Потоки энергии и вещества в биосфере неразрывно связаны с потоками информации. Ранее мы рассмотрели, что способность восприни­мать, накапливать и использовать информацию является одной из главных особенностей живого вещества. Эта способность не­разрывно связана с построением упорядоченных структур (организма, популяции, биоценоза и т.д.).

Благодаря биологической эволюции живые организмы выра­ботали множество механизмов адаптации ,то есть приспособле­ния к условиям жизни. Более того, само строение и физиология организмов есть результат адаптации. Первое, чему должны были научиться живые организмы, - это различать в окружаю­щей среде молекулы и частицы, пригодные в пищу, от инертных или опасных. Так возникли хеморецепторы,сохраненные у рас­тений и высших животных в виде вкуса и обоняния. Это уже ин­формационная связь организма с внешним миром. Как только образовалась живая клетка и в ней специализированные органеллы, потребовался обмен информацией между ними. Перво­начально обмен веществ и энергией внутри клетки являлся од­новременно и обменом информационными сигналами. Однако нуклеиновые кислоты (ДНК и информационная РНК) стали вы­полнять преимущественно информационные функции. По мере усложнения органических структур появились гормоны и гормоноподобные вещества с их чисто информационно-командными функциями. Специализированные железы внутренней секреции, генерирующие эти вещества, образовали эндокринную систему управления организмом.

С увеличением размеров животные уже не могли обходиться только химическими информационными связями. Слишком мед­ленными оказываются процессы передачи информации. Так поя­вилась нервная система, использующая быстрые электрические сигналы, и новые органы чувств (рецепторы)- зрение и слух, да­ющие информацию об окружающей среде на больших расстояни­ях и практически мгновенно. Увеличение количества и качест­венные изменения поступающей извне информации, а также не­обходимость согласованных движений всех органов тела привели к образованию центральной нервной системы. При этом железы внутренней секреции, занимающие наивысшее положение в эн­докринной системе - гипоталамус и гипофиз,расположились в головном мозге (скорее мозг возник вокруг них) и обеспечивают согласование действий нервной и эндокринной систем.

С развитием нервной системы у животных появилась спо­собность обмена зрительными и звуковыми сигналами, а следом за тем и способность к обучению потомства. Эта последняя спо­собность неразрывно связана с появлением головного мозга и свободной, незаполненной изначально памяти. Накопленная живым организмом информация разделилась на врождённую, переданную химическим путём от предков, и приоб­ретённую, полученную сигнальным путём за счёт обучения и собственного опыта.

Важнейшим свойством живого вещества, принципиально от­личающим его от косной материи, является передача наследст­венной информации из поколения в поколение. Эта связь осу­ществляется с помощью генетического кода, носителями кото­рого служат нуклеиновые кислоты.

Принципиальным адаптационным шагом в эволюции ока­зался переход от вегетативного к половому размножению. Дело в том, что под воздействием внешних факторов, прежде всего ра­диационного фона, химических веществ и вирусной инфекции, в спиралях дезоксирибонуклеиновой кислоты возникают нарушения или мутации,то есть наследственная информация может портиться. При вегетативном, бесполом размножении у популя­ции нет иного способа исправить эти нарушения кроме гибели носителей вредных мутаций. Половое размножение даёт воз­можность корректировать ошибки, возникшие в генетическом коде, так как вероятность одинаковых нарушений у обоих роди­телей мала. Именно поэтому опасны браки между кровными родственниками, когда вероятность одинаковых хромосомных дефектов у обоих родителей резко возрастает, и, напротив, по­томство отдалённых генетических линий бывает особенно силь­ным и жизнеспособным.

При вегетативном размножении говорить об индивидуаль­ном биологическом возрасте особи в принципе бессмысленно. Понятие возраста особи возникает вместе с половым размноже­нием, причём механизм запрограммированного старения поя­вился, скорее всего, на поздних этапах эволюции. Такие древ­ние виды, как крокодилы, черепахи или акулы, ещё этого меха­низма, по-видимому, не имеют. Они потенциально бессмертны и погибают от болезней, врагов или в силу изменения условий обитания. Запрограммированное старение и смерть от старо­сти - пример адаптационного признака, полезного для вида в целом, но не для отдельного организма. Они обеспечивают сме­ну поколений и отбор генофонда в популяции, позволяющие ей эффективно адаптироваться к постепенным изменениям среды обитания.

Динамика биосферы

Биосфере, как и любой другой природной системе, свойственна динамика . Этот термин означает систему закономерных изменений состоя­ния среды обитания живых организмов и соответственно состояния самих этих организмов, а также непрерывных нарушений последнего.

Как известно, к границам биосферы подходят различные виды космических, и прежде всего солнечных, потоков вещества и энер­гии (видимый свет, тепловые инфракрасные лучи, ультрафиолетовое и радиоактивное излучение, а также коротковолновое и рентгено­вское излучение); большая их часть задерживается в высоких слоях атмосферы и на границе ее с космическим пространством. При этом первопричиной динамики биосферы является поток поступающей на Землю солнечной энергии. Проходя через атмосферу и попутно взаи­модействуя с ней, он определяет совокупность климатических про­цессов. Конкретные состояния последних в каждом месте в каждый момент времени называют погодой .

Именно постоянные изменения погодных условий служат глав­ной причиной разнообразных колебательных изменений в природе биосферы. Как известно, атмосфера нагревается неравномерно, что в свою очередь заставляет воздух постоянно перемешиваться; при этом неоднородность земной поверхности весьма осложняет указанное пе­ремешивание. При этом необходимо учитывать и воздействие мате­риков и океанов. Так, материки усиливают температурные контрас­ты: зимой вблизи полюсов они сильнее охлаждаются, а летом в тро­пиках сильнее прогреваются. Напротив, океаны эти контрасты ослабляют.

Воздушные потоки в жизни биосферы играют большую роль. Благодаря им доставляются сотни миллиардов тонн воды из океанов, которые далее увлажняют сушу, они же приносят почти весь необхо­димый для жизненных процессов йод. Однако в результате воздей­ствия многих факторов траектории воздушных потоков периодически отклоняются от средних положений. Из-за этого в различных местах земли наступают заморозки или оттепели, засухи или дожди, сти­хийные бедствия или, напротив, периоды устойчивости природных факторов.

Обязателен учет роли геологических факторов, которые прелом­ляют и конкретизируют влияние изменений погодных процессов на природу. В частности, действие заморозков ослабевает в положи­тельных и усиливается в отрицательных формах рельефа, засуха силь­нее проявляется не только на южных, но и на глинистых склонах. Наконец, при прогнозировании последствий изменения погоды нельзя не учитывать роль почвенного покрова и, прежде всего его замедлен­ную реакцию на изменения погодных условий. Она в свою очередь тормозит реакцию растительности на изменения последних, что оп­ределенным образом стабилизирует состояние всего живого покрова. Указанное явление торможения проявляется, в частности, в том, что атмосферная засуха может быть весьма сильной, но в почве, тем не менее, имеются запасы влаги, которые остались в ней от преды­дущих лет. Поэтому дефицит влаги проявляется не так остро.

Вышеизложенное следует увязывать с тем, что скорость реакции различных видов живых существ на изменение погоды (при наличии взаимосвязи между ними) обусловливает непрямолинейность влия­ния погодных условий на экологические системы. Поэтому биоти­ческие факторы служат одновременно источником как автоколеба­ний природных сообществ, так и их стабилизации.

Огромную роль в динамике биосферы играют геокосмические рит­мы. Очевидно, что вся­кое количественное или качественное изменение в притоке космичес­кой энергии сказывается на состоянии исключительно чувствительных передающих систем (атмосферы, гидросферы и почвы), а затем и на существующей за счет энергии Космоса биосфере. В частности, была установлена связь колебаний численности видов живых существ, урожаев, динамики заболеваемости населения с солнечными процес­сами. Однако следует иметь в виду, что космические ритмы очень разнообразны. Так, наряду с хорошо изученными 11,5-летними солнечны­ми циклами существует множество других - от одномесячных лунных до длящихся миллиарды лет галактических ритмов. Налагаясь друг на друга, эти ритмы оказывают сложные интегральные воздействия на жи­вые организмы, характер которых до сих пор до конца не ясен.

Ныне, на динамику биосферы огромное влияние оказывает челове­ческая деятельность. При этом она в отличие от естественных экологических факторов, обусловливает не колебательные, а преимущественно поступательные изменения приро­ды. Так, развитие водного транспорта влечет за собой создание кана­лов, соединяющих различные речные системы, и, соответственно, раз­витие обменов элементами флоры и фауны между водными бассейна­ми. Что касается колебательных явлений в природе, связанных с человеческой деятельностью, то они весьма редки. Это либо ритми­ческие, часто многолетние процессы смены культурных растений в се­вообороте, либо аномальные явления.

Устойчивость биосферы

Что же позволяет жизни во всех ее формах и проявлениях быть достаточно устойчивой во времени и пространстве? В попытке ответить на этот весьма сложный вопрос следует учесть, что жизнь в значительно большей степени есть явление космическое, нежели земное. Результаты исследований последних лет показывают, что строение, эволюция биосферы, как и устойчивость последней, предопределены начальными условиями, которые существовали до современного состояния Вселенной, и самим происхождением Кос­моса.

Характеризуясь, огромной энер­гией, космическое излучение способно за относительно короткий срок разложить на ионы и электроны весь воздух атмосферы, а следова­тельно, уничтожить жизнь на планете. Однако этого, к счастью, не происходит. Дело в том, что Земля представляет собой своеобразный магнит, его силовые линии окружают земной шар и образуют вокруг него магнитосферу , которая защищает живые организмы от солнеч­ного ветра. Однако некоторые частицы солнечной плазмы с высокой энергией могут проникать сквозь радиационные пояса и даже дости­гать биосферы.

Итак, магнитное поле есть важнейший защитник жизни на Зем­ле, без которого она не смогла бы зародиться в прошлом, не смогла бы сохраниться в настоящем. Но наряду с этим есть и другие факто­ры стабильности, порожденные самим живым веществом биосферы.

Важнейшим фактором возникновения и развития биосферы стало создание автотрофными организмами кис­лородной среды на Земли. С появлением такого химического активного элемента, как кислород в свободном, т.е. молекулярном состоянии, существенно изменились процессы минералообразования в поверх­ностных слоях геологической оболочки планеты, а следовательно, резко изменились и все химические факторы существования живого вещества. С другой стороны, наполнение атмосферы кислородом способствовало появлению в ней озона и формированию озонового слоя .

Образование озона в стратосфере связано с реакцией фотодиссоциа­ции поступающего туда молекулярного кислорода под воздействием уль­трафиолетового излучения Солнца. Основное количество озона сосредоточено в стратосфере на вы­сотах 15-25 км (верхняя граница его распространения - до 45 км), где он образует озоновый слой или озоносферу. Основная масса озо­на образуется в экваториальной зоне и распространяется затем атмос­ферными движениями к полюсам непосредственно. У поверхности Земли озон появляется только во время грозовых разрядов.

Расчеты показали, что если все содержащиеся в атмосфере моле­кулы озона равномерно распределить над поверхностью Земли, то толщина образовавшейся оболочки составит лишь около 3 мм. Несмотря на крайне низкое количественное содержание, этот газ имел и продолжает иметь неоценимое эколого-биологическое значе­ние, так как слой озона практически полностью поглощает поток ко­ротковолновых УФ-лучей Солнца с длиной волны 200-280 нм и около 90% ультрафиолетового излучения с длиной волны 280-320 нм. Та­ким образом, озоновый слой является охранным щитом от жесткого, короче 280 нм, УФ-излучения, крайне опасного для всего живого на планете. При этом наблюдения и расчеты ученых выявили, что если общее содержание озона сократится всего лишь на 10-20%, то на каж­дый процент такого сокращения придется приблизительно 2%-ное уве­личение потока в вышеуказанной полосе УФ-излучения.

Стабильность биосферы, помимо вышесказанного, в значительной степени основывается на высоком видовом разнообразии живых организмов , отдельные груп­пы которых выполняют различные функции в поддержании общего потока вещества и распределения энергии, на теснейшем переплете­нии и взаимосвязи биогенных и абиогенных процессов, на согласо­ванности циклов отдельных элементов и уравновешивании емкости отдельных экологических ниш. В биосфере действуют сложные системы об­ратных связей и зависимостей.

Итак, биосфера теснейшим образом связана с Космосом. Потоки космической энергии создают на Земле условия, обеспечивающие жизнь. При этом находящиеся за пределами биосферы магнитное поле Земли, возникшее задолго до появления жизни, а также озоновый экран, яв­ляющийся порождением живого вещества планеты, защищают жизнь на ней от губительного космического излучения и интенсивной солнечной радиации. С другой стороны, находясь, образно говоря, между моло­том и наковальней (снаружи - враждебный Космос, внутри Земли - огромное раскаленное ядро), жизнь активно ищет пути поддержания своего существования и развития. Отсюда следует вывод, что стабиль­ное состояние биосферы обусловлено в первую очередь деятельностью самого живого вещества, обеспечивающей определенную скорость фик­сации солнечной энергии и биогенной миграции атомов. Жизнь на пла­нете Земля сама стабилизирует и, согласно В.И. Вернадскому, «как бы само создает себе область жизни». Это закладывает основу для длитель­ного ее развития.

Здесь уместно привести принцип Ле Шателье-Брауна :при внеш­нем воздействии, выводящем экологическую систему из состояния ус­тойчивого равновесия, равновесие смещается в том направлении, при котором эффект внешнего воздействия ослабляется.

Однако стабильность биосферы имеет определенные пределы и нарушение ее регуляторных возможностей чревато серьезными по­следствиями. На это, в частности, указывает правило одного процен­та :изменение энергетики природной системы в среднем на 1% выводит последнюю из состояния гомеостаза (равновесия). Данное правило подтверждается исследованиями в области глобальной климатологии и других геофизических, а также биофизических процессов. Так, все крупные природные явления на поверхности Земли (извержения вул­канов, мощные циклоны, процесс глобального фотосинтеза и т.п.), как правило, имеют суммарную энергию, не превышающую 1% энер­гии солнечного излучения попадающего на поверхность Земли. Пе­реход энергетики процесса за это значение обычно приводит к рез­ким аномалиям - климатическим отклонениям, переменам в харак­тере растительности, крупным лесным и степным пожарам. Все это следует учитывать при планировании отдельных видов хо­зяйственной деятельности глобального масштаба.

Ноосфера

Венцом учения В.И. Вернадского о биосфере стало учение о ноосфере. Ноосфера («мыслящая оболочка», сфера разума) - выс­шая стадия развития биосферы. Это «сфера взаимодействия природы и общества, в пределах которой разумная человече­ская деятельность становится главным, определяющим фак­тором развития».

Почему возникло понятие «ноосфера»? Оно появилось в связи с оценкой роли человека в эволюции биосферы. Непре­ходящая ценность учения В. И. Вернадского о ноосфере именно в том, что он выявил геологическую роль жизни, живого ве­щества в планетарных процессах, в создании и развитии био­сферы и всего разнообразия живых существ в ней. Среди этих существ он выделил человекакак мощную геологическую силу . Эта сила способна оказывать влияние на ход биогеохи­мических и других процессов в охваченной ее воздействием среде Земли и околоземном пространстве (пока «ближний» Космос). Вся эта среда весьма существенно изменяется чело­веком благодаря его труду. Он способен перестроить ее со­гласно своим представлениям и потребностям, изменить фак­тически ту биосферу, которая складывалась в течение всей геологической истории Земли.

В. И. Вернадский писал, что становление ноосферы «есть не случайное явление на нашей планете», «создание свобод­ного разума», «человеческого гения», а «природное явление, резко материально проявляющееся в своих следствиях в окру­жающей человека среде». Иными словами, ноосфера - окружающая человека среда, в которой природные процессы обмена веществ и энергии кон­тролируются обществом.

Человек, по мнению В. И. Вернадского, является частью биосферы, ее «определенной функцией». Подчеркивая тесную связь человека и природы, он допускал, что предпосылки воз­никновения человеческого разума имели место еще во време­на животных, предшественников Homo sapiens, и проявление его началось миллионы лет назад, в конце третичного перио­да. Но как новая геологическая сила смог проявить себя толь­ко человек.

Воздействие человеческого общества как единого целого на природу по своему характеру резко отличается от воздей­ствий других форм живого вещества. В. И. Вернадский пи­сал: «Раньше организмы влияли на историю тех атомов, ко­торые были нужны им для роста, размножения, питания, ды­хания. Человек расширил этот круг, влияя на элементы, нуж­ные для техники и создания цивилизованных форм жизни», что и изменило «вечный бег геохимических циклов».

Эти гениальные мысли В. И. Вернадского позволили ря­ду ученых допустить в дальнейшем и такой ход событий в эволюции биосферы, как коэволюцию между человеческим обществом и природной средой, в результате чего и возник­нет ноосфера, но это будет происходить благодаря «новым фор­мам действия живого вещества на обмен атомов живого ве­щества с косной материей». Он считал, что «геологически мы переживаем сейчас выделение в биосфере царства разума, ме­няющего коренным образом и ее облик, и ее строение, - ноо­сферы».

Заключение

Анализируя представления В. И. Вернадского о ноосфере, надо отметить, что ломка развития человеческой деятельности должна идти не вопреки, а в унисон с организованностью биосферы, ибо человечество, образуя ноо­сферу, всеми своими корнями связано с биосферой. Ноосфе­ра - естественное и необходимое следствие человеческих уси­лий. Это преобразованная людьми биосфера соответственно по­знанным и практически освоенным законам ее строения и раз­вития. Рассматривая такое развитие биосферы в ноосферу с по­зиций системного подхода, можно заключить, что ноосфера - это новое состояние некоторой глобальной суперсистемы как совокупности трех мощных подсистем: «человек», «производ­ство» и «природа», как трех взаимосвязанных элементов при активной роли подсистемы «человек». Ста­новление ноосферы, по В. И. Вернадскому, - процесс длитель­ный, но ряд ученых полагают, что человечество уже вступило в период ноосферы, хотя многие считают, что пока об этом говорить рано, так как то, что сейчас происходит во взаимодей­ствии человека и природы, трудно увязать с наступлением эпо­хи разума. Тем не менее прогресс человеческого разума и науч­ной мысли ноосферы налицо: они вышли уже за пределы био­сферы Земли, в Космос и глубины литосферы. По мнению многих ученых - ноосфера в будущем станет особой областью Солнечной системы. «Био­сфера перейдет так или иначе, рано или поздно в ноосферу... На определенном этапе развития человек вынужден взять на себя ответственность за дальнейшую эволюцию планеты, ина­че у него не будет будущего», - утверждал В. И. Вернадский.

Литература

Бродский А.К. Краткий курс общей экологии: Учебное пособие.- СПб.: ДЕАН. 2000. 224 с.

Воронцов А.И. и др. Охрана природы: Учебники и учебные пособия для техникумов.- М.: Агропромиздат, 1989.- 303 с.

Гальперин М.В. Экологические основы природопользования: Учебник.- М.: ФОРУМ: ИНФРА-М, 2002. - 256 с.

Коробкин В. И., Передельский Л.В. Экология. изд. 6-е, доп. и переработ.- Ростов н/Д: изд-во «Феникс», 2000. - 576 с.

Радкевич В.А. Экология: Учебник. - Минск: Высшая школа, 1997.

Реймерс Н.Ф. Природопользование. - М.: Мысль, 1990.

Реймерс Н.Ф. Экология (теория, законы, правила, принципы и гипотезы). - М.: «Россия молодая», 1994.

Экология: Учебное пособие / Под ред. проф. В.В. Денисова. Серия «Учебный курс». - Ростов н/Д: Издательский центр «МарТ», 2002. - 640 с.

Поддержание жизнедеятельности организмов и круговорот веществ в экосистемах возможны только за счет постоянного притока энергии. Более 99% энергии, поступающей на поверхность Земли, составляет излучение Солнца. Эта энергия в огромном количестве растрачивается на физические и химические процессы в атмосфере, гидросфере и литосфере: перемешивание воздушных потоков и водных масс, испарение, перераспределение веществ, растворение минералов, поглощение и выделение газов.[ ...]

Только 1/2000000 часть солнечной энергии достигает поверхности Земли, при этом 1- 2% ее ассимилируется растениями. На Земле существует единственный процесс, при котором энергия солнечного излучения не только тратится и перераспределяется, но и связывается, запасается на очень длительное время. Этот процесс - создание органического вещества в ходе фотосинтеза. Сжигая в топках каменный уголь, мы освобождаем и используем солнечную энергию, запасенную растениями сотни миллионов лет назад.[ ...]

Основная планетарная функция растений (аутотрофов) заключается в связывании и запасании солнечной энергии, которая затем расходуется на поддержание биохимических процессов в биосфере.[ ...]

Первый трофический уровень - это продуценты, создатели растительной биомассы; растительноядные животные (консументы 1-го порядка) относятся ко второму трофическому уровню; плотоядные животные, живущие за счет растительноядных форм - это консументы 2-го порядка; плотоядные, поедающие других плотоядных - консументы 3-го порядка и т.д.[ ...]

Энергетический баланс консументов складывается следующим образом. Поглощенная пища обычно усваивается не полностью. Процент усвояемости зависит от состава пищи и наличия пищеварительных ферментов организма. У животных ассимилируется в процессе обмена веществ от 12 до 75% пищи. Неусвоенная часть пищи вновь возвращается во внешнюю среду (в виде экскрементов) и может быть вовлечена в другие цепи питания. Большая часть энергии, полученной в результате расщепления пищевых веществ, расходуется на физиологические процессы в организме, меньшая часть - трансформируется в ткани самого организма, т.е. расходуется на рост, увеличение массы тела, откладывание запасных питательных веществ.[ ...]

Передача энергии в химических реакциях в организме происходит, согласно второму закону термодинамики, с потерей части ее в виде тепла. Особенно велики эти потери при работе мышечных клеток животных, коэффициент полезного действия которых очень низок.[ ...]

Траты на дыхание также во много раз больше энергетических затрат на увеличение массы организма. Конкретные соотношения зависят от стадии развития и физиологиче-ского состояния особей. У молодых особей траты на рост больше, тогда как зрелые особи используют энергию практически исключительно на поддержание обмена веществ и физиологических процессов.[ ...]

Таким образом, большая часть энергии при переходе от одного звена пищевой цепи к другому теряется, т.к. использована другим, следующим звеном может быть только энергия, заключенная в биомассе предыдущего звена. Подсчитано, что эти потери составляют около 90%, т.е. только 10% потребленной энергии аккумулируется в биомассе.[ ...]

В соответствии с этим, запас энергии, накопленный в растительной биомассе, в цепях питания стремительно иссякает. Потерянная энергия может быть восполнена только за счет энергии Солнца. В связи с этим, в биосфере не может быть круговорота энергии, подобного круговороту веществ. Биосфера функционирует только за счет однонаправленного потока энергии, постоянного поступления ее извне в виде солнечного излучения.[ ...]

Трофические цепи, которые начинаются с фотосинтезирующих организмов, называются цепями потребления, а цепи, которые начинаются с отмерших остатков растений, трупов и экскрементов животных - детритными цепями разложения.

Поток энергии в биосфере. Энтропийность биосферных процессов. Закономерности эволюции биосферы: принцип Реди; закон глобального замыкания биогеохимического круговорота; закон увеличения доли биологического компонента в замыкании биогеохимического круговорота веществ

Биосфера представляет оболочку Земли, включающую в себя как область распространения живого вещества, так и само это вещество.

Вернадский показал, что ведущим фактором, преобразующим лик Земли, является жизнь. В современном понимании биосфера Земли представляет собой открытую систему со своими «входом» и «выходом».

Границы биосферы

• · Верхняя граница в атмосфере: 15--20 км. Она определяется озоновым слоем, задерживающим коротковолновое ультрафиолетовое излучение, губительное для живых организмов.
• · Нижняя граница в литосфере: 3,5--7,5 км. Она определяется температурой перехода воды в пар и температурой денатурациибелков, однако в основном распространение живых организмов ограничивается вглубь несколькими метрами.
• · Граница между атмосферой и литосферой в гидросфере: 10--11 км. Определяется дном Мирового Океана, включая донные отложения.

Организация любой системы зависит от числа ее компонентов и их иерархии. Каждая система имеет несколько уровней организации. Биосфера является наиболее сложной и высокоорганизованной системой.

Современное состояние любой природной системы рассматривается как определенная стадия развития в процессе ее эволюционирования. В современном понимании биосфера Земли - глобальная открытая саморегулирующаяся система, работающая на солнечной энергии. Продукты жизнедеятельности в конечном итоге имеют выход в геологию, т. е. на время выводятся из биосферного круговорота. Саморегулирование биосферы Земли обеспечивается живыми организмами. Биосферу можно рассматривать как кибернетическую систему, которая только тогда обладает устойчивостью для блокирования внешних и внутренних возмущений, когда она имеет достаточное внутреннее разнообразие.

Вещественное и энергетическое взаимодействие всех составляющих биосферу частей между собой и окружающей средой составляет основу экологии.

Для оптимального природопользования оценивают экологическое качество среды (в условных единицах). Точкой отсчета для оценки изменений служит некое фоновое состояние природной среды, которое не подвержено локальным антропогенным воздействиям. С экологических позиций антропогенное воздействие (тепловое, акустическое, световое, химическое, радиационное) создает помехи, которое повышает фоновое состояние (стандарт). Эти антропогенные помехи в отличие от естественых ведут не к отбору, а к угнетению и гибели организмов.

В основу стратегии развития биосферы положены следующие принципы:

• 1. Технический прогресс не только желателен, но и жизнено необходим.
• 2. Народонаселение и ресурсы не могут расти беспредельно.
• 3. Оптимальная емкость среды неизвестна.
• 4. Создания социально-экономического механизма гомеостаза в системе «человек-природа».
• 5. Соблюдение законов оптимальности.

Поток энергии в биосфере складывается из энергии Солнца и внутренней энергии Земли. Однако энергетический обмен охватывает все составные части биосферы, включая и живое вещество.

Биосфера начала формироваться не позднее, чем 3,8 млрд. лет назад, когда на нашей планете стали зарождаться первые организмы. Биосфера представляет собой совокупность всех живых организмов. В ней обитает более 3 000 000 видов растений, животных, грибов и бактерий. Проходящие в биосфере процессы постоянно меняются, в зависимости от окружающих факторов.

Эволюция биосферы - сложный, многогранный процесс, участниками которого являются не только живые организмы, но и многочисленные силы природы как земного, так и космического происхождения. Потому познание закономерностей эволюции - непростой вопрос, волновавший умы многих естествоиспытателей с глубокой древности. Несомненно, огромный вклад в анализ эволюции биосферы, до сих пор не оценённый в должной мере, сделан В.И. Вернадским. В рамках учения о биосфере он не только рассмотрел основополагающую роль живого вещества в функционировании биосферы, но и глубоко проанализировал направленность различных процессов в ходе её развития. Не случайно это дало основание Д. Гринвальду (Grinevald, 1996) назвать Вернадского «отцом глобальной экологии".

Деятельность человечества давно приобрела глобальные аспекты. Переход биосферы в ноосферу и обусловлен тем, что антропогенный фактор становится всё более определяющим биосферные процессы и, в конечном итоге, эволюцию биосферы. Возросшая сеть научных наблюдений фиксирует разнообразные проявления глобальных изменений природной среды и очень часто с негативных позиций. Действительно, фиксируемые этой сетью результаты дают повод говорить об имеющих место необратимых изменениях биосферы, исчезновении видов и даже возможной гибели человеческой цивилизации.

Однако насколько достоверны выводы на основании этих ничтожных по длительности в сравнении с историей Земли и биосферы наблюдений? В чем причины тех следствий, которые мы наблюдаем в природе? Насколько реальны апокалипсические предупреждения работ Римского клуба? Погубит ли человечество себя на Земле или его ждет миссия заселения Вселенной? Реализуется ли идея ноосферы или это очередной миф, и человек исчезнет как его многочисленные предшественники в цепочке эволюции?

История биосферы - непрерывный процесс необратимых изменений атмосферы, гидросферы, литосферы, происходящих с активнейшим участием живого вещества. История биосферы - это чреда глобальных катастроф, приводящих к перестройке климата, рельефа, к глобальным вымираниям живых организмов. Но каждый раз после таких катастроф развитие продолжалось, жизнь восстанавливалась, и более того, активность живого вещества (в т.ч. биоразнообразие) как правило после этого превосходило свой прежний уровень.

Выдающиеся открытия ХХ века в биологии, палеонтологии, генетике, экологии дают новый импульс к анализу закономерностей процессов развития, эволюции биосферы, на основании которых следует строить научно обоснованные прогнозы дальнейшей судьбы биосферы и человеческой цивилизации. Знание экологических процессов и их изменений во времени даёт возможность понять истинные причины современных демографических процессов, оценить продукционный и ассимиляционный потенциалы биосферы, помочь человечеству преодолеть потребительское отношение к природным ресурсам и найти новое понимание целей развития цивилизации.

Эволюция живого началась с возникновения форм преджизни, а затем и праорганизмов. И с этого геологического «момента» начал действовать принцип Реди: живое происходит только от живого, между живым и неживым веществом существует непроходимая граница, хотя и имеется постоянное взаимодействие. Обобщение, сделанное итальянским естествоиспытателем и врачом Франциско Реди (1626-1698), было заново сформулировано В.И. Вернадским в 1924 году.

Закон глобального замыкания биогеохимического круговорота - биосфера не может существовать без замыкания биогеохимических циклов (круговоротов элементов) веществ.

Беспрерывная циркуляция в биосфере химических элементов, переход их из внешней среды в организмы и обратно. Биогеохимические круговороты: круговорот воды, газообразных веществ, химических элементов.

В отличие от энергии, которая однажды использованная организмом, превращается в тепло и теряется для экосистемы, вещества циркулируют в биосфере, что и называется биогеохимическими циклами. Из 90 с лишним элементов, встречающихся в природе, около 40 нужны живым организмам. Наиболее важные для них и требующиеся в больших количествах: углерод, водород, кислород, азот. Кислород поступает в атмосферу в результате фотосинтеза и расходуется организмами при дыхании. Азот извлекается из атмосферы благодаря деятельности азотофиксирующих бактерий и возвращается в неё другими бактериями. Закон увеличения доли биологического компонента в замыкании биогеохимического круговорота веществ. Колчинский выделяет следующие тенденции в эволюции биосферы: постепенное увеличение общей ее биомассы и продуктивности; прогрессивное накопление аккумулированной солнечной энергии в поверхностных оболочках Земли; увеличение информационной емкости биосферы, проявляющейся в нарастающей диверсификации (росте разнообразия) органических форм, увеличении числа геохимических барьеров и возрастании дифференцированности физико-географической структуры биосферы; усиление некоторых биогеохимических функций живого вещества и появление новых функций; усиление преобразующего воздействия жизни на атмосферу, гидросферу и литосферу и увеличение роли живого вещества и продуктов его жизнедеятельности в геологических, геохимических и физико-географических процессах; расширение сферы действия биотического круговорота и усложнение его структуры.

Рассмотрите рисунки 230-234. Какие химические соединения используют организмы в круговоротах веществ? Какое значение имеют процессы фотосинтеза, испарения воды, дыхания, азотофиксации для обеспечения круговоротов веществ и потока энергии в биосфере?

Все составляющие биосферу компоненты и происходящие в ней процессы тесно взаимосвязаны. Стабильность биосферы поддерживается постоянно происходящими в ней круговоротами веществ и превращением энергии. Круговороты разнообразны по масштабам и качеству явлений, например, круговорот воды, круговорот углерода, круговорот азота. Они осуществляются с участием всех компонентов биосферы и входят в состав единого биогеохимического круговорота.

Биогеохимический круговорот - обмен веществ и превращение энергии между различными компонентами биосферы, связанные с деятельностью ее организмов.

Основной движущей силой биогеохимического круговорота является непрерывно происходящий в биосфере поток энергии, связанный с деятельностью живого вещества.

Организмы нуждаются в энергии для поддержания своей жизнедеятельности. Энергия в биосфере существует в нескольких формах. Известны механическая, химическая, тепловая, электрическая и другие формы энергии. Переход одной формы энергии в другую, называемый преобразованием энергии, подчиняется закону сохранения энергии, который гласит, что энергия может превращаться из одной формы в другую, но не может быть создана или уничтожена.

Основной источник энергии в биосфере - это энергия Солнца (рис. 228). Она нагревает атмосферу и гидросферу, вызывает передвижение воздушных масс, океанических течений, испарение воды, таяние снега. Автотрофные организмы, главным образом зеленые растения, в результате реакций фотосинтеза преобразуют солнечную энергию в энергию химических связей созданных органических веществ. Значительная часть ее расходуется самими растениями на процессы жизнедеятельности. Меньшая часть химической энергии растений передается дальше по пищевым цепям гетеротрофным организмам. Гетеротрофные организмы, главным образом животные, преобразуют химическую энергию в другие ее формы, например механическую, электрическую, тепловую, световую. Некоторая часть аккумулированной зелеными растениями солнечной энергии может накапливаться в биосфере в виде запасов древесины, торфа, угля и горючих сланцев.

Рис. 228. Поток энергии в биосфере

Следовательно, круговорота энергии в биосфере не происходит. Этот процесс не является замкнутым. В биосфере наблюдается лишь поток энергии, связанный с превращением одной ее формы в другую.

Круговорот воды. Вода играет важнейшую роль в биогеохимическом круговороте, так как живые тела в среднем на 80% состоят из нее, а Мировой океан занимает более 2/3 поверхности земного шара (рис. 229).

Рис. 229. Распределение воды на Земле

В пределах всей планеты круговорот воды осуществляется между морями, океанами и материками (рис. 230). Вода, испаряемая Солнцем с поверхности морей и океанов, переносится ветрами на материки, где выпадает в виде атмосферных осадков. Значительная часть воды при этом оказывается связанной, например в виде снега и льда, т. е. является временно недоступной для организмов. С речными и грунтовыми стоками вода затем постепенно возвращается в океаны.

Рис. 230. Круговорот воды в биосфере

Значительная часть воды, имеющейся на суше, поглощается из почвы растениями и затем в виде водяного пара испаряется листьями для предотвращения перегревания. Часть воды растения расходуют на процесс фотосинтеза. Животные воду получают с питьем и с пищей. Удаляется из животных организмов вода в составе выдыхаемого воздуха, пота и других выделений.

Наземные растения, главным образом из влажных экваториальных лесов, испаряя воду, уменьшают ее поверхностный сток и удерживают влагу в атмосфере. Это препятствует размыванию почвы осадками и разрушению ее верхнего плодородного слоя. Сокращение площади экваториальных лесов в результате их интенсивной вырубки человеком приводит к засухам в прилегающих районах земного шара.

Рис. 231. Круговорот углерода в биосфере

Круговорот углерода. Углерод в биосфере в основном представлен двуокисью углерода (углекислым газом). Основной ее первичный источник - это вулканическая деятельность. Связывание углекислого газа происходит двумя путями (рис. 231). Первый состоит в его поглощении растениями в процессе фотосинтеза с образованием органических веществ и последующим отложением их в виде торфа, угля, горючих сланцев (рис. 232). Второй путь состоит в том, что углекислый газ растворяется в водоемах, переходя в карбонат-ионы и гидрокарбонат-ионы. Затем с помощью кальция или магния происходит осаждение карбонатов на дно водоемов в виде известняков. Запасы углекислого газа в атмосфере постоянно пополняются благодаря дыханию организмов, процессам разложения органических остатков, а также от сжигания топлива и выбросов промышленности.

Рис. 232. Торфяные отложения - один из вторичных источников углерода в биосфере

Круговорот азота. Основным источником азота в биосфере служит газообразный атмосферный азот. В небольших количествах атмосферный азот связывается с кислородом воздуха в нитраты при грозовых разрядах (рис. 233).

Рис. 233. Газообразный азот в атмосфере при грозе связывается с кислородом воздуха в нитраты

Основное связывание атмосферного азота осуществляется азотфиксирующими бактериями, обитающими в почве (рис. 234). Они синтезируют нитриты и нитраты, которые становятся доступными для использования растениями. В растениях азот переходит в состав органических соединений, например белков, нуклеиновых кислот и АТФ. При разложении трупов погибших организмов или при выделении мочи у животных, азот поступает в почву в виде соединений аммиака. Они затем окисляются до нитритов и нитратов и снова используются растениями. Частично нитраты почвы восстанавливаются денитрифицирующими бактериями до газообразного азота. Так осуществляется восполнение запасов газообразного азота в атмосфере. Запас нитратов в почве пополняется также благодаря внесению в нее человеком неорганических азотных и органических удобрений.

Рис. 234. Круговорот азота в биосфере

Итак, непрерывно происходящие в биосфере круговороты воды, углерода, азота и превращение энергии образуют единый биогеохимический круговорот. Вещества и элементы в нем используются организмами многократно. Энергия, в отличии от них, используется организмами только один раз. Биогеохимический круговорот не имеет полной цикличности. Часть веществ из него исключается и может накапливаться в природе.

Упражнения по пройденному материалу

1. Что такое биогеохимический круговорот? Какими процессами он обеспечивается?
2. Опишите, как происходит круговорот воды в биосфере. Какова роль в нем растений и животных?
3. Как осуществляется круговорот углерода в биосфере? В каком виде углерод может накапливаться в природе?
4. Опишите, как происходит круговорот азота в биосфере. Какова роль в нем азотфиксирующих и денитрифицирующих бактерий?
5. Объясните, почему правильно говорить о происходящем в биосфере круговороте веществ и элементов, но неправильно говорить о круговороте энергии в биосфере?

Процессы, протекающие в экосистеме (число живых организмов, скорость их развития и т.п.), зависят от количества энергии, поступающей в экосистему, и от циркуляции веществ в экосистеме. Биосфера является энергетически незамкнутой системой, в которой идет поглощение энергии из внешней среды.

Непрерывный поток солнечной энергии, воспринимаясь молекулами живых клеток, преобразуется в энергию химических связей (см рис. 2.1). Создаваемые таким образом (например, при фотосинтезе) химические вещества последовательно переходят от одних организмов к другим: от растений к растительноядным животным, от них - к плотоядным животным первого порядка, затем второго и т.д. Этот переход рассматривается как последовательный упорядоченный поток вещества и энергии. Часть потенциальной химической энергии пищи, высвобождаясь, позволяет организму осуществлять свои жизненные функции, т.е. "работать", и параллельно теряется в виде тепла, увеличивая энтропию, которая рассматривается как мера неупорядоченности системы.

Если бы поток солнечной энергии, поступающей на Землю, только рассеивался, то жизнь была бы невозможна, (система находилась бы в состоянии максимальной энтропии). Для того, чтобы энтропия системы не возрастала, организм или система должны извлекать из окружающей среды отрицательную энтропию - негэнтропию , т.е. работать против градиента. Для работы против градиента экологическая система должна получать энергетическую дотацию, которая и поступает в виде энергии Солнца. Живой организм извлекает негэнтропию из пищи, используя упорядоченность ее химических связей. Часть энергии теряется, расходуясь, например, на поддержание жизненных процессов, часть передается другим организмам. В начале же этого потока находится процесс автотрофного питания растений - фотосинтез, при котором повышается упорядоченность деградировавших органических и минеральных веществ. При этом энтропия уменьшается за счет поступления энергии Солнца.

Таким образом, все превращения энергии в экосистеме всегда соответствуют термодинамической модели незамкнутой системы.

Биогенный круговорот происходит на уровне экосистемы и заключается в том, что питательные вещества почвы, вода, углерод аккумулируются в веществе растений, расходуются на построение тела и жизненные процессы как их самих, так и организмов-консументов . Редуценты разлагают органические вещества до минеральных компонентов, опять-таки доступных растениям и вновь вовлекаемых ими в поток вещества.

Важный принцип функционирования экосистем - получение ресурсов и избавление от отходов происходит в рамках круговорота всех элементов.

Основные элементы: углерод, водород, кислород, азот – необходимы организмам в больших количествах; их называют макроэлементами . Другие используются в относительно незначительных количествах – микроэлементы . Тем не менее все химические элементы циркулируют в биосфере по определенным путям: из внешней среды в организмы и из них опять во внешнюю среду. Эти пути, в большей или меньшей степени замкнутые, называются биогеохимическими циклами .

Контрольные вопросы:

Экология, ее предмет. Структура современной экологии.

Основные понятия экологии.

Экологические факторы. Закономерности действия факторов.

Абиотическое, биотические и антропогенные факторы среды.

Учение и биосфере. Границы биосферы. Живое вещество.

Поток энергии и круговорот веществ в биосфере.

Приложение к лекции 1.