СОДЕРЖАНИЕ
- 1. Введение 3
- 2. Устойчивость биосферы 3
- 3. Концепция биотической регуляции и равновесия биосферы 5
- 4. Равновесие биосферы 8
- 5. Заключение 10
Список литературы 11
Введение
Биосфера (от греч. βιος — жизнь и σφαῖρα — сфера, шар) — оболочка Земли, заселённая живыми организмами, находящаяся под их воздействием и занятая продуктами их жизнедеятельности; «пленка жизни»; глобальная экосистема Земли.
Термин «биосфера» был введён в биологии Жаном-Батистом Ламарком в начале XIX в., а в геологии предложен австрийским геологом Эдуардом Зюссом в 1875 году.
Целостное учение о биосфере создал русский биогеохимик и философ В.И. Вернадский. Он впервые отвёл живым организмам роль главнейшей преобразующей силы планеты Земля, учитывая их деятельность не только в настоящее время, но и в прошлом.
Устойчивость биосферы
Биосфера — сфера жизни на планете Земля, включает нижний слой атмосферы, верхний слой литосферы, гидросферу и совокупность обитающих здесь живых организмов (биоту).
Устойчивость биосферы, то есть ее способность возвращаться в исходное состояние после любых возмущающих воздействий, очень велика. Биосфера существует уже около 3,8 миллиарда лет (Солнце и планеты — около 4,6 миллиарда), и за это время ее эволюция не прерывалась. Это следует из того, что все живые организмы, от вирусов до человека, имеют один и тот же генетический код, записанный в молекуле ДНК, а их белки построены из 20 аминокислот, одинаковых у всех организмов. И как бы ни были велики возмущающие воздействия, а некоторые из них можно отнести к разряду глобальных катастроф, приводивших к исчезновению многих видов, в биосфере всегда находились внутренние резервы для восстановления и дальнейшего развития.
Только за последние 570 миллионов лет отмечено шесть крупных катастроф.
В результате одной из них число семейств морских животных уменьшилось более чем на 40 процентов.
Крупнейшая катастрофа на границе пермского и триасового периодов (240 миллионов лет назад) привела к вымиранию около 70 процентов видов, а катастрофа на границе мелового и третичного периодов (67 миллионов лет назад) — к вымиранию почти половины видов (тогда-то и вымерли динозавры).
Причины таких катаклизмов могли быть различны: похолодание климата, большие вулканические извержения с обширными излияниями лавы, отступления океана, удары крупных метеоритов — биота все равно развивалась, приспосабливаясь к окружающей среде и одновременно оказывая на последнюю мощное преобразующее влияние.
Образование атмосферного кислорода и увеличение его концентрации, кстати, тоже оказалось катастрофичным для некоторых видов — они вымерли, в то же время развитие других видов ускорилось.
Биота прошла огромный путь эволюции от простейших организмов до животных и растений и достигла видового разнообразия, которое исследователи оценивают как 2-10 миллионов видов животных, растений и микроорганизмов, каждый из которых занял свою экологическую нишу.
Состояние биоты определяется в основном физико-химическими характеристиками окружающей среды.
Совокупность среднемноголетних характеристик атмосферы, гидросферы и суши мы называем климатом. Основная климатическая характеристика — температура у поверхности Земли — изменялась за время эволюции биоты относительно мало: при современном значении средней глобальной температуры 288 К (шкала Кельвина отсчитывает градусы от абсолютного нуля, таким образом, 288 К = 15о С) изменения, с учетом ледниковых периодов, не превышали 10-20о .
За 4 миллиарда лет концентрация СО2 в атмосфере уменьшилась в 100-1000 раз (из-за ослабления вулканизма, в результате расхода радиоактивных элементов в недрах Земли), что отрицательно повлияло на питание растений. В то же время накопление кислорода в атмосфере резко ускорило развитие биоты, но не было на пользу тем самым анаэробным (бескислородным) организмам, в результате жизнедеятельности которых появился кислород. Они были почти полностью вытеснены вновь возникшими аэробными организмами.
Есть предположение, что за время существования биосферы исчезло несколько миллиардов видов, тогда как сейчас существуют несколько миллионов.
Но зато организмы, которые сумели пережить изменение условий, давали начало новым видам. Именно приспособление к изменяющимся условиям окружающей среды создало многочисленные и отлично приспособленные виды, то есть двигало эволюцию, как это впервые показал Дарвин.
Имеются данные о том, что становлению человека как вида способствовали тяжелые условия окружающей среды, в которых жили наши предки.
Когда он научился поддерживать благоприятные условия своего существования, его эволюция как биологического вида прекратилась, сменившись эволюцией общества.
Итак, в процессе эволюции биоты были периоды устойчивого развития и периоды катастроф. Рассмотрим, что происходит с биосферой в настоящее время.
Концепция биотической регуляции и равновесия биосферы
Биотическая регуляция окружающей среды – biotic regulation of environment – формирование, регулирование и стабилизация биотой окружающей среды для ее оптимизации в интересах жизни. В рамках концепции биотической регуляции главным свойством жизни является способность видов организмов к выполнению работы по поддержанию пригодных для жизни условий окружающей среды. Жизнь основана на биохимических реакциях синтеза и разложения, преобразующих неорганические вещества в органические и обратно. Мощность биохимических потоков синтеза и разложения в естественной биоте такова, что отсутствие связи между синтезом и разложением привело бы окружающую среду (биосферу) в состояние, не пригодное для жизни в течение десятков лет.
Для сохранения пригодной для жизни окружающей среды, казалось бы, что синтез и разложение должны быть полностью скомпенсированы. Так считают многие исследователи.
Но это было бы эквивалентно отсутствию жизни. В таком случае все изменения окружающей среды происходили бы за счет потоков из земных недр и их депонирования в осадочные породы. Эти не связанные друг с другом потоки не могут быть замкнутыми, поэтому, учитывая их более низкую скорость по сравнению со скоростью биохимических потоков, окружающая среда могла бы стать непригодной для жизни за время порядка ста тысяч лет.
На самом деле биохимические потоки синтеза и разложения скоррелированы не в результате замкнутости их круговорота, а определяются порогом чувствительности биоты по отношению к изменениям характеристик окружающей среды.
Т. е. круговорот биогенов разомкнут, так как на него воздействует множество факторов.
И только когда разомкнутость превышает порог чувствительности биоты, последняя начинает работу по снижению разомкнутости до порога чувствительности.
Корреляция между синтезом и разложением включается только тогда, когда изменения окружающей среды превышают этот порог. Изменения окружающей среды могут вызываться как абиотическими, так и биотическими процессами.
Таким образом, существование жизни в окружающей среде возможно только при наличии управления этой самой средой. Невозможность существования жизни без биотической регуляции окружающей среды следует также из физической неустойчивости существующего климата Земли, содержащей жидкую гидросферу.
Парниковый эффект, поддерживающий среднеглобальную приземную температуру выше точки замерзания воды, определяется в основном парами воды и облачностью.
Согласно физическим законам, пары воды и облачность находятся в равновесии с жидкой гидросферой.
Это равновесие зависит от приземной температуры. С ее ростом на каждые 100С концентрация паров воды в атмосфере увеличивается вдвое, что приводит к росту парникового эффекта и повышению приземной температуры.
Поэтому существующее равновесное состояние климата колеблется между состояниями полного испарения и полного оледенения. Устойчивое поддержание среднеглобальной приземной температуры в течение последнего миллиарда лет в пределах 7-240С может быть объяснено только биологическим управлением глобального круговорота воды.
Сложное взаимодействие с окружающей средой приводит к необходимости образования сообществ видов, скоррелированно взаимодействующих между собой и окружающей их средой (элементарных ячеек биохимического круговорота), и экологических систем из определенного набора сообществ. Такая скоррелированность в рамках сообщества видов подобна скоррелированности клеток и органов внутри многоклеточного организма.
Только те виды, которые обеспечивают необходимую работу по поддержанию окружающей среды, могут образовывать сообщества и составлять земную биоту.
Виды земной биоты должны сохранять неизменной свою генетическую программу и не могут адаптироваться к любым флуктуациям внешних условий.
Они должны обладать механизмом стабилизации генетической программы.
Действительно, по палеонтологическим данным продолжительность существования видов составляет в среднем от 3 до 7 млн лет, т.е. соответствует геологическим временам.
Все виды биоты должны при этом быть жизнеспособны и согласованно взаимодействовать с другими видами сообщества, обеспечивая управление окружающей средой.
Эти ограничения объясняют наблюдаемые морфологическое постоянство и дискретность как современных, так и древних видов. Управление окружающей средой виды, организованные в сообщества (элементарные экосистемы), осуществляют через биогеохимический круговорот биогенов - элементов, необходимых для жизни, т.е. синтез органики из неорганических элементов и затем разложение органики на первичные элементы или включающие их вещества.
Основными биогенами служат кислород, углерод, азот и фосфор. В силу ограниченности в окружающей среде доступных биоте биогенов (например, углерода в виде углекислого газа), круговорот биогенов замкнут с высокой степенью точности, обычно равной или ниже порога чувствительности биоты (для углерода эта величина измеряется сотыми процента).
При внешнем возмущении биота его размыкает для возвращения окружающей среды к прежнему состоянию.
Примеров формирования, регулирования и стабилизации окружающей среды много.
Геологическая наука показала, что земная кора в значительной степени сформирована непосредственно биотой или при ее косвенном участии. Хорошо известно, что кислородная атмосфера в основном сформирована биотой.
Почва является прямым продуктом деятельности живых организмов. В современном Мировом океане концентрация основных биогенов находится в том же соотношении, что и при синтезе органического вещества.
Идеи биотической регуляции окружающей среды прослеживаются в работах В.И.Вернадского, американского биохимика А.Лотки, но наиболее четко эту идею высказал Н.В.Тимофеев-Ресовский, который в 1968 г. писал: «...биосфера Земли - гигантская живая фабрика, преобразующая энергию и вещество на поверхности нашей планеты - формирует и равновесный состав атмосферы, и состав растворов в природных водах, а через атмосферу - энергетику нашей планеты. Она же влияет на климат. Вспомним огромную роль в круговороте влаги на земном шаре испарения воды, осуществляемого растительным покровом. Следовательно, биосфера Земли формирует все окружение человека. И небрежное отношение к ней, подрыв ее правильной работы будет означать не только подрыв пищевых ресурсов людей и целого ряда нужного людям промышленного сырья, но и подрыв газового и водного окружения людей. В конечном счете люди без биосферы или с плохо работающей биосферой не смогут вообще существовать на Земле».
Он же отмечал структуризацию биосферы планеты и называл первичные ячейки этой структуры - сообщества организмов, элементарными ячейками биологического круговорота.
Несколько позже идею биотической регуляции выдвинул английский ученый Дж. Лавлок, назвав ее «гипотеза Гея», но научно обосновал реальные механизмы регуляции окружающей среды биотой российский биофизик В.Г. Горшков.
Он же показал, что биосфера (глобальная экосистема), как любая система, имеет предел «прочности», предел внешнего воздействия на нее, превышение которого ведет к нарушению устойчивости системы. Этот предел называют несущей емкостью экосистемы или несущей хозяйственной емкостью экосистемы, и ее можно определять как для глобальной экосистемы (биосферы), так и для экосистемы любого меньшего масштаба, а также для любой территории.
Теория биотической регуляции по-иному рассматривает основные экологические проблемы человечества. Если до сих пор главной экологической проблемой считается загрязнение окружающей среды, обусловленное неправильным формированием хозяйства, которое оказалось слишком грязным и вело к локальным, региональным и глобальным изменениям окружающей среды, то теперь ясно, что главная причина экологических проблем и изменений окружающей среды - нарушение механизма регуляции окружающей среды биотой в результате разрушения естественных экосистем и замены их искусственными антропогенными системами.
В результате человечество вышло за пределы несущей емкости глобальной экосистемы, нарушило замыкание биогеохимического круговорота, резко снизило способность экосистем управлять окружающей средой и удалять загрязнения.
Поэтому решение экологических проблем возможно только на пути возвращения человечества в пределы несущей емкости глобальной экосистемы, а борьба с загрязнением и ресурсосбережение остаются важной, но второстепенной задачей.
Для решения экологических проблем необходима смена ценностей модернизма, которые не соответствуют современному этапу развития - этапу столкновения мирового сообщества с природой, так как идеология модернизма направлена на рост по всем направлениям и не накладывает запретов на разрушение природы.
Теория биотической регуляции окружающей среды объединяет «биологическую» экологию и экологию как науку о взаимоотношениях природы и общества.
Она также является естественнонаучной базой для общественных наук. На международном уровне растет понимание роли биоты в формировании и регулировании окружающей среды.
В частности, в документе, подготовленном в преддверии Международной конференции «Вызовы изменяющейся Земли» (Амстердам, июль 2001 г.), посвященной обсуждению результатов и перспектив крупнейших программ исследований Земли, сказано: «Земля представляет собой систему, в которой сама жизнь помогает контролировать ее состояние. Биологические процессы сильно взаимодействуют с физическими и химическими процессами в формировании свойств окружающей среды, но биология играет гораздо более важную роль в поддержании пределов обитаемости окружающей среды, чем это предполагалось ранее».
Равновесие биосферы
За большой период существования биосферы сложилось определенное равновесие ее составных частей, поддерживающее общий энергетический уровень всей системы.
Саморегуляция проявляется в стремлении восстановить нарушаемое взаимодействие компонентов или резкие изменения их количественных показателей. Биологический круговорот непрерывен и бесконечен, он является неотъемлемой частью развития природы и результатом деятельности солнечной энергии. Устойчивость этих процессов — характерная черта биосферы.
Однако хозяйственная деятельность человека, усиливающаяся и принимающая разнообразные формы под влиянием научно-технического прогресса, все более существенно воздействует на биосферу путем изменения ее отдельных компонентов.
Еще на заре своего существования человек использовал природные ресурсы, хотя это действие было стихийным и, главное, незначительным по размерам.
Впоследствии с развитием общества, науки и техники воздействие на природу становилось все более ощутимым.
Постепенно естественную растительность, животный мир стали рассматривать как важнейшее природное сырье для отдельных отраслей промышленности, источник пищи для людей и корма для домашних животных.
С развитием земледелия распахивали большие территории, вырубали леса, расширяли сельхозугодья. Растительный покров суши с доисторических времен сократился на 60—65%. Сейчас во всем мире леса занимают около 27 %, луга и пастбища — 17 %, а пашня — 11 % суши (по данным ФАО). Резко возросло потребление биомассы в виде сырья для промышленности и продуктов питания. Так, в современных агробиоценозах от 40 до 80% биопродукции (зерно, солома, стебли, корнеплоды и т. д.) полностью отчуждается. Значительное количество биомассы вывозят из леса и перерабатывают на заводах и фабриках в строительную, химическую и другую продукцию.
Растительный покров является мощным противоэрозионным фактором. Он создает шероховатость поверхности почвы, растения надежно скрепляют ее корнями, защищают наземными частями от разрушения стоком воды и дождевыми каплями. Культурные травянистые растения задерживают 10—11% осадков, а древесная растительность своими кронами — до 30 %. Защитное значение растительного покрова состоит также в улучшении структуры и водопроницаемости почвы в результате разложения корневых остатков. Большая водорегулирующая роль принадлежит лесной подстилке и ежегодному отпаду травянистых растений, образующих степной войлок, особенно хорошо заметный на лугах и в степных заповедниках.
Вырубка лесов и распашка степей изменяют гидро-климатический режим на больших территориях. На безлесных участках усиливается поверхностный сток, особенно на горных склонах и холмистых местностях. Это влечет за собой смыв верхнего слоя почвы и потерю ее плодородия, развитие разрушительных селевых потоков в горах. Лишенные растительности песчаные равнины в аридной зоне тотчас подвергаются дефляции, превращаясь в движущиеся барханы и причиняя огромный ущерб народному хозяйству. К этому же приводит неосмотрительная распашка песчаных земель, а также легких карбонатных почв и в местностях с умеренным климатом, следствием чего являются развивающиеся здесь пыльные бури.
Заключение
Научная концепция биотической регуляции окружающей среды может быть сформулирована в виде следующих основных положений:
- Пригодная для жизни человека окружающая среда создается и устойчиво поддерживается в оптимальном состоянии естественными, не нарушенными человеком экологическими сообществами живых организмов (биотой). Вплоть до некоторого порога, естественная биота компенсирует любые нарушения оптимальной окружающей среды, включая антропогенные возмущения. Биотическая регуляция происходит как в локальном, так и в глобальном масштабах.
- Биотическая регуляция осуществляется за счет скоррелированного функционирования ("работы") живых организмов всех видов, входящих в экологическое сообщество. Информация, необходимая для такой работы, содержится в геномах естественных видов. Стабилизирующий естественный отбор предотвращает распад этой информации. Эволюция происходит в направлении усиления регуляторного потенциала экологического сообщества.
- Величина потоков информации, обрабатываемых естественной биотой при осуществлении контроля за окружающей средой, на двадцать порядков превосходит величину потоков информации, которые могут быть обработаны современной цивилизацией. Технологический аналог биотической регуляции невозможен.
- Разрушение естественных экосистем в ходе хозяйственной деятельности человека приводит к деградации механизма биотической регуляции в локальном масштабе и непрерывному ослаблению его глобальной мощности. Ни нарушенные человеком, ни искусственные биологические системы не способны к поддержанию устойчивой окружающей среды. Такие системы - мощные дестабилизаторы окружающей среды.
- Пригодные для жизни человека параметры окружающей среды и климата физически неустойчивы. В частности, жидкое состояние гидросферы Земли, являющееся основой функционирования живых систем, физически неустойчиво по отношению к переходу в состояния полного оледенения планеты или полного испарения океанов. В отсутствие биотического управления окружающая среда и климат Земли в течение короткого времени перейдут в непригодное для жизни человека состояние.
- Главной задачей современной науки является определение величин площадей, которые в глобальном масштабе должны быть изъяты из хозяйственной деятельности и возвращены ненарушенным естественным экологическими сообществами с целью предотвращения глобального экологического кризиса и восстановления долгосрочной устойчивости пригодных для жизни человека окружающей среды и климата Земли. Иными словами, без естественных лесов жизнь человека на земле невозможна.
- 1. Алексеенко В.А. Жизнедеятельность и биосфера. М.: Логос, 2005
- 2. Данилов-Данильян В.И., Лосев К.С., Рейф И.Е. Перед главным вызовом цивилизации. - М.: ИНФРА-М,2005.- 224 с.
- 3. Еремченко О. З.Учение о биосфере: учебное пособие. 2-е изд. – Academia, 2006, стр. 240
- 4. Сапунов В.Б. Логика сочетания полового и социального-биологического диморфизма в антропогенезе // Вестник Костромского Государственного университет. Вопросы системогенетики, 2005, №1, с. 61-69.
- 5. Яковлев И. А. История человечества. История отношений человека и природы как цивилизационный процесс. – Алетейя, 2006 г.