Космические предпосылки формирования земли и биосферы. Организованность биосферы Организованность биосферы
«…в действительности имеем дело со своеобразной организованностью биосферы, с естественным планетным телом, которое мы не можем разделить без его уничтожения» В. И. Вернадский (1977) Уровни организованности: ь пространственно временной ь физический, в т. ч. термодинамический, агрегатный, энергетический ь химический, в т. ч. биогеохимический ь биологический (структурно функциональный) ь парагенетический
«Планетарная биосфера» это единая система, из числа доступных изучению, объединяющая неживую и живую материю, имеющая собственную внутреннюю среду, отличную от внешней, термодинамически неравновесную по отношению к окружающей среде (Космосу), самостоятельно поддерживающую это неравновесие, обменивающуюся с ней (внешней средой) веществом, энергией и информацией, имеющую выраженную границу несмешиваемых сред.
Кибернетические принципы организованности биосферы Кибернети ческие системы - это сложные динамические системы любой природы (технические, биологические, экономи ческие, социальные, административные) с обратной свя зью. Сложными динамическими системами называются та кие системы, которые содержат в себе множество более простых, взаимодействующих друг с другом систем и эле ментов, которые меняются, т. е. под воздействием опре деленных процессов переходят из одного устойчивого состояния в другое. Самоорганизация структура в действии.
ГОМЕОСТАЗ. Стремление к гомеостазу – мощнейший фактор эволюции. ОБРАТНАЯ СВЯЗЬ. Отрицательные обратные связи поддерживают гомеостаз, положительные – ухудшают стабильность системы. Одной из особенностей любого из важ нейших эволюционных процессов, протекающих в живом мире, является противоречие между тенденциями к ста бильности, т. е. сохранению гомеостаза, и укреплению от рицательных обратных связей, и тенденциями к поиску но вых, более рациональных способов использования внешней энергии и вещества, т. е. укреплению положительных об ратных связей. ИНФОРМАЦИЯ – отражённая структура, воспроизводящая структуру оригинала, определяет целенаправленность развития живой системы (реализация генетической программы, достижение видового разнообразия и т. д.)
Свойства самоорганизующихся систем сохраняет состояние термодинамического равновесия негаэнтропийный характер действия (использование информации) обладает функциональной активностью, выражающейся в противодействии внешним силам обладает выбором линии поведения и целенаправленностью действия обладает гомеостазом и адаптивностью системы
Закономерности внутреннего развития систем Закон вектора развития. Развитие однонаправленно. Закон необратимости эволюции (Л. Долло, 1857 1931). Закон усложнения системной организации (К. Ф. Рулье, 1814 1858). Закон неограниченного прогресса. Закон последовательности прохождения фаз развития системы. Системогенетический закон. Закон синхронизации и гармонизации подсистем (Ж. Кювье, 1769 1832)
Закономерности внутреннего развития систем Правило разновременности развития подсистем в больших системах (закон аллометрии, Д. Хаксли, 1887 1975) Правило системно динамической комплементарности
Термодинамика живых систем Принцип энергетической проводимости. Водообмен в биологической осо би занимает часы, в аэробиосфере - 8 дней, в реках - 16 дней, в озерах - 17 лет, в подземных водах - 1400 лет, в океане - 2500 лет. Закон сохранения массы. Первое начало термодинамики. Второе начало термодинамики: 1. Энергетические процессы могут идти самопро извольно только при условии перехода энергии из концентрированной формы в рассеянную; 2. Потери энергии в виде недоступного для исполь зования тепла всегда приводят к невозможности сто процентного перехода одного вида энергии (кинети ческой) в другой (потенциальную) и наоборот;
3. В замкнутой (изолированной в тепловом и ме ханическом отношении) системе энтропия либо ос тается неизменной (если в системе протекают обратимые, равновесные процессы), либо возрастает (при неравновесных процессах) и в состоянии равно весия достигает максимума. ЭНТРОПИЯ мера неупорядоченности системы, стремящаяся согласно второму принципу термодинамики, к возрастанию до состояния физического равновесия, которое необратимо. Теорема сохранения упорядоченности (И. Р. Пригожин, 1977). В открытых системах энтропия не возраста ет - она падает до тех пор, пока не достигается минимальная постоянная величина, всегда большая нуля. При этом вещество в системе распределяет ся неравномерно и организуется таким образом, что местами энтропия возрастает, а в других ме стах снижается. В целом же, используя поток энергии, система не теряет упорядоченности.
Принцип Ле Шателье Брауна. Закон минимума диссипации энергии (Л. Онсагер, 1903 1976). Закон максимизации энергии и информации (Ю. Одум). Принцип максимизации мощности. Правило основного обмена
Пространственно временная организованность Пространство понимается как форма бытия материи, характеризующая ее протяженность, структурность, сосуществование и взаимодействие элементов во всех материальных системах. Характеристики пространства биосферы: 1. Земная кора химически резко отлична от внутренних слоев планеты; 2. По набору химических элементов в земной коре преобладают элементы с четными порядковыми номерами; 3. Химический состав оболочек Солнца и звёзд соответствует составу земной коры; 4. Пространство биосферы является дисимметричным и хиральным.
Абиогенная симметрия и асимметрия живого вещества 1. Гипотеза голобиоза методологический подход, основанный на идее первичности структур типа клеточной, наделенной способностью к элементарному обмену веществ при участии ферментного механизма. Появление нуклеиновых кислот в ней считается завершением эволюции, итогом конкуренции протобионтов. 2. Гипотеза генобиоза (информационная гипотеза) исходит из убеждения в первичности молекулярной системы со свойствами первичного генетического кода. 3. Молекулярная хиральность присуща только живой материи и является ее неотъемлемым свойством (Л. Пастер, 1860). Превращение молекулярно симметричных веществ неживой природы в молекулярно диссимметричные живой неразрывно связано с происхождением живой материи. Оно осуществлялось посредством особых диссимметрических сил, вызывающих диссимметризацию молекул этой материи (мощные электрические разряды, геомагнитные колебания, вращение Земли вокруг Солнца, появление Луны).
Время характеризует последовательность смены состояний и длительность бытия любых объектов и процессов, внутреннюю связь изменяющихся и сохраняющихся состояний. Свойства геологического Свойства биологического времени однонаправленно, циклично, линейно, закруглено, необратимо, существует необратимо, возникает с всегда, рождением, фон для всех процессов течение вызвано рождением, ростом, гибелью и сменой поколений. Движение времени осуществляется биологически, учитывается сменой поколений живого вещества, обуславливающей «дление» времени. Геологическое время определяется только через биологическое время. Биологическое время является абсолютной системой отсчета времени. В биосфере существует «пространство время» категория, основа которого – существование ЖВ.
Структурно функциональная организованность биосферы Пищевая цепь – это ряд организмов, связанных между собой передачей энергии от ее источника – автотрофов к потребителю – гетеротрофам. Звенья пищевой цепи, образованные сходными по типу питания организмами, называются трофическими уровнями. Энергетическим материалом для функционирования трофического уровня служат биомасса организмов предыдущего трофического уровня или продукты деструкции отмерших остатков. Два основных типа пищевых цепей: пастбищные, или цепи выедания, начинающиеся с зеленого растения, и детритные, или цепи разложения.
Энергетический баланс продуцентов: 1. запасание энергии в процессе фотосинтеза (на каждый моль ассимилированной углекислоты запасается 114 ккал энергии); 2. запасание солнечной энергии идет в очень удобной для биологического использования форме – в молекулярной, т. е. в химических связях сахаров, аминокислот, белков; 3. часть запасенной энергии используется продуцентом для построения собственного организма, часть поступает в детритные цепи и часть поступает на трофический уровень консументов.
Энергетический баланс консументов: 1. Поглощённая пища усваивается не полностью, 10 20% (сапрофаги) до 75% плотоядные виды; 2. Большая часть энергии тратится на метаболизм – трата на дыхание; 3. Меньшая часть энергии расходуется на пластические процессы; 4. Передача энергии химических соединений в организме идёт с потерей в виде тепла (низкий КПД животных клеток); 5. Потери энергии составляют около 90% при каждой передаче энергии через трофический уровень. Потерянная в цепях питания энергия может быть восполнена только поступлением ее новых порций. Поэтому биогеоценоз функционирует только за счет направленного потока энергии, постоянного поступления ее из вне в виде солнечного излучения или готовых запасов органического вещества.
Переплетения разных цепей питания в составе биогеоценозов образуют сложные сочетания видовых популяций, которые называют циклами питания или пищевыми сетями. Принцип образования пищевых сетей состоит в том, что каждый продуцент имеет не одного, а нескольких консументов. В свою очередь консументы пользуются не одним, а несколькими источниками питания.
Парагенетический уровень организованности парагенезис закономерное совместное нахождение в земной коре минералов, связанных общими условиями образования. Изучение парагенезиса минералов имеет большое значение при поисках и оценке месторождений полезных ископаемых, имеющих сходную геохимическую историю. биосфера – парагенетическая оболочка отражением парагенезиса биосферного вещества являются его типы:
Типы биосферного вещества: живое вещество биогенное вещество косное вещество биокосное вещество, находящееся в процессе радиоактивного распада рассеянные атомы вещество космического происхождения
Для биосферы характерно не только присутствие живого вещества. Она обладает также следующими тремя особенностями: в ней в значительном количестве содержится жидкая вода; на нее устремляется мощный поток энергии солнечных лучей; в ней находятся поверхности раздела между веществами, находящимися в трех фазах - твердой, жидкой и газообразной. В связи с этим в пределах биосферы осуществляется непрерывный круговорот вещества и энергии, в котором активнейшую роль играют живые организмы.
Биосфера аккумулирует и перераспределяет огромные потоки вещества и энергии. Этот процесс возможен только благодаря химическим свойствам циклических, или "органогенных", элементов, названных так В. И. Вернадским в геохимической классификации элементов за их способность к многочисленным химически обратимым процессам.
Циклический характер химических реакций сначала для газов атмосферы, особенно для кислорода, был предугадан учеными XVIII в. В четкой форме идеи химических циклов были высказаны шотландским ученым Дж. Принглем в 1773 г., когда он рассуждал о равновесии растительной и животной жизни по отношению к свободному кислороду и углекислоте, а затем А.Лавуазье. Французские ученые Ж. Б.Дюма и Ж. Буссенго в 1842 г. дали яркую картину химических циклов, а несколько позже К. Бишоф и Ю.Либих перенесли эти представления на зольные элементы земной коры. Именно такой биотический круговорот был назван В. И. Вернадским"организованностью биосферы". Важнейшим моментом здесь представляется геохимическая деятельность живого вещества.
В 1919 г. Вернадский писал: "Под именем живого вещества я буду подразумевать всю совокупность всех организмов, растительных
и животных, в том числе и человека. С геохимической точки зрения эта совокупность организмов имеет значение только той массой вещества, которая ее составляет, ее химическим составом и связанной с ней энергией". Тогда же ученый впервые высказал мысль об органогенном парагенезисе как факторе геохимических преобразований - совместном нахождении химических элементов в живом веществе, которое определяется биологическими свойствами организмов, а не химическими свойствами элементов.
К основным элементам органогенного парагенезиса В. И. Вернадский относил С, О, Н, N, S, Р, С1, К, Mg, Ca, Na, Fe, к которым обычно присоединяют еще Si, Mn, F, I, Со, В, Sr, Pb, Zn, Ag, Br, V. В живых организмах всегда содержится не менее 20 - 25 химических элементов.
Химические элементы, потребляемые организмами, способствуют протеканию в них биохимических процессов: дыхания, фотосинтеза, синтеза белков, белкового, углеводного и жирового обмена, поддержания гомеостаза внутренней среды, ее водно-солевого равновесия. Эти физиологические процессы определяют потребности живых организмов в тех или иных элементах в биологически доступной форме и протекание биогеохимических процессов в окружающей среде.
Из 105 химических элементов для построения живых организмов обязательны шесть: С, N, Н, О, Р, S. Для этих элементов характерны малая атомная масса, легкость отдачи и присоединения электронов. Главный элемент среди них - углерод. В силу электронейтральности атома, способности атомов соединяться в цепи углерод может образовывать бесконечное множество соединений. Остальные пять элементов также чрезвычайно легко образуют общие электронные пары с атомами других элементов, в том числе и друг с другом.
Что касается количества накапливаемых элементов, то 99,9 % живой массы организмов составляют элементы "исходной дюжины": Н, С, N, О, Na, Mg, Р, S, C1, К, Ca, Fe. Все они относятся к первым 26 самым легким элементам Периодической системы, на что обратил внимание еще Д.И.Менделеев. 99 % живой массы образовано всего четырьмя элементами: Н, С, N, О, которые отличаются высокой реакционной способностью, имеют хорошо растворимые соединения и активно взаимодействуют с углеродом.
Надо помнить, что никакие биохимические реакции на Земле не идут без воды, а наличие свободной воды является такой же важнейшей особенностью биосферы, как и деятельность "живого вещества". Даже пределы активной жизни в биосфере обусловлены возможностью нахождения здесь воды в жидком состоянии. Большое количество воды характерно для любых живых организмов настолько, что, как писал известный немецкий физиолог Э.Дюбуа-Реймон,
организм является одушевленной водой. Для живого организма связанная вода, не теряющая основных свойств, - непременный составной компонент. Количество ее в живых организмах, за исключением спор и инертных семян, колеблется от 60 до 99,7 %.
В биосфере круговорот элемента будет быстрым и устойчивым только в том случае, если вещества не только растворимы, но и летучи, т.е. если одно из соединений элемента может, подобно воде, возвращаться на сушу через атмосферу. Таких элементов в биосфере не менее трех: С, N и S. Среди их "воздушных" соединений - диоксид углерода (СО 2), метан (СН 4), свободный азот (N 2), аммиак (NH 3), сероводород (H 2 S) и диоксид серы (SO 2). Интересно, что в процессе круговорота углерод, азот и сера меняют свои валентности. Явно неслучайно, что все они находятся в биосфере в более восстановленной форме, чем в окружающей среде.
Современная биохимия полагает, что три основные химические реакции обеспечивают образование биомассы и биогенный круговорот:
фиксация углерода в процессе фотосинтеза или хемосинтеза, иначе говоря, карбоксилирование;
восстановление серы микробами - облигатными анаэробами;
восстановление азота путем присоединения водорода, т.е. гидрогенирование.
Из этих реакций только фиксация углерода непременно происходит в зеленом растении под действием солнечного света. Две другие реакции проводятся микробами в анаэробных условиях. Вода в принципе способна обращаться самостоятельно, без помощи биосферы. Но, будучи источником водорода, дающего биосфере энергию, вода не может не оказаться вовлеченной в реакции, идущие в живом веществе.
В обмене веществ между живой и неживой природой наиболее важно перераспределение газов. Растения, синтезируя органическое вещество, поглощают из атмосферы углекислый газ и выделяют кислород. Связывание в органическом веществе 1 г углерода сопровождается выделением 2,7 г кислорода. С каждого гектара луга за год в атмосферу выделяется 10-12 тыс. м 3 этого газа. Ежегодно запас кислорода пополняется на (7- 10) · 10 10 т за счет фотосинтеза зеленых растений.
Важнейшая стадия этого круговорота - фотосинтетическое восстановление диоксида углерода. По существу это реакция гидрогенирования, дающая в результате формальдегид. Источником водорода служит дегидрогенирование воды (отнятие у нее водорода); при этом попутно освобождается кислород. Такой способ накопления энергии химических связей свойствен только зеленым растениям, но аккумулированная энергия становится пригодной для использования и внутри организма для других жизненных
реакций, и в экосистеме для функционирования трофических (пищевых) цепей. Углерод, фиксированный растениями и использованный затем не только ими, но и животными, возвращается вновь окисленным до диоксида во внешнюю среду, где может включиться в любой геохимический круговорот.
Химическое восстановление азота - одна из важнейших реакций гидрогенирования - не может проводиться зелеными растениями, хотя его результат отнюдь не безразличен для них: круговороты углерода и азота тесно зависят один от другого. Без микроорганизмов, поглощающих азот из воздуха и гидрогенирующих азот (источником углерода для них служит его диоксид), весь азот биосферы вскоре перешел бы в атмосферу и остался там в устойчивой окисленной форме.
Научные предпосылки Сферическая форма планеты (ХYI-XYII, Леонардо да Винчи, Дж. Бруно, Галилео Галилей) Геологическое значение живых организмов на поверхности земного шара (XYII-XYIII, Д. Вудворд, Ж. Бюффон, Жан Батист Ламарк) 1803 г. Ламарк: применил термин биосфера для обозначения совокупности живых организмов (сфера обитания живых организмов) Начиная с XYII века не только выделяются атмосфера, гидросфера и литосфера, но и отмечается их взаимопроникновение
Научные предпосылки XIX век: Гумбольдт – о взаимодействии природных явлений Докучаев (учитель Вернадского) в «Учении о зонах природы» о «…закономерной связи между мертвой и живой природой, между растительным, животным и минеральными царствами, с одной стороны, человеком, его бытом и даже духовным миром – с другой» . Э. Зюсс – 1875 г. Под биосферой понимает не только органический мир, но и окружающую его среду.
Основные положения (эмпирические обобщения) учения Вернадского о биосфере 1926 г. «Биосфера»: «Живое вещество тоже распространено концентрически в земной коре. Область им занятая образует оболочку, которую мы называем биосферой. Эта биосфера охватывает часть литосферы и атмосферы и всю гидросферу»
Эмпирические обобщения Отмечая центральную роль живого вещества, Вернадский указывает: 1. Существует генетическая связь современного живого вещества с живым веществом прошлого, непрерывность влияния этого вещества на окружающую среду, непрерывность процессов биогеохимического выветривания. Принцип актуализма – непрерывность существования биосферы «Растекание жизни - движение, выражающееся во всюдности жизни, есть проявление ее внутренней энергии, производимой ею химической работы. Я буду называть ее геохимической энергией жизни» .
Эмпирические обобщения 2. Принцип Реди (1712 г.) – все живое от живого. В масштабе геологического времени нет геохимических данных самозарождения жизни. Никогда в течение всего геологического времени не наблюдались азойные (т. е. лишенные жизни) геологические эпохи. 3. Принцип Дана (1863) – направленность эволюционного процесса (цефализация). Появление в биосфере человека закономерно. Человек стал геологической силой на планете. 4. Лучистая энергия солнца через посредство живых организмов регулирует химическое проявление земной коры.
Эмпирические обобщения 6. Живое вещество есть планетное явление и не может быть оторвано от биосферы, геологической функцией которой оно является. 7. Космические излучения, идущие от всех небесных тел, охватывают биосферу, проникают все в ней. Биосфера – область превращений космической энергии. Вещество биосферы благодаря этой энергии становится активным. Лик Земли меняется, он не только отражение нашей планеты, но одновременно является и созданием внешних сил космоса.
Место биосферы в планетной системе «Земля» (атмосфера) Верхняя граница биосферы – верхние пределы поля существования жизни – озоновый слой на границе тропосферы и стратосферы. Верхняя граница определяется радиацией (на высоте 9000 м в десятки раз больше, чем на уровне моря, на высоте 15 км в 100 раз). Концентрация жизни с удалением от поверхности Земли снижается. В 1 куб. м воздуха содержится: Вблизи поверхности почвы – 10 -100 тыс. микроорганизмов 11 -21 км - 0, 14 организмов (грибы, бактерии) 48 -85 км - обнаружены микроорганизмы
Границы биосферы Верхние пределы поля устойчивости жизни – выше озонового экрана (85 км и выше, космос). Живые организмы присутствуют либо в покоящемся состоянии, не имея активного метаболизма, либо защищены каким-либо веществом (например, вещество железного метеорита толщиной 800 ангстрем надежное убежище для микроба).
Место биосферы в планетной системе «Земля» (гидросфера) Вся гидросфера заселена живыми организмами: от поверхностных вод океана до глубоководных впадин
Место биосферы в планетной системе «Земля» (литосфера) Литосфера – твердый слой земной коры (кора выветривания) подстилается пластичной и менее вязкой астеносферой. Литосфера сложена породами: Осадочные 12 -15 км (до 20 км) Метаморфические (граниты) Магматические (базальты) Литосфера сложена из плит (океанических и континентальных). Причина тектоники плит (горизонтальные перемещения) – тепловая конвекция в мантии Земли)
Границы в литосфере На континентальных плитах нижние пределы поля существования жизни – 2 -3 км (до 6 км) Например, микроорганизмы в водах, омывающих слои нефти (до 10 -40 тыс. в 1 мл). В океанических плитах – 0, 5 -1 км. Нижние пределы поля устойчивости жизни в литосфере определяются наличием жидкой воды (10, 5 км обнаружено), но не более 25 км, где жизнь принципиально не возможна, т. к. несмотря на высокое давление при температуре 460 градусов жидкая вода переходит в состояние пара.
Средняя мощность биосферы км (Шипунов, 1980) Широтные пояса Полярный Континентальная Океаническая область 12 13 Среднеширотный 14 15 Тропический 22 21
Организованность биосферы «Структуру биосферы удобно назвать организованностью по характеру идущих в ней геологических процессов» Подчеркивается функциональный характер этого понятия. Организованность биосферы как целого динамического образования существует лишь в рамках потоков энергии и круговорота вещества. Выделяются уровни организованности биосферы: физический, термодинамический, химический, биологический, парагенетический
Физический уровень организованности биосферы Биосферу можно рассматривать как очень сложную дисперсную систему, слагающуюся из твердой, жидкой и газообразной фаз. Во всех частях биосферы (тропосферной, гидросферной, литосферной) всегда присутствуют вещества в трех агрегатных состояниях (твердое, жидкое и газообразное). В биосфере идет переход, с активным участием живых организмов, одного агрегатного состояния в другое.
Термодинамический уровень организованности биосферы Газовая фаза связывает термодинамические части биосферы Их термодинамические свойства зависимы друг от друга (извержение вулканических газов, испарение воды и пр.) Роль живого вещества в регулировании газовой составляющей биосферы (например, связывание диоксида углерода в процессе фотосинтеза)
Химический уровень организованности биосферы Химическая структура вод биосферы: наземные (поверхностные), надземные, подземные Химическая структура газов биосферы (газы надземные, наземные, подземные) в континентальной и океанической области Химическая структура твердых тел биосферы (надземные, наземные, собственно литосферные) Химическая структура живого вещества Химическую организованность биосферы изучает биогеохимия
Биологический уровень организованности биосферы Слой 1 - надземное живое вещество фотобиосферы Продуценты (фотосинтезирующие микроорганизмы) Окружающая среда (тропосфера) Консументы Редуценты (грибы и бактерии)
Биологический уровень организованности биосферы Слой 2 - живое вещество наземной и водной фотобиосферы Продуценты (фотосинтезирующие растения и бактерии) Окружающая среда (тропосфера, гидросфера, литосфера) Консументы Редуценты (грибы и бактерии)
Биологический уровень организованности биосферы Слой 3 - живое вещество подземной и водной афотобиосферы Продуценты (хемосинтезирующие микроорганизмы) Окружающая среда (гидросфера, литосфера) Редуценты (грибы и бактерии) Консументы
Парагенетический уровень организованности биосферы «К термодинамическим, фазовым и химическим оболочкам мы должны прибавить… парагенетическую оболочку, определяющую парагенезис элементов, т. е. законы их совместного нахождения. Биосфера и является одной из таких парагенетических оболочек, наиболее нам доступной и известной» .
Живое вещество, являясь особым проявлением термодинамических, физических и химических условий планеты, постоянно стремится организовать их таким образом, чтобы иметь максимальную устойчивость своей структуры, т. е. переводит их на более сложный уровень организованности. В результате возникает парагенетическая оболочка планеты – биосфера. В биосфере проявляется парагенезис структур различных уровней организованности. Это ведет к возникновению таких сложных структур, как биокосные тела.
Категории биосферного вещества 1. Живое вещество – сумма живых организмов постоянно умирающих и рождающихся (биогенная миграция атомов осуществляет связь с другими категориями вещества). 2. Биогенное вещество (прошлое живое вещество: каменный уголь, битум, нефть, известняки и т. д.). 3. Косное вещество – абиотическое, живое вещество в его образовании не участвует. 4. Биокосное вещество – создается живыми организмами и косными процессами (почвы, природные воды, биосфера)
Биогеохимические функции живого вещества Газовая (кислородно-углекислотная, озонная и др.) Концентрационная Окислительно-восстановительная Биохимическая Биогеохимические функции человека
Организованность жизни на планетно-космическом уровне 1. В масштабе биосферы и короткого времени – совокупность живых организмов. 2. В масштабе геологического времени вся биосфера становится актуально организованной частью жизни. 3. В масштабе космического времени можно допустить, что весь космос (?) может стать потенциально организованной частью жизни, ее потенциальным телом!
Организованность жизни на планетно-космическом уровне Джеймс Лавлок (1972) идея живой планеты «Gaia» . Планета, заселенная живыми организмами, сама, как целое приобретает некоторые свойства биологического организма. Умберто Матурана и Франсиско Варела (1974 -1979) Теория аутопоэзиса, теория самопродуцирующихся автономных систем. Создана метасистемная теоретическая модель жизни.
Аутопоэтическая система взаимодействует с окружающей средой как единый коллектив, как целостность. В процессе структурного сопряжения со средой в организме происходят адаптивные структурные перестройки. В среде также происходят возмущения под воздействием организма. Среда не инертна. В процессе взаимодействия организм и среда (которая может включать другие организмы) выступают как коэволюционирующие партнеры. Биосфера является аутопоэтической системой
Ноосфера Термин введен Э. Леруа (французский математик и философ) в 1927 году: Дальнейшая эволюция живого на планете будет совершаться только духовными средствами: общество, язык, культура и т. д. И это будет ноосфера, которая последует за биосферой. Пьер Тейяр де Шарден (французский антрополог) в 1930 г. Написал книгу «Ноосфера: феномен человека» . Под ноосферой понимает отдельную оболочку Земли, сформированную в ходе эволюции материи (тангенциальной энергии) и радиальной (тонкой) энергии на планете
Ноосфера В. И. Вернадский (1935) Ноосфера – природное естественное тело, компонентами которого является литосфера, гидросфера, атмосфера и органический мир, преобразованные разумной деятельностью человека. «Взрыв научной мысли в ХХ веке подготовлен всем прошлым биосферы. Биосфера неизбежно перейдет, так или иначе, рано или поздно, в ноосферу.
ЖИВОЕ ВЕЩЕСТВО (ЖИВЫЕ ОРГАНИЗМЫ). БИОМАССА
Живое вещество - совокупность и биомасса живых организмов в биосфере.
Понятие «живое вещество» введено в науку В.И. Вернадским. Оно характеризуется суммарной массой, химическим составом, энергетикой.
Живые организмы - это мощный геологический фактор, преобразующий лик Земли. В.И. Вернадский подчеркивал, что на земной поверхности нет силы более могущественной по своим конечным результатам, чем живые организмы в целом. И атмосфера (воздушная оболочка), и гидросфера (водная оболочка), и литосфера (твердая оболочка) своим современным состоянием и присущим им свойствам обязаны тому влиянию, которое оказали на них организмы за миллиарды лет своего существования благодаря непрерывному потоку элементов в биогенном обмене веществ. Влияя на окружающий мир и изменяя его, живое вещество выступает в качестве активного фактора, определяющего и свое собственное существование.
Представление о планетарной геохимической роли живого вещества - одно из основных положений в учении о биосфере В.И. Вернадского. Другое важное положение в его теории - это представление о биосфере как об организованном образовании, продукте сложных превращений живым веществом материально-энергетических и информационных возможностей окружающей среды.
Биосферу с современных позиций рассматривают как наиболее крупную экосистему планеты, участвующую в глобальном круговороте веществ. Под системами биосферы являются экосистемы более низкого уровня. Биогеоценоз - структурная единица активной части современной биосферы.
Биосфера - продукт длительной эволюции живого и экосистем разной сложности, находящихся во взаимодействии и динамическом равновесии друг с другом и с косной средой.
Количество живого вещества организмов, приходящееся на единицу площади или объема, выраженное в единицах массы, называют биомассой. Организмы, составляющие биомассу, обладают способностью воспроизводства - размножения и распространения по планете.
Особенность любого живого организма и биомассы в целом заключается в постоянном обмене веществами и энергией с окружающей средой.
В настоящее время на Земле существует более двух миллионов видов организмов. Из них на долю растений приходится около 500 тыс. видов, а на долю животных - более 1,5 млн видов. Самая многочисленная по числу видов группа - это насекомые (около 1 млн видов).
БИОГЕННЫЙ КРУГОВОРОТ
Биохимический круговорот - это перемещение и превращение химических элементов через косную и органическую природу при активнoм участии живого вещества. Химические элементы циркулируют в биосфере по различным путям биологического круговорота: поглощаются живым веществом и заряжаются энергией, затем покидают живое вещество, отдавая накопленную энергию во внешнюю среду. Такие циклы Вернадский назвал биохимическими. Их можно подразделить на два основных типа:
1) круговорот газообразных веществ с резервным фондом в атмосфере и гидросфере;
2) осадочный цикл с резервным фондом в земной коре.
Во всех биохимических циклах активную роль играет живое вещество. К главным циклам можно отнести круговорот углерода, кислорода, азота, фосфора.
ФУНКЦИИ БИОСФЕРЫ
Благодаря биотическому круговороту биосфера выполняет определенные функции.
1. Газовая функция - осуществляется зелеными растениями в процессе фотосинтеза и всеми животными и растениями, микроорганизмами в результате биологического круговорота веществ. Большинство газов порождено жизнью. Подземные горючие газы - продукты разложения органических веществ растительного происхождения, захороненных в осадочных породах.
2. Концентрационная функция - связана с накоплением в живом веществе различных химических элементов.
3. Окислительно-восстановительная функция (окисление веществ в процессе жизнедеятельности). В почве образуются окиси, соли. Бактерии создают известняки, руды и т.д.
4. Биохимическая функция - осуществляются обмен веществ в живых организмах (питание, дыхание, выделение) и разрушение, разложение отмерших организмов.
5. Биохимическая деятельность человечества. Она охватывает все возрастающее количество вещества земной коры для нужд промышленности, транспорта, сельского хозяйства.
ОРГАНИЗОВАННОСТЬ И СТАБИЛЬНОСТЬ БИОСФЕРЫ
Биосфера - сложная организованная система, функционирующая как единое образование, способное к саморегуляции. Ее структурной единицей является биогеоценоз - одна из наиболее сложных природных систем, представляющих комплекс из живых организмов и косной среды, находящихся друг с другом в постоянном взаимодействии и связанных между собой обменом веществ и энергии. Стабильность биосферы определяется стабильностью биогеоценоза - продуктов длительного естественноисторического развития органического мира.
Важным свойством биогеоценоза является его способность к саморегуляции, которая проявляется в его устойчивом динамическом равновесии. Последнее достигается скоординированностью и сложностью тех взаимодействий, которые складываются между его составляющими - живой и неживой частями. Потребление созданного органического вещества происходит параллельно с его производством и не должно по масштабам превышать последнее. Чем многообразнее физико-химические качества среды, условия жизни в рамках биотопа, тем многообразнее видовой состав ценоза, тем более он устойчив. Отклонения условий существования от оптимума приводят к видовому его обеднению. Стабильное состояние ценоза определяется и выходом валовой продукции, обеспечивающей поток энергии через трофические уровни и сохранение всех живых компонентов, связанных друг с другом в цепи питания и участвующих в общем круговороте веществ. Сбалансированные отношения между организмами разных трофических уровней - одно из условий стабильности биогеоценоза.
В условиях непостоянства физико-химической среды надежность биогеоценоза обеспечивается суммарным перераспределением живого вещества между входящими в его состав видами, способными заменить друг друга (или дублировать) в рамках одного уровня экологической пирамиды. В определенных условиях более комфортно чувствуют себя одни виды (в связи с чем увеличивается численность их популяций) и хуже - другие, близкие им, но занимающие в биогеоценозе подчиненное положение. Смена условий может отрицательно отразиться на первых и, напротив, способствовать процветанию вторых. В зависимости от силы и продолжительности действия нового природного фактора внутри биогеоценоза происходят более или менее существенные изменения в его организации. Один из механизмов, обеспечивающих сохранность биоценозов, проявляется в способности формировать под давлением внешних факторов иную структуру с усилением «элементов дублирования».
Отдельные биогеоценозы не изолированы друг от друга; они взаимозависимы и находятся в постоянном взаимодействии. Ярким доказательством этого могут служить примеры глобального круговорота биогенных элементов, в котором принимают участие не только отдельные подсистемы, но вся биосфера и другие геосферы Земли. Сбалансированность круговоротов элементов и веществ на планете, особенно круговоротов биогенных элементов, без которых невозможна жизнь, обеспечивается постоянством всей массы живого вещества. Через живые организмы проходит большое число элементов. Фотоавтотрофами определяются скорость фиксации солнечной энергии и обеспечение ею других обитателей планеты. Зеленые растения поставляют молекулярный кислород, необходимый для существования почти всех живущих на Земле организмов; исключение составляют лишь анаэробные формы. Для обеспечения стабильности круговорота, помимо постоянства массы живого вещества, необходимо постоянство между продуцентами, консументами и редуцентами. Все вместе они создают и стабилизируют условия существования биосферы как целостного и гармоничного образования.
Экологическое дублирование на уровне видов в биогеоценозе дополняется в природе экологическим дублированием на уровне ценоза, что проявляется в смене одного биоценоза другим при изменяющихся условиях в пределах целостной биосферы.
Суммарное количество живого вещества в биосфере заметно изменяется в рамках достаточно продолжительного геологического времени (закон константности количества живого вещества В.И. Вернадского). Его количественная стабильность поддерживается постоянством числа видов, определяющим общее видовое разнообразие в биосфере.
Таким образом, биогеоценозы - среда, в которой протекают разнообразные жизненные процессы на нашей планете, круговороты веществ и энергии, вызванные жизнедеятельностью организмов и в сумме составляющие большой биосферный круговорот.
Биогеоценоз - это относительно стабильная и открытая система, имеющая вещественно-энергетические «входы» и «выходы», связывающие смежные биоценозы.
НООСФЕРА
Ноосфера (греч. noos - разум + сфера) - это высшая стадия развития биосферы, сфера влияния человеческого разума, взаимодействия природы и общества. Появившись на Земле, человек постепенно стал мощной геологической силой, воздействующей на окружающий его мир.
Понятие ноосферы как идеально мыслящей оболочки Земли ввели в науку в начале ХХ в. французские ученые и философы П. Тейяр де Шарден и Э. Леруа. П. Тейяр де Шарден рассматривал человека как вершину эволюции и преобразователя материи через включение в творчество эволюции. Основное значение в эволюционных построениях ученый придавал коллективу и духовному фактору, не умаляя роли технического прогресса и развития экономики.
В.И. Вернадский, говоря о ноосфере (1944), подчеркивал необходимость разумной организации взаимодействия общества и природы, отвечающей интересам каждого человека, всего человечества и окружающего его мира. Ученый писал: «Человечество, взятое в целом, становится мощной геологической силой. И перед ним, перед его мыслью и трудом, поставлен вопрос о перестройке биосферы в интересах свободно мыслящeгo человечества как единого целого. Это новое состояние биосферы, к которому мы, не замечая этого, приближаемся, и есть ноосфера».
Природа несет на себе следы деятельности человека в условиях разных общественно-экономических формаций, сменявших друг друга. Формы воздействия многообразны. Результаты его за последние 100- 150 (200) лет, особенно на территориях Европы и Северной Америки, превосходят таковые за всю предшествующую историю человечества. С ростом численности населения и повышением его благосостояния давление на природу становилось все большим. Считают, что в начале нашей эры на Земле насчитывалось около 200 млн человек. К тысячелетию эта цифра возросла до 275 млн; к середине ХX в. население планеты увеличилось почти в 2 раза (500 млн). За 200 лет цифра возросла до 1,3 млрд, за полвека прибавилось еще 300 млн (1900 г. - 1,6 млрд). В 1950 г. на Земле насчитывалось уже 2,5 млрд человек, в 1970 г. - 3,6 млрд, к 2025 г. ожидается цифра 8,5 млрд. Из этого числа 83% населения планеты будет проживать в развивающихся странах - в Азии, Африке, Южной Америке, где и сейчас ощутим прирост населения. Необходимо иметь представление о возможностях по жизнеобеспечению населения, чтобы избежать катастрофических последствий демографического взрыва.
Быстрый рост населения планеты делает острым вопрос о границах биологической производительности биосферы Земли. В результате активной деятельности человека в период научно-технического прогресса, направленной на повышение материального и духовного уровня всего человечества, в значительной мере истощились запасы невозобновляемых природных ресурсов. Глобальному нарушению на огромных площадях подверглись самовозобновляющиеся ресурсы, некоторые из них утратили способность к самовозобновлению. Стали мертвыми или находятся на грани между жизнью и смертью многие внутриматериковые водоемы. Мировой океан загрязнен отходами производства, разливами нефти, радиоактивными веществами, нарушен естественный круговорот - глобальный и особенно локальный - ряда жизненно важных биогенных элементов. Часто на стол потребителю попадают экологически «грязные» продукты питания и недоброкачественная питьевая вода.
Загрязнение среды и нарушение естественных местообитаний многих видов растений и животных привело к сокращению численности популяций или их вымиранию, а следовательно, к потере генофонда, создаваемого в течение миллионов лет. Под воздействием мутагенов, загрязняющих среду, появились не только новые формы вредителей агроценозов и естественных биоценозов, но и болезнетворные организмы, против которых не выработаны защитные свойства ни у человека, ни у других обитателей планеты.
Беспощадная эксплуатация природы, подчиненная удовлетворению сиюминутных запросов, не решает насущных проблем даже сегодняшнего дня, создавая неблагоприятные перспективы на будущее. Часть населения Земли недоедает и, умирает от голода (25% от всего урожая ежегодно теряется из-за сельскохозяйственных вредителей). Множество людей, среди которых преобладают дети, ежегодно умирают от заболеваний, вызванных употреблением недоброкачественной воды. Здоровье человека страдает от повышенной загрязненности окружающей среды, особенно в больших промышленных городах. Отрицательное воздействие на многих людей оказывает не только деградация экологических систем, но и нищета, возрастающее неравенство между богатыми и бедными.
Во избежание отрицательных последствий, вызванных хозяйственной деятельностью человека и стихийными бедствиями, необходимо учитывать законы, действующие в окружающей нас природе и поддерживающие ее самовозобновление. Задача охраны природы и рационального ее использования стала не только государственной, но и международной, и ее решение должно основываться на знании законов жизни и развития окружающего нас мира.
От степени осознания обществом кризисной ситуации в биосфере и от скорости его реакции зависит не только благосостояние людей, но и их жизнь.
Биосфера - это сложная термодинамически открытая система на поверхности Земли, действующая благодаря энергии Солнца и жизнедеятельности живых организмов, аккумулирующая и перераспределяющая огромные потоки вещества и энергии. Этот процесс возможен только благодаря химическим свойствам циклических, или органогенных элементов, названных так В. И. Вернадским в его геохимической классификации элементов за их способность к многочисленным химическим обратимым процессам, а история всех этих элементов может быть выражена циклами.
Понятие «живое вещество» и весь комплекс представлений о его геохимической деятельности введены в науку В. И. Вернадским. В 1919 г. он писал: «Под именем живого вещества я буду подразумевать всю совокупность всех организмов, и животных, в том числе и человека. С геохимической точки зрения эта совокупность организмов имеет значение только той массой вещества, которая ее составляет, ее химическим составом и связанной с ней энергией. Очевидно, только с этой точки зрения имеет значение живое вещество и для почвы, так как, поскольку мы имеем дело с химией почв, мы имеем дело с частным проявлением общих геохимических процессов. Живое вещество, вошедшее в состав почвы, обусловливает в ней самые разнообразные изменения ее свойств, обычно не учитываемые в почвоведении. На первом месте я остановлюсь здесь на его влиянии на мелкозернистость почвы, ибо это свойство почвы является самым основным и резким ее отличием от всех других продуктов земной поверхности. Оно же определяет ход всех химических реакций в почве и делает из почвы активнейшую область с химической точки зрения в биосфере».
Тогда же ученый впервые высказал мысль о совместном нахождении химических элементов в живом веществе, которое определяется биологическими свойствами организмов, а не химическими свойствами элементов.
Для построения живых организмов из 105 химических элементов обязательны шесть - углерод, азот, водород, кислород, фосфор, сера. Для них характерны малый атомный вес, легкость отдачи и присоединения электронов. Главный элемент среди них - углерод. Благодаря способности атомов соединяться в цепи углерод может образовывать бесконечное множество соединений. Остальные пять элементов также чрезвычайно легко образуют общие электронные пары с атомами других элементов, в том числе и друг с другом.
Что касается количества накапливаемых элементов, то 99,9% живой массы организмов составляют элементы «исходной дюжины»: Н, С, N, О, Na, Mg, Р, S, С1, К, Са, Fe. Все они относятся к первым 26 элементам периодической системы, на что обратил внимание еще Д. И. Менделеев. Живая масса на 99% образована всего четырьмя элементами - Н, С, N, О, которые отличаются высокой реакционноспособностью, имеют хорошо растворимые соединения и активно взаимодействуют с углеродом.
В биосфере круговорот элемента будет быстрым и устойчивым только в том случае, если этот элемент не только растворим, но и летуч, т.е. если одно из его соединений может, подобно воде, возвращаться на сушу через .
Таких элементов в биосфере не менее трех: углерод, азот и сера. Среди их «воздушных» соединений - двуокись углерода (С02), метан (СН4), свободный азот (N2), аммиак (NH3), сероводород (H2OS) и двуокись серы (S02). Интересно, что в процессе круговорота углерод, азот и сера меняют свою валентность. Все они находятся в биосфере в более восстановленной форме, чем в окружающем мире.
В обмене веществ между живой и неживой природой наиболее важно перераспределение газов. Растения, синтезируя органическое вещество, поглощают из атмосферы углекислый газ и выделяют кислород. Связывание в органическом веществе 1 г углерода сопровождается выделением 2,7 г кислорода. С 1 га луга за год в атмосферу выделяется 10 - 12 тыс. м3 кислорода.
Важнейшая стадия круговорота - восстановление двуокиси углерода. По существу, это реакция присоединения водорода, дающая в результате формальдегид. Источником водорода служит дегидрирование воды (отнятие у нее водорода), при этом попутно освобождается кислород. Такой способ накопления энергии химических связей свойствен только зеленым растениям, но аккумулированная энергия становится пригодной для других жизненных реакций и для функционирования трофических () цепей. Углерод, фиксированный растениями и использованный затем не только ими, но и животными, возвращается во внешнюю среду, где может включиться в любой из геохимических круговоротов. Напомним, что для биосферы характерно не только присутствие живого вещества. В ней в значительных количествах содержится жидкая вода, принимает на себя мощный поток энергии солнечных лучей, в биосфере лежат поверхности раздела между веществами, находящимися в одной из трех фаз — твердой, жидкой и газообразной. Благодаря этому для биосферы характерен непрерывный круговорот вещества и энергии, в котором активнейшую роль играют живые организмы.