Содержание
2. Особенности основных биосферных циклов
6. Биохимические функции живого вещества
7. Биогенная миграция атомов и биогеохимические принципы
8. В.И. Вернадский о переходе биосферы в ноосферу
1. Состав вещества биосферы
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.
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.
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.
Продуценты улавливают солнечную энергию и переводят ее в энергию химических связей.
Консументы, поедая продуцентов, разрывают эти связи. Высвобожденная энергия используется консументами для построения собственного тела.
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:
Стратификация (зональность): растения и животные распределены не равномерно по всей экосистеме, а пятнами, в которых плотность может быть максимальной или, наоборот, минимальной.
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:
Аллогенные изменения, которые обусловлены влиянием геохимических сил, действующих на экосистему извне. В качестве таковых могут выступать климатические и геологические факторы.
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.
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.
3. 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.
4. 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.
5. 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.
6. Биохимические функции живого вещества
Биохимические функции в пределах живого вещества распадаются на две части:
Биохимическая функция, связанная с питанием, дыханием, размножением организмов.
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:
Газовые функции
Концентрационные функции
Окислительно-восстановительные функции
Биохимические функции
Биогеохимические функции
Вместе взятые они определяют основные химические проявления живого вещества в биосфере.
7. 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».
Закон 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:
Биогенную миграцию атомов первого рода для микроскопических одноклеточных и микробов огромной интенсивности, связанную с малым их объёмом и весом.
Биогенную миграцию атомов 2 рода для многоклеточных организмов.
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.
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.
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:
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.
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.
8. 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». 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:
Человечество стало единым целым. Ход мировой истории охватил весь земной шар, включив в единый процесс, различные культурные области, некогда существовавшие изолированно.
Преобразование средств связи и обмена сделало регулярным и систематическим обмен веществом, энергией и информацией между различными элементами ноосферы.
Овладение новыми источниками энергии дало человеку возможность коренного преобразования окружающей среды.
Растёт благосостояние народных масс, трудом и разумом которых создаётся ноосфера.
Осознаны равенство всех людей и важность исключения войн из жизни общества.
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.
Список литературы
Горелов А.А. Концепции современного естествознания: Учебное пособие для студентов высших учебных заведений, обучающихся по гуманитарным специальностям. – М.: Гуманит. изд. центр ВЛАДОС, 2002.
Концепция современного естествознания: Под ред. профессора С.И. Самыгина. Изд. третье. Ростов н/Д: «Феникс», 2001 – 576 с.
Алексеев В.П. Становление человечества. М., 1984. Бор Н. Атомная физика и человеческое познание. М., 1961 Борн М. Эйнштейновская теория относительности. М., 1964.
Вайнберг С. Первые три минуты. Современный взгляд на происхождение Вселенной. М., 1981.
Дорфман Я.Г. Всемирная история физики с начала 19 века до середины 20 века. М., 1979.
Кемпфер Ф. Путь в современную физику. М., 1972.
Мэрион Дж. Б. Физика и физический мир. М., 1975
Найдыш В.М. Концепции современного естествознания. Учебное пособие. М., 1999.