Природными системами что является

Лекция по природопользованию на тему «Общее понятие о природных системах».

Онлайн-конференция

«Современная профориентация педагогов
и родителей, перспективы рынка труда
и особенности личности подростка»

Свидетельство и скидка на обучение каждому участнику

Общее понятие о природных системах

2. Энергетическая классификация ПС.

3. Основные свойства ПС.

4. Виды антропогенного воздействия.

5. Классификации мониторинга.

Выделяют три уровня геосистем:

— Глобальная геосистема (синоним географической оболочки).

— Региональная геосистема представляет собой наиболее дробное подразделение географической оболочки, которое достаточно полно характеризует местные особенности структуры географической среды. По масштабу и конфигурации соответствует ландшафту;

— Локальная геосистема, представляющая собой относительно недолговечный, быстро трансформирующейся комплекс, внутри которого природные условия практически однородны. Соответствует физико-географической фации (порода, возникающая в определённой обстановке).

Все геосистемы подвержены постоянным изменениям. Изменения могут

быть циклическими, такими как смена времён года. Тем не менее, в каждой

геосистеме можно выделить неизменяемую часть — инвариант. Инвариант

геосистемы имеет большое значение в геоэкологии, так как позволяет идентифицировать геосистему вне зависимости от её динамического состояния.

В геосистеме исследуются все элементы и связи между компонентами,

которые считаются равнозначными в образовании и функционировании этого природного комплекса. Главное отличие экосистемы от геосистемы состоит в том, что при изучении экосистем рассматриваются лишь те связи, которые имеют отношение к живым организмам. Экосистема, подобно геосистеме, включает в себя биотические и абиотические компоненты природы, но это биоцентрическая система, биота является ее «хозяином».

2. Энергетическая классификация ПС:

1) ПС, движимые Солнцем, несубсидируемые.

2) ПС, движимые Солнцем, субсидируемые другими естественными источниками.

3) ПС, движимые Солнцем и субсидируемые человеком.

4) ПС индустриально-городские, движимые топливом.

Структура ПС-это совокупность наиболее устойчивых связей между компонентами геосистемы (или экосистемы). Структура ПС подразделяется на пространственную и временную.

Основные компоненты пространственной структуры ПС:

— органические соединения, связывающие биотическую и абиотическую части ПС в общий круговорот;

Временная структура ПС представляет собой сезонные ритмы и многолетнюю перестройку связей.

ПС свойственны такие качества, как целостность, изменчивость и устойчивость. ПС способны к саморегуляции.

По глубине трансформации ПС различают функционирование, динамику и эволюцию.

3. Основные свойства ПС:

1) Все ПС воспринимают вещество, энергию и информацию из окружающей среды или из соседних ПС.

2) Любая ПС, поглощая и преобразовывая вещество, энергию или информацию, превращает их в новую форму вещества, энергии или информации.

5) Развитие ПС может быть ассиметричным либо симметричным.

6) Структуре ПС свойственная фрактальность.

Социальные функции и потенциал ПС разнообразны.

Потенциал ПС–это предельный запас производственных и экологических ресурсов ландшафтов, который можно использовать без существенного нарушения их свойств и функций.

В зависимости от характеристик поставляемых природных ресурсов, ПС могут рассматриваться:

1) как источники продукции для пропитания человека.

3) как источники средств труда, с помощью которых осуществляется общественное производство.

4) как источники энергии для производственной деятельности человека.

5) как совокупность природных условий, необходимых для восстановления здоровья человека.

Степень воздействия человека, его деятельности на природу называется антропогенной нагрузкой .

Она включает в себя использование ресурсов популяций видов, входящих в экосистемы (охота, рыбная ловля, заготовка лекарственных растений, рубка деревьев), выпас скота, рекреационное воздействие, загрязнение (сброс в водоемы промышленных, бытовых и сельскохозяйственных стоков, выпадение из атмосферы взвешенных твердых веществ или кислотных дождей) и др.

Если антропогенная нагрузка изменяется год от года, то она может быть

4. Виды антропогенного воздействия.

а) неосознанное (охота, вырубка и выжигание лесов древним человеком)

б) осознанное (хищническое).

Ему предшествует осознание экологической угрозы конкретному ландшафту-полю, лесу, пляжу, зеленому наряду городов. Действия направляются на замедление деструкции (разрушения). Например, вытаптывание пригородных лесопарков, уничтожение подроста цветущих растений можно ослабить, разбивая дорожки, образуя места для короткого отдыха. В сельскохозяйственных зонах проводят почвозащитные мероприятия. На городских улицах высаживают и высеивают растения, устойчивые к действию транспортных и промышленных выбросов.

Основные методы выявления уровня антропогенной нагрузки на территорию-это мониторинг и экологическое картографирование.

В состав мониторинга входят:

— наблюдение за изменением качества окружающей среды, факторами, воздействующими на окружающую среду;

— оценка фактического состояния природной среды;

— прогноз изменения качества среды.

I. Классификация по охвату территории.

Выделяют глобальный, региональный и локальный мониторинг.

Глобальный мониторинг позволяет оценить современное состояние всей природной системы Земли. Наблюдение за общеглобальным состоянием среды ведут базовые станции (30-40 сухопутных и более 10 океанических). Часто эти станции располагаются в биосферных заповедниках.

Региональный мониторинг осуществляется за счет станций системы, куда стекается информация о территориях (регионах), подверженных антропогенному влиянию.

II. Классификация по специфичности.

1. Биоэкологический (санитарно-гигиенический) мониторинг. Основная задача-постоянное наблюдение за состоянием среды и ее влиянием на здоровье человека.

3. Геосферный мониторинг, охватывающий наблюдения за параметрами

геосферы в глобальном масштабе. Это самая сложная система наблюдения, позволяющая прогнозировать изменения качества окружающей человека среды в глобальном масштабе, например прогнозы по потеплению климата в результате возникновения «парникового эффекта».

Рациональное природопользование возможно при наличии и правильном использовании информации, представленной системой мониторинга.

Для наглядного представления результатов мониторинга используются экологические карты. Экологическая карта отражает различные аспекты взаимосвязей организмов (в том числе человека) и природной среды.

Источник

Экология и охрана природы : Природные системы

по концепции естествознания

на тему «Природные системы».

МСХА им Тимирязева 2002г.

Типы систем. Характеристики.

Принципы самоорганизации систем.

Особенности открытых диссипативных систем.

Самоорганизация в открытых системах.

Порядок и беспорядок в природе. Хаос.

Системный подход к анализу объектов является характерной тенденцией современного научного познания. Зададимся вопросом: что он даёт изучению природы как объекту системного анализа?

Прежде всего остановимся на определении понятия природа. Можно дать, по крайней мере, три основных смысловых представлений данного понятия.

Классическое естествознание ориентировалось преимущественно на изучение не динамики, а статики систем. Такой подход был наиболее характерен для атомистической концепции классической физики.

Атомистический подход имеет большое значение для объяснения явлений природы, однако главным в нём является строение и структура различных систем, но не их возникновение и развитие.

Системный и эволюционный подходы, получившие распространение с 60-х гг. XX столетия, основное внимание уделяют изучению характера взаимодействия элементов разных систем, в том числе и биологических. Так, рождение различных гипотез и моделей возникновения и эволюции Вселенной стало возможным лишь после широкого распространения системных идей и представления о самоорганизации открытых систем.

Типы систем. Характеристики.

Всё многообразие материальных систем сводится к трём основным типам:

Системы неживой природы;

Системы живой природы;

По объёму и числу составных частей системы делятся на простые и сложные.

Системы считаются простыми если в них входит небольшое число переменных, и поэтому взаимоотношение между элементами системы поддаётся математической обработке и выведению универсальных законов.

Принципы самоорганизации систем.

Кроме деления систем на простые и сложные, все системы можно разделить на закрытые и открытые. В отличие от закрытых, или изолированных, открытые системы обмениваются с окружающей средой энергией, веществом и информацией. Все реальные системы являются именно открытыми. В неорганической природе они обмениваются с внешней средой, которая также состоит из различных систем, обладающих энергией и веществом. В социальных и гуманитарных системах к этому добавляется обмен информацией. Информационный обмен осуществляется также в биологических системах, в частности при передаче генетической информации.

Как показал австрийский физик Людвиг Больцман, из второго закона термодинамики следует, что все реальные процессы во Вселенной должны протекать с увеличением энтропии. В состоянии равновесия она максимальна. Энтропия, как показал Больцман, характеризует степень беспорядка в системе, чем она больше, тем больше беспорядок. Теперь ясно, что тепловая энергия равновесного состояния бесполезна для совершения работы, потому что она наиболее беспорядочна. Становится ясным, почему все естественные процессы в природе идут с рассеянием энергии. Потому что это увеличивает беспорядок. Следует, однако, заметить, что второй закон носит статистический характер и применим только к системам, содержащим большое количество частиц.

Когда энтропия системы возрастает, то, соответственно, усиливается беспорядок в системе. В таком случае второй закон термодинамики постулирует: энтропия замкнутой системы, то есть системы, которая не обменивается с окружением ни энергией ни веществом, постоянно возрастает. А это означает, что такие системы эволюционируют в сторону увеличения в них беспорядка, хаоса и дезорганизации, пока не достигнут точки термодинамического равновесия, в которой всякое производство работы становится невозможным.

Согласно второму закону термодинамики все естественные процессы необратимы и могут протекать только в одну сторону: в строну увеличения беспорядка, то есть в сторону теплового равновесного состояния., из-за чего и возникает так называемая «стрела времени».

В открытых системах также производится энтропия, поскольку в них происходят необратимые процессы, но она в этих системах не накапливается, как в закрытых, а выводится в окружающую среду. Поскольку энтропия характеризует степень беспорядка в системе, постольку можно сказать, что открытые системы живут за счёт заимствования порядка из внешней среды.

Живые системы для своего существования поглощают вещество с заключённой в нём энергией высокого качества (в виде питания), перерабатывая которое, они высвобождают вещество (экскременты) с энергией «низкого качества». В результате эта разность энергий идёт на поддержание жизни и увеличение структурируемости. И хотя в результате энтропия в живой системе уменьшается, общая энтропия живой системы и окружающей среды (за счёт выхода «беспорядочной» энергии) увеличивается, как и следует из второго закона. Таким образом, если в какой-то части системы происходят процессы, уменьшающие энтропию (увеличивающие организованность), то в другой части системы обязательно протекают процессы, её увеличивающие, так что суммарное изменение энтропии всегда положительно. Оказывается, что самоорганизация систем может происходить и часто происходит самопроизвольно. В результате таких процессов с большей вероятностью и произошла жизнь.

Особенности открытых диссипативных систем.

Диссипативность проявляется в различных формах: в способности «забывать» детали некоторых внешних воздействий, в «естественном отборе» среди множества микропроцессов, разрушающем то, что не отвечает общей тенденции развития; в когерентности (согласованности) микропроцессов, устанавливающий их некий общий темп развития, и др.

Самоорганизация в открытых системах.

После открытия самоорганизации в простейших системах неорганической природы стало ясным, что весь окружающий нас мир и Вселенная представляют собой совокупность разнообразных самоорганизующихся процессов, которые служат основой любой эволюции.

Современная наука процесс самоорганизации систем определяет следующим образом:

Система должна быть открытой, потому что закрытая изолированная система в соответствии со вторым законом термодинамики в конечном итоге должна придти в состояние, характеризуемое максимальным беспорядком или дезорганизацией.

Открытая система должна находиться достаточно далеко от точки термодинамического равновесия. Если система находится в точке равновесия, то она обладает максимальной энтропией и потому не способна к какой-либо организации: в этом положении достигается максимум её самодезорганизации. Если же система расположена вблизи или недалеко от точки равновесия, то со временем она приблизится к ней и в конце концов придёт в состояние полной дезорганизации.

Если упорядочивающим принципом для изолированных систем является эволюция в сторону увеличения их энтропии или усиления их беспорядка (принцип Больцмана), то фундаментальным принципом самоорганизации служит, напротив, возникновение и усиление порядка через флуктуации. Такие флуктуации, или случайные отклонения системы от некоторого среднего положения, в самом начале подавляются и ликвидируются системой. Однако в открытых системах благодаря усилению неравновесия эти отклонения со временем возрастают и в конце концов приводят к «расшатыванию» прежнего порядка и возникновению нового. Этот процесс обычно характеризуют как принцип организования порядка через флуктуации. Поскольку флуктуации носят случайный характер ( а именно с них начинается возникновение нового порядка и структуры) то становится ясным, что появление нового в мире всегда связано с действием случайных факторов.

Процессы самоорганизации, как и переходы от одних структур к другим, сопровождаются нарушением симметрии. Мы уже видели, что при описании необратимых процессов пришлось отказаться от симметрии времени, характерной для обратимых процессов в механике. Процессы самоорганизации, связанные с необратимыми изменениями, приводят к разрушению старых и возникновению новых структур.

Самоорганизация может начаться лишь в системах обладающих достаточным количеством взаимодействующих между собой элементов и, следовательно, имеющих некоторые критические размеры. В противном случае эффекты от синергетического взаимодействия будут недостаточны для появления кооперативного (коллективного) поведения элементов системы и тем самым возникновения самоорганизации.

Перечисленные выше условия безусловно являются необходимыми для возникновения самоорганизации в различных природных системах. Но конечно же недостаточными. Так, в химических и биологических самоорганизующихся системах важная роль отводится факторам ускорения химических реакций (процессы катализа).

Порядок и беспорядок в природе. Хаос.

Особую роль в описании структуры и принципов функционирования природных систем играют системный и эволюционный подходы. Прогресс науки в развитии этого направления определился лишь после широкого распространения идей и представлений о динамике открытых диссипативных систем, о самоорганизации открытых систем, о динамических открытых системах в биологии. Одним из ключевых положений, развиваемых в рамках системного подхода к описанию природных явлений, заключается в том, что поведение систем в зависимости от внешнего воздействия определяется обратными связями.

Новая термодинамика открытых систем дала исчерпывающее объяснение процессу самоорганизации и назвала те условия, которые являются необходимыми для его реализации. Например возникновение самоорганизации опирается на принцип положительной обратной связи, согласно которому изменения, появляющиеся в системе, не устраняются а напротив, накапливаются и усиливаются, что приводит к возникновению новой структуры системы.

Система, в которую поступает энергия, превращающаяся в тепло, получила название диссипативной открытой системы, основные свойства которой определяются составом структурных элементов, притоком энергии и факторами внешней среды.

На базе управления сложными системами с обратной связью, которая повышает степень внутренней организованности системы, возникла наука кибернетика.

Кондратьев М. Н. «Концепции современного естествознания», курс лекций, часть 2. Изд-во МСХА, 1999 г.

Найдыш В.М. «Концепции современного естествознания», уч. пособие, М: Гардарики 2001 г.

Горелов А. А. «Концепции современного естествознания», уч. пособие для студентов ВУЗ-ов. М: Гуманитарный издательский центр «Владос» 2000 г.

Источник

Природные системы. Структура и свойстваприродных систем

В процессе пространственной дифференциации географической оболочки (биосферы)формируются природные системы,различающиеся по размерам и сложности. Обычно выделяют три уровня размерности этих систем:

а) планетарный (глобальный) – географическая оболочка (биосфера) в целом и ее самые крупные части (материки, океаны, климатические пояса);

б) региональный – крупные регионы, обособление которых связано с действием геодинамических и макроклиматических факторов (физико-географические страны, природные зоны, или зоноэкосистемы, ландшафтные области, или мегаэкосистемы и др.);

в) локальный – небольшие территории, обособленные влиянием мезорельефа и гидроклиматическими различиями (местности, урочища, фации, или биогеоценозы).

В сфере хозяйственной деятельности человека,прежде всего,оказываются системы регионального и локального уровней, испытывающие наиболее сильные антропогенные нагрузки и связанные с ними изменения природной среды.

С позиций природопользования, природные системы выполняют две главные функции: а) жизненную – как среда для жизни и деятельности человека; б) хозяйственную – как источник природных ресурсов и пространственная основа для экономической активности людей.

Экосистемы– понятие ввел английский эколог Тенсли (1935). Под экосистемой понимается любое сообщество живых существ и его среда обитания, объединенные в единое функциональное целое, возникающее на основе взаимозависимости и причинноследственных связей, существующих между отдельными экологическими компонентами.

При изучении геосистем все компоненты природы рассматриваются как равнозначные, одинаковое внимание уделяется прямым и обратным связям.

Понятие экосистема не ограничено четкими рамками (капля, море, океан), геосистема подразумевает наличие границ.

Термин «экосистема» целесообразнее употреблять в тех случаях, когда на первое место ставиться проблема охраны биоты, живого.

Термин “природная геосистема” предпочтительнее использовать в тех случаях, когда основное внимание обращаяется на охрану вод, воздуха, литосферы, а также ландшафтов в целом.

Природные системы обладают сложной структурой. Под структурой природной системыпонимается совокупность наиболее устойчивых связей между компонентамии соподчиненными комплексами системы.

Различают пространственную и временную структуры.

Пространственная структурарассматривается, как порядок расположения частей геосистемы и характер взаимосвязей между ними по горизонтали и вертикали.

Временная структурапроявляется в виде сезонной ритмики и многолетней перестройки связей.

Изучение структуры позволяет дать оценку последствий нарушения этих структур в результате антропогенного воздействия (АВ).

С понятием «структура» связаны современные представления о целостности, устойчивости и изменчивости природных систем.

Целостность— это внутреннее единство системы, обусловленное тесными взаимосвязями между ее составными частями. Благодаря взаимосвязям изменение одних компонентов природы неизбежно ведет к изменению других, что в конечном итоге может привести к перестройке всей структуры.

Устойчивость— чаще всего рассматривается как способность природных систем при воздействии внешних (в т.ч. антропогенных) факторов сохранять свою структуру и основные функциив определенном диапазоне физико-географических условий и техногенных нагрузок.

Ю. Одум выделяет две формы устойчивости: резистентную и упругую.

Резистентная устойчивость— это способность систем сопротивлятся нарушениям, поддерживая свою структуру и функции. Особая роль здесь принадлежит биоте, которая, трансформируя абиотическую среду, как бы смягчает внешнее воздействие.

Упругая устойчивость— выражается в способности систем восстанавливать свое состояние (т.е. важнейшие характеристики на определенный промежуток времени) после того, как ее структура и функции были нарушены.

Представление об устойчивости тесно связано с понятием «состояние природных систем».

Состояние системыможно определить как характеристику ее важнейших свойств за определенный более или менее длительный период (сезон, год, многолетний период).

М.Д.Гроздинский выделяет три формы проявления устойчивости геосистем:

а) инертность – способность геосистемы сохранять свое исходное (или близкое к нему) состояние в течение заданного временного интервала;

б) восстанавливаемость – способность геосистем за определенный промежуток времени возвращаться в исходное (или близкое к нему) состояние после выхода из него в результатедействия внешнего фактора;

в) пластичность – наличие у геосистем нескольких устойчивых состояний и их способность при внешнем воздействии переходить из одного состояния в другое, сохраняя свои инвариантные свойства.

Изменчивость— способность природных систем под действием внешних сил или саморазвития переходить из одного состояния в другое.

Изменения могут быть необратимыми и обратимыми.

По глубине трансформации природных систем разричают изменения в ходе функционирования, динамики и развития.

Функционирование— это совокупность процессов передачи и превращения вещества, энергии и информации в системе, поддержание ее в определенном состоянии. В результате этих процессов происходят небольшие количественные изменения компонентов природы, которые обычно имеют ритмический (суточный, сезонный) характер.

Под динамикойпонимают обратимые изменения природной системы, которые соверщаются в рамках ее структуры (востановление БГЦ после пожаров, вырубок, и т.п.). В процессе динамики происходят более глубокие изменения, чем при функционировании, но они не ведут к качественной перестройке структуры, а лишь медленно подготавливают ее.

Саморегулирование— способ систем без вмешательства извне поддерживать свое состояние, несмотря на изменения внешних факторов. Саморегулирование осуществляется до тех пор, пока процессы, протекающие в природной системе, способны нейтрализовать нежелательные воздействия. Если защитные механизмы истощаются, она либо разрушается, либо должна изменить свою структуру. Способность системы к изменению структуры путем перестройки ее внутренних связей получила название самоорганизации(Арманд, 1988).

Благодаря саморегулированию и самоорганизации природные системы (ПС) могут поддерживать экологическое равновесие— сбалансированное соотношение между приходом и расходом вещества, энергии и информации. В этом случае нарушения связанные с внешним воздействием, как бы компенсируются влиянием процессов саморегулирования и самоорганизации. В результате формируются относительно устойчивые системы, способные поддерживать состояние динамического равновесия с окружающей природной средой. Нарушение равновесия нередко ведет к подрыву природно-ресурсного потенциала системы.

Поэтому поддержание или восстановление равновесного состояния систем является одной из предпосылок рационального природопользования и охраны природных ресурсов.

История развития представлений о биосфере

История развития представлений о биосфере отражает изменение взглядов на природу Земли, непосредственно окружающих человека.

В 1826 г. А.Гумбольт в издании «Картины природы» писал: «Всюду, куда наблюдатель ни бросит свой взгляд, он видит жизнь, или зародыш, готовый ее воспринять». 1838 г. К.Бэр увидев девственную природу новой Земли писал «На какой бы точке поверхности планеты не обитали и куда бы не бросили взоры, мы видим распространение органической жизни всюду, куда человек может проникнуть. И если до сих пор не удалось достигнуть полюсов, наблюдения в высоких широтах, до каких только возможно было дойти, позволяет нам с уверенностью утверждать, что и на полюсах мы не найдем пределов жизни, отделяющих ее от царства вечной смерти». В 1833 г. Ч.Дарвин отметил в своем дневнике в Южной Америке: «Да, несомнено можно утверждать, что все страны света доступны для жизни. Озера с пресной водой, подземные озера, скрытые в недрах вулканических гор, источники горячих минеральных вод, глубины океана, верхние области атмосферы, поверхность самых вечных снегов – всюду мы находим организованные существа».

Незадолго до того, как жизнь великого французского химика Антуана Лорана Лавуазье оборвалась под ножом гильотины, он закончил небольшой, но исключительный по насыщенности глубокими идеями труд под названием «Кругооборот элементов на поверхности земного шара». Лавуазье писал: «Растения получают из окружающего их воздуха, из воды и из всей неживой природы в целом вещества необходимые для организма. Животные питаются либо растениями, либо другими животными, так, что в конечном счете вещества, из которых строится их организм, берутся из воздуха или из минерального царства. Наконец, брожение, гниение и сгорание непрерывно возвращают в воздух атмосферы и в минеральное царство те исходные вещества, которые из них позаимствовали растения и животные. Такими путями осуществляет природа этот изумительный круговорот вещества между тремя своими царствами». В 1862 г. Луи Пастер положив эту работу в основу своего доклада министру просвещения писал: «Слова Лавуазье указывают с поразительной точностью на три составных элемента, к которым сводится проблема непрерывности жизни на поверхности Земли».

Действительно, в процессе своей жизнедеятельности живые существа поглощают из окружающей среды, перерабатывают, концентрируют, перемешивают и видоизменяют колоссальную массу химического вещества.

Вплотную, к осознанию планетарной роли жизни подошел Ж.-Б. Ламарк. Он писал: «Сложные минеральные вещества всех видов, образующие внешнюю кору земного шара и встречающиеся там в виде отдельных скоплений, рудных тел, параллельных пластов и т.д. и образующие низменности, холмы, долины и горы, являются исключительно продуктами животных и растений, которые существовали на этих участках поверхности земного шара».

Замечательный биофизик А.Л.Чижевский (1897-1964) подчеркивал еще в 1915 г., что космический мир и мир земной биосферы связаны воедино. «…Живая клетка представляет собой результат космического, солярного и теллурического воздействий и является тем объектом, который был создан напряжением творческих способностей всей Вселенной. И кто знает, быть может, мы, «дети Солнца», представляем собой лишь слабый отзвук тех вибраций стихийных сил космоса, которые, проходя окрест Земли, слегка коснулись ее, настроив в унисон дотоле дремавшие в ней возможности… Жизнь в значительно большей степени есть явление космическое, чем земное. Она создана воздействием творческой динамики космоса на инертный материал Земли. Она живет динамикой этих сил, и каждое биение органического пульса согласовано с биением космического сердца – этой грандиозной совокупности туманностей, звезд, Солнца и планет» (Чижевский, 1976).

Изучая роль живого вещества в геологической истории земли русский ученный В.В.Докучаев впервые обратил внимание, что почва является не геологическим, а биокосным телом, возникшим в результате воздействия живого вещества на геологические образования.

Более сложно по своему содержанию определение данное В.А.Ковдой (1985): «Биосфера – это открытая многокомпонентная саморегулирующаяся, связанная с космосом система живого вещества и минеральных соединений, образующая внешнюю оболочку планеты».

Рассматривая биосферу Вернадский выделял 7 типов веществ слагающих ее:

1. Совокупность «живых организмов, живого вещества, рассеянного в миллиардах особей, непрерывно умирающих и рождающихся, обладающих колоссальной действенной энергией (биогеохимической энергией) и являющихся могучей геологической силой»

2. «….биогенное вещество, источник чрезвычайно мощной потенциальной энергии (каменный уголь, битумы, известняки, нефть и т.д.). Живые организмы в нем после его образования геологически мало активны.»

3. «…вещество, образуемое процессами, в которых живое вещество не участвует: костное вещество, твердое, жидкое, газообразное…»

4. «…биокостное вещество, которое создается одновременно живыми организмами и костными процессами, представляя равновесие системы тех и других. Таковы вся океаническая и почти вся другая вода биосферы, почва, кора выветривания и тд. Организмы играют в них ведущую роль….».

5. «вещество, находящееся в радиоактивном распаде…»

6. «рассеяные атомы, которые, непрерывно создаются из всякого рода земного вещества под влиянием космических излучений (современная наука считает, что химические элементы не могут находится в земной коре в атомарном состоянии, они образуют те или иные соединения»

7. «… вещество космического происхождения …». Вернадский, 1987, стр. 51-52.

Вернадский писал: «на земной поверхности нет химической силы более постоянно действующей, а потому и более могущественной по своим конечным последствиям, чем живые организмы взятые в целом».

Академик Гольдшмидт В.М. для иллюстрации веса живого вещества приводит такой пример:

— Атмосфера – медная монета

— Живое вещество – вес почтовой марки.

· Массу биосферы примерно оценивают 2,5-3 х 10 24 г,

· вес гидросферы – 1,4 х 10 24 г,

· вес литосферы в пределах биосферы 1,6 х 10 24 г

· биомасса живого вещества составляет около 0,0001 от массы всей биосферы.

Биомасса Земли ( в сухом веществе) составляет 2,44 х 10 12 т, т.е. 0,00001 % земной коры (2 х 10 19 т)

Масса живого вещества в биосфере

Основные свойства живого

Живое характеризуется следующими особенностями, сформулированными Б.М.Медниковым (1982) в виде аксиом теоретической биологии:

1. Все живые организмы оказываются единством фенотипа и программы для его построения (генотипа), передающиеся по наследству из поколения в поколение (аксиома А.Вейсмана).

2. Генетическая программа образуется матричным путем. В качестве матрицы, на которой строится ген будущего, поколения, используется ген предшествующего поколения (аксиома Н.К. Кольцова).

3. В процессе передачи из поколения в поколение генетические программы в результате различных причин изменяются случайно и ненаправленно, и лишь случайно такие изменения могут оказаться удачными в данной среде (1-я аксиома Ч.Дарвина).

4. Случайные изменения генетических программ при становлении фенотипа многократно усиливаются (аксиома Н.В. Тимофеева-Ресовского).

5. Многократно усиленные изменения генетических программ подвергаются отбору условиями внешней среды (2-я аксиома Ч.Дарвина).

Из перечисленных аксиом можно вывести, по-видимому, все основные свойства живой природы.

Среди живых систем нет двух особей, видов, и популяций. Эта уникальность проявления дискретности и целостности живого основана на явлении конвариантной редупликации.

Хиральная частота обуславливает специфику живого, несводимость его к неживому и практическую невозможность получения живого из неживого в современных условиях Земли. Вместе с тем, хиральная ассиметричность, свойственная всему живому, объективно указывает на его физико-химическое единство (закон физико-химического единства живого вещества В.И.Вернадского).

В дополнении к этому можно выделить следующие свойства живого вещества:

1. Живое вещество биосферы характеризуется огромной энергией. В неорганическом мире по количеству свободной энергии с живым веществом могут быть сопоставлены только незастывшие лавовые потоки.

2. Резкое различие между живым и неживым веществом наблюдается в скорости протекания химических реакций: в живом вещемстве реакции идут в тысячи, а иногда и в миллионы раз быстрее в следствии действия ферментов.

3. Отличительной особенностью живого вещества является то, что слагающие его индивидуальные химические соединения – белки, ферменты и пр. устойчивы только в живых организмах(в меньшей мере это характерно и для минеральных соединений, входящих в состав живого вещества).

4. Произвольное движение, в значительной степени саморегулируемое, является общим признаком всякого живогоестественного тела в биосфере. Вернадский выделяет две специфические формы движения живого вещества: а) пассивную, которая создается ростоморганизмов и их размножением и присуща всем живым организмам независимо от их систематического положения; б) активную, которая осуществляется за счет направленного перемещения организмов (она характерна для животных, в меньшей степени – для растений).

В силу способности живых организмов к размножению происходит, как бы “растекание” их на поверхности Земли. В основе этого лежит матричный принцип воспроизведения (аксиома Кольцова) с одной стороны матрицы можно сделать более одной копии. Каждая пара организмов дает гораздо больше потомства, чем доживает до взрослого состояния. Исключений нет ни в животном, ни в растительном мире.

Действительно, способность к размножению у некоторых организмов колоссальна.

· Одна особь сельди ежегодно дает 40 000 икринок

· Рыба-луна – до 300 млн.

· Зеленая лягушка – 10 000.

· Холерный вибрион за 1,6-1,7 суток может дать живое вещество массой 2,0 х 10 25 г, что равняется массе земной коры толщиной до 16 км, Такое же количество вещества образует диатомовая водоросль Nitzchia putruda за 24,5 суток, слон за 1300 лет.

· Потомство от одного слона за 1000 лет составит 15 млн. особей.

· За 10 лет потомство одной пары рыбы-луна составит 6х10 84 особей

· Одно растение мака ежегодно дает по 30 тыс.семян, и его потомство может покрыть нашу планету за 3-4 года.

Прогрессия размножения приводит к двум важным последствиям:

1) Возрастает вероятность появления новых наследственных уклонений;

2) Создается давление жизни и как следствие возникает борьба за существование – фундамент естественного отбора.

Как следует из выше сказанного, живое вещество биосферы резко отличается от ее костного вещества в двух основных процессах, имеющих огромное геологическое значение и придающих биосфере совершенно другой облик, который не существует ни для какой другой оболочки планеты.

Во-первых, в ходе геологического времени растет мощность выявления живого вещества в биосфере, увеличивается его в ней значение и его воздействие на костное вещество биосферы.

Во-вторых, процесс эволюции видов в ходе геологического времени приводит к резкому изменению самих живых природных тел. Благодаря эволюции видов непрерывно идущей и никогда непрекращающейся, меняется резко отражение живого вещества на окружающей среде. Эволюция видов переходит в эволюцию биосферы.

5. Живое вещество обнаруживает значительно большее морфологическое и химическое разнообразие, чем неживое.

Химический состав живого веществаразнообразен. Известно свыше 2 млн. органических соединений, входящих в состав живого вещества. Количество природных соединений (минералов) неживого вещества составляет всего около 2 тысяч. Кроме того, в отличие от неживого абиогенного вещества живые организмы всегда построены из веществ, находящихся во всех трех фазовых состояниях.

Тем не менее,все современные живые организмы едины по химическому составу и пути передачи наследственной информации (ДНК – РНК – белок) используя один и тот же генетический код.

6. Живое вещество никогда не находится на Земле в морфологически чистой форме– в виде популяции организмов одного вида: оно всегда представлено биоценозами.

7. Принцип Реди (все живое из живого)является отличительной особенностью живого вещества. Живое вещество существует на Землев форме непрерывного чередования поколений. Благодаря этому современное живое вещество, характеризуясь непрерывным обновлением, оказывается генетически связанным с живым веществом всех прошлых геологических эпох.

Функции Живого вещества на планете

В.И.Вернадский выделял 9 биогеохимических функций живого вещества:

— газовая – все газы атмосферы создаются и изменяются биогенным путем;

— кислородная – образование свободного кислорода;

— окислительная – окисление бедных кислородом соединений, имеет место для железа, марганца, серы, меди, азота, углерода, водорода;

— кальциевая – выделение кальция в виде чистых солей;

— восстановительная – создание сульфидов металлов и сероводорода;

— концентрационная – скопление элементов рассеянных в окружающей среде;

— функция разрушения органических соединений – разложение их с выделением воды, углекислого газа и азота;

— функцию восстановительного разложения образование сероводорода, метана, водорода и т.п.;

— функцию метаболизма и дыхания – поглощение кислорода и воды, выделение углекислого газа с миграцией органических элементов.

А.В.Лапо объединил функции живого следующим образом:

1. Энергетическая функция- состоит в ассимиляции живым веществом энергии и передаче ее по трофическим цепям. С энергетической точки зрения образование живого вещества – этот процесс поглощения солнечной энергии, которая в потенциальной форме аккумулируется в свободном кислороде и органических соединениях. Минерализация органических соединений как внутри живых организмов, так и во внешней среде сопровождается освобождением энергии, поглощенной при фотосинтезе. Энергия освобождается не только в тепловой, но и в химической форме, носителями которой служат природные воды: обогащаясь углекислым газом, сероводородом и другими продуктами минерализации, воды становятся химически высокоактивными, преобразуя компоненты неживой природы. Так благодаря автотрофам солнечная энергия не просто отражается от поверхности, а глубоко проникает в глубь земной коры.

Сквозной поток энергии, проходя через трофические уровни биогеоценоза, постепенно гасится. В 1942 г. Р.Линдерманом сформулирован закон пирамиды энергий, или закон 10 %, согласно которого с одного трофического уровня экологической пирамиды переходит на другой, более высокий ее уровень (по “лестнице”: продуцент – консумент – редуцент) в среднем около 10% поступившей на предыдущий уровень экологической пирамиды энергии. Обратный поток, связанный с потреблением веществ и продуцируемой верхним уровнем экологической пирамиды энергии более низкими ее уровнями, например, от животных к растениям, намного слабее – не более 0,5 % (даже 0,25 %) от общего ее потока, и потому говорить о круговороте энергии в биогеоценозе не приходится.

Рост энергии в биосфере реализуется и растеканием жизни по планете, распределяющее энергию по планете более или менее равномерно. «Живое вещество становиться, таким образом, регулятором энергии биосферы».

Увеличение биомассы и накопление ископаемого органического вещества изменяет энергетику атмосферы. Только в месторождениях горючих ископаемых сконцентрировано более 1*10 13 т органического вещества ( по А.И.Перельману), а всего в осадочных породах – около 3,48*10 15 т (по Н.Б.Вассоевич). Энергия, накопленная в осадочных породах, равняется 1*10 23 Дж (по Р.С.Волскис). По В.А.Ковде (1985), гумусовая оболочка суши содержит примерно такое же количество связанной энергии как и наземная биомасса.

Хемоавтотрофы используют первичную эндогенную энергию (серобактерии, железобактерии и т.д.). Таким образом энергетический баланс планеты, как космической системы зависит от живого вещества (Г.Гегамян). Уничтожение 30% живых существ человеком может привести к экологическому кризису.

2. Концентрационная функция – Все живые организмы накапливают относительно литосферы C,H,O,N и другие элементы, хотя концентраторами бывают не все организмы. Концентрационная функция осуществляется двумя способами: а) из истинных растворов; б) сидементации вещества из суспензий и коллоидных растворов фильтрующими организмами. Наиболее активными концентраторами являются микроорганизмы. Например в продуктах жизнедейтельности некоторых видов микроорганизмов, по сравнению с окружающей средой, содержание марганца увеличивается в 1 200 000, железа – 650 000 раз, ванадия в 420 000, серебра – 240 000 раз. Некоторые элементы сильно концентрируются в продуктах выделения животных (содержание урана в гуано побережья Перу в 10 тыс. раз выше, чем в морской воде). Радиолярии строят свой скелет из аморфного кремнезема, а семейство – акантарии – используют стронций, асцидии – ванадий (до 15% золы). Слоновая трава в африканских саваннах извлекает с 1 га за год 250 кг кремния и 80 кг щелочных и щелочноземельных элементов, а растительность джунглей 8 т кремния. Если разделить содержание элементов в золе наземных растений на их процент в почве, то полученные коэффициенты составят для кальция, натрия, калия, магния, стронция, цинка, бора, селена единицы и десятки, а для фосфора, серы, хлора, йода и брома десятки и сотни. У морских организмов отношение содержания металлов на сухой вес к их содержанию в морской воде измеряется десятками и сотнями тысяч (для титана, железа, марганца, никеля и кобольта) а иногда и превышает миллион (хром). Минералы входящие в состав живого вещества называются “биоминералами”.

По степени концентрации химических элементов В.И.Вернадский разбил живые организмы на 4 группы.

Геохимик В.Омальев ввел понятие биогеохимического фона (обозначение Вернадский). Вернадский, или биогеохимический фон – среднее содержание какого- либо элемента в живом веществе, как в разнородном живом веществе биосферы в целом, так и в живом веществе отдельных типов, видов и т.д.

3. Деструктивная функция – проявляется на стадии гипергенеза и выражается в деструкции неживого вещества, и вовлечения его в биотический круговорот.

4. Средообразующая функция – преобразование физико-химических параметров среды в результате процессов жизнедейтельности.

— Основные газы атмосферы образуются биогенно: кислород и азот, 50% водорода возникает в результате деятельности живых организмов, окись углерода также биогенна;

— появление озонового экрана;

— автотрофы производят кислород, поэтому в поверхностной части биосферы существует окислительная обстановка, содержание углекислого газа поддерживается на низком уровне за счет интенсивного поглощения живым веществом, при фотосинтезе образуются сильные восстановители – органические вещества;

— бактерии формируют состав почвенного воздуха, промышленные полезные ископаемые;

— в результате отмирания живых существ формируются осадочные породы;

— через биогенное вещество меняется состав природных вод (продукты разложения степных трав образуют растворы нейтральной и слабощелочной реакции, полыни и опад саксаула – щелочной, а масса отмершей хвои, вереска, лишайников и сфагнума – кислой);

— живое вещество изменяет физические параметры среды, ее термические, электрические и механические характеристики (по одной из гипотез «бабье лето» вызвано осенним пиком деятельности сапрофитов (при разложении выделяется много тепла).

— роющая деятельность животных изменяет механический состав почв (при рыхлении червями объем воздуха в почве увеличивается в 2,5 раза; «…Слой экстрементов выделяемых дождевыми червями на плодородных почвах Англии составляет около 5 мм в год, т.е. почвенный пласт мощностью в 1 м дождевые черви полностью пропускают через свой кишечник за 200 лет. / Ч.Дарвин, 1881/). В процессе роющей и гнездостроительной деятельности животные перемешивают механинически большое количество почвы или растительных остатков, в которых содерживается большая масса химических элементов, сравнимая с массой элементов в ежегодном растительном опаде или с массой элементов в определенном слое почвы. Однако в отличие от миграции элементов в результате трофической деятельности, когда животные вовлекают элементы в биогенный круговорот, при роющей и гнездостроительной деятельности элементы вовлекаются в литогенный круговорот. Животные в этом случае являются косвенными факторами биогенного круговорота и факторами механического переноса элементов, подобно ветру и воде. Например, перемешивание почвы обыкновенными кротами в различных экосистемах колеблется от 3,9 до 55 т/га, малого суслика – до 1,5 т/га, мелкими грызунами – от 12 до 36 т/га.

Главную роль в горизонтальном перемещении веществ играют птицы, крылатые насекомые, также стаи морских рыб, поднимающихся на нерест вверх по рекам. Перенос вещества при этом сопоставим с действием смерчей или ураганов. Транспортная функция живого – перемещение из моря на континент – проявляется при накоплении гуано. Огромные скопления (мощностью до 35 м) экскрементов морских птиц образованы на островах и морских побережьях. На островах Чинча, расположенных у берегов Латинской Америки, ежегодно накапливается слой гуано мощностью 8 см.

Уровни организации живой материи

1. Молекулярный (генетический) – самый низкий уровень, на котором биологическая система проявляется в виде функционирования биологически активных крупных молекул – белков, нуклеиновых кислот углеводов. С этого уровня наблюдаются свойства, характерные исключительно для живой материи: обмен веществ протекающий при превращении лучистой и химической энергии, передача наследственности с помощью ДНК и РНК. Этому уровню свойственна устойчивость структур в поколениях.

2. Клеточный – уровень, на котором биологически активные молекулы сочетаются в единую систему. В отношении клеточной организации все организмы подразделяются на одноклеточные и многоклеточные.

3. Тканевый – уровень, на котором сочетание однородных клеток образует ткань. Он охватывает совокупность клеток, объединенных общностью происхождения и функций.

5. Организменный – уровень, на котором взаимодействие ряда органов сводится в единую систему индивидуального организма. Представлен определенными видами организмов.

6. Популяционно-видовой, где существует совокупность определенных однородных организмов, связанных единством происхождения, образом жизни и местом обитания. На этом уровне происходят элементарные эволюционные изменения в целом.

7. Биоценоз и биогеоценоз (экосистема) – более высокий уровень организации живой материи, объединяющий разные по видовому составу организмы. В биогеоценозе они взаимодействуют друг с другом на определенном участке земной поверхности с однородными абиотическими факторами.

8. Биосферный – уровень, на котором сформировалась природная система наиболее высокого ранга, охватывающая все проявления жизни в пределах нашей планеты. На этом уровне происходят все круговороты вещества в глобальном масштабе, связанные с жизнедеятельностью организмов.

Прежде чем говорить о границах биосферы, следует сказать о пределах существования жизни.

Пределы существования жизни

В 1926 г. Вернадский впервые поставил вопрос о границах биосферы. В 1937 г. он пишет работу «О пределах биосферы». По В.И.Вернадскому, биосфера охватывающая весь земной шар, небеспредельна, ее границы в значительной мере обусловлены существованием в ней живого вещества и определяют границы распространения жизни по земному шару как по горизонтали, так по вертикали.

Академик Н.Б. Васоевич обратил внимание на важную особенность строение биосферы, которую ранее подчеркивал В.И.Вернадский: на существование в биосфере «поля устойчивости жизни» и «поля существования жизни»

— поля устойчивости жизни – условия, которые выдерживает жизнь не прекращает своих функций, т.е. организм хотя и страдает, но выживает, но не размножается.

— поля существования жизни – условия при которых организм может давать потомство т.е. увеличивать живую массу, увеличивать действенную энергию планеты.

Пределы биосферы обусловлены, прежде всего, «полем существования жизни».

Физико-химические условия ограничивающие

1. Достаточное количество углекислого газа и кислорода

2. Достаточное количество воды (в жидкой фазе), которое могло бы обеспечит нормальный ход процессов жизнедеятельности.

Содержание воды в тканях живых организмов примерно в 5 раз больше, чем воды во всех реках планеты.

Однако в наиболее сухих пустынях Африки под слоем сухого песка встречаются жуки-чернотелки, которые обходятся без атмосферной и почвенной влаги, получая ее из приносимой по воздуху пищи: останки животных, насекомых.

3.Благоприятный термический режим, исключающий как слишком высокие температуры (вызывающие свертывание белков), так и слишком низкие (прекращающие работу ферментов).

Многие прокариоты выдерживают достаточно критические температурные условия. Некоторые из них живут на снегу, в лужах пресной воды на льдинах, в скальных породах Антарктиды. Другие прокариоты обитают в горячих источниках с температурой 98 градусов. В гидротермах дна океана («черных курильщиках») на глубинах в 3 км и давлении около 300 атмосфер были обнаружены организмы, живущие при +250 градусов. Известны бактерии, которые переносят двадцатичасовое пребывание при температуре – 252 градусов.

4. Наличие «прожиточного минимума» элементов минерального питания.

5.Сверхсоленость водной среды, привышающая концентрацию солей в морской воде примерно в 10 раз.

При содержании солей в воде более 270 г/л, бактерии отсутствуют.

Ионизирующие излучения являются мощным фактором разрушения живых организмов. Именно озоновый экран поглощает губительную радиацию на участке спектра с длиной волны менее 290 нм. Максимум концентрации озона на высоте 20-25 км.

Тем не менее, есть микроорганизмы, концентрирующие уран, процветающие в природных зонах радиоктивного заражения. Некоторые их представители живут даже в ядерных реакторах, где доза ионизирующего облучения составляет 2-3 млн. радов.

Жизнь сосредоточена в трех традиционно выделяемых геосферах: в атмосфере, в гидросфере, а также на и в литосфере.

На границе трех сред воздушной, водной и твердой формируется обширная фитосфера (В.Б.Сочава), образованная толщей наземной растительности с сопутствующими представителями царств природы. Она образует толщу 0,03-0,15 км.

Фитосфера – наиболее продуктивный слой на суше вместе с освещенными слоями гидросферы (ее фотосферой) составляет биокалимму, т.е. активную «пленку жизни» (В.И.Вернадский).

Фитосфера с гетеротрофной эоловой зоной высокогорий /здесь обитают лишь жуки, ногохвостки и некоторые клещи/(существующая за счет приноса органики извне) входит в состав террабиосферы (с террабионтами). Фитосфера и эоловая зона составляют биогеоценотический покров (В.Н.Сукачев).

Нижняя часть фитосферы образованная почвенной синузией называется педосферой.

Жизнь в глубинных слоях литосферы представлена анаэробными организмами. Здесь подземные воды лишены свободного кислорода. Этот слой обозначается термином теллуробиосферой (лат. tellus, telluris– земля). Он простирается на глубину до 4 км. Опыт изучения микрофлоры подземных вод, в основном в районах нефтяных месторождений, показали, что на глубинах, доступных для бурения нефтеразведочных скважин (в основном до 3000 м), существует разнообразная и активная аборигенная бактериальная жизнь (Оборин и др., 2004).

Ниже расположена область, где присутствуют только случайно попавшие в глубь земных пластов организмы, уже не способные к активному метаболизму из-за высоких температур и огромного давления горных пород, но живые – в виде спор и цист. Этот слой можно назвать гипобиосферой.

Глубже 6 км, расположен слой эволюционно биогенной литосферы, без признаков современной активной жизни – метабиосфера. Однако по данным Оборина (2004), достоверно установленная глубина нижней граница биосферы в литосфере в настоящее время составляет 6820 м (Тюменская сверхглубокая скважина).

Ниже гранитного слоя (15 км) нет ни современного, ни геологически прошлого воздействия жизни или нацело стерто глубинными процессами. Тут расположена абиосфера планеты как космического тела. Нижний ее слой тропобиосфера представлен не только микроорганизмами и вирусами, главным образом живущих в капельной атмосферной влаги, но довольно многочисленными представителями животного и растительного миров, поднимающихся с поверхности земли и растительного покрова.

Продвигаясь вверх от поверхности Земли обнаруживается весьма разряженная жизнь аэробиосферы. Нижний ее слой тропобиосфера представлен не только микроорганизмами и вирусами, главным образом живущими в капельках атмосферной влаги, но довольно многочисленными представителями животными и растительного миров поднимающихся с повержности земли и растительного покрова. При этом ту часть атмосферы, что густо заполнена летающими, парящими и пассивно переносимыми наземными и водными организмами, их органами и частями (спорами, летающими семенами, пыльцой и т. д. следует видимо относить к экотону между террабиосферой и гидробиосферой содной стороны и тропобиосферой с другой ( от нескольких метров до 50-300 м надповерхностью земли и воды), а вышележащиеслои, куда залетают лишь отдельные представители наземной жизни (птицы, насекомые) или в которой в отдельные периоды переносятся их значительные массы (стаи саранчи, скопления некоторых бабочек, перелетные птицы и другие) – к собственно тропобиосфере. Тропобиосфера простирается примерно до высоты 5-6 км.

Над ней, вне слоя положительных температур лежит относительно тонкий слой альтбиосферы (лат. altus– высокий). Он приблизительно соответствует эоловой зоне на суше. Здесь жизнь возможна лишь благодаря прямой солнечной инсоляции, тогда как температура среды не поднимается выше 0 о С.Толщина слоя примерно от 5-6 до 22 км.

Над альтбиосферой расположен слой случайного заноса организмов и их спор, не способных к активному метаболизму из-за низкой температуры, малого атмосферного давления и воздействия космического излучения и коротковолновой части солнечного спектра. Дж.Хатчинсон назвал этот слой парабиосферой(до высоты примерно 50 и даже 100 км).

Выше слои атмосферы лишены жизни, но могут содержать биогены – это апобиосфера.

Гидросфера распадается на два системных образования – океаническое и континентальных водоемов – океанобиосферу, или маринобиосферу и аквабиосферу. Здесь следует выделять: освещенную часть – фотосферу (до 200 м), слой слабого освещения – дисфотосферу (до глубин около 1 км) и область лишенную освещения – афотосферу, которая проникает до самой глубокой отметки мирового океана Марианской впадины (11022 м). В точке погружения батискафа «Триест» – 10919 м температура равнялась 2,4 о С, давление достигало 1100 атм были обнаружены рыбы.

По видимому под океанами литосферный предел биосферы распространяется на 0,5-1,0 км и возможно, на 3,0 км ниже их дна (В.Н.Киселев).

Таким образом, максимальные глубины проявления жизни на суше приблизительно 5-6 км, вверх от поверхности Земли до 6 км по вертикали, т.е. на суше слой активной жизни на суше толщиной максимум в 12 км, а в пределах океана 17 км по вертикали. Сфера случайного попадания живых организмов и осадочных биогенных пород – мегабиосфера – охватывает толщу около 50 км (от границ парабиосферы до пределов метабиосферы).

Биосфера расчленяется таким образом на меробиосферы: геобиосферу, гидробиосферу и аэробиосферу.

Первые две меросферы имеют подразделения в соответствии с основными средообразущими факторами: террабиосфера и литосфера в пределах геобиосферы, океанобиосфера (маринобиосфера) и аквабиосфера в составе гидробиосферы.

Все три меробиосферы распадаются на слои: аэробиосфера – тропобиосферу и альтбиосферу, гидробиосфера на фотосферу, дисфотосферу и афотосферу

Биосфера как целостное образование представляет собой результат противоречивого функционального единства взаимодействия между разнокачественных частей, отсутствие или присутствие которых, а также увеличение или убавление какой-либо из частей существенным образом влияют на качественное определение всего целого. Связанная с этим разнородность строения биосферы, резкое различие ее вещества и ее энергетики в форме живых и костных естественных тел, есть основное ее проявление. Разнородность строения биосферы является основным господствующим фактором, резко отличающим ее от всех других оболочек земного шара (Гирусов, 1968). Э.В.Гирусов предлагает неоднородность биосферы делить на агрегатную, орографическую, пространственную, энергетическую, зональную, качественную.

При постоянном, но неравномерном притоке космических излучений, и особенно, энергии Солнца, в условиях электромагнитного поля земли и сферической поверхности взаимодействие вещества в различных агрегатных состояниях приобретает крайне противоречивый характер. Испаряясь, огромные массы воды переходят в газообразное состояние в состав атмосферы, а затем конденсируются и с дождем, туманом и росой возвращаются на землю, чтобы затем подняться в составе испарений в атмосферу. Работа поверхностных вод постепенно приводит к выравниванию рельефа.

Этому процессу противостоит поднятие отдельных участков суши. Но наряду с этим происходит соответственное опускание других. Тектоническая неравномерность движения земной коры обуславливает неоднородность орографическую. В следствии этого, изменяется поверхность биосферы, происходит движение вещества на суше.

Под пространственной неоднородностью имеется в виду следующее:

1. неравномерность распределения вещества в биосфере;

2. структурная неравномерность, выражающаяся в своеобразном соотношении симметрии и диссиметрии тел биосферы.

Анализ вещественного состава биосферы показывает неравномерность соотношения масс вещества в различных состояниях. Наибольшее количество массы сосредоточено в наружном слое литосферы и в гидросфере, гораздо меньше в составе атмосферы и незначительное количество вещества в составе органической части биосферы. Распределения вещества в органической части биосферы еще более заметнее.

По подсчетам И.А.Суетовой (1974),

· живое вещество суши составляет 6,4 х 10 18 г

· живое вещество океана весит 29, х 10 15 г

· живое вещество суши образов. растениями весит 6,4 х 10 18 г

· живое вещество суши образов. животными весит 0,006 х 10 18 г

· живое вещество океана образов. растениями весит 1,1 х 10 15 г

· живое вещество океана образов. животными весит 28,8 х 10 15 г

Таким образом, на суше биомасса растений примерно на три порядка больше биомассы животных, в океане же биомасса животных примерно в 28 раз выше биомассы растений. Биомасса зеленых растений на еденицу площади в океане в 400 раз меньше, чем на суше их продукция же в океане лишь в 2 раза меньше чем на суше.

Биомасса Растений и Животных биосферы (сухое вещество) (Акимова,Хаскин,2001)

* в эту категорию включены биомасса бактерий и грибов

Этот факт имеет большое значение для развития биосферы. «Именно неравномерность распределения масс вещества и разнородность его агрегатных состояний обуславливает возможность движения и усложнения материи» (Гирусов, 1968).

В необратимости эволюционного процесса в биосфере велика роль вещественной неравномерности и структурной разнородности взаимодействия органической и неорганической частей биосферы. «Можно видеть, что она связана с особыми свойствами пространства, занятого телом живых организмов, с особой его геометрической структурой, как говорил п.Кюри, с с особым состоянием пространства. Л.Пастер в 1862 г. впервые понял коренное значение этого явления, которое он назвал неудачно диссиметрией (Вернадский, 1988). Характерной чертой неживых тел является соотношение элементов структуры на молекулярном уровне, т.е. примерно одинаковое количество левых и правых стериоизомеров в составе вещества. А белки, жиры, углеводы – компоненты тел живой природы имеют характерное преобладание стереоспецифических изомеров, преимущественно левых. По выражению Вернадского (1988): «Геологически это проявляется в том, что в биосфере мы видим непроходимую грань между живыми и костными естественными телами и процессами, чего не наблюдается ни в одной другой земной оболочке».

Энергетическая неоднородность выражается в неравномерном распределении по земной поверхности солнечной энергии, а так же в неодинаковом соотношении вещества и энергии в телах биосферы в зависимости от их структуры. Диссиметрически организованные тела (живые организмы) энергетически более инсенсивны, чем семметрично организованные. Причем энергетическая активность их столь велика, что по замечанию В.И.Вернадского, весь химизм биосферы, поддержание окислительной среды в ней обусловлены деятельностью организмов. В следствии такого неравномерного распределения энергии создается значительная разность потенциалов между элементами и частями биосферы и, особенно между неживой и живой природой, чем обеспечивается преимущественный ток атомов от первой ко второй. Отсюда тенденция возрастания массы живого вещества и накопления энергетически богатого вещества в земной коре.

Под мозаичной неоднородностью биосферы В.И.Вернадский подразумевал геохимическую неоднородность, т.е. неравномерное распределение атомов различных химических элементов в земной коре. А.П.Виноградовым (1938) было предложено понятие «биогеохимические провинции» (область на поверхности Земли, отличающаяся содержанием химических элементов в почвах, водах и других средах) для характеристики специфичности обмена веществ у организмов, населяющих области биосферы с одинаковым содержанием того или иного химического элемента.

Решающим фактором неравномерного перераспределения химических элементов по периферии нашей планеты, с момента возникновения жизни, является деятельность живых организмов.

Зональная неоднородность выражается в неравномерном, по широтным зонам расселении органических форм и отложений продуктов их жизнедеятельности, отражает диссеметрию неорганических условий существования жизни и составляет одну из закономерностей биосферы.

Качественная неоднородность. Биосфера – это единственная на нашей планете область, где полностью представлены все известные формы движения материи: физическая, химическая, биологическая и социальная. Э.В.Гирусов отмечает, что появление такого богатства материальных форм в биосфере свидетельствует об исключительном многообразии условий существующих в ней, и высоком развитии противоречий, разрешающихся во всех более сложных формах движения.

С другой стороны, это разнообразие способствует дальнейшему усложнению компонентов биосферы и повышению типа целостности ее как системы. Неоднородность частей и элементов биосферы обуславливает неразрывное взаимодействие их в рамках целого и исключительную степень зависимости частей друг от друга. «Живые организмы являются функцией биосферы и теснейшим образом материально и энергетически с ней связаны» (Вернадский, 1965). Эта зависимость обеспечивается обменными процессами, связывающими все части в единое целое в рамках некоторого цикла. Каждая из частей в обменном цикле играет весьма важную роль, и с выпадением любой части нарушается вся система.

Для развития живой природы характерна негэнтропийная тенденция биогенных процессов, в противоположность энтропийным процессам, преобладающим в неживой природе. Негэнтропийную закономерность живого вещества биосферы В.И.Вернадский (1965, с.270) выразил во втором биогеохимическом принципе (законе): «Эволюция видов в ходе геологического времени, приводящая к созданию форм жизни, устойчивых в биосфере, идет в направлен

Источник