close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

438.Лекция 12 Биосфера и экопроблемы

код для вставкиСкачать
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
1
Дисциплина
«Концепции современного естествознания»
Лекция 12 - Биосфера и проблемы экологической безопасности
Автор – д.в.н., профессор
Дудь Александр Петрович
С точки зрения уровня организации, биосфера представляет собой наиболее
обширное объединение живых существ. Продолжая линию прежних рассуждений,
биосферу можно определить как систему биогеоценозов, или живых сообществ.
Ввиду сложности такого объединения представления о биосфере менялись и
уточнялись с развитием науки, но главным в них оставалась идея целостной картины
живой природы, а также вопросы взаимодействия живых систем и среды их обитания.
Последние вопросы составляют содержание экологических исследований.
Эволюция представлений о биосфере
В буквальном переводе термин «биосфера» обозначает сферу жизни, и в таком
смысле он впервые был введен в науку в 1875 г. австрийским геологом и палеонтологом Э.
Зюссом (1831—1914). Однако задолго до этого под другими названиями, в частности
«пространство жизни», «картина природы», «живая оболочка Земли» и т.п., содержание
термина рассматривалось многими другими естествоиспытателями.
Первоначально под всеми этими названиями подразумевалась только совокупность
живых организмов, обитающих на нашей планете, хотя иногда и указывалась их связь с
географическими, геологическими и космическими процессами, но при этом скорее
обращалось внимание на зависимость живой природы от сил и веществ неорганической
природы. Даже автор самого термина «биосфера» Э.Зюсс в своей книге «Лик Земли»,
опубликованной спустя почти тридцать лет после введения термина (1909), не замечал
обратного воздействия биосферы и определял ее как «совокупность организмов,
ограниченную в пространстве и во времени и обитающую на поверхности Земли».
Первым из биологов, который ясно указал на огромную роль живых организмов в
образовании земной коры, был Ж. Б. Ламарк. Он подчеркивал, что все вещества,
находящиеся на поверхности земного шара и образующие его кору, сформировались
благодаря деятельности живых организмов.
Очень важным для понимания биосферы было установление немецким
физиологом Пфефером (1845 - 1920) трех способов питания живых организмов:
* автотрофное - построение организма за счет использования веществ
неорганической природы;
* гетеротрофное - строение организма за счет использования низкомолекулярных
органических соединений;
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
2
* миксотрофное - смешанный тип построения организма (автотрофногетеротрофный).
Постепенно идея о тесной взаимосвязи между живой и неживой природой, об
обратном воздействии живых организмов и их систем на окружающие их физические,
химические и геологические факторы все настойчивее проникала в сознание ученых и
находила реализацию в их конкретных исследованиях. Этому способствовали и
перемены, произошедшие в общем подходе естествоиспытателей к изучению природы.
Они все больше убеждались в том, что обособленное исследование явлений и
процессов природы с позиций отдельных научных дисциплин оказывается неадекватным.
Поэтому на рубеже XIX—XX вв. в науку все шире проникают идеи холистического, или
целостного, подхода к изучению природы, которые в наше время сформировались в
системный метод ее изучения.
Результаты такого подхода не замедлили сказаться при исследовании общих
проблем воздействия биотических, или живых, факторов на абиотические, или
неорганические, условия.
Так, оказалось, например, что состав морской воды во многом определяется
активностью морских организмов. Растения, живущие на песчаной почве, значительно
изменяют ее структуру. Живые организмы контролируют даже состав нашей
атмосферы. Число подобных примеров легко увеличить, и все они свидетельствуют о
наличии обратной связи между живой и неживой природой, в результате которой живое
вещество в значительной мере меняет лик нашей Земли.
Таким образом, биосферу нельзя рассматривать в отрыве от неживой природы, от
которой она, с одной стороны, зависит, а с другой — сама воздействует на нее. Поэтому
перед естествоиспытателями возникает проблема — конкретно исследовать, каким
образом и в какой мере живое вещество влияет на физико-химические и геологические
процессы, происходящие на поверхности Земли и в земной коре. Только подобный
подход может дать ясное и глубокое представление о концепции биосферы. Такую
задачу как раз и поставил перед собой выдающийся российский ученый В.И.
Вернадский (1863-1945).
Концепция Вернадского о биосфере
Центральным пунктом в этой концепции является понятие о живом веществе,
которое В.И. Вернадский определяет как совокупность живых организмов.
Кроме растений и животных он включает сюда и человечество, влияние которого на
геохимические процессы отличается от воздействия остальных живых существ, во-первых,
своей интенсивностью, увеличивающейся с ходом геологического времени; во-вторых, тем
воздействием, какое деятельность людей оказывает на остальное живое вещество.
Это воздействие выражается прежде всего в создании многочисленных новых видов
культурных растений и домашних животных. Такие новые виды не существовали раньше и
без помощи человека либо погибают, либо превращаются в дикие породы. Поэтому
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
3
Вернадский рассматривает геохимическую работу живого вещества в неразрывной связи
животного, растительного царства и культурного человечества, как работу единого
целого.
По мнению Вернадского, в прошлом не придавали достаточно значения двум
важным факторам, которые характеризуют живые тела и продукты их
жизнедеятельности:
• открытию Л. Пастера о преобладании оптически активных соединений, связанных
с дисимметричностью пространственной структуры молекул как отличительной
особенностью живых тел, что подробно рассматривалось в предыдущей главе;
• вкладу живых организмов в энергетику биосферы и их влиянию на неживые тела.
В состав биосферы входит не только живое вещество, но и разнообразные неживые
тела, которые Вернадский называет косными (атмосфера, горные породы, минералы и
т.д.), а также и биокосные тела, образованные из разнородных живых и косных тел (почвы,
поверхностные воды и т.п.). Хотя живое вещество по объему и весу составляет
незначительную часть биосферы, оно играет основную роль в геологических процессах,
связанных с изменением облика нашей планеты.
Поскольку живое вещество является определяющим компонентом биосферы,
постольку можно утверждать, что оно может существовать и развиваться только в рамках
целостной системы биосферы. Не случайно поэтому Вернадский считает, что «живые
организмы являются функцией биосферы и теснейшим образом материально и
энергетически с ней связаны, являются огромной геологической силой, ее определяющей.
Состав биосферы
Биосферу слагают следующие типы веществ:
1.
Живое вещество — вся совокупность тел живых организмов, населяющих
Землю, физико-химически едина, вне зависимости от их систематической
принадлежности. Масса живого вещества сравнительно мала и оценивается величиной
2,4-3,6×1012 т (в сухом весе) и составляет менее 10−6 массы других оболочек Земли. Но
это одна «из самых могущественных геохимических сил нашей планеты», поскольку
живое вещество не просто населяет биосферу, а преобразует облик Земли. Живое
вещество распределено в пределах биосферы очень неравномерно.
2.
Биогенное вещество — вещество, создаваемое и перерабатываемое
живым веществом. На протяжении органической эволюции живые организмы
тысячекратно пропустили через свои органы, ткани, клетки, кровь всю атмосферу, весь
объѐм мирового океана, огромную массу минеральных веществ. Эту геологическую
роль живого вещества можно представить себе по месторождениям угля, нефти,
карбонатных пород и т. д.
3.
Косное вещество —Продукты, образующиеся без участия живых
организмов.
4.
Биокосное вещество, которое создается одновременно живыми
организмами и косными процессами, представляя динамически равновесные системы
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
4
тех и других. Таковы почва, ил, кора выветривания и т. д. Организмы в них играют
ведущую роль.
5.
Вещество, находящееся в радиоактивном распаде.
6.
Рассеянные атомы, непрерывно создающиеся из всякого рода земного
вещества под влиянием космических излучений.
7.
Вещество космического происхождения.
Основное отличие живого вещества от косного заключается в следующем:
1. Изменения и процессы в живом веществе происходят значительно быстрее, чем в
косных телах. Вот почему для характеристики изменений в живом веществе пользуются
понятием исторического времени, а в косных телах — геологического времени. Для
сравнения отметим, что секунда геологического времени соответствует примерно ста
тысячам лет исторического времени.
2. В ходе геологического времени возрастают мощь живого вещества и его
воздействие на косное вещество биосферы. Это воздействие, указывает Вернадский,
проявляется прежде всего в непрерывном биогенном токе атомов из живого вещества в
косное вещество биосферы и обратно.
3. Только в живом веществе происходят качественные изменения организмов в ходе
геологического времени. Процесс и механизмы этих изменений впервые нашли
объяснение в теории Ч. Дарвина о происхождении видов путем естественного отбора.
4. Живые организмы изменяются в зависимости от изменения окружающей среды,
адаптируются к ней, и, согласно теории Дарвина, именно постепенное накопление таких
изменений служит источником эволюции. Вернадский высказывает предположение, что
живое вещество, возможно, имеет и свой процесс эволюции, проявляющийся в изменении
с ходом геологического времени вне зависимости от изменения среды.
Для подтверждения своей мысли он ссылается на непрерывный рост центральной
нервной системы животных и ее значение в биосфере, а также на особую
организованность самой биосферы. В упрощенной форме эту организованность, по его
мнению, можно выразить так: ни одна из точек биосферы «не попадает в то же место, в ту
же точку биосферы, в какой она когда-нибудь была раньше. В современных терминах это
явление можно описать как необратимость изменений, которые присуши любому
процессу эволюции и развития.
Непрерывный процесс эволюции, сопровождающийся появлением новых видов
организмов, оказывает воздействие на всю биосферу в целом, в том числе и на природные
биокосные тела: почвы, наземные и подземные воды и т.д. Это подтверждается тем, что
почвы и реки девона совсем другие, чем третичной и тем более нашей эпохи. Таким
образом, эволюция видов постепенно распространяется и переходит на всю биосферу.
Поскольку эволюция и возникновение новых видов предполагают существование
своего начала, постольку закономерно возникает вопрос: а есть ли такое начало у жизни?
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
5
Если есть, то где его искать — на Земле или в космосе? Может ли возникнуть живое из
неживого?
Над этими вопросами на протяжении столетий задумывались многие религиозные
деятели, представители искусства, философы и ученые. В.И. Вернадский подробно
рассматривает наиболее интересные точки зрения, которые выдвигались выдающимися
мыслителями разных эпох, и приходит к выводу, что никакого убедительного ответа на эти
вопросы пока не существует. Сам он как ученый вначале придерживался эмпирического
подхода к решению указанных вопросов, когда утверждал, что многочисленные попытки
обнаружить в древних геологических слоях Земли следы присутствия каких-либо
переходных форм жизни не увенчались успехом. Во всяком случае, некоторые останки
жизни были обнаружены даже в докембрийских слоях, насчитывающих 600 млн лет. Это,
по мнению Вернадского, дает возможность высказать предположение, что жизнь как
материя и энергия существует во Вселенной вечно и поэтому не имеет своего начала.
Такое заключение основано на том, что следы начального живого вещества до сих пор
не обнаружены в земных слоях, но чтобы стать обоснованной гипотезой, оно должно быть
согласовано с другими результатами научных исследований, в том числе с существующими
естественнонаучными гипотезами, например известной гипотезой происхождения жизни
А.И. Опарина. Во всяком случае, здесь нельзя не считаться со взглядами тех
натуралистов и философов, которые защищали тезис о возникновении живой материи из
неживой. Предположения относительно абиогенного, или неорганического, происхождения
жизни делались неоднократно еще в Античную эпоху, например Аристотелем, который
допускал возможность возникновения мелких организмов из неорганического вещества.
С возникновением экспериментального естествознания и появлением таких наук, как
геология, палеонтология и историческая биология, эта точка зрения подверглась критике
как не обоснованная эмпирическими фактами. Еще во второй половине XVII в. широкое
распространение получил принцип, провозглашенный известным флорентийским
врачом и натуралистом Ф. Реди: все живое возникает из живого. Утверждению этого
принципа содействовали исследования знаменитого английского физиолога У. Гарвея
(1578—1657), который считал, что всякое животное происходит из яйца, хотя он и
допускал возможность возникновения жизни абиогенным путем.
В дальнейшем, по мере проникновения физико-химических методов в биологические
исследования, снова и все настойчивее стали выдвигаться гипотезы об абиогенном
происхождении жизни. Выше мы уже говорили о химической эволюции как предпосылке
предбиотической, или предбиологической, стадии возникновения жизни. С указанными
результатами Вернадский не мог не считаться, и поэтому его взгляды по этим вопросам не
оставались неизменными, но, опираясь на почву точно установленных фактов, он не
допускал ни божественного вмешательства, ни земного происхождения жизни. Повидимому, здесь на него повлияли взгляды ряда выдающихся ученых, как, например,
химика С. Аррениуса, который настойчиво защищал такую точку зрения. Поэтому
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
6
Вернадский перенес возникновение жизни за пределы Земли, но также допускал
возможность ее появлении в биосфере при определенных условиях.
Биосфера (в современном понимании) - своеобразная оболочка Земли,
содержащая всю совокупность живых организмов и ту часть вещества планеты,
которая находится в непрерывном обмене с этими организмами.
Исходной основой существования биосферы и происходящих в ней биогеохимических
процессов является астрономическое положение нашей планеты, и в первую очередь ее
расстояние от Солнца и наклон земной оси к эклиптике, или к плоскости земной орбиты.
Это пространственное расположение Земли определяет в основном климат на планете, а
последний, в свою очередь, жизненные циклы всех существующих на ней организмов.
Солнце является основным источником энергии биосферы и регулятором всех
геологических, химических и биологических процессов на нашей планете. Эту ее роль
образно выразил один из авторов закона сохранения и превращения энергии Ю. Майер
(1814—1878), отметивший, что жизнь есть создание солнечного луча.
Биосфера охватывает нижнюю часть атмосферы, гидросферу и верхнюю
часть литосферы.
Атмосфера - наиболее легкая оболочка Земли, которая граничит с космическим
пространством; через атмосферу осуществляется обмен вещества и энергии с
космосом. Атмосфера имеет несколько слоев:
1. тропосфера - нижний слой, примыкающий к поверхности Земли (высота 9-17
км). В нем состредоточено около 80% газового состава атмосферы и весь водяной пар;
2. стратосфера;
3. ноносфера - там "живое вещество" отсутствует.
Гидросфера - водная оболочка Земли. Вследствие высокой подвижности вода
проникает повсеместно в различные природные образования, даже наиболее чистые
атмосферные воды содержат от 10 до 50 мгр/л растворимых веществ. Преобладающие
элементы химического состава гидросферы: Na+, Mg2+, Ca2+, Cl-, S, C. Концентрация
того или иного элемента в воде еще ничего не говорит о том, насколько он важен для
растительных и животных организмов, обитающих в ней. В этом отношении ведущая
роль принадлежит N, P, Si, которые усваиваются живыми организмами. Главной
особенностью океанической воды является то, что основные ионы характеризуются
постоянным соотношением во всем объеме мирового океана.
Литосфера - внешняя твердая оболочка Земли, состоящая из осадочных и
магматических пород. Поверхностный слой литосферы, в котором осуществляется
взаимодействие живой материи с минеральной (неорганической), представляет собой
почву.
Остатки организмов после разложения переходят в гумус (плодородную часть
почвы). Составными частями почвы служат минералы, органические вещества, живые
организмы, вода, газы. Преобладающие элементы химического состава литосферы: O,
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
7
Si, Al, Fe, Ca, Mg, Na, K. Ведущую роль выполняет кислород, на долю которого
приходится половина массы земной коры и 92% ее объема, однако кислород прочно
связан с другими элементами в главных породообразующих минералах.
История развития биосферы
Развитие наблюдается лишь в живом веществе и связанным с ним биокосном. В
косном веществе нашей планеты эволюционный процесс не проявляется.
Зарождение жизни
Жизнь на Земле зародилась ещѐ в архее — примерно 3,5 млрд лет назад. Такой возраст имеют
найденные палеонтологами древнейшие органические остатки. Возраст Земли как самостоятельной
планеты Солнечной системы оценивается в 4,5 млрд лет. Таким образом, можно считать, что жизнь
зародилась ещѐ в юношескую стадию жизни планеты. В архее появляются первые эукариоты —
одноклеточные водоросли и простейшие. Начался процесс почвообразования на суше. В конце архея
появился половой процесс и многоклеточность у животных организмов.
Пределы биосферы
Биосфера – это организованная, определенная оболочка земной коры,
сопряженная жизнью. Пределы биосферы обусловлены, прежде всего, полем
существования жизни. Из этих определений вытекают несколько совершенно
конкретных понятий, раскрывающих сущность биосферы.
1. Биосфера – не просто одна из существующих оболочек Земли, подобно
литосфере, гидросфере, атмосфере. В.И. Вернадский предельно лаконично указывает
ее основное отличие – это организованная оболочка. И чтобы понять суть биосферы,
нужно понять, как и кем, она организована, в чем состоит организованность биосферы.
2. Биосфера имеет определенные пределы; то есть некоторые конечные
размеры, в рамках которых она может быть выделена и научно изучена.
Следовательно, выявив главную движущую силу развития биосферы – живое
вещество, необходимо установить те пространственные и временные ограничения
(пределы), которые накладываются на деятельность живого вещества.
3. Пределы биосферы связываются с полем существования живого. Но любое
поле может сохраняться и поддерживаться лишь при условии сохранения
определенных физических или химических параметров, показателей его состояния.
Значит должны быть установлены некоторые необходимые и достаточные параметры
для физического сохранения «полей жизни» в биосфере и самой биосферы.
На протяжении миллиарда лет существования биосферы организованность
создается и сохраняется деятельностью живого вещества – совокупности всех живых
организмов. Форма же деятельности живого, его биогеохимическая работа в биосфере,
заключается в осуществлении необратимых и незамкнутых круговоротов вещества и
потоков энергии между основными структурными компонентами биосферной
целостности: горными породами, природными водами, газами, почвами,
растительностью, животными, микроорганизмами.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
8
Этот непрерывающийся процесс круговоротного движения составляет один
из краеугольных камней учения о биосфере и носит название биохимической
цикличности. Изучение биохимических циклов как незамкнутых круговоротов
помогает более глубоко проникнуть в суть процессов организованности биосферной
оболочки. Каждое последующее состояние биосферы не повторяет предшествующее.
Вовлечение в миграционные циклы приводит к непрерывному обновлению биосферы,
способствует ее прогрессивному эволюционному развитию, усложнению живого
вещества, возрастанию многообразия живых организмов.
Вопрос о пределах биосферы В.И. Вернадским связывается с сохранением
пределов жизни. Представления о них претерпевают коренные изменения буквально с
каждым новым днем развития науки. Еще вчера мы были убеждены, что температура
кипения в 100 оС невозможна для жизни какого – либо живого существа. Сегодня же
впечатляют все новые открытия мира термофильных организмов, обнаруженных в
вулканических жерлах, гейзерах и подводных изменениях, для некоторых из них
стоградусная температура «холодновата»
для нормального деления клеток
(размножения), они живут и при температуре +250 оС и даже при +350 оС. Есть
сведения о возможности перенесения бактериями температуры абсолютного нуля (273 оС).
Велика пластичность жизни, но все же пределы ее объективно существуют, и они
определяют пределы развития биосферы, ее структуру и функции. Верхняя граница
биосферы охватывает всю тропосферу и ограничивается озоновым слоем (23-25км),
который своеобразным экраном защищает все живое от губительного воздействия
ультрафиолетовой радиации. Нижняя граница очень изрезана; биосфера включает всю
гидросферу суши и Мировой океан, на материках проникает в среднем в земную кору
до глубин 16 км. Здесь она сопрягается с областью ―былых биосфер‖, - так В.И.
Вернадский назвал сохранившиеся остатки биосферы прошлых геологических
периодов. Это накопление известняков, углей, горючих сланцев, остаточных горных
пород.
Былые биосферы – документированное доказательство геологически вечного
развития биосферы. В большом геологическом цикле движения вещества ископаемые
остатки биосфер прошлого выходят на дневную поверхность, разрушаются,
захватываются живыми организмами в новые биогенные циклы круговорота, затем
снова выходят из него и опускаются в глубокие горизонты земной коры, где
подвергаются метаморфизации, переплавке, и где отдают запасенную в них солнечную
энергию. Так длится миллиарды лет, сколько существует биосфера.
Возраст биосферы приближается к геологическому возрасту Земли как планеты
Солнечной системы.
Границы биосферы
 Верхняя граница в атмосфере: 15—20 км. Она определяется озоновым слоем,
задерживающим коротковолновое УФ-излучение, губительное для живых организмов.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
9
 Нижняя граница в литосфере: 3,5—7,5 км. Она определяется температурой
перехода воды в пар и температурой денатурации белков, однако в основном
распространение живых организмов ограничивается вглубь несколькими метрами.
 Нижняя граница в гидросфере: 10—11 км. Она определяется дном Мирового
Океана, включая донные отложения.
Пространство – время живого в биосфере
Пространство и время – две основные формы движущейся материи – в трудах
В.И. Вернадского являлись стратегической целью, некоторой «Сверхзадачей» всей его
натурфилософии. Глубина проникновения в строение окружающей действительности
и широкий исторический охват рассмотрения каждого ее аспекта не могли не привести
естествоиспытателя к отысканию фундаментальных свойств реальности, которые
наиболее полно выражаются в понятиях пространства и времени.
Время и пространство отдельно не встречаются, они нераздельны. Мы не знаем
ни одного явления, которое бы не занимало части пространства и части времени.
Только для логического удобства представляем мы отдельно пространство и отдельно
время, только так, как наш ум вообще привык поступать при разрешении какогонибудь вопроса. В действительности ни пространства, ни времени в отдельности мы
не знаем нигде, кроме нашего воображения. Что же это за части неразделимые – чего,
очевидно того, что только и существует – это материи, которую мы разбиваем на две
основные координаты: пространство и время.
Как только натуралист спрашивает себя, каким образом проявляются
пространство и время в отдельно взятых уровнях организации движущейся материи,
ему нельзя обойтись без ответа на вопрос: изменяются ли их специфические черты в
этих конкретных формах или остаются стабильными. Как известно, здесь возможны
два ответа, каждый из которых связан с определенной исторической традицией.
Первая из них берет свое начало от Ньютона, в теории которого пространство и время
абсолютны и независимы от движения материальных образований. Пространство суть
лишь бесконечное вместилище тел, а время – некие единые мировые часы, на фоне
хода которых существуют и происходят события всех масштабов. С такой точки
зрения биосфера и жизнь, несмотря на то, что представляет собой вполне
определившейся уровень организации материи, теряет всякую качественность, их
специфика в расчет не принимается, и они как исчезающая малость растворяются в
абсолютной общности.
Согласно второй традиции, истоки которой лежат в натурфилософии Лейбница,
пространство и время – неотъемлемые атрибуты материи. Не имеет смысла
утверждать о существовании пространства без самих тел природы и о времени до
образования тел. Пространство есть порядок расположения материальных
образований, а время – порядок их следования.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
10
Именно в русле этой второй системы взглядов лежат исследования природы
пространства и времени Вернадским. В его трудах получает свою специфическую
пространственно-временную определенность биологический уровень движения
материи. Он считает, что время начинает свой отчет именно с момента создания
биосферы. «Мы говорим об историческом, геологическом, космическом и т.п.
временах. Удобно отличать биологическое время, в пределах которого проявляются
жизненные явления.
Это биологическое время отвечает полутора-двум миллиардам лет, на
протяжении которых нам известно на Земле существование биологических процессов,
начиная с археозоя».
Ныне срок существования биосферы почти совпал с возрастом самой планеты как
космического тела (порядка 4,5 млрд. лет). Тем самым подтверждается предвидение
Вернадского о геологической вечности биосферы. И соответственно вскрылся более
глубокий пласт его мыслей о биологическом времени: исходя из общей
методологической установки об атрибутивности пространства и времени, можно
сказать, что до возникновения биосферы нет отсчета времени, ибо главной,
определяющей длительностью в биосфере следует считать время биологическое.
Отсюда следует логический вывод, противоположный ньютоновской традиции: не
жизнь существует на фоне пространства и времени необъятной Вселенной, а
Вселенная – на фоне времени жизни. Иными словами, то привычное, ставшее
незамечаемым воздухом науки и обыденного знания, само собой разумеющееся
представление, по которому жизнь появилась в определенный момент уже шедшего
времени, это представление подвергается у Вернадского глубокому переосмыслению.
Время, привычное нам, т.е. необратимо однонаправленное, связанное с прогрессивной
эволюцией и текущее в нас самих, как существах, частью принадлежащих к биосфере,
и есть реальное и истинное, длительность же большинства безжизненных процессов во
избежание путаницы нельзя возводить в ранг времени.
В биосферных процессах, как ни в каких других природных явлениях,
подвластных наблюдению и точному исследованию, наиболее полно и отчетливо
проявляются основные качественные признаки времени: необратимость и
однонаправленная последовательность. Биосфера никогда не возвращается в прежнее
состояние. Двигателем ее необратимости служит ее биологическая составляющая,
непрерывно и последовательно эволюционирующая от прошлого к будущему.
Причиной ее движения служит способность живого вещества трансформировать
солнечную энергию. Некоторая ее часть, падающая на поверхность земли, уже не
возвращается в мировое пространство, а переходит в другие формы энергии,
накапливаясь в биосфере.
Это глобальный процесс, не прерываясь ни на миг, идет миллиарды лет. Он
служит материально – энергетическим субстратом течения необратимого
биологического времени.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
11
Резкое отличие биологического времени от всех других его форм основано на
отличительных, ярких, но не поддающихся пока удовлетворительному объяснению
чертах, связанных с чисто биологическим уровнем организации материи, а именно с
необратимостью и однонаправленной прогрессивностью. Обе эти качественные
характеристики биологического времени и свойственный только живому особенный
характер биопространства позволили сделать Вернадскому эмпирическое обобщение о
специфичности биологического пространства - времени.
В учении о биосфере ключевым понятием служит понятие организованности
биосферы, в которой живое вещество выступает как функция проявления
биохимической энергии организмов. Именно она позволяет организовать
абиотические составляющие биосферы через посредство информационных процессов,
которые и составляют, по-видимому, сущность функционирования живого вещества.
В биосфере, которая в целом представляет собой биокосное тело, живое вещество,
по весу и объему несравнимое с косным, управляет материально-энергетическими
процессами поверхностной оболочки планеты, формируя при этом собственное,
независимое от других времен, время – пространство жизни.
Придя к идее инвариантности пространства и времени жизни, Вернадский
рассмотрел не только качественные их стороны, но и количественные. Он исследовал
возможные подходы к определению собственной метрики времени, связанной с
жизненными процессами. В философии, обыденном знании считается, что течение
времени неопределимо само по себе, неуловимо. Можно лишь найти такой процесс,
который поможет маркировать течение времени.
Вернадский связывает метрику времени с делением самих организмов, с их
размножением, как наиболее ярком проявлении биохимической энергии. Ритм этого,
как говорил ученый, деления задается скоростью прохождения отдельных неделимых
жизни и всей биосферы. Наиболее наглядно выявляется фактор времяобразования в
делении микроорганизмов, которые обладают стабильной скоростью размножения.
«Смена поколений, - писал Вернадский, - есть своеобразное биологическое
проявление времени, резко отличающее одно живое вещество от другого, с различным
для каждого масштабом сравнения. Возможно, найти для них и общий масштаб». Если
принять тот масштаб, о котором идет речь, то необходимо признать, что время
биосферы есть поток, состоящий из квантов, которым проходит каждая живая клетка.
Сама возможность деления клеток обусловлена существованием на субатомном
уровне квантованного времени, наличием порции времени, меньше которой не бывает
и которыми живое отмеряет, членит пространство определенным метрическим шагом.
Такой состав и строение пространства – времени определяет мощность потока
биосферного времени, который соответствует количеству одновременно делящихся и
живущих клеток живого вещества.
С чисто философской стороны лейбницианскую традицию атрибутивности
пространства и времени исследовали многие. Наиболее близко к такой постановке
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
12
проблемы пространства и времени подошел В. Муравьев. Здесь впервые поставлен
вопрос об изменении формы проявления времени в зависимости от прогрессивного
развития движущейся материи. И хотя рассуждение ведется на уровне самых
абстрактных категорий, тем не менее в нем содержится реальный смысл. Если есть
развитие, то оно не может не сказываться на изменении формы времени, которая не
может находиться в раз навсегда данной, застывшей форме. Если время представляет
собой в наиболее усредненном виде составляющую всех мировых сил, считает
философ, то среди них должны быть активные элементы, изменяющие строение
времени.
Наука наших дней характеризуется повышенным вниманием к проблемам
пространства и времени. И наиболее сильному натиску подвергается биологическое
пространство – время. Оно легче других времен, если они существуют как реальность,
а не только мысленная конструкция, поддается измерениям. И в этом смысле понятие
кванта биологического времени полнее отделяет качество биологической формы
движения материи от других проявлений. Он помогает полнее понять феномен жизни
и наметить перспективы дальнейших исследований.
Биохимические законы
В.И.Вернадский вывел два фундаментальных закона (сам он назвал их
«принципами») развития биосферы.
Первый биогеохимический закон — биогенная миграция химических элементов
в биосфере стремится к своему максимальному проявлению. Анализ геологических
данных показывает, что распространение жизни, живых существ (давление жизни)
неуклонно нарастает. Живые организмы способны занимать самые различные
экологические ниши, сохраняться в самых неблагоприятных условиях (в горячих и
серных источниках, на дне океанов, на ледниках). Это дало основание говорить о
«всюдности» жизни (термин Вернадского).
Второй биохимический закон — эволюция видов, приводящая к созданию форм
жизни, устойчивых в биосфере, должна идти в направлении, увеличивающем
проявление биогенной миграции атомов в биосфере. Согласно этому закону, в
биосфере право на жизнь получают только виды, необходимые самой биосфере для
выполнения определѐнных функций и усиления тем самым биогенной миграции
химических элементов.
По законам Вернадского, биосфера на определѐнной стадии своего развития
преобразуется в сферу разума — ноосферу.
Несмотря на некоторые противоречия, учение Вернадского о биосфере представляет
собой новый крупный шаг в понимании не только живой природы, но и ее неразрывной
связи с исторической деятельностью человечества.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
13
Переход от биосферы к ноосфере
Превращение разума и труда человечества в геологическую силу планетного
масштаба происходило в рамках биосферы, составной частью которой оно является. В. И.
Вернадский в своих исследованиях неизменно подчеркивал, какое огромное воздействие
человечество оказывает на расширение жизни путем создания новых культурных видов
растений и животных. Опираясь на идеи Вернадского органического мира, он, однако,
считал движущей силой эволюции целеустремленное сознание («ортогенез»).
В отличие от него Вернадский рассматривает возникновение сознания как
закономерный результат эволюции биосферы, которое, однажды возникнув, затем
начинает оказывать все возрастающее влияние на биосферу благодаря трудовой
деятельности человека. Но трудовая деятельность человечества напрямую зависит от
развития его сознания и познания, которое находит наивысшее выражение в результатах
научной деятельности, направленной на открытие объективных законов окружающего
мира.
Ноосфера, указывал он, есть новое геологическое явление на нашей планете. В ней
впервые человек становится крупнейшей геологической силой. Он может и должен
перестраивать своим трудом и мыслью область своей жизни, перестраивать коренным
образом по сравнению с тем, что было раньше.
Первоначальные представления о направленности эволюционного процесса в
сторону возникновения мыслящих существ и признание геологической роли
человечества были свойственны многим ученым и до Вернадского. Так, уже в XVIII в.
известный французский естествоиспытатель Ж. Бюффон высказал идею о царстве
человека, которая в XIX в. была развита основателем современной геологии Ж.Л.
Агассисом (1807—1873). Хотя эти идеи и опирались на признание все возрастающей
роли человечества в изменении лика Земли, но не были связаны с принципом
направленности эволюции живого вещества биосферы. Этот принцип в качестве
эмпирического обобщения выдвинул американский ученый Дж. Дана (1813—1895),
который еще до появления труда Дарвина впервые четко заявил, что эволюция живого
вещества идет в определенном направлении.
Основываясь на своих исследованиях ракообразных и моллюсков, Дана пришел к
выводу, что в течение, по крайней мере, двух миллиардов лет происходило
усовершенствование и рост центральной нервной системы животных, начиная от
ракообразных и кончая человеком. Этот процесс он назвал цефализацией, при которой
достигнутый уровень организации нервной системы никогда не снижается. Хотя при
этом возможны и остановки, и скачки, но направление эволюции не идет вспять. Ле
Конт, основываясь на принципе направленности эволюции, назвал эру, связанную с
появлением на Земле человека, психозойской. Ближе к нашему времени известный
русский геолог А.П. Павлов (1854—1929), оценивая чрезвычайно возросшую роль
человечества как мощного геологического фактора, в последние годы жизни настойчиво
говорил об антропогенной эре в эволюции кого, изложенные в лекциях о
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
14
биогеохимической основе биосферы, французский математик и философ Э. Леруа (1870—
1954) ввел в 1927 г. понятие ноосферы, или сферы разума, для характеристики
современной геологической стадии развития биосферы. Его позицию разделял также
крупнейший французский палеонтолог и философ П. Тейяр де Шарден (1881— 1955),
который в своем труде «Феномен человека» определил ноосферу как одну из стадий
эволюции мира. Признавая, что эта стадия, как и сам человек, является результатом
тысячелетней истории развития биосферы. Подобных высказываний можно было бы
привести много, но, за редкими исключениями, они ограничиваются лишь констатацией
разрозненных фактов, не рассматривают их в системе и не дают им теоретического
объяснения.
Концепция Вернадского впервые привела все известные эмпирические факты и
данные в единую, целостную систему знания, которая убедительно объясняет, какие
факторы способствовали переходу от биосферы к ноосфере. Концепция основывается на
признании решающей роли человеческой деятельности, труда и, главное, мысли в
эволюции биосферы, а через нее в изменениях происходящих на Земле геологических
процессов и лика Земли в целом.
Основные предпосылки возникновения ноосферы:
1.
расселение Homo sapiens по всей поверхности планеты и его победа в
соревновании с другими биологическими видами;
2.
развитие всепланетных систем связи, создание единой для человечества
информационной системы;
3.
открытие таких новых источников энергии как атомная, после чего
деятельность человека становится важной геологической силой;
4.
победа демократий и доступ к управлению широких народных масс;
5.
всѐ более широкое вовлечение людей в занятия наукой, что также делает
человечество геологической силой.
Работам Вернадского был свойствен исторический оптимизм: в необратимом
развитии научного знания он видел единственное доказательство существования
прогресса.
Важно подчеркнуть, что Вернадский не ограничивался исследованием влияния
трудовой, производственной деятельности на процессы, происходящие в биосфере и на
земной поверхности. Хорошо сознавая, что труд представляет собой целесообразную
деятельность, основанную на мысли и воле, он указывает, что ноосфера, или сфера разума,
будет все больше и больше определять не только прогресс общества, но и эволюцию
биосферы в целом, а через нее и процессы, совершающиеся на Земле. Недаром он
рассматривает мысль как планетное явление.
Эволюционный процесс получает особое геологическое значение благодаря тому, что он
создал новую геологическую силу — научную мысль социального человечества... Под
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
15
влиянием научной мысли и человеческого труда биосфера переходит в новое состояние — в
ноосферу.
Каким же образом человеческая деятельность влияет на процессы в биосфере, как
она способствует ее эволюции? Почему именно эта деятельность придает эволюции
биосферы направленный характер?
Прежде всего отметим, что биологическая эволюция присуща лишь живому
веществу биосферы, т.е. различным видам растений и животных и, разумеется, человеку в
той мере, в какой он развивался до возникновения цивилизации и превращения в Homo
sapiens (человека разумного). В дальнейшем, как мы покажем, биологическая эволюция
человека переходит в эволюцию социально-культурную.
Эволюция живого вещества биосферы приводит к возникновению новых видов
растений и животных, которые, как и остальные виды, неразрывно и непрерывно связаны
с окружающей их средой, прежде всего питанием и дыханием как наиболее характерными
процессами обмена веществ. Такой обмен приводит к миграции, движению атомов от
живого вещества к неживому, в особенности к биогенному, в котором живые элементы
объединены с элементами неживыми. Нельзя также забывать, что во время эволюции
молекулы и атомы живого вещества не остаются неизменными. А все это во многом
меняет характер взаимодействия живого вещества биосферы не только с ее неживой
частью, но и с остальными сферами оболочки Земли.
В период перехода от биосферы к ноосфере на сцену выступает такой мощный
геохимический фактор, как постоянно увеличивающееся количество зеленного вещества в
биосфере, получаемого посредством расширения посевных площадей и интенсификации
земледелия. В результате искусственного отбора новых сортов растений и пород животных
значительно ускоряются процессы эволюции, быстрее возникают новые виды. А это, в свою
очередь, в еще большей мере способствует ускорению процессов обмена между живым и
косным веществом в биосфере.
По-видимому, постепенный переход к ноосфере начался еще сотни тысяч лет назад,
когда человек овладел огнем и стал изготовлять первые, весьма несовершенные орудия
производства и охоты. Благодаря этому он получил огромное преимущество перед
животными, но с геологической точки зрения гораздо более важным был длительный
процесс приручения диких стадных животных и создания новых сортов культурных
растений. Как известно, именно этот процесс положил начало скотоводству и земледелию,
что исторически привело к первому, наиболее значительному разделению общественного
труда и систематическому обмену его продуктами между разными племенами.
«Человек этим путем, — указывает Вернадский, — стал менять окружающий его
мир и создавать для себя новую, не бывшую никогда на планете живую природу. Огромное
значение этого проявилось еще и в другом — в том, что он избавился от голода новым
путем, лишь в слабой степени известным животным, — сознательным, творческим
обеспечением от голода и, следовательно, нашел возможность неограниченного
проявления своего размножения».
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
16
Что же касается борьбы с животными, то человек одержал в ней победу, по существу, с
изобретением огнестрельного оружия, и поэтому теперь он должен предпринимать особые
меры, чтобы не допустить истребления всех диких животных. Еще большие усилия
необходимы для сохранения самой биосферы в связи с многократно возросшими
техногенными нагрузками на нее. Возникает общая для всего человечества глобальная
проблема сохранения окружающей среды, и прежде всего живой природы.
Современная концепция экологии
О проблемах экологии по-настоящему заговорили в 70-х гг. XX в., когда не только
специалисты, но и рядовые граждане почувствовали, какую возрастающую угрозу несет
существующему и будущим поколениям техногенная цивилизация. Загрязнение
атмосферы, отравление рек и озер, кислотные дожди, все увеличивающиеся отходы
производства, в особенности использованных радиоактивных веществ, и многое другое
— все это не могло не повлиять на рост интереса широких слоев населения к проблемам
экологии.
В связи с этим изменился и сам взгляд на предмет экологии. Хотя термин
«экология» был введен Э. Геккелем свыше столетия назад и как самостоятельная
научная дисциплина она сформировалась еще в 1900 г., тем не менее долгое время
экология оставалась чисто биологической дисциплиной. В настоящее время она вышла
уже из этих узких рамок и стала, по сути дела, междисциплинарным направлением
исследований процессов, связанных с взаимодействием биосферы и общества.
Как указывает известный специалист по этим вопросам Ю. Одум, сейчас экология
оформилась в принципиально новую интегрированную дисциплину, связывающую
физические и биологические явления и образующую мост между естественными и
общественными науками.
О связи экологии с общественными и гуманитарными науками свидетельствует
появление таких ее разделов, как социальная, медицинская, историческая, этическая
экологии.
Более полное представление об экологии, ее задачах и проблемах мы получим, если
будем рассматривать структуру и динамику различных экологических систем, а также
разные уровни их иерархической организации.
Экологические системы и их структура. К экологическим системам обычно относят
все живые системы вместе с их экологической нишей, т.е. окружающей средой, начиная от
отдельной популяции и кончая биосферой. Все они являются открытыми системами,
которые обмениваются с окружающей природной средой веществом, энергией или
информацией. Наименьшей единицей экологии является популяция. Следовательно, ни
молекулярный, ни клеточный, ни организменный уровни, о которых шла речь в
предыдущей главе, не рассматриваются в экологии, хотя и живая молекула, и клетка, и тем
более организм представляют собой открытые системы, которые могут существовать
благодаря взаимодействию со средой.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
17
На популяционном уровне, как мы уже отмечали, различают такие сообщества, как
биоценозы и биогеоценозы, в которых сообщества живых организмов исследуются не
только во взаимодействии между собой, но и в тесной связи с неорганическими условиями
своего существования: почвой, микроклиматом, гидрологией местности и т.п.
Еще более крупным системным объединением в экологии считается биом, который
включает в свой состав живые системы и неживые факторы на обширной территории,
например лиственные породы деревьев на Среднерусской возвышенности.
Наконец, биосфера охватывает, согласно Вернадскому, все живое, биокосное и косное
вещество на поверхности нашей планеты. И хотя она в известных пределах
функционирует автономно, но в конечном счете может существовать и развиваться только
благодаря энергии Солнца и потому является также открытой системой, которую в
отличие от других систем называют экосферой.
В экологии наибольшее значение для изучения структуры ее систем приобретает
анализ тех трофических, или пищевых, связей, которые соединяют различные популяции
друг с другом. Они рассматривались в предыдущей главе, но теперь мы обратимся к
более подробной классификации, чтобы выяснить механизм функционирования
трофических связей. Как и раньше, будем различать автотрофные и гетеротрофные
организмы соответственно тому, питаются ли они самостоятельно за счет преобразования
неорганической энергии или же поедают другие живые организмы. Поэтому в экосистеме
можно выделить два уровня:
• на верхнем, автотрофном уровне, который называют также зеленым поясом, мы
встречаемся с растениями, содержащими хлорофилл и перерабатывающими солнечную
энергию и простые неорганические вещества в сложные органические соединения;
• на нижнем, гетеротрофном уровне происходит преобразование и разложение этих
органических соединений в простые, неорганические.
Таким образом, в механизме трофических связей можно выделить следующие
элементы:
• продуценты
автотрофных
организмов,
главным
образом
зеленых
растений,
которые
могут
производить пищу из
простых, неорганических веществ;
• фаготрофы, гетеротрофные животные, к которым принадлежат животные,
питающиеся другими живыми организмами, растительными и животными;
• сапротрофы,
организмы,
которые
получают
энергию
путем
раз
ложения мертвых тканей или растворенного органического вещества.
В связи с этим гетеротрофные организмы разделяют на биофагов, поедающих живые
организмы, и сапрофагов, питающихся мертвыми тканями.
Одна из характерных черт всех экосистем состоит в том, что в них происходит
постоянное взаимодействие автотрофных и гетеротрофных подсистем организмов. Такое
взаимодействие приводит к круговороту вещества в природе, несмотря на то что иногда
организмы разделены в пространстве. Автотрофные процессы наиболее интенсивно
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
18
протекают на зеленом ярусе системы, где растениям доступен солнечный свет, а на
нижнем ярусе усиленно протекают гетеротрофные процессы. Причем значительный
временной разрыв между производством органического вещества автотрофами и его
использованием приводит к его накоплению. Именно благодаря такому временному
разрыву на нашей планете образовались огромные запасы ископаемого топлива, которые
до сих пор служат важнейшим источником энергии для человечества.
Взаимодействия частей и целого в экологических системах могут исследоваться
двумя путями. С одной стороны, изучением свойств частей и экстраполяцией их на
свойства целого. Такое сведение свойств целого к сумме свойств его частей представляет
собой типичный случай редукционизма и потому сталкивается с немалыми трудностями.
С другой стороны, признание специфичности свойств целого, несводимости их к
свойствам частей открывает значительные перспективы для исследования и получения
эффективных новых результатов. Обычно в конкретных исследованиях системный метод
изучения становится совершенно необходимым в тех случаях, когда части целого
настолько тесно связаны между собой, что их трудно отделить друг от друга и посредством
такого приема получить знание о свойствах системы в целом. В противоположность этому
суммативный метод используется тогда, когда отдельные части совокупности могут
изучаться относительно независимо друг от друга и поэтому свойства целого можно
выявить путем суммирования свойств частей. Отсюда становится ясным, что каждый из
этих методов следует применять в зависимости от конкретных условий исследования.
Следовательно, они не исключают, а предполагают и дополняют друг друга.
Суммативный подход часто оказывается целесообразным при проведении
экспериментов с экологическими совокупностями, когда исследуют, например,
воздействие различных внешних факторов на систему. Системный подход нередко
используется при построении теоретических моделей, когда необходимо выяснить
взаимодействие различных частей экосистемы.
Теоретическое моделирование представляет собой абстрактное выражение реальных
процессов, происходящих в природе. Оно может осуществляться с помощью
соответствующих понятий и величин, характеризующих поведение и развитие экосистем.
Нередко для большей ясности и наглядности в этих же целях используются графические
модели. Поскольку важной целью моделирования является предсказание поведения
системы в различных условиях и в разные периоды времени, постольку в последние годы в
экологии стали чаще прибегать к построению математических моделей, начиная от
простейших, типа так называемого черного ящика, и кончая сложнейшими, в которых
учитывается действие большого числа переменных. Для их расчета используются мощные
компьютеры и другая вычислительная техника.
Взаимодействие экосистемы и окружающей ее среды. В биологических исследованиях,
в особенности в классической теории эволюции, обычно делается упор на изучение
воздействия окружающей среды на живые организмы и их системы. Именно под таким
углом зрения рассматривается действие различных факторов на эволюцию. Однако
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
19
живые системы отнюдь не являются пассивными в этом взаимодействии. Они, в свою
очередь, оказывают мощное воздействие на окружающую их среду.
В наибольшей степени такое воздействие можно проследить на примере больших
экосистем.
Гипотеза Геи-Земли. Она предлагает совершенно иной подход к причинам и
факторам становления жизни на нашей планете. Если традиционно допускают, что жизнь
на Земле появилась после того, как возникла атмосфера со значительным содержанием в
ней кислорода, то гипотеза Геи-Земли предлагает другой подход.
Она считает, что образование кислорода и атмосферы в целом обязано воздействию
тех простейших живых организмов, которые в анаэробных условиях, т.е. при
существовании без кислорода, стали выделять в окружающее пространство кислород.
Свое предположение авторы гипотезы подтверждают ссылкой на то, что на близких к
Земле планетах Марсе и Венере их атмосфера состоит соответственно на 95 и 98% из
углекислого газа, а кислорода в атмосфере Марса 0,13%, в атмосфере Венеры замечены
лишь его следы. Примерно такая же картина наблюдалась бы на безжизненной Земле.
Конечно, гипотеза Геи-Земли нуждается в дальнейшей разработке и обосновании, но она
опирается на важную и в целом признаваемую многими учеными идею, что жизнь
обеспечивает условия для своего дальнейшего существования и развития. Эта идея отнюдь
не является чистым умозрением, а подтверждается многочисленными фактами из истории
развития органического мира.
Поскольку экосистема — система открытая, то она не может не взаимодействовать
со своим окружением и тем самым не влиять на него. Только постоянное и непрерывное
взаимодействие со средой поддерживает жизненные процессы в любой экосистеме. В
результате такого взаимодействия осуществляется постоянный обмен энергией и
веществом между экосистемой и средой, что выражается:
во-первых, в усвоении системой абиотических, или неорганических, факторов среды
(солнечная энергия, вода, минеральные вещества и т.п.);
во-вторых, биотических, или органических, факторов посредством тех
трофических, или пищевых, связей, которые существуют между разными живыми
системами.
Функционирование и эволюция экосистем зависит не только от круговорота
вещества и энергии, существующего в природе. Чтобы выжить, а тем более развиваться,
экосистемы должны соответствующим образом регулировать свою деятельность и
управляться, а это требует установления информационных связей между различными
подсистемами и элементами системы.
Информация и управление в экосистемах. Управление и регулирование в
экосистемах осуществляется с помощью физических и химических элементов. Такие
управляющие системы по своему функциональному назначению можно рассматривать
как кибернетические. Однако в отличие от искусственных систем, созданных человеком, в
природных экосистемах элементы управления рассредоточены внутри самой системы.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
20
Согласно кибернетическим принципам, всякий процесс управления связан с
передачей и преобразованием информации. Для устойчивого динамического
функционирования системы необходимо наличие, во-первых, прямых сигналов, несущих
информацию от управляющего к исполнительному устройству, во-вторых, обратных
сигналов, которые информируют управляющее устройство об исполнении команд.
Получив такие сигналы, управляющее устройство отдает команду о корректировке
системы, если ее положение отклоняется от заданного или установленного. Именно
таким способом осуществляется автоматическое регулирование не только в
кибернетических системах, но и в живых организмах. Принцип такого динамического
равновесия был сформулирован американским физиологом У. Кенноном (1871—1945) в
виде принципа гомеостаза, согласно которому все важнейшие параметры организма
(температура тела, частота пульса и дыхания, состав крови и кровяное давление и др.)
поддерживаются на постоянном уровне благодаря обратным сигналам, поступающим из
органов в головной мозг.
Кибернетика обобщила это положение в виде принципа отрицательной обратной
связи. Нетрудно понять, что указанный принцип объясняет лишь процесс достижения и
сохранения динамического равновесия в любой системе, но для того чтобы понять, как
происходит эволюция и развитие систем, необходимо признать возникновение изменений
в состоянии и структуре систем. А для этого следует ввести принцип положительной
обратной связи, согласно которому непрерывные воздействия на систему, постепенно
накапливаясь, приводят к разрушению прежних связей между ее частями и возникновению
новой ее структуры.
В экосистемах живой природы действие этих принципов приобретает более сложный
характер, поскольку, как мы отмечали, регулирующие центры в них распределены внутри
всей системы, а наличие избыточности, когда одна и та же функция выполняется
несколькими компонентами, обеспечивает необходимую стабильность системы. Эта
стабильность зависит от множества условий, но определяющие среди них — степень
сопротивления внешней среды и эффективность работы управляющих механизмов самой
системы.
Для более конкретной характеристики стабильности экосистем обычно вводят
понятие резистентной устойчивости, которая определяется как способность системы
сопротивляться внешним нагрузкам и оставаться при этом устойчивой.
Понятие упругой устойчивости характеризует способность системы быстро
восстанавливать свою устойчивость. При благоприятных условиях внешней среды
экосистемы обычно повышают свою сопротивляемость усложнением внутренней
структуры. Внезапные и случайные изменения внешней среды (например, штормы) могут
резко снизить устойчивость экосистемы и даже разрушить ее. Таким образом, тесная
взаимосвязь и взаимодействие живых организмов и окружающей среды представляют
собой характерную особенность всех экосистем.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
21
Хотя отдельный организм, будучи открытой системой, также взаимодействует с
окружением, тем не менее взаимодействие экосистемы со средой имеет более
эффективный и устойчивый характер. Эта особенность экосистем проявляется прежде
всего в достижении большей стабильности их функционирования и развития в сравнении
с отдельными организмами в результате установления информационных связей между
отдельными организмами в рамках системы, возникновения иерархических отношений
между отдельными ее подсистемами, которые приводят к усложнению ее структуры.
В связи с этим еще раз следует подчеркнуть, что любая экосистема, начиная от
популяции и кончая экосферой, представляет собой надорганизменный уровень
существования живого в природе, качественно отличающийся от отдельного организма.
Именно в результате объединения отдельных организмов в границах целого, их
взаимодействия друг с другом экосистема приобретает новые, системные свойства,
которые отсутствуют у отдельных организмов. Соответственно этому меняются и
различные связи экосистемы с окружающей средой. Наиболее важными и, по существу,
решающими являются энергетические связи.
Энергетическая характеристика экосистем. Если проследить процессы
превращения и получения энергии в экосистемах, то нельзя не прийти к тому выводу,
который сделал упоминавшийся выше Майер, утверждавший, что жизнь есть создание
солнечного луча. Действительно, лучистая энергия Солнца посредством фотохимического
синтеза сначала преобразуется зелеными растениями в органические соединения, которые
впоследствии служат пищей для растительноядных животных, а последние, в свою очередь,
пищей для других животных.
В экосистемах происходит постоянное преобразование рассеянной в пространстве
солнечной энергии в более концентрированные ее формы сначала автотрофными
растениями, а затем гетеротрофными животными и человеком. При этом на каждой
стадии превращения энергии происходит также ее диссипация, или рассеяние, в
окружающее пространство. Для характеристики этих процессов нам необходимо привлечь
законы термодинамики, с которыми мы уже знакомы, но их необходимо конкретизировать
применительно к экосистемам.
Закон сохранения энергии полностью применим и к экологическим системам, ибо
никогда не наблюдались случаи создания энергии из ничего. Энергия может лишь
превращаться из одной формы в другую, но она никогда и никуда не исчезает.
Второй закон термодинамики, который в физике обычно формулируют с помощью
понятия энтропии, в экологии предпочитают выражать посредством утверждения о
преобразовании концентрированной энергии в рассеянную энергию. Процесс
концентрации рассеянной солнечной энергии происходит, как уже отмечалось выше, в
различных живых системах и охватывает длительный период времени. Полученная
концентрированная энергия может быть в дальнейшем использована в экосистемах в виде
пищи, а в технике — как ископаемое топливо. В обоих случаях будет происходить
преобразование концентрированной энергии в рассеянную энергию.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
22
Какую энергию можно считать концентрированной?
С экологической точки зрения такая энергия по способу своего получения будет тем
больше концентрированной, чем дальше отстоит источник ее получения, например пища,
от начала превращения рассеянной солнечной энергии, т.е. от автотрофных организмов, а
именно зеленых растений и микроорганизмов.
В физических терминах концентрированную энергию можно определить как
обладающую низкой степенью энтропии, т.е. характеризующуюся меньшей степенью
беспорядка. Ведь в результате концентрации энергии происходит выведение беспорядка
из системы во внешнюю среду. Поэтому если беспорядок в системе уменьшается, то во
внешней среде он увеличивается.
В отличие от концентрации рассеяние энергии сопровождается возрастанием
беспорядка в системе. Если система останется закрытой, то она окажется полностью
дезорганизованной, т.е. придет в состояние максимального беспорядка, соответствующего
установлению теплового равновесия в системе.
Таким образом, с энергетической точки зрения системы могут описываться не
только количественно, но и качественно, причем высококачественными будут считаться
наиболее концентрированные формы энергии, которые могут обладать более высоким
рабочим потенциалом, т.е. возможностью произвести соответствующую работу.
Например, ископаемое топливо обладает большим рабочим потенциалом, чем рассеянная
солнечная энергия. Аналогично этому животная пища является более качественной, чем
растительная. Опосредованно качество используемой энергии определяется химической
структурой ее источника.
Все приведенные выше рассуждения показывают, что при энергетическом подходе
задача экологии, по сути дела, сводится к изучению связи между рассеянным солнечным
излучением и экосистемами, а также процессами последовательного превращения менее
концентрированных форм энергии в более концентрированные.
Поскольку материальное производство общества существенным образом зависит от
использования энергии, постольку представляется целесообразным провести
классификацию экосистем с точки зрения использования их энергии в интересах
развития общества, и прежде всего его производительных сил. На этой основе можно
выделить четыре фундаментальных типа экосистем:
1. Природные системы, полностью зависящие от энергии солнечного излучения,
которые можно назвать системами, движимыми Солнцем. Несмотря на то что такие
системы не в состоянии поддерживать самостоятельное энергетическое существование
живых организмов, они, тем не менее, важны для сохранения необходимых экологических
условий на планете. Следует также отметить, что такие природные системы занимают
огромную площадь на земной поверхности. Ведь только одни океаны покрывают 70%
этой поверхности.
Природные системы, движимые Солнцем, а также получающие энергию из других
природных источников, к которым относятся прибрежные участки морей и океанов,
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
23
большие тропические леса и некоторые другие экосистемы. Кроме солнечной энергии
такие системы функционируют за счет энергии морских прибоев, приливов,
глубоководных течений, рек, дождей, ветра и т.п.
3. Природные системы, движимые Солнцем и получающие энергию от ископаемого
топлива (нефть, уголь, древесина и др.). Исторически такие смешанные естественные и
искусственные экосистемы впервые возникли в сельском хозяйстве для возделывания
культурных растений и улучшения пород домашних животных. Сначала там применялась
мышечная сила человека и животных, а впоследствии и энергия машин, работающих на
ископаемом топливе.
4. Современные индустриально-городские системы, которые используют главным
образом энергию ископаемых горючих, преимущественно нефти, угля, газа, а также
радиоактивных веществ для получения атомной энергии. В этих системах производится
основное богатство страны в виде разнообразных промышленных товаров, а также
переработка пищевых продуктов для питания большого количества населения,
сконцентрированного в городах и индустриальных центрах. Сырье для такой переработки
они получают из сельскохозяйственных экосистем. Энергетическая зависимость
индустриальных центров от Солнца минимальна, так как энергоносители они получают
от добывающей промышленности, а продукты питания от сельского хозяйства.
Интенсивный рост промышленности в развитых странах сопровождается все
возрастающим потреблением энергии и одновременно все увеличивающимися отходами
производства. Загрязнение атмосферного воздуха, отравление водных источников,
накопление радиоактивных отходов — неизбежные спутники жизни в крупных
индустриальных центрах. Хищническая эксплуатация быстро сокращающихся запасов
ископаемого топлива, погоня за прибылью любой ценой и особенно за счет нарушения
экологического баланса в окружающей среде — все это с особой остротой выдвигает перед
человечеством, и прежде всего перед промышленно развитыми странами, глобальную
экологическую проблему сохранения динамического равновесия биосферы и нормального
жизнеобеспечения людей.
Поскольку сейчас наша цивилизация находится в процессе перехода от биосферы к
ноосфере, когда разум становится определяющей силой общества, то вполне естественно
задуматься над глобальной стратегией и перспективами дальнейшего развития мира. Хотя
строить прогнозы всегда рискованно, тем не менее они необходимы для того, чтобы
наметить основные направления, по которым с определенной степенью вероятности
можно эффективно подготовиться к встрече будущего.
Недостатка в таких прогнозах и сценариях будущего развития не ощущается. Одни
из них имеют оптимистический характер и делают ставку главным образом на то, что
новая технология будет принципиально отличаться от современной, станет безотходной,
менее энергоемкой и более совершенной по другим параметрам. Другие считают, что при
установившейся тенденции развития никакая технология не спасет общество, если люди
будут непрерывно увеличивать потребление, предприниматели добиваться получения
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
24
максимальной прибыли, а промышленно развитые страны неизменно стремиться к
экономическому росту. Выход из надвигающегося экологического кризиса многие видят в
радикальном изменении сознания людей, их нравственности, в отказе от взгляда на
природу как объект бездумной эксплуатации ее человеком. Однако одного изменения и
совершенствования взглядов и нравственности людей явно недостаточно для выхода из
экологического кризиса и решения экологических проблем в будущем.
Для этого необходимо прежде всего, чтобы общество в своей экономической
деятельности учитывало не только непосредственные материальные и трудовые ресурсы,
затрачиваемые на производство товаров и услуг, но и тот вред, который наносится
окружающей среде в результате такого производства. Все признают, что рыночная
экономика пока еще не научилась это делать. Очевидно, что экономия энергоносителей и
других, быстро уменьшающихся запасов сырья, создание малоотходной и безотходной
технологии, поиски и использование альтернативных источников энергии — все это во
многом сможет помочь решению экологической проблемы и, по крайней мере, ослабить
ее остроту.
В этой связи заслуживает особого внимания инициатива ученых и общественных
деятелей, объединившихся в рамках Римского клуба, участники которого собрались в
1968 г. для обсуждения актуальных глобальных проблем человечества. Первый же доклад,
«Пределы роста», представленный американскими учеными Д. и Д. Медоузами в 1972 г.,
вызвал сильнейший шок среди многих политических деятелей и представителей
общественности.
Основываясь на фактических данных и тенденциях экономического, технического и
социального развития, авторы построили компьютерную модель современного общества,
в которой были учтены связи между различными подсистемами общества и воздействие
на них разных факторов роста. Они показали, что если потребление ресурсов и
промышленный рост вместе с увеличением численности населения будут продолжаться
прежними темпами, то будет достигнут «предел роста», за которым неизбежно последует
катастрофа. Хотя многие специалисты критиковали доклад за то, что в нем не
учитываются усилия общества по совершенствованию технологии, поискам новых
источников энергии и сырья и т.д., но все вынуждены были признать, что в нем
содержится обоснованная тревога за будущее человечества.
Во втором докладе, «Человечество на перепутье», представленном М. Месаровичем и
Э. Пестелем, преодолены некоторые недостатки первого и намечены перспективы
развития не столько мирового сообщества, сколько отдельных его регионов. Такой подход
учитывает конкретные особенности и условия роста отдельных регионов мира, и поэтому
он лучше подходит для решения экологических, энергетических, сырьевых и других
глобальных проблем. В последующих докладах обсуждались более конкретные проблемы,
касающиеся отношений со слаборазвитыми странами, переработки отходов,
использования энергии и др.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
25
Деятельность Римского клуба привлекла внимание широкой публики к актуальным
глобальным проблемам современности, в частности к такой жизненно важной для всего
человечества проблеме, как сохранение окружающей природной среды. Участники
клуба наметили также возможные пути решения проблем, однако мало преуспели в том,
чтобы убедить общество следовать их советам и сделать конкретные усилия по
реализации выдвинутых ими программ и рекомендаций.
Документ
Категория
Научные
Просмотров
27
Размер файла
433 Кб
Теги
лекция, биосфера, экопроблемы, 438
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа