

7.1.3. Роль абиотических и биотических

круговоротов

Классической и наиболее традиционной классификацией экологических факторов считается их деление на две основные группы: абиотические и биотические факторы.

Первая включает факторы климатические (температура, свет, влажность, давление и др.), физические свойства почвы и воды. Ко второй относятся факторы питания и различные формы взаимодействия особей и видов между собой (хищничество, конкуренция, паразитизм и др.). Однако это деление не является исчерпывающим.

Действительно, иногда бывает трудно отнести данный фактор к той или иной группе. Так, температура, если ее рассматривать как абиотический фактор, часто изменяется благодаря присутствию живых организмов. Температура влияет не только на скорость развития, но и на многие другие стороны жизнедеятельности организмов. Она сказывается на количестве потребляемой пищи, на плодовитости, уровне половой активности и т. д.

Особенности влияния экологических факторов на уровне экосистемы представляют собой емкую проблему, решение которой возможно лишь на основе досконального знания свойств и функций экосистемы. Однако уже сейчас можно отметить, что любой абиотический фактор, оказывающий влияние на отдельный вид, входящий в состав изучаемой экосистемы, будет влиять и на саму экосистему, на ее фундаментальные свойства.

Это воздействие можно объяснить следующими причинами:

1. Во-первых, абиотические факторы в совокупности создают климатический режим экосистемы, на фоне которого протекают все процессы жизнедеятельности видов и осуществляется взаимодействие между ними.
2. Во-вторых, все особи, входящие в состав экосистемы, являются объектами воздействия абиотических факторов. Действие абиотических факторов может привести к гибели особей, что вызовет уменьшение плотности популяций, входящих в состав экосистемы. Если же физиологическая реакция организма адекватна силе и характеру действия абиотического фактора, то возникший адаптивный ответ отразится в итоге на видовом разнообразии, пространственном распределении видов в экосистеме, на характере их взаимодействия друг с другом, что, в конечном счете, скажется на специфических свойствах последней. Абиотические факторы, влияя на биотическую совокупность экосистемы, будут определять не только свойства этой системы, но и стратегию ее развития.

Основа биосферы – это круговорот органического вещества, осуществляющийся при участии всех населяющих её организмов, – то, что получило название биотического круговорота. В закономерностях биотического круговорота решена проблема длительного существования и развития жизни. Каждый вид организмов представляет собой звено в биотическом круговороте. Используя в качестве средств существования тела или продукты распада одних организмов, он должен отдавать в среду, то, что могут использовать другие. Растения ежегодно продуцируют органическое вещество, равное 10% от их биомассы, а деструкторы, составляющие 1% от суммарной биомассы организмов планеты, вынуждены перерабатывать массу органического вещества, в 10 раз превосходящую по весу их собственную биомассу. Уже при таких сравнительно грубых расчётах обнаруживается исключительно точная подгонка главных компонентов биотического круговорота.

Биотический круговорот, основанный на взаимодействии синтеза и деструкции органического вещества – одна из самых существенных форм организации жизни на Земле. Только он обеспечивает непрерывность жизни и её прогрессивное развитие. В качестве звеньев биотического круговорота выступают особи и виды организмов разных систематических групп от микроорганизмов до высших представителей растительного и животного мира, взаимодействующие между собой и непосредственно и косвенно с помощью многочисленных и многосторонних прямых и обратных связей.

Использование принципа круговорота позволило живой системе успешно решить проблемы устранения вредных отходов и экономии материальных ресурсов. Все живые существа в процессе жизни портят среду. Однако эта порча быстро ликвидируется организмами других видов, как правило, ближайшими соседями, она всегда локальна и временна. Точная подгонка звеньев круговорота обеспечивает сохранение в биосфере определённого запаса химических веществ в течение сотен миллионов лет биогенеза.

Таким образом, понятие «жизнь» относится не к отдельным организмам, а ко всей совокупности живых организмов, связанных определёнными взаимоотношениями. Наличие разнообразных связей между организмами приводит к тому, что биогеоценозы приобретают элементы целостности, устойчивости, относительной независимости в развитии. Это проявляется, в частности, в способности противостоять различным внешним воздействиям, что получило название гомеостаз[v].

Кроме упомянутых выше существует классификация экологических факторов, основанная на оценке степени адаптивности реакций организмов на воздействие факторов среды. Эта классификация предложена советским ученым А. С. Мончадским.

Суть её в том, что рациональная классификация экологических факторов должна, прежде всего, учитывать особенности реакций живых организмов, подвергшихся воздействию этих факторов, в том числе степень совершенства адаптаций организмов, которая тем выше, чем древнее данная адаптация. Эта классификация подразделяет все экологические факторы на три группы:

1. Первичные периодические;
2. Вторичные периодические;
3. Непериодические факторы.

Адаптация в первую очередь возникает к тем факторам среды, которым свойственна периодичность – дневная, лунная, сезонная или годовая как прямое следствие вращения земного шара вокруг своей оси и его движения вокруг солнца или смены лунных фаз. Регулярные циклы этих факторов существовали задолго до появления жизни на Земле, и это обстоятельство объясняет, почему адаптации организмов к первичным периодическим факторам столь древние и так прочно укрепились в их наследственной основе. Температура, освещенность, приливы и отливы относятся к первичным периодическим факторам. Действие непериодических факторов сказывается преимущественно на численности особей в пределах конкретной территории.

Климатические первичные периодические

факторы:

Свет.

Температура.

Вторичные периодические факторы:

Влажность.

Непериодические факторы:

Шквальный ветер.

Значительная ионизация атмосферы.

Пожары.

Факторы физические неклиматические:

Факторы водной среды.

Содержание кислорода.

Соленость.

Давление.

Плотность.

Течения.

Вода.

Механический состав.

Соленость и пр.

Факторы питания:

Количество пищи.

Качество пищи.

Факторы биотические:

Внутривидовые взаимодействия.

Межвидовые взаимодействия.

7.1.4. Порядок распространения жизни

При размножении и захвате поверхности планеты живое вещество как бы растекается по ней, заселяя тем большую территорию, чем меньше оно встречает препятствий. Каждый организм имеет свою определённую скорость размножения и роста и разница в этой работе организма для разных их видов может достигать многих сотен тысяч видов[vi].

Движет эволюцию противоречие между безграничной способностью к размножению – наиболее характерным свойством жизни – и ограниченностью материальных ресурсов, могущих быть использованными. Противоречие разрешается путём овладения новыми источниками вещества и энергии, а, следовательно, и новой информацией. Изменчивость живого – предпосылка, а отбор – способ закрепления и совершенствования организации.

Благодаря способности к самовоспроизведению, живое, приспосабливаясь к различным условиям, всё время выходит за пределы замкнутого цикла. Однако в результате активности одноклеточных это приводит не к разрушению циклической структуры, а к расширению круговорота.

Кроме светового питания растениям необходимо минеральное питание. Они нуждаются во многих элементах, которые либо поступают из минералов, либо становятся доступными в результате минерализации органического вещества. Все химические элементы поглощаются в форме ионов и включаются в растительную массу, накапливаясь в клеточном соке. Жизненно необходимыми и незаменимыми являются основные элементы минерального питания, которые нужны в больших количествах:

натрий, фосфор, сера, калий, кальций, магний, а также микроэлементы – железо, марганец, цинк, медь, молибден, бор и хлор. Кроме того, существуют элементы, которые требуются только для некоторых групп растений: например, кремний – для диатомовых водорослей.

Для упорядоченного обмена веществ, хорошей продуктивности и беспрепятственного развития нужно, чтобы растение получало питательные вещества, включая микроэлементы, не только в достаточных количествах, но и в надлежащих соотношениях. Со времен Либиха известно, что урожай зависит от того вещества, которое имеется в недостаточном количестве. Разные виды растений значительно различаются по своим потребностям в питательных веществах.

Первые организмы на Земле были гетеротрофами. Они быстро исчерпали бы себя, если бы не появились автотрофы. При наличии этих групп организмов уже возможен примитивный круговорот.

Автотрофы синтезируют органические вещества, а гетеротрофы их потребляют. При этом происходит расщепление органических веществ. Если продукты расщепления вновь используются автотрофами, возникает круговорот между организмами, населяющими экосистему. Биотическую и абиотическую части экосистемы связывает непрерывный обмен материалом – круговороты питательных веществ, энергию для которых поставляет Солнце.

При рассмотрении вопроса об истории взаимодействия организма и среды можно выделить две противоположные позиции:

1. Первая – это экзогенетизм, абсолютизирующий внешние факторы при формировании организма. То есть среда формирует организм. В числе представителей этого направления можно назвать Лысенко, Мичурина.
2. Вторая позиция – это эндогенетизм, абсолютизирующий внутренние факторы организма в его взаимоотношениях со средой. Представители этой группы Е. Л. Тэтум, Е. де Робертис, В. Новинский.

Но истина, вероятно, заключается в том, что организм и среда едины и неразрывны. Необходимость представления о таком единстве вытекает хотя бы из закономерностей метаболизма, связывающих организм и среду. Можно выделить следующие факторы, относящиеся к среде как к компоненту системы «организм – среда»:

• Абиотические факторы: (физические воздействия – температура, ионизирующая радиация, свет, давление и плотность атмосферы, химические – соли, газы и т.д.).
• Биотические факторы (воздействие через гетеротрофное питание, через продукты выделения, инфекцию и т. д.)
• Антропогенные факторы (влияние человека на природу через потребление).

Растения синтезируют органические соединения, используя энергию солнечного света и питательные вещества из почвы и воды. Эти соединения служат растениям строительным материалом, из которого они образуют свои ткани, и источником энергии, необходимой им для поддержания своих функций. Для высвобождения запасенной ими химической энергии гетеротрофы разлагают органические соединения на исходные неорганические компоненты – диоксид углерода, воду, нитраты, фосфаты и т. п., завершая тем самым круговорот питательных веществ.

Поэтому можно определить экосистему так:

• Экологическая система представляет собой любое непрерывно меняющееся единство, включающее все организмы на данном участке и взаимодействующее с физической средой таким образом, что поток энергии создает определенную трофическую* структуру, видовое разнообразие и круговорот веществ внутри системы.

Земная форма жизни чрезвычайно тесно связана с гидросферой. Об этом свидетельствует хотя бы тот факт, что вода составляет основную часть массы любого земного организма (человек, например, более чем на 70 % состоит из воды, а такие организмы, как медуза – на 97-98 %). Очевидно, что жизнь на Земле сформировалось лишь тогда, когда на ней появилась гидросфера, а это, по геологическим сведениям, произошло почти в момент возникновения нашей планеты. Многие из свойств живых организмов обусловлены именно свойствами воды, сама же вода поистине феноменальное соединение. Так, например, вода – это кооперативная система, в которой всякое действие распространяется «эстафетным» путем на тысячи междуатомных расстояний, то есть, имеет место «дальнодействие».

Некоторые ученые считают, что вся гидросфера Земли, в сущности, есть одна гигантская «молекула» воды. Установлено, что вода может активироваться естественными электромагнитными полями земного и космического происхождения (в частности искусственного).

Чрезвычайно интересным было недавнее открытие французскими учеными «памяти воды». Возможно, что биосфера Земли есть единый суперорганизм, обусловленный в своей жизнедеятельности этими свойствами воды? Ведь в этом случае все организмы — это составные части, «капли» этой супермолекулы земной воды.

7.2. Биогеохимические процессы в биосфере

Состав вещества биосферы. Состав экосистемы. Продуценты – консументы – редуценты. ô Особенности основных биосферных циклов. Биосферный цикл углерода. Биосферный цикл азота. Биосферный цикл фосфора. ô Биохимические функции живого вещества. Виды функций. ô Биогенная миграция атомов и биогеохимические принципы. Виды биогенной миграции атомов.

Если говорить о биосфере в целом, то биогеохимические циклы можно разделить на два основных типа: круговорот газообразных веществ с резервным фондом в атмосфере или гидросфере (океан) и осадочный цикл с резервным фондом в земной коре.

Разделение биогеохимических циклов на круговороты газообразных веществ и осадочные циклы основано на том, что некоторые круговороты, например те, в которых участвуют углерод, азот и кислород, благодаря наличию крупных атмосферных или океанических (или же и тех и других) фондов довольно быстро компенсируют различные нарушения. Например, избыток СО₂, накопившийся в каком-нибудь месте в связи с усиленным окислением или горением, обычно быстро рассеивается атмосферными потоками. Кроме того, усиленное образование углекислоты компенсируется ее потреблением растениями и превращением в карбонаты – в морях. Поэтому, циклы газообразных веществ с их громадными атмосферными фондами можно считать в глобальном масштабе хорошо «забуференными», так как их способность возвращаться к исходному состоянию велика.

Самоконтроль циклов с резервным фондом в литосфере затруднен – они легко нарушаются в результате местных флуктуаций, что связано с малой подвижностью резервного фонда. Явление «забуференности» в этом случае не выражено.

7.2.1. Состав вещества биосферы

Биосфера не только сфера жизни. Это видно из состава вещества биосферы, состоящего из глубоко разнородных геологически не случайных частей. Оно представлено совокупностью живых организмов, живого вещества, рассеянного в мириадах особей, непрерывно умирающих и рождающихся, обладающих колоссальной действенной энергией и являющихся могучей геологической силой, нигде на планете больше не существующей, связанной с другим веществом биосферы только биогенной миграцией атомов. Концентрация живым веществом определённых химических элементов в биосфере есть, по-видимому, её господствующий биогенный геологический процесс.

Также мы имеем вещества, образуемые процессами, в которых живое вещество не участвует: косное вещество, твёрдое, жидкое и газообразное. Из них только газообразное и жидкое (и дисперсное твёрдое) являются на поверхности биосферы носителями свободной энергии.

• Биокосное вещество, – которое создаётся одновременно живыми организмами и косными процессами, представляя динамические равновесные системы тех и других (вода, нефть, почва и т. д.). Организмы в их образовании играют ведущую роль. Эти биокосные организованные массы являются сложными динамическими равновесными системами, в которых резко проявляется геохимическая энергия живого вещества – биогеохимическая энергия.
• Вещество, находящееся в радиоактивном распаде. Это вещество в такой форме (дисперсно-рассеянное) является одной из самых мощных сил, меняющей всю энергию биосферы.
• Вещество космического происхождения, атомы, молекулы из электромагнитного потока Солнца, исток отдельных атомов и молекул, приходящих из космического пространства[vii].

Во всякой экосистеме можно выделить следующие компоненты:

• Неорганические вещества: углерод, азот, углекислый газ, вода и т. д.
• Органические соединения: белки, углеводы, липиды, гуминовые вещества и т. д.
• Факторы, связывающие биотическую и абиотическую части экосистемы; климатический режим, температура и другие физические факторы;
• Продуценты: автотрофные организмы, главным образом зеленые растения, которые способны создавать пищу из простых неорганических веществ;
• Консументы: гетеротрофные организмы, главным образом животные, которые поедают другие организмы или частицы органического вещества;
• Редуценты (деструкторы, декомпозиторы): гетеротрофные организмы, преимущественно бактерии и грибы, которые расщепляют сложные соединения до простых, пригодных для использования продуцентами.

Первые три группы – неживые компоненты, а остальные составляют живой вес (биомассу). Расположение трех последних компонентов относительно потока поступающей энергии представляет собой структуру экосистемы.

1. Продуценты улавливают солнечную энергию и переводят ее в энергию химических связей.
2. Консументы, поедая продуцентов, разрывают эти связи. Высвобожденная энергия используется консументами для построения собственного тела.
3. Наконец, редуценты рвут химические связи разлагающегося органического вещества и строят свое тело.

В результате вся энергия, запасенная продуцентами, оказывается использованной.

Органические вещества разлагаются на неорганические и возвращаются к продуцентам. Таким образом, структуру экосистемы образуют три уровня (продуценты, консументы, редуценты) трансформации энергии и два круговорота – твердых и газообразных веществ.

В структуре и функции экосистемы воплощены все виды активности организмов, входящих в данное биотическое сообщество: взаимодействия с физической средой и друг с другом. Однако организмы живут для самих себя, а не для того, чтобы играть какую-либо роль в экосистеме. Свойства экосистемы слагаются благодаря деятельности входящих в нее растений и животных.

Способность экосистемы к самоподдержанию и саморегулированию реализуется через гомеостаз. В основе гомеостаза лежит принцип обратной связи, который можно продемонстрировать на примере зависимости плотности популяции от пищевых ресурсов. Обратная связь возникает, если «продукт» оказывает влияние на «датчик»

В результате отклонения плотности популяции от оптимума в ту или иную сторону увеличивается рождаемость или смертность, результатом чего будет приведение плотности к оптимуму. Такая обратная связь, т. е. связь, уменьшающая отклонение от нормы, называется отрицательной обратной связью. Положительная же обратная связь увеличивает это отклонение.

Облик биотического сообщества определяется не только разнообразием видов и другими показателями, которые отражают связи между видами, входящими в состав биотического сообщества. Функционирование сообщества и его стабильность зависят также от популяционных связей, от распределения организмов в пространстве и характера их взаимодействия с внешней средой. Все это составляет понятие внутренней организации сообщества. О ней можно судить на основании следующих параметров:

1. Стратификация (зональность): растения и животные распределены не равномерно по всей экосистеме, а пятнами, в которых плотность может быть максимальной или, наоборот, минимальной.
2. Активность (периодичность): периодичность сообщества является результатом синхронной активности в течение дня и ночи целых групп организмов. Для всех сообществ характерна также сезонная периодичность, что нередко приводит почти к полному изменению структуры сообщества в течение года.

Изменение экосистем может происходить под воздействием разных причин. В зависимости от вектора действующих сил различают:

1. Аллогенные изменения, которые обусловлены влиянием геохимических сил, действующих на экосистему извне. В качестве таковых могут выступать климатические и геологические факторы.
2. Автогенные изменения, которые обусловлены воздействием процессов, протекающих внутри экосистемы.

В большинстве случаев, однако, трудно разграничить процессы, находящиеся под влиянием внешних и внутренних факторов. Например, эвтрофикация озер происходит под действием населяющих их сообществ, толчком к изменению которых служит поступление в озеро питательных веществ извне, с водосбора.

Тем не менее, степень участия сообщества в преобразовании экосистемы, как правило, устанавливается без особого труда и, кроме того, автогенные изменения характеризуются рядом различимых специфических признаков.

7.2.2. Особенности основных биосферных циклов

Циклы функционируют под действием биологических и геологических факторов. Существование биогеохимических циклов создает возможность для саморегуляции системы, что придает ей устойчивость – постоянный количественный состав по различным химическим элементам в ней.

В связи с хозяйственной деятельностью человечества и вовлечением в окружающую среду техногенных продуктов этой деятельности, возникают проблемы, обусловленные нарушением природных биогеохимических циклов. Эти нарушения связаны как с изменением баланса в циклах, так и с появлением новых химических соединений, ранее отсутствующих в естественных процессах. Циклы некоторых элементов (например, азота, серы, фосфора, калия, тяжелых металлов) превратились в настоящее время в природно-антропогенные, характеризующиеся значительной незамкнутостью, что приводит к их накоплению и, соответственно, к воздействию на экосистемы.

Биосферный цикл углерода

Круговорот углерода связан с использованием СО при фотосинтезе; в процессе дыхания растение возвращает СО в атмосферу. Животные , поедая растения, возвращают в воздух добавочные количества СО. После своей смерти они, так же как и растения , служат субстратом для роста бактерий и грибов, которые в конечном счёте расщепляют органическое вещество до СО. Эрозия и растворение известняка приводят к освобождению карбонатов, а затем и СО. Некоторые организмы, погребённые в осадках, выводят из круговорота большие количества углерода, накопленные в виде нефти, газа, каменного угля и торфа. Но при сжигании этих горючих материалов углерод снова освобождается в виде СО. Организмы, обладающие известковыми раковинами, при своей гибели также временно связывают углерод, участвуя в образовании известняков или коралловых рифов.

Биосферный цикл азота

Цикл азота – пример сложного круговорота газообразных веществ, способных к быстрой саморегуляции. Схема цикла может быть представлена следующим образом:

Атмосферный азот связывается при разрядах молний и в результате жизнедеятельности азотфиксирующих бактерий и водорослей, которые превращают его в растворимые нитраты. Нитраты попадают в почву или в воду, где они могут быть использованы растениями. Некоторое количество азотистых соединений выделяют в почву растения и животные, остальной азот, в конце концов, высвобождается при расщеплении растительного и животного материала бактериями, которые превращают его азотистые вещества в аммиак. Аммиак образуется также при вулканических процессах. Нитрифицирующие бактерии 1 фазы превращают аммиак в нитриты, из которых нитрифицирующие бактерии 2 фазы образуют нитраты. Денитрифицирующие бактерии возвращают азот в атмосферу, такой же кругооборот совершается и в морских местообитаниях.

Азот наиболее распространен на Земле в форме газообразного N₂. И хотя азот важнейший компонент белков и нуклеиновых кислот, растения не могут непосредственно брать его из атмосферы. Они способны усваивать лишь связанный с кислородом или водородом азот, т.е. переведенный в другие химические формы – аммиак, ионы аммония, нитрат – и нитрит-ионы. Важнейшая часть цикла – связывание азота совершается азотфиксирующими бактериями, связыванием в атмосферных процессах и промышленной фиксацией.

Другой важный процесс цикла азота – восстановление нитрат-ионов до атмосферного азота. Осуществляется почвенными анаэробными бактериями – денитрификаторами.

Денитрификация – главная причина потерь азота в земледелии (до половины связанного в удобрениях азота уходит в атмосферу). Велика роль антропогенного фактора в цикле азота. Прежде всего – промышленная фиксация азота (объемы сравнимы с природными). Основной метод фиксации – производство аммиака. Это токсичный газ с резким запахом. Взаимодействует с кислотными осадками, образуя плотные туманы.

Биосферный цикл фосфора

В то время как резервуаром азота является воздух, резервуар фосфора – это горные породы, из которых он высвобождается при эрозии. Большая часть фосфора при этом снова теряется, так как вода смывает его в море, где он связан в морских осадках и может стать доступным только тогда, когда здесь произойдёт поднятие земной коры. В мелководных морских осадках фосфор доступен для рыб, которых в свою очередь поедают птицы. Они возвращают фосфор в круговорот со своими экскрементами (гуано), снова смываемыми в море, где их используют планктонные организмы и рыбы. Есть основания полагать, что фосфор возвращается в круговорот не полностью и что доступные ресурсы его, в конце концов, иссякнут. Истощению этих ресурсов способствует человек, который добывает и, в конечном счете, безвозвратно теряет больше фосфора, чем возвращает в оборот.

Фосфор является одним из важнейших биогенов. Он входит в состав генов и молекул, переносящих энергию внутри клеток. Цикл фосфора – пример простого осадочного цикла с весьма несовершенной регуляцией. Особенностью цикла фосфора является отсутствие естественных токсичных его соединений. Главным резервуаром фосфора служат горные породы. В различных минералах фосфор содержится в виде неорганического фосфат-иона. Фосфаты растворимы в кислых растворах и в бескислородных средах, нелетучи. Растения поглощают фосфат-ионы из водного раствора и включают в состав различных органических соединений. В них фосфор выступает в форме органического фосфата. Особенностью этих соединений является наличие связи Р-О-Р. При их гидролизе освобождается большое количество энергии.

Например, при гидролизе подобной молекулы – пирофосфата выделяется 29 кДж/моль, что значительно больше, чем, если бы гидролизу подверглась любая другая молекула, не содержащая Р-О-Р – связей. По пищевым цепям фосфор поступает от растений ко всем прочим организмам экосистемы. При каждом переходе возможно окисление или гидролиз соединений фосфора для получения организмом энергии. Продукты окисления и гидролиза (фосфаты) поступают в окружающую среду, после чего могут снова поглощаться растениями.

Особенность круговорота фосфора можно рассмотреть при сравнении с круговоротом углерода. Значительная часть фонда углерода находится в газообразной фазе, и он способен свободно распространяться в атмосфере. В случае фосфора газовой фазы и свободного перераспределения в экосистеме нет. Попадая в закрытые водоемы, фосфор насыщает и пересыщает систему. Фосфор и другие минеральные биогены циркулируют в системе в том случае, если содержащие их отходы жизнедеятельности откладываются в местах поглощения данного элемента. В естественных экосистемах подобное равновесие соблюдается. Это касается и чисто минеральной формы фосфора.

Деятельность человека приводит к нарушению естественного цикла фосфора. Она характеризуется разделением мест потребления и утилизации биогена, в частности, фосфора. Урожай, вместе с извлеченными из почвы биогенами, различные продукты питания, перевозятся на большие расстояния к потребителям. Продукты жизнедеятельности человека, содержащие фосфор, сбрасываются в водоемы и, пересыщая их этим биогеном, вызывают эвтрофикацию. Важнейшим источником накопления фосфора в окружающей среде являются фосфатсодержащие детергенты. Подсчитано, что человеческие экскременты дают только 30% фосфата сточных вод, а 60% поступают в них с детергентами.

7.2.3. Биохимические функции живого вещества

Биохимические функции в пределах живого вещества распадаются на две части:

1. Биохимическая функция, связанная с питанием, дыханием, размножением организмов.
2. Биохимическая функция, связанная с разрушением тела отмерших организмов, то есть с разрушением тела живого вещества и переходом его в косное состояние.

Для живого вещества с планетной точки зрения основным явлением должна считаться функция размножения и роста организмов. Обе функции выявляются внутри тел живого вещества. Но источники этих проявлений лежат в окружающей данное живое вещество среде, и эти явления могут быть представлены в атомной форме как закономерная биогенная миграция определённых химических элементов (атомов) из внешней среды в живое вещество и из живого вещества в окружающую среду.

Рост и размножение химически выражаются в сложных процессах увеличения количества живого вещества, которое, в конце концов, приводит к закономерному максимальному увеличению его массы на нашей планете и территории, им на ней занятой. Оба эти процесса, сложно зависимые друг от друга, совершаются в биосфере с ярко выраженным давлением на окружающую среду. Это давление является наиболее ярким выражением биохимической энергии роста и размножения, может быть точно количественно выражено и является различным и характерным видовым признаком для каждого вида, расы, рода.

Биогеохимические функции живого вещества распространяются на всю планету, могут выражаться в виде геосфер и явно не зависят от территориальных условий геосферы. Они определяют в планетном масштабе основные химические проявления жизни и являются основными химическими реакциями живого вещества, поскольку они химически отражаются на окружающей организм внешней среде. Такие функции могут быть разделены на пять групп:

1. Газовые функции
2. Концентрационные функции
3. Окислительно-восстановительные функции
4. Биохимические функции
5. Биогеохимические функции

Вместе взятые они определяют основные химические проявления живого вещества в биосфере[viii].

7.2.4. Биогенная миграция атомов

и биогеохимические принципы

Закон биогенной миграции атомов В. И. Вернадского гласит – «миграция химических элементов на земной поверхности и в биосфере в целом осуществляется или при непосредственном участии живого вещества (биогенная миграция), или же она протекает в среде, геохимические особенности которой (О2, СО2, Н2 и т. д.) обусловлены живым веществом, как тем, которое в настоящее время населяет биосферу, так и тем, которое действовало на Земле в течение всей геологической истории»[ix].

3акон биогенной миграции атомов утверждает: биогенное происхождение всей земной поверхности свидетельствует о том, что жизнь – созидающая сила на планете. Серьезные нарушения этой силы, в том числе уничтожение видов, могут привести к непредсказуемым последствиям.

Миграция атомов резко по скорости различна для микробов и одноклеточных организмов, с одной стороны, и многоклеточных – с другой. Мы должны различать в связи с этим при явлениях размножения и роста две различные биогенные миграции атомов:

1. Биогенную миграцию атомов первого рода для микроскопических одноклеточных и микробов огромной интенсивности, связанную с малым их объёмом и весом.
2. Биогенную миграцию атомов 2 рода для многоклеточных организмов[x].

Низшие организмы – не какой-то случайный пережиток прошлого, они – необходимая составная часть целостной системы органического мира, основа его существования и развития, без которой невозможен внутренний обмен между членами этой системы. Органический мир представляется в виде сети взаимодействующих видов, охватывающей практически весь земной шар.

Высшие организмы выделяются как сгустки живого вещества, концентраторы продуктов синтеза низших форм. Многоклеточные становятся как бы «кладовыми органического синтеза», в силу чего они приобретают функцию своеобразных инициаторов новых форм биохимической активности низших организмов (поставляя всё новые и новые субстраты). Они создают предпосылки для проникновения одноклеточных в биотопы, ранее ими не освоенные[xi].

Если выразить отдельно биогеохимическую энергию размножения и роста одноклеточных и биогеохимическую энергию размножения и роста многоклеточных, получаются величины несравнимые. Одноклеточные доминировали на нашей планете до последнего времени. На наших глазах это явление начинает меняться в нашу психозойскую эру, когда человек овладел новой биогенной миграцией атомов третьего рода, идущей под влиянием его жизни, воли, разума в окружающей среде. В жизни каждого живого организма есть проявление этой формы биохимической энергии[xii].

Эта биогенная энергия находится в состоянии, способном производить работу. Она выражается в биогенной миграции атомов. Пассивная энергия концентрируется в биогенных минералах, среди которых твёрдые и жидкие каустобиолиты играют основную роль.

Все биогенные миграции могут быть обобщены как первый биогеохимический принцип. Этот принцип гласит:

1. Биогенная миграция атомов химических элементов в биосфере всегда стремится к максимальному своему проявлению. Всё живое вещество планеты, взятое в целом, таким образом, является источником действенной свободной энергии, может производить работу.
2. Вторая биогеохимическая функция связана с разрушением тела живых организмов после их умирания, связана с химическим превращением живого вещества после его умирания в косное. Этот переход в косное тело совершается не сразу. Промежуточным является биокосное тело в течение какого-то геологического времени, так как первая переработка совершается биогенным путём микробами, бактериями и грибами. А в конце наступают реакции, в которых микробы отсутствуют или играют второстепенную роль.

В биогеохимических функциях первого и второго рода мы впервые встречаемся в яркой форме с резким отличием косного и живого вещества в ходе геологического времени. В то самое время как живое вещество, охваченное эволюционным процессом, меняется до неузнаваемости в своих формах и даёт миллионы новых видов организмов и множество новых химических соединений, косная материя планеты остаётся инертной, неподвижной и по характеру происходящих изменений только в эоны веков закономерно меняет свой атомный состав закономерным радиоактивным процессом. В геологическое время она практически остаётся неизменной в своём морфологическом характере. В связи с этим биохимические функции могут быть сведены ко второму биогеохимическому принципу. Он указывает, что эволюция видов в ходе геологического времени, приводящая к созданию форм жизни, устойчивых в биосфере, идёт в направлении, увеличивающем биогенную миграцию атомов биосферы[xiii].

7.3. Экологическая структура биосферы

Биосфера: многокомпонентная иерархическая система. Устойчивость видов. Биосфера – гигантский «суперорганизм». ô Прокариоты и эукариоты. Бактерии, вирусы и сине-зелёные водоросли. ô Растения. Грибы. животные

Оставляя для размножения те или иные особи и, следовательно, их генотипы, естественный отбор сохраняет способы интеграции внешней информации, то есть конкретные фенотипы. Особь – основной субстрат жизни, в котором накапливается наследственная информация, исторический опыт. Особь – это в первую очередь лаборатория новообразований. Популяция – первичная ячейка действия естественного отбора. Биогеоценоз – первичная ячейка эволюции. В нём содержатся все основные компоненты биотического круговорота. Биосфера – многокомпонентная саморегулирующаяся система, сохраняющая относительную устойчивость и способность прогрессивно развиваться. Новое появляется в особи, а его конечная судьба и значение определяются положением вида в биосфере.

• Биосфера – многокомпонентная иерархическая

система

Понимание структуры биологического разнообразия и его динамики непосредственно связано с сосуществованием видов – как друг с другом, так и с человеком. Говоря о биологическом разнообразии можно поставить два основных научных вопроса:

1. Почему на Земле существует так много разных видов, или, иначе, как это разнообразие возникло?
2. Каким образом разные виды сосуществуют друг с другом, и почему в одних местах обитает много видов, а в других – мало?

Первый вопрос связан с происхождением видов и изучается в генетике, молекулярной и эволюционной биологии. Но в данном контексте наиболее важен второй вопрос, поскольку виды всё быстрее теряют способность сосуществовать друг с другом и, прежде всего с человеком. Потеря способности к сосуществованию ведёт к вымиранию видов, как в локальном, так и в глобальном масштабе. Если вымирание носит глобальный характер, то восстановить его нельзя никакой ценой.

Сохранение биологического разнообразия зависит от выживаемости видов, которая в свою очередь обеспечивается двумя факторами:

1. Достаточно большой численностью особей, что позволяет хотя бы некоторым представителям вида пережить возможные катастрофы.
2. Поддержание высокой плодовитости, что даёт популяции возможность быстро восстанавливаться между катастрофами.

За последние сто лет биологическое разнообразие флоры и фауны нашей планеты значительно сократилось. Это объясняется целым рядом причин, и в первую очередь активным воздействием человека на природную среду. Такие воздействия выражаются в урбанизации, которая угрожает естественным местам обитания диких животных и растений, в беспощадном сведении лесов, в постоянном освоении всё новых и новых пахотных и пастбищных земель. Так называемая «зелёная» революция лишь ускорила процесс генетической эрозии, поскольку земледельцы перестали возделывать многие традиционные культуры, ограничившись небольшим числом новых «чудодейственных» сортов.

Система связей в биосфере чрезвычайно сложна и пока что расшифрована лишь в общих чертах. В целом биосфера очень похожа на единый гигантский суперорганизм, в котором автоматически поддерживается гомеостаз — динамическое постоянство физико-химических и биологических свойств внутренней среды и стойкость основных функций. С точки зрения кибернетики (теории управления), в каждом биоценозе, то есть совокупности организмов, которые населяют определенный участок суши или водоема, есть управляющая и управляемая подсистемы. Роль управляющей подсистемы выполняют консументы. Они не разрешают растениям слишком разрастаться, поедая «лишнюю» биомассу. За травоядными пристально «следят» хищники, предотвращая их чрезмерное размножение и уничтожение растительности. Управляющей подсистемой для этих хищников являются хищники второго рода и паразиты, которыми «руководят» сверхпаразиты, и т. д.

Поэтому на Земле существует много видов животных. Среди них нет «лишних» или «вредных» – такие эпитеты дает им человек. Особенностью биосферных связей есть и то, что управляющая и управляемая подсистемы в ней часто меняются местами. Так, уменьшение количества растительного корма вызывает снижение численности хищников и паразитов через механизм обратной связи.

Кроме энергетических, пищевых и химических связей, огромную роль в биосфере играют информационные связи. Живые существа Земли освоили все виды информации – зрительную, звуковую, химическую, электромагнитную. Информационные сигналы содержат важные сведения в закодированной форме. Они расшифровываются (большей частью автоматически) и учитываются живыми организмами. Способность воспринимать, сохранять и передавать информацию есть и у безжизненных объектов. Эти процессы в них осуществляются путем общего энергоинформационного обмена. Живые системы могут также обрабатывать, накапливать и использовать информацию в отдельности от энергии. Российский биолог О. Пресман определяет биосферу как систему, в которой вещественно-энергетические взаимодействия подчинены взаимодействиям информационным.

Примером информационных связей в биосфере может быть явление снижения интенсивности размножения животных в случае чрезмерной плотности популяции. Не всегда это обусловлено недостатком корма или загрязнением среды вредными отходами жизнедеятельности. Результаты опытов свидетельствуют, что уменьшение потомства у млекопитающих или снижения яйценоскости у птиц происходит вследствие «перенаселения» территории.

Здесь действуют именно информационные связи, то есть включаются какие-то внутренние механизмы, которые приводят к уменьшению количества «лишних» особей. Эффективность информационных связей в биосфере поражает. Например, самец мотылька тутового шелкопряда ощущает присутствие самки на расстоянии 2 км.

Расчеты свидетельствуют, что такой феномен не может базироваться на химических сигналах, скажем, на действии каких-то ароматных веществ-антрактантов, которые выделяет самка. Вероятно, имеет место передача электромагнитных сигналов. Возможно, именно загрязнением информационной среды, которое вызвано деятельность человека, следует объяснять загадочные случаи массового «самоубийства» китов, которые выбрасываются на сушу. Ведь пространство вокруг Земли ныне перенасыщено искусственными антропогенными источниками электромагнитного излучения.

• Прокариоты и эукариоты. Бактерии.

Вирусы и сине-зелёные водоросли

Все известные одноклеточные и многоклеточные организмы делятся на две большие группы – прокариоты и эукариоты. К первым относятся бактерии и сине-зелёные водоросли, к эукариотам – зелёные растения (в том числе все остальные водоросли), грибы, слизевики и животные. Первые эукариоты появились около 3 млрд. лет назад. Они, по-видимому, произошли от прокариот. Клетки прокариот не имеют оформленного ядра. То есть генетический материал (ДНК) прокариот находится прямо в цитоплазме и не окружён ядерной мембраной. У эукариот имеется настоящее ядро. У них генетический материал окружён двойной мембраной (ядерной оболочкой) и образует клеточную структуру, которую очень легко узнать.

Бактерии – это мельчайшие организмы, обладающие клеточным строением. Диаметр бактериальной клетки в среднем составляет 1 мкм. Размеры клеток варьируют в пределах от 1 до 10 мкм. Бактерии – одноклеточные организмы, их можно разглядеть только под микроскопом. Поэтому их называют микробами или микроорганизмами. Изучением бактерий занимается бактериология – одна из дисциплин микробиологии. К микробиологии относится также вирусология и микология (изучение грибов). Бактерии освоили самые разнообразные среды обитания: они живут в почве, пыли, воде, воздухе, на внешних покровах животных и растений и внутри организма. Численность бактерий трудно оценить, например, в 1г плодородной почвы может находиться до 100 млн. бактерий. Бактерии и грибы разрушают органическое вещество и участвуют в круговороте веществ в природе[xiv].

Вирусы – это мельчайшие живые организмы, размеры которых варьируют примерно от 20 до 300 нм. В среднем они раз в 50 меньше бактерий. По химической природе – это нуклеопротеины (нуклеиновые кислоты, связанные с белками). Если живой считать структуру, которая обладает генетическим материалом (ДНК или РНК) и которая способна воспроизводить себя, то вирусы относятся к живым существам. Если же живой считать структуру, обладающую клеточным строением, то вирусы следует отнести к неживому веществу. Вирусы не способны воспроизводить себя вне клетки-хозяина. Они на границе живого и неживого. Обычно вирусы вызывают явные признаки заболевания. Попав внутрь клетки хозяина, они «выключают» хозяйскую ДНК и, используя собственную ДНК или РНК, дают команду клетке синтезировать новые копии вируса. Наиболее правдоподобной и приемлемой является гипотеза о том, что вирусы произошли из «беглой» нуклеиновой кислоты, которая приобрела способность реплицироваться независимо от той клетки, из которой она возникла. Таким образом, вирусы, вероятно, произошли от клеточных организмов, и их не следует рассматривать как предшественников этих организмов[xv].

Сине-зелёные водоросли, включающие около 2500 видов, относятся, по-видимому, к наиболее примитивным из всех существующих хлорофиллсодержащих растений. Древнейшие из найденных до настоящего времени ископаемых растений были, очевидно, сине-зелёными водорослями. Хлорофилл сине-зелёных водорослей не сосредоточен в хлоропластах, а разбросан в виде мелких зёрен по цитоплазме. Они встречаются в пресной воде прудов и луж. Если их много они окрашивают воду и придают ей неприятный вкус и запах. Другие виды обитают в горячих ключах или в океане. Определённый вид этих водорослей, накапливаясь в Красном море, окрашивает воду в красный цвет.

7.3.3. Растения. Грибы. Животные

Жизнь зародилась в океане, отсюда следует, что наземные растения и животные произошли от морских предков. Водные растения могут обходиться без многих специализированных образований, имеющихся у наземных растений. Окружающая вода снабжает их пищей, предохраняет клетки от высыхания, поддерживает тело растения на поверхности, служит подходящей средой для распространения гамет при половом размножении и для распространения спор при бесполом. Завоевание суши было длительным и трудным процессом. Истинно наземными формами стали растения, которые смогли выжить в новых условиях благодаря развитию ряда специализированных органов:

• Находящихся на воздухе листьев, которые поглощают свет и осуществляют фотосинтез.
• Расположенных в почве корней, служащих для закрепления растений и поглощения воды и солей; стеблей, которые поддерживают листья в положении, наиболее благоприятном для поглощения солнечных лучей, и осуществляют связь между листьями и корнями, создавая возможность для передвижения питательных веществ вверх и вниз.
• Репродуктивных органов – цветков, в которых мужские и женские гаметы могут сливаться в отсутствие водной среды, и зигота может начать развиваться, будучи защищена от высыхания.

Грибы – это одна из самых больших и процветающих групп организмов; к ней относятся около 80000 описанных видов. Размеры грибов колеблются от одноклеточных дрожжей до больших «поганок», дождевиков и зловонных рожков. Грибы занимают самые разные местообитания, как в воде, так и на суше. Кроме того, грибы имеют большое значение в связи с той ролью, которую они играют в биосфере и используются людьми для медицинских и хозяйственных целей. К грибам относятся бесчисленные плесени, растущие на сыром органическом материале, одноклеточные дрожжи, появляющиеся на сахаристой поверхности спелых фруктов и многие паразиты растений и животных. Изучением грибов занимается микология.

Животные – это существа, которые дышат кислородом. Чтобы выжить, они должны поедать растения или других животных. Животные существуют на Земле уже 700 миллионов лет. Первыми животными были крошечные одноклеточные организмы. Сегодня же на Земле существует более миллиона видов животных. Ученые подразделили их на родственные группы. Вот основные группы животных:

1. Млекопитающие. Например, летучие мыши, киты, кошки, кенгуру и люди. Многие крупные животные принадлежат к этой группе.
2. Рептилии (пресмыкающиеся): змеи, ящерицы, черепахи и крокодилы. Около 250 миллионов лет назад на Земле господствовали динозавры, которые тоже относятся к рептилиям.
3. Амфибии (земноводные) приспособлены для жизни, как на земле, так и в воде. В эту группу входят: лягушки, жабы, тритоны и саламандры.
4. Рыбы – это огромная группа животных, обитающих в воде. В нее входят такие непохожие на рыб существа, как акулы, морские коньки и угри.
5. К группе птиц относятся как летающие, так и нелетающие птицы. Они распространены по всему земному шару.
6. Насекомые – самая крупная и многочисленная группа животных на Земле. К ней относятся муравьи, жуки, пчелы, бабочки, блохи и мухи. В отличие от шестиногих насекомых, у всех паукообразных – восемь ног. К паукообразным относятся скорпионы, сенокосцы, клещи и пауки.

Животные питаются различной пищей – это зависит от их размера, строения желудка, а также доступности той или иной пищи. Животные, которые питаются растениями, называются травоядными. Животные, питающиеся и растениями и мясом, называются всеядными. Животные, употребляющие в пищу только мясо, называются плотоядными или хищниками.

Хищники способствуют оздоровлению животной популяции. Они убивают и поедают самых слабых или больных животных, а сильнейшие и здоровые остаются в живых. Они и дают начало здоровому потомству.

Животные связаны между собой пищевыми цепями. Некоторые животные, например, тли питаются растениями. Тлей поедают другие животные, которые, в свою очередь, служат пищей для более крупных животных. А вот группы наиболее просто организованных животных:

1. Кишечнополостные: медузы, кораллы, актинии.
2. Моллюски – слизни, улитки, устрицы, осьминоги.
3. Пористые – морские губки.
4. Аннелиды (кольчатые черви) – дождевые черви, пиявки.
5. Иглокожие – морские звезды, морские ежи.

7.4. Глобальное биологическое разнообразие

и подходы к его изучению

Современные представления о видовом разнообразии биосферы. Оценка количества видов. Причины видового разнообразия. ô Современные подходы к исследованию биоразнообразия. Особенности популяционного подхода. Структура экосистемного подхода.

Биологическое разнообразие характерно для всей совокупности форм земной жизни на всех её уровнях – молекулярном, клеточном, видовом, экологическом, ландшафтном. Постичь эту обширнейшую и сложнейшую проблему практически невозможно, не разделив её на более удобные для понимания элементы, с каждым из которых можно работать по отдельности. Одним из общепринятых и вполне успешных подходов является, например, видовая классификация организмов, установление на этой основе количества видов и их относительной численности.

Изучение биологического разнообразия – это изучение того, каким образом сохраняется сама жизнь на Земле, и потому оно имеет отнюдь не абстрактное, а практическое значение, так как выживание самого человека тесно связано с выживанием других организмов. Для существования всех живых организмов требуются одни и те же ресурсы: вода, необходимые элементы в почве и атмосфере, а также энергия в той или иной форме. Заботясь о себе, человек мало думает о выживании или вымирании других организмов и тем самым постепенно готовит собственную деградацию и исчезновение.

7.4.1. Современные представления о видовом

разнообразии биосферы[xvi]

Хотя точные данные постоянно меняются, в самом первом приближении можно считать, что учёные описали около 2 млн. видов живых существ. Более половины их приходится на представителей только одного класса животных – насекомых, около 1/5 – на высшие (сосудистые) растения, а во всех остальных вместе взятых группах растений, животных, грибов, бактерий и вирусов набирается не более 1/4 от общего числа известных науке видов. Такие пропорции в соотношении числа видов порождают целый ряд вопросов. Прежде всего, почему на планете, 2/3 которой покрыты водой, наибольшего разнообразия достигли группы организмов, обитающие почти исключительно на суше?

Впрочем, колоссальное видовое разнообразие наземных организмов определяется, по сути дела, только двумя относительно молодыми группами – насекомыми и покрытосеменными. Эволюция обеих групп происходила согласованно: насекомые были и остаются главными опылителями покрытосеменных, а покрытосеменные не только основной источник пищи для многих насекомых, но и тот физический субстрат, на котором протекает вся их жизнь.

Недавно проведённые в тропических лесах исследования показали: с большой степенью уверенности можно говорить о том, что всего наземных насекомых (членистоногих) насчитывается от 10 до 50 млн. видов.

Помимо насекомых есть и другие группы организмов, среди которых, вероятно, много новых видов. Так, всего грибов в настоящее время описано около 70 тыс. видов, но на самом деле их видимо гораздо больше и приблизительно может быть оценено в 1.5 млн. видов. Новые виды продолжают обнаруживаться даже среди млекопитающих (1988 г. Мадагаскар – новый вид лемуров; Центральная Африка – новый вид мартышек и т. д.).

Трудами многих исследователей разных стран за последние десятилетия достигнут значительный прогресс в понимании того, какие механизмы определяют возможность совместного обитания разных видов, а, следовательно, и уровень разнообразия конкретных сообществ. К примеру, оказалось, что сосуществование разных видов растений зависит не только от конкуренции за одни и те же ресурсы, но и от того, насколько гетерогенна среда их обитания. Приобретение одними организмами в процессе эволюции каких-либо преимуществ по сравнению с другими всегда требует затрат и ведёт к тому, что какие-то возможности организма утрачиваются или ослабляются.

Так, растения, побеждающие в конкурентной борьбе благодаря способности поддерживать свой рост при очень малом содержании лимитирующего элемента питания (например, азота), в условиях его обилия растут гораздо медленнее, чем другие виды, требующие для своего роста более высокого содержания этого элемента. Среди растений разных видов могут устанавливаться и взаимовыгодные отношения. Например, быстро растущие виды могут образовывать большое количество сравнительно легко разлагаемого опада и таким образом через обогащение почвы элементами минерального питания способствовать поддержанию медленно растущих конкурентов.

Очевидно, что в свете подобных явлений, открытых совсем недавно, представление о сообществе как о совокупности разных видов с чётко разделяющимися экологическими нишами уже не может удовлетворить исследователей. Виды, экологически очень близкие (занимающие практически одну и ту же нишу), нередко успешно сосуществуют, демонстрируя сходное распределение в пространстве и сходную динамику во времени.

Немалый прогресс достигнут в последнее время и благодаря изучению того, как увеличивается видовое разнообразие отдельных групп организмов в процессе их эволюции. Выяснилось, что множество новых видов может возникнуть в течение очень короткого времени. В этом процессе экологическая специализация оказывается нередко более важной, чем пространственная изоляция. Ярким и удивительным примером такого «взрывного» видообразования является существование рыб цихлид, обитающих в африканском озере Виктория. Более 300! видов цихлид возникло за примерно 10 000 лет – срок ничтожно малый даже в масштабах экологического времени. Какие механизмы обеспечили столь быстрое видообразование? Скорее всего, на первых порах ведущее значение имел половой отбор, определяемый предпочтением самок определённого окраса самцов. Но основным фактором была экологическая специализация, связанная с добыванием определённого вида корма, приведшая, прежде всего к изменению челюстного аппарата.

7.4.2. Современные подходы к исследованию

биоразнообразия[xvii]

Два наиболее важных аспекта современной экологии в исследовании глобального разнообразия могут быть обозначены как популяционный и экосистемный подходы.

Популяционный подход

Популяционный подход акцентирует внимание на следующих проблемах:

• Выявление закономерностей динамики отдельных популяций, выяснение того, какие факторы ограничивают их рост и распространение.
• Изучение разных типов межвидового взаимодействия, например, конкуренции, хищничества, мутуализма (взаимовыгодного сотрудничества). При этом широко используются математические модели и лабораторные эксперименты в строго контролируемых условиях.
• Изучение сообществ, распутывание сложных сетей взаимосвязей различных видов. Один из центральных вопросов – выяснение общих принципов организации сообществ. Сегодня ясно, что наряду с очень жёстко организованными сообществами (каждый вид прямо или косвенно связан со всеми остальными), есть сообщества довольно рыхлые, из которых те или иные виды могут изыматься (или наоборот – добавляться) без серьёзных последствий для других видов

Исследователи, следующие популяционному подходу должны ответить на следующие вопросы:

1. Почему организмы какого-то конкретного вида, встречающиеся в одном месте, не встречаются в другом.
2. Почему численность организмов в один период растёт, а в другой снижается.
3. Почему в разных местах численность одного вида может быть разной.

При попытке установить границы популяции* исследователи нередко сталкиваются с трудностями, вызванными самой природой объекта, сложной (и меняющейся во времени) картиной пространственного распределения особей. Мелкие локальные популяции, в пределах которых контакты особей особенно часты, объединяются в более крупные «метапопуляции», а те, в свою очередь, в ещё более крупные популяционные системы.

Наша способность проводить границы между областями, занимаемыми разными популяциями, и само выделение популяций в значительной мере определяются промежутком времени, в течение которого проводятся наблюдения. Здесь возникает одна из основных проблем современной экологии – проблема соответствия масштабов пространства и времени, в которых протекает реальная жизнь организмов, тому масштабу, в котором они изучаются.

Экосистемный подход

Под экосистемой понимают совокупность организмов и неживых компонентов, связанных в единое целое потоками вещества и энергии. Среди организмов, входящих в одну экосистему, есть как продуценты, создающие сложное органическое вещество из простых минеральных, так и редуценты, разрушающие это вещество до простых компонентов. Последние, в свою очередь, могут быть потреблены продуцентами. Часто выделяется ещё и группа консументов, но, по сути дела, это те же редуценты, но более крупные по размеру и потребляющие не только уже отмершее органическое вещество, но и живые ткани растений и животных. Началом, объединяющим различные живые и неживые компоненты в единую экосистему, является некий более или менее замкнутый цикл какого-нибудь биогенного элемента, например, углерода, азота или фосфора.

На практике выделение экосистемы по замкнутым циклам биогенов оказывается непростым делом, прежде всего потому, что круговороты разных элементов происходят с разной скоростью и в пределах участков, очень разных по своим размерам.

Экосистемный подход направлен на описание структур и процессов, имеющих отношение к трансформации вещества и энергии с участием организмов. Получение обобщённых количественных оценок происходящих в экосистеме процессов возможно только потому, что жизнь, будучи чрезвычайно разнообразной морфологически, в функциональных проявлениях гораздо однообразнее. Число основных типов «биогеохимических ролей», существующих в биосфере, довольно ограниченно. Например, какими разнообразными по размерам, форме и жизненным циклам не были бы покрывающие нашу планету зелёные растения, все они от крошечной протококковой водоросли до громадной секвойи, обладают способностью к фотосинтезу. Соответственно результаты этого процесса могут быть суммированы, а первичная продукция может быть выражена в одних и тех же единицах.

Также очевидно, что количества выделенного кислорода, потреблённого диоксида углерода и образовавшегося органического вещества, находятся между собой в определённом соотношении, зная которое по одной величине можно рассчитать и другие. Надёжность подобных расчётов обеспечивается тем, что в основе их лежат строгие количественные соотношения отдельных элементов, вступающих в химические реакции.

При изучении экосистем чрезвычайно важно учитывать тесное взаимодействие биологических, физических и химических процессов. Например, кислород, растворённый в воде, может поступать туда как в результате фотосинтеза растений, так и в результате диффузии из атмосферы.

Задачи, которые решают популяционный и экосистемный подходы различны, как различны и используемые при этом методы. Хотя прямым продолжением экосистемного подхода является подход биосферный, затрагивающий проблемы глобальные, профессионалы-экологи не меньше внимания уделяют и популяционным исследованиям. Учёные стремятся охватить чрезвычайное разнообразие организмов и конкретных ситуаций, надеясь понять общие принципы организации популяции и сообществ.

7.5. Ноосферогенез

В. И. Вернадский о переходе биосферы в ноосферу. Биосфера – стойкая динамическая система. Основной закон биосферы. ô Естественноисторические аспекты трансформации биосферы в ноосферу. ô Антропоцентризм и биосферное мышление. Разные типы мировоззрения.

Под ноосферой понимается сфера взаимодействия природы и общества, в которой человеческий разум при посредстве технически оснащённой деятельности становится определяющим фактором развития. К появлению учения о ноосфере привело развитие естествознания Нового времени. Ж. Бюффон (1707 – 1778) обосновал геологическое значение человека. Д. Д. Дана (1813-1895) и Д. Ле-Конт (1823-1901) – выявили эмпирическое обобщение, которое показывает, что эволюция живого вещества идёт в определённом направлении, названном процессом «цефализации». В 1922-23 гг. В. И. Вернадский, читая лекции в Париже, выдвинул тезис о биогеохимических явлениях как основе биосферы. В 1927 г. французский математик и философ Е. Леруа ввёл понятие ноосферы, как современной стадии, геологически переживаемой биосферой[xviii].

7.5.1. В. И. Вернадский о переходе биосферы

в ноосферу

Обобщив результаты исследований в отрасли геологии, палеонтологии, биологии и других естественных наук, В. И. Вернадский пришел к выводу, что биосфера – это стойкая динамическая система, равновесие, которой установилось в основных своих чертах с археозоя и неизменно действует на протяжении 1.5 – 2 миллиардов лет». Он доказал, что устойчивость биосферы за это время обнаруживается в постоянстве ее общей массы (около 10¹⁹ т), массы живого вещества (10¹⁸ т), энергии, связанной с живым веществом (10¹⁸ ккал), и среднего химического состава всего живого.

Стойкость биосферы Вернадский связывал с тем обстоятельством, что «функции жизни в биосфере — биогеохимические функции — неизменные на протяжении геологического времени, и ни одна из них не появилась снова с ходом геологического времени». Все функции живых организмов в биосфере (образование газов, окислительные и обновленные процессы, концентрация химических элементов и т. п.) не могут выполняться организмами какого-либо одного вида, а лишь их комплексом. Отсюда вытекает чрезвычайно важное положение, разработанное Вернадским: биосфера Земли сформировалась с самого начала как сложная система, с большим количеством видов организмов, каждый из которых выполнял свою роль в общей системе. Без этого биосфера вообще не могла бы существовать. Отсюда следует, любая трактовка ноосферогенеза может подразумевать только качественное изменение отношений человека с биосферой, но не качественное изменение самой биосферы, ни, тем более, её «отмену».

Вернадскому принадлежит открытие основного закона биосферы: «Количество живого вещества является планетной константой со времен архейской эры, то есть за все геологическое время». На протяжении этого периода живой мир морфологически изменился неузнаваемо, но такие изменения заметно не повлияли ни на количество живого вещества, ни на его средний валовой состав. Дело здесь в том, как считает Вернадский, что «в сложной организованности биосферы происходили в границах живого вещества лишь перегруппирования химических элементов, а не коренные изменения их состава и количества».

Постоянно подчеркивая, что его позиция – это позиция натуралиста, В. И. Вернадский говорил о биосфере как о «естественном теле», как о «монолите», вбирающем в себя всю совокупность живого вещества планеты. Очевидно, что и человек, как живое существо, включен в биосферу, понимаемую в качестве природно-биологического образования. В таком случае антропогенные факторы эволюции биосферы становятся в один ряд с другими природными параметрами.

Вместе с тем, В. И. Вернадский говорил о том, что понятие «естественного тела» изменяет свое содержание в зависимости от контекста. В этом отношении существенно, что «начало» ноосферы отсчитывается с того, условно говоря, момента, когда появился разум: «С появлением на нашей планете одаренного разумом живого существа, – писал Вернадский, – планета переходит в новую стадию своей истории. Биосфера переходит в ноосферу»[xix]. Выработанная в социальной среде научная мысль создаёт в биосфере новую геологическую силу. Биосфера переходит тем самым в новое эволюционное состояние.

Научная мысль как проявление живого вещества по существу не может быть обратимым явлением, утверждает В. И. Вернадский. Рост научной мысли, тесно связанный с ростом заселения человеком биосферы, должен ограничиваться чуждой живому веществу средой и оказывать на неё давление, поскольку он связан с возрастающим количеством живого вещества, прямо или косвенно участвующего в научной работе. Этот рост и связанное с ним давление постоянно увеличиваются благодаря тому, что в них резко проявляется действие массы создаваемых технических средств, экспансия которых в ноосфере подчиняется тем же законам, что и размножение живого вещества, то есть, выражается в геометрических прогрессиях.

Кроме этого формирование ноосферы, согласно В. И. Вернадскому, определяется следующими условиями и предпосылками:

1. Человечество стало единым целым. Ход мировой истории охватил весь земной шар, включив в единый процесс, различные культурные области, некогда существовавшие изолированно.
2. Преобразование средств связи и обмена сделало регулярным и систематическим обмен веществом, энергией и информацией между различными элементами ноосферы.
3. Овладение новыми источниками энергии дало человеку возможность коренного преобразования окружающей среды.
4. Растёт благосостояние народных масс, трудом и разумом которых создаётся ноосфера.
5. Осознаны равенство всех людей и важность исключения войн из жизни общества[xx].

Мы упростим само понимание эволюции, если будем считать, что только находимся на пороге ноосферогенеза, что «ноосфера» – это чуть ли не то самое светлое будущее человечества, которое совсем недавно обозначалось словом «коммунизм». Не точнее ли говорить о современности как о качественно новой ступени развития ноосферы, сохранив ту «начальную» точку отсчета ее эволюции, когда с появлением цивилизации на Земле биосфера стала природно-социальной системой.

7.5.2. Естественноисторические аспекты

трансформации биосферы в ноосферу

Все процессы, происходящие на Земле и существенные для человека и цивилизации, суть процессы преобразования свободной энергии. Земля – открытая система, и земная жизнь обязана своим существованием потоку свободной энергии солнечно-космической природы, пронизывающему нашу планету. Сама хозяйственная деятельность человека – одна из реализаций этого потока, и все наши технологические ухищрения, в конечном счете, подчиняются закономерностям термодинамики открытых систем. Потоком свободной энергии можно управлять, либо увеличивая поток энергии, либо уменьшая поток энтропии. Первую задачу выполняют новые энергетические технологии, вторую – новые информационные технологии.

В результате человеческой деятельности на планете происходят изменения: теплеет климат, уменьшается количество стратосферного озона, сокращаются площади лесов, загрязняются атмосфера, гидросфера и почвы, увеличивается площадь пустынь, исчезают виды растений и животных. Влияние на состояние экосистем оказывает интенсивное сжигание ископаемого топлива.

Всё это, в конечном счете, приводит к незамкнутости биотического круговорота. Нарушаются главные закономерности, лежащие в основе длительного существования жизни: относительная замкнутость круговорота, локализация уничтожения вредных отходов, экономия материальных ресурсов. Разумная по своим намерениям деятельность людей в масштабе биосферы в большинстве случаев оказывается разрушительной. Может ли всё это представлять угрозу для существования биосферы?

Биосфера включает нижний слой атмосферы, верхний слой литосферы, гидросферу и совокупность обитающих здесь живых организмов (биоту). Устойчивость биосферы, то есть её способность возвращаться в исходное состояние после любых возмущающих воздействий очень велика. Биосфера существует уже около 4 миллиардов лет, и за это время её эволюция не прерывалась. Это следует из того, что все живые организмы от вируса до человека, имеют один и тот же генетический код, записанный в молекуле ДНК, а их белки построены из 20 аминокислот, одинаковых у всех организмов. Только за последние 600 миллионов лет отмечено шесть крупных катастроф, в результате которых происходило вымирание почти 70% видов. Но биосфера всегда восстанавливалась.

Биота прошла огромный путь эволюции от простейших организмов до животных и растений и достигла видового разнообразия, которое оценивается как 2-10 миллионов видов животных, растений и микроорганизмов. Состояние биоты определяется в основном физико-химическими характеристиками окружающей среды. Мы называем их совокупность климатом. Основная климатическая характеристика – температура у поверхности Земли. Её изменения за всё время эволюции биосферы составили всего от 10⁰ до 20⁰С.

За 4 миллиарда лет концентрация СО₂ в атмосфере уменьшилась в 100 – 1000 раз, что отрицательно повлияло на питание растений. Накопление кислорода привело к полному вытеснению анаэробных организмов, создавших, по сути, кислородную атмосферу. С 1800 г. по настоящий период концентрация СО₂ в атмосфере увеличилась с 280 до 360 млн. моль/м³ (в миллионных долях от полной концентрации атмосферных частиц). Это важнейший показатель для биосферы, так как СО₂, во-первых, – парниковый газ, который вместе с водяным паром определяет парниковый эффект, а следовательно и климат, и, во-вторых, он – основная пища растений. При этом увеличивалась и скорость накопления углерода в атмосфере. Но ещё быстрее увеличивалась скорость выброса углерода в атмосферу при сжигании ископаемого топлива и производстве цемента. Из этих данных следует:

1. Наблюдаемый рост содержания СО₂ в атмосфере вызван антропогенными выбросами.
2. Биота забирала из атмосферы в процессе фотосинтеза не только весь углерод, выделенный ею же в атмосферу в процессах дыхания и разложения – около 100 млрд. т. в год – но и около половины углерода, содержащегося в антропогенных выбросах, в последние годы – до 2/3.
3. Раз увеличивался сток СО₂ из атмосферы в биоту, значит либо увеличивалась глобальная биомасса, либо увеличивалась её продуктивность. Но как это возможно, если уменьшалась площадь лесов. Следовательно, или увеличивалась биомасса других экосистем и масса корней, или увеличилась продуктивность ряда растений.

Таким образом, данные не дают оснований утверждать, что биосфера теряет устойчивость.

Но основания для беспокойства есть, так как увеличение содержания СО₂ и других парниковых газов в атмосфере приводит к потеплению климата. Быстрое расходование ископаемого топлива приведёт к истощению его запасов в исторически короткие сроки: нефти и газа – через 60-80 лет, угля – через 1000-3000 лет.

Внушают тревогу данные об ухудшении состояния тропических лесов. По данным Международного комитета по изменению климата ООН температура к 2050 году повысится на 1.5⁰-2.5⁰. При этом уровень океана повысится на 35-55 см. Пострадают прибрежные районы многих стран. Общее количество осадков увеличится на 3-15%, но распределятся они неравномерно. Поэтому увеличится площадь пустынь и все климатические зоны сдвинутся от экватора к полюсам примерно на 500 км.

Перед обществом стоит грандиозная задача: включение человеческой деятельности в биотический круговорот планеты, что собственно и означает ноогенез человечества. В основе его разработка методов и способов сознательного регулирования обмена веществ между человеком и биосферой с целью сохранения биотического круговорота и многообразия биосферы. Конфликт между человеком и биосферой, естественно, не может быть решён путём возврата человечества к полудикому состоянию и техносфера не в состоянии заменить биосферу. Он может быть решён в направлении дальнейшего научного и технологического прорыва, который даст возможность разработать необходимые способы и методы сохранения биосферы.

7.5.3. Антропоцентризм и биосферное мышление

Антропоцентризм и биосферное мышление Антропоцентрическое мышление и биосферное мышление – два кардинально различающихся типа мировоззрения. Это касается:

• характера проблем – методологических, исследовательских, хозяйственно-промышленных и т. д.;
• множества людей – от отдельных личностей, групп людей, объединенных по социальной, религиозной, национальной или иной принадлежности, до населения стран, материков и человечества в целом;
• размера территории, подвергающейся антропогенному воздействию – от десятков – сотен квадратных метров, частей ландшафта до обширных регионов, витасферы и биосферы в целом.

Одним из главных признаков различия двух мировоззрений является отношение к времени. При антропоцентрическом подходе, как правило, ограничиваются оценками и прогнозами краткосрочными – максимум ближайшее десятилетие, в то время как при биосферном основу должны составлять долгосрочные оценки и прогнозы – минимум десятилетия и столетия. Антропоцентризм делает акцент на судьбах ныне живущих людей и их сиюминутных интересах, и в крайнем случае – их детей и уж совсем абстрактно – внуков. В то время как биосферное мышление будет охватывать череду поколений и действительно приобретет, таким образом, право говорить о судьбе человечества.

Антропоцентризм локализует анализ воздействий на природные комплексы в пространстве. При биосферном подходе сознается важность возможного «расползания» эффектов на обширные территории. Антропоцентрический подход, реализуемый в каком-то промышленном проекте, предъявляет своим противникам требование: «Докажите, что этот проект будет в каком-то отношении вредным». Биосферный подход требует аргументов в пользу того, что наличествующее состояния природы не будет ухудшено. В конечном итоге антропоцентризм формулирует целевую функцию, как «было бы лучше человеку сегодня, а там видно будет», биосферное мышление – «не может быть человеку лучше, если не исключено ухудшение природных комплексов».

Опыт показывает, что антропоцентрический подход довольствуется остаточным принципом финансирования фундаментальных исследований, являющихся, по словам В. И. Вернадского, основой формирования биосферного мышления: «Основной геологической силой, создающей ноосферу, является рост научного знания»[xxi].