Жизнь возникла на основе круговорота органического вещества, обусловленного взаимодействием процессов его синтеза и разрушения (деструкции). Это произошло вследствие того, что из общего геологического круговорота веществ выделился биотический круговорот. Живое вещество, образовавшись на Земле, вовлекло в глобальный круговорот все элементы ее поверхности. Так начался процесс создания биосферы, продолжающийся до настоящего времени. Вначале биосфера функционировала как взаимодействие одноклеточных синтетиков и деструкторов между собой и с абиотическими факторами среды. Затем появились многоклеточные организмы. Они развились до современных форм, но тем не менее, «прогрессивная эволюция биосферы невозможна без сохранения ее основы- круговорота органического вещества, регулируемого в основном деятельностью органических организмов. Как не могут нормально функционировать клетки мозга без клеток кишечника, почек, печени, крови, так же невозможно существование и развитие высших форм жизни без низших. Низшие одноклеточные — необходимая составная часть биосферы, обеспечивающая ее нормальное функционирование, а, следовательно, и возможность прогрессивного развития. Их постоянство- основа эволюции всей биосферы» [34].

Биосфера с момента возникновения претерпевает постоянные изменения, проявляющиеся в увеличении разнообразия видов, в усложнении их организации, в росте биомассы. В процессе жизнедеятельности организмов в корне преобразовалась и неживая часть биосферы. В атмосфере появился свободный кислород, а в ее верхних слоях — озоновый экран; углекислота, извлеченная организмами из воды и воздуха, законсервировалась в отложениях угля и карбоната кальция; некоторые вещества надолго выключились из круговорота веществ (залежи полезных ископаемых). Вместе с этим происходило выветривание горных пород, в котором живые организмы принимали активное участие. Выделяя углекислоту, органические и минеральные кислоты, они способствовали тем самым миграции химических элементов.

В геологических масштабах времени в истории Земли происходили значительные преобразования. Облик планеты постоянно менялся. На смену жаркому климату приходил холодный. Известен ледниковый период. В результате подъемов и опускания суши большим изменениям подвергались очертания и размеры материков и океанов. Несмотря на такие грандиозные явления, жизнь на Земле продолжала существовать и развиваться. Возникали новые формы организмов, а неспособные выдерживать изменяющиеся условия вымирали.

Таким образом, суммарная жизнедеятельность развивающихся видов организмов определяет особенности биосферы, которая в свою очередь обусловливает возможность выживания и направление эволюционных преобразований отдельных видов. Направление эволюционных преобразований отдельных видов представляет собой функцию их положения в эволюционирующей биосфере.

Основные этапы эволюции биосферы как глобальной среды жизни иногда целесообразно рассматривать с точки зрения закономерности и последовательности формирования основных сред жизни. С этой позиции биосфера за примерно 4,5 млрд. лет прошла пять исторических этапов эволюции, которые представлены на рис. 1.2 в виде усложнения системы взаимосвязанных циклов:

Первый этап соответствует возникновению первичного биотического цикла, осуществляемого сообществом фотосинтезирующих цианобактерий – сине — зеленых водорослей — первых примитивных, но чрезвычайно жизнестойких продуцентов органического вещества и кислорода. Поскольку круговорот еще не сбалансирован с абиотическим циклом, глобальной биосферы как таковой еще нет.

Второй этап соответствует установлению сбалансированного биотического круговорота с участием аэробных форм автотрофов и гетеротрофов, развитию и росту биосферы. Эти два этапа часто называют биогенезом (от греч.bios- жизнь и genesis- происхождение, возникновение).

К третьему этапу биосфера уже давно сформировалась и стабилизировалась, выполнила свои геологические функции: биотический круговорот достиг высокой степени совершенства; появился человек (антропогенный этап, от греч. anthropos – человек).

Четвертый этап соответствует развитию человеческой цивилизации, как сферы надбиологических потребностей, что создало принципиально новую ситуацию в эволюции биосферы. Под воздействием человека она превращается техносферу, материально-энергетические потоки которой не вписываются в биотический круговорот, несовместимы с ним, более того во многих случаях угнетающе действуют на функции биосферы.

Пятый этап соответствует современной эпохе, когда человеческое общество поглощает вещество и энергию не только через биосферу, но и непосредственно из абиотической среды. Это было бы кардинальным преобразованием хода эволюции биосферы, если бы при этом техногенная нагрузка на биосферу уменьшилась. К несчастью, пока что обращение человека к абиогенным ресурсам только увеличивает эту нагрузку, идет глобальное изменение биосферы[4].

Несмотря на свое исключительное положение в биосфере человек должен подчиняться общим законам природы и согласовывать с ними свои действия.

Возникнув как биологический вид, человечество прошло пять исторических этапов взаимодействия с биосферой: первый – взаимодействие как обычного биологического вида; второй – интенсивное уничтожение животных при охоте, в период становления человечества без изменения экосистем; третий – уничтожение части экосистем созданием пастбищ для скота и выжиганием трав при земледелии; четвертый — ускоренное уничтожение экосистем путем распашки земель, вырубки лесов; пятый – глобальное изменение биосферы. Эти этапы приведены на рисунке 1.3, из которого видно как постепенно человечество превратилось в глобальную «геологическую силу», как говорил В. И. Вернадский, которая сознательно меняет всю окружающую среду, включая околоземное пространство.

В природе известны три вида эволюции: неорганическая, органическая (биологическая) и социальная.

Неорганическая эволюция протекает очень медленно, ее практически невозможно изучить на протяжении жизни даже нескольких поколений исследователей. Эта эволюция изучается в основном астрономией (образование галактик, эволюция космических тел и др.).

Биологическая эволюция протекает значительно быстрее, причем ее темпы ускоряются. Так, жизнь возникла на Земле около 3, 5- 4,5 млрд. лет назад, а человек – всего 3,5 – 4 млн. лет назад (эти сроки незначительны в масштабах астрономии).

Социальная эволюция идет значительно быстрее биологической при этом она опережает биологическую.

1. абиотический круговорот (А), возникновение первичного примитивного биотического круговорота (Б);
2. рост биосферы и биотического круговорота;
3. стабильный биотический круговорот, появление человека (Ч);
4. рост человечества, появление техносферы (Т);
5. современная фаза: рост техносферы и влияние ее на биотический и абиотический круговороты.

Рисунок 1.2 — Стадии эволюции биосферы, представленные в виде последовательно вовлекаемых в круговорот циклов (по М. М. Камшилову, 1979) [34]

Рисунок 1.3 — Этапы развития человечества в его взаимодействии с природой и ее ресурсами (по Реймерсу Н.Ф., 1993 г.) [69]

Естественно возникает вопрос, каким путем пойдет далее развитие человека и биосферы в целом, какими средствами избежать необратимых последствий и предотвратить распад биосферы. Очевидно, следует так управлять процессами взаимоотношений между человеком и биосферой, чтобы они были взаимовыгодны и, чтобы развитие общества не привело к деградации биосферы. С экологических позиций можно говорить о сбалансированности процессов положительной и отрицательной обратной связи между обществом и средой.

Данный этап эволюции жизни рассматривается как этап развития разума, собственно происходит постепенное превращение биосферы в ноосферу (греч. "noos" – разум и sphaira- шар), т. е. ноосфера закономерно идет на смену биосфере.

Ноосфера – это новое эволюционное состояние биосферы, при котором разумная деятельность человека становится решающим фактором ее развития.

Для ноосферы характерна тесная взаимосвязь законов природы с законами мышления и социально-экономическими законами.

Подлинным основателем учения о ноосфере в ее современном понимании был В.
Вернадский. Он указывал, что биосфера ХХ века становится ноосферой, создаваемой, прежде всего, за счет развития науки и социального труда. Ноосфера находится не над биосферой, не вне ее, а является закономерным и неизбежным этапом развития самой биосферы, этапом разумного регулирования взаимоотношений человека и природы (ноосферного самоограничения). Он считал, что человек, как все живые организмы, как живое вещество, выполняет определенную функцию биосферы, что он во всех своих проявлениях составляет закономерную часть строения биосферы, и взрыв научной мысли в XX в. подготовлен всем прошлым биосферы и не может ни остановиться, ни пойти назад.

В. И. Вернадский постоянно подчеркивал, что ноосфера- это биосфера, переработанная научной мыслью, что она «не есть кратковременное и преходящее геологическое явление»[1].

Обобщая идеи В. И. Вернадского о том, что «…идеалы нашей демократии идут в унисон со стихийным геологическим процессом, с законами природы, соответствуют ноосфере», М. М. Камшилов отмечает: «На наших глазах совершается… переход от эволюции, управляемой стихийными геологическими факторами (период биогенеза ), к эволюции, управляемой человеческим сознанием, к периоду «ноогенеза» [34].

В современных условиях человек уже сознает, что он должен считаться с законами развития биосферы и с ее возможностями. При переходе биосферы в ноосферу перед человечеством возникает огромная по масштабам и значению задача — научиться сознательно регулировать взаимоотношения общества и природы. Только целесообразная, осознанная и планомерная деятельность людей может обеспечить гармоническое развитие природы и общества, не ограниченное во времени. При этом ноогенез — этап становления ноосферы — предполагает развитие не только биосферы и общества, но и каждой отдельной личности.

Ноосфера- это период, когда человечество с помощью науки сможет осмысленно управлять природными и социальными процессами. Поэтому нельзя ноосферу считать особой оболочкой Земли. Ноосфера не может быть охвачена ни одной естественной наукой, необходимо взаимодействие естественных и общественных наук. При этом в проблеме ноосферы доминирующей является социальная сторона, а не наука и техника. Кризисные экологические ситуации, приближение глобального экологического кризиса, энергетический, продовольственный, экономический и другие кризисы — результат социальных условий.

Глубокий анализ процесса перехода биосферы в ноосферу дает М.И. Будыко, формирование биосферы он связывает с пятью процессами:
1. Человечество стало единым целым, научно- техническая революция охватила весь земной шар;
2. Осуществилась коренная перестройка связи и обмена, ноосфера явилась единым организованным целым, все части которого на различных уровнях действуют согласованно друг с другом;
3. Открытие новых источников энергии, ноосфера предусматривает коренную перестройку окружающей природы, поэтому ему не обойтись без колоссальных источников энергии;
4. Ноосфера предусматривает социальное равенство всех людей и подъем их благосостояния;
5. По мере развития ноосферы появится возможность регулировать состояние биосферы в соответствии с потребностями человеческого общества [17].

Источник: helpiks.org

Биологическое разнообразие и биоиндикация

Общее число организмов, населяющих Землю, весьма велико. Считается, что на Земле существуют одновременно от 5 до 80 млн. видов организмов. Значительную часть из них составляют насекомые, бактерии и вирусы. Более или менее четкая таксономическая принадлежность установлена всего для 1,5 млн. видов. Из этого числа около 750 000 составляют насекомые, 41 000 — позвоночные и около 25 000 — растения. Остальные виды представлены сложным набором беспозвоночных, грибов, водорослей и микроорганизмов.

Различные ландшафтно-климатические области отличаются одна от другой не только качественным составом, но и числом видов. Биологическое разнообразие меняется от полюса к экватору. Число пресноводных моллюсков в тропических экосистемах почти в 5 раз выше, чем в умеренном климате. Во влажных тропических лесах, например в Амазонии, на одном гектаре встречается до 100 видов деревьев, в то время как в аридных областях тропиков их число не превышает 30.

В морской среде наблюдается такая же закономерность. Так, число видов асцидий в Арктике едва превышает 100, а в тропиках достигает 600. Биоразнообразие — основа жизни на Земле и составляет важнейший жизненный ресурс. Люди используют в пищу около 7 000 видов растений, но около 90% мирового продовольствия создается за счет всего 20 видов, из которых пшеница, рожь, кукуруза и рис покрывают около половины всех потребностей. Биологические ресурсы — важный источник сырья для промышленности, в том числе и для медицинской.

В последние десятилетия человечество осознало важность и полезность диких растений и животных. Многие из них не только содействуют развитию сельского хозяйства, используются в медицине и промышленности, но и полезны для окружающей среды, составляя основу природных экосистем. Биоразнообразие считается главным фактором, определяющим устойчивость биогеохимических циклов вещества и энергии в биосфере. Велика роль организмов, которые напрямую используются человеком в пищу, а также животных фильтраторов и детритофагов, которые вносят существенный вклад в круговорот биогенных элементов. И следовательно, среди огромного разнообразия организмов существуют группы, которые приносят пользу косвенным путем. Многие организмы на заре развития Земли внесли огромный вклад в становление и развитие атмосферы и климата Земли, например сине-зеленые водоросли. Деятельность целого ряда животных и растений до сих пор является мощным стабилизирующим фактором в отношении климата.

Итак, под биоразнообразием понимают все виды организмов, которые являются составляющей частью экологических систем и экологических процессов.

Биоразнообразие может рассматриваться на трех уровнях: генетическом, видовом и экосистемном. Генетическое разнообразие представляет собой особый вид генетической информации, содержащейся в генах организмов, которые обитают на Земле. Видовое разнообразие — это разнообразие видов живых организмов, населяющих Землю. Разнообразие экосистем касается различных сред обитания, биотических сообществ и экологических процессов в биосфере.

Целый ряд органических сообществ, групп видов и отдельные виды определенным образом реагируют на различные антропогенные нагрузки. Степень реагирования живых экосистем на антропогенную нагрузку носит название биоиндикации. Функции индикатора выполняют тот вид, особь или группы особей, которые имеют узкую амплитуду экологической толерантности по отношению к какому-либо фактору.

Индикация экологических условий проводится на основе оценки состояния видового разнообразия, которая отражает их способность накапливать химические элементы и соединения, поступающие из окружающей среды. Причем при растущей загрязненности мест обитания одни виды растений и животных могут исчезать из биоценоза (майский жук, лишайники в промышленно развитых областях) или, наоборот, увеличивать свою численность (сине-зеленые водоросли).

Биоиндикация — составная часть экологического мониторинга (от лат. «монитор» — напоминающий, надзирающий), который является системой наблюдения и контроля за состоянием окружающей среды на определенной территории. Это осуществляется в целях рационального использования природных ресурсов и охраны природы.

Экологический мониторинг основывается на определении содержания загрязняющих веществ в воздушной, водной или почвенной среде. Составная часть экологического мониторинга — биологический, тест-объектами которого служат живые организмы и их сообщества.

Рост загрязняющих веществ в воздушной, водной и геологических средах может быть как природным фактором, так и обусловленным антропогенной деятельностью.

В воздушной и водной средах загрязняющие вещества вызывают закупорку и разъедание газами тканей и органов дыхания животных и растений. Неблагоприятные факторы среды приводят к нарушению формообразовательных процессов, угнетению роста, цветения и плодоношения у растений. Но степень восприимчивости растений и животных к загрязнению окружающей среды зависит от видовой принадлежности.

Считается, что биоиндикация более точно отражает экологическую ситуацию, чем непосредственные инструментальные наблюдения и измерения.

Растения часто используют в качестве тест-индикаторов загрязнения окружающей среды, особенно при выбросах веществ, содержащих серу и тяжелые металлы, которые начинают накапливаться в ассимиляционных органах. В зависимости от технологических процессов на промышленных предприятиях, от которых зависит химический состав аэрозольных и газовых выбросов в воздушный бассейн, используют различные виды растений и применяют разнообразные методы исследований — от экспериментов в специальных камерах с заданным составом воздуха до тонких физико-химических методов анализа. Важным является и определение химического состава коры хвойных деревьев, которая поглощает примеси и пыль, находящиеся в атмосферном воздухе.

В наибольшей степени чувствительны к атмосферному загрязнению низшие растения, в частности лишайники. Их использование в экологическом мониторинге носит название лихеноиндикации. Чувствительность низших растений к антропогенным выбросам известна с середины XIX в., но их стали использовать в качестве биоиндикаторов только со второй половины XX в. Исследования, проведенные в Канаде, Великобритании и Скандинавских странах, показали прямую связь состояния лишайников и степень концентрации в них загрязняющих веществ, в частности тяжелых металлов и диоксидов серы с уровнем загрязненности воздушной среды. Среди лишайников встречаются виды с разной чувствительностью к атмосферному загрязнению, но большинство видов отличается высоким уровнем чувствительности, в сотни раз превышающим чувствительность животных и людей.

Исходя из уровня загрязнения воздушной среды, установленного по различным видам лишайников, составляют специальные карты, на которых показывают разную степень загрязненности воздуха. Нередко на таких картах, построенных для территорий с высоким уровнем развития промышленности, отражают территории, полностью лишенные лишайниковой растительности: некоторые районы Кольского полуострова, Норильска и т. д.

Биоиндикационные исследования в системе экологического мониторинга позволяют проследить пространственное распределение многих вредных для здоровья населения и природной среды веществ на фоне общего загрязнения территории в целом. Полученные значения концентрации тех или иных веществ в конкретных экосистемах могут быть использованы в моделировании и прогнозировании загрязнения и в оценке его экологических последствий при глобальном, региональном и локальном уровнях поступления вредных веществ в окружающую среду.

Индикаторами загрязнения водной среды могут служит как водоросли и макрофиты, так и отдельные животные, в частности рачки, раки, креветки, крабы. Эвтрофикация воды в результате интенсивного размножения сине-зеленых и зеленых водорослей является следствием поступления в водоемы большого объема биогенных веществ и служит характерным предупреждением начавшегося загрязнения водоема.

Вместе с тем водные и наземные растения обладают уникальной фильтрующей способностью. Они поглощают из воздуха и нейтрализуют в тканях значительное количество вредных компонентов, поступающих в воздушный бассейн от теплоэнергетических объектов, промышленных предприятий, транспорта и сельского хозяйства. В водной среде растения выполняют средообразующие функции. Среди них важными являются фильтрационная функция, с помощью которой задерживаются и осаждаются различные механические примеси, осуществляются переработка и усвоение органических веществ; поглотительно-накопительная, когда происходит накопление минеральных соединений, в том числе и радиогенных, и детоксикационная, благодаря которой некоторые виды водных растений в процессе своей жизнедеятельности осуществляют детоксикацию вредных загрязнителей, тем или иным путем поступающих в водоемы.

Неустойчивая биосфера и устойчивое развитие

В течение последних десятилетий учеными разных направлений весьма интенсивно исследуются глобальные процессы, вызванные нарушением биогеохимических циклов, вторжением в климатическую систему и сокращением биоразнообразия в результате антропогенной деятельности. Это, так же как и проблемы лавинообразного прироста численности населения, дефицит продовольствия, голод и недостаток чистой питьевой воды со всей неотвратимостью поднимают вопрос о емкости биосферы и способности систем жизнеобеспечения продолжать выполнять свои функции в условиях растущего антропогенного пресса.

Как известно, прямые и обратные связи поддерживают гомеостаз. Это означает, что планетная биота управляет связями между атмосферой, Мировым океаном и верхней частью литосферы. Этим она поддерживает и сохраняет стабильность потоков вещества и энергии в биосфере. Гомеостаз имеет место только при определенном высоком уровне поглощения планетарной биотой солнечной энергии, возможен только при отсутствии экстремальных космических и планетарных воздействий на биосферу. Он основан на связях, разрушение которых носит триггерный характер. Это означает, что живая природа и многие биокосные образования, поддерживающие гомеостатичность биосферы, оказываются хрупкими, спонтанно разрушающимися в ходе нарушения экологического баланса силами органической природы. Дестабилизация биосферы возможна в результате воздействия трех сил: космической, геологической и антропогенной.

В результате исследований биосферы с точки зрения природной системы, осуществленной Г. Лавлоком (1982), который конкретизировал и несколько видоизменил представления В.И.Вернадского об организованности биосферы, а также В. Г. Горшкова (1995), который математически выразил идею Г. Лавлока о гомеостазе глобальной экосистемы, можно констатировать:

естественная биота Земли устроена таким образом, что она способна с высочайшей точностью поддерживать пригодное для жизни состояние окружающей среды;

огромная мощность продукции, достигнутая биотой, позволяет ей восстанавливать любые естественные нарушения окружающей среды в кратчайшие сроки, измеряемые десятками лет;

огромная мощность, развиваемая биотой Земли, таит в себе скрытую опасность быстрого разрушения окружающей среды за десятки лет, если целостность биоты будет нарушена. При этом установлено, что широкомасштабное окультуривание ландшафтов опаснее образования антропогенных пустынь;

биосфера в определенной степени способна компенсировать любые возмущения, производимые человечеством, но только в том случае, если доля его потребления не превышает 1% продукции биосферы;

современные изменения биосферы человеком, ведущие к выбросу биотой 2,3 млрд. т/год углерода в атмосферу, свидетельствуют о переходе ее в неустойчивое состояние, о сильном нарушении глобальных биогеохимических циклов и о существенном подавлении дестабилизирующего равновесного состояния процессов ее естественного саморегулирования;

современное состояние биосферы в определенной степени обратимо. Она способна вернуться в прежнее состояние, имевшее место в прошлом веке, но для этого необходимо на порядок снизить потребление ее естественной продукции;

другого устойчивого состояния биосферы не существует, и при сохранении или росте степени антропогенной нагрузки устойчивость окружающей среды будет нарушена и биосфера начнет разрушаться;

из-за инерционности демографических процессов рост населения Земли до 8 млрд. чел. неизбежен. Однако после стабилизации на этом уровне необходимо почти на порядок снизить число людей на планете путем планирования семьи, и только в этом случае дестабилизированная биосфера возвратится в устойчивое состояние саморегулирования в соответствии с принципом Ле Шателье, так как отторжение человеком ее продукции не будет превышать 1% (К. С. Лосев и др., 1993).

Таким образом, ведущие экологи однозначно свидетельствуют о том, что стихийно развивающаяся цивилизация вплотную подошла к порогу устойчивости биосферы. Главная опасность заключается в том, что антропогенные воздействия привели к нарушению процессов саморегулирования биогеохимических циклов. Поэтому человечество оказалось перед экологическим императивом: либо восстановление дикой природы на уровне XIX в. или даже несколько более ранних времен, либо конец света. Третьего не дано. Согласно В. Г. Горшкову, биосфера гомеостатична только в рамках условий дотехногенного голоцена и ей не свойственны другие устойчивые состояния. Однако этот вывод, сделанный на основе прямого применения метода актуализма, требует определенных корректив. Вся история биосферы, начиная с самых ранних этапов ее возникновения и развития, — это непрерывная череда гомеостазисов и бифуркаций-катастроф (кризисов и революций).

До наших дней биосфера прошла сложный и нелегкий путь усложнения и ускорения. На ее долю выпадали самые разнообразные катастрофы, начиная от крупнейших космических и планетарных до региональных и локальных. Их развитие нередко ставило биосферу на грань самоуничтожения и полного распада. Однако каждый раз благодаря внутренней энергии биосфера с честью выходила из сложнейших ситуаций, и вновь возрождалась жизнь. Такие случаи в геологической истории многочисленны. Ярким примером может служить глобальный кризис биосферы, который произошел 65 млн. лет назад. В результате столкновения Земли с крупным космическим телом (астероидом) возникла экологическая катастрофа. Изменились газовый состав атмосферы и температуры приземной части воздуха и морских акваторий, на просторах суши начались масштабные лесные пожары и т. д. Взрыв космического тела массой в несколько сотен миллиардов тонн и диаметром около 10 км сначала вызвал значительный подъем приземных температур в результате пожаров, а затем — похолодание, похожее на «ядерную зиму».

Нарушение природного баланса было настолько значительно, что привело к гибели крупных наземных позвоночных, в том числе и динозавров. Органический мир Земли лишился почти всего лесного покрова. Исчезли все головоногие моллюски (аммониты и белемниты), все семейства планктонных организмов, кораллов и мшанок, 75% семейств брахиопод, такое же количество двустворчатых и брюхоногих моллюсков и других организмов. Однако через сравнительно недолгое время, спустя 3—5 млн. лет, органическая жизнь на Земле возродилась.

Между тем эта космическая катастрофа была все же не самой крупной в истории Земли. В течение последних 800 млн лет геологической истории подобных космических катастроф насчитывается 21. Это не только прямые удары и взрывы астероидов, но падения комет или их пролеты вблизи Земли. Все это фиксируется в истории развития органического мира и отмечено крупными рубежами геохронологической шкалы. Не упади на Землю астероид 65 млн. лет, не произойди в это время космическая бомбардировка, неизвестно, сколько миллионов лет могла продлиться эпоха жизни динозавров. А ведь экологическую нишу динозавров после их исчезновения заняли млекопитающие, эволюция которых привела к появлению Homo sapiens и к тому, что в настоящее время происходит с биосферой.

Среди планетарных процессов надо отметить региональные по масштабам и глобальные по степени воздействия вулканические извержения, гигантские процессы столкновения литосферных плит и такие скромные по сравнению с ними процессы, как великие оледенения и межледниковья. Правда смена ледниковых периодов межледниковьями, так же как и резкие понижения температур, вызвавшие появления оледенений, могли быть результатом космических причин, в частности связанных с прилетом комет, и с астрономическими циклами.

Связь четвертичных ледниковых эпох и межледниковий с астрономическими циклами М. Миланковича в настоящее время общепризнанна. Этот ученый связывает наступление ледниковых эпох с изменениями трех параметров земной орбиты: эксцентриситета, т. е. степени отклонения орбиты от круговой, наклона земной оси (угла между осью и перпендикуляром к плоскости орбиты) и времени прохождения Землей перигелия, т. е. моментом наиболее близкого расположения Земли от Солнца. На каждый из перечисленных параметров влияет притяжение Луны и других планет. Эксцентриситет достигает максимальных значений через каждые 92 тыс. лет, циклы колебаний наклона земной оси и времени прохождения перигелия периодически повторяются через каждые 41 тыс. и 21 тыс. лет соответственно.

Конечным результатом изменений положения Земли на орбите по отношению к Солнцу являются циклические изменения летней инсоляции в высоких широтах в условиях относительного постоянства радиационного баланса в целом. В высоких широтах такого изменения достаточно для существенного снижения среднегодовых температур, которые влекут за собой появление и саморазвитие ледниковых покровов на равнинах и плоскогорьях и горных ледников. В свою очередь, такие огромные по масштабам изменения напрямую дестабилизируют биосферу, которая каждый раз прилагает огромные усилия по дополнительному расходу энергии и вещества для того, чтобы вначале приспособиться к возникающим непривычным обстановкам, а затем выйти из создавшихся кризисных или критических ситуаций.

В геологической истории Земли гляциоэры разной продолжительности происходили по крайней мере шесть раз, и каждый раз рост криосферы суживал развитие биосферы и нарушал ее гомеостаз. Нарушался не только температурный режим земной поверхности, который вызывал миграции или изменения в образе жизни животных и растений. Он приводил в том числе и к существенному сокращению биомассы, а значит, нарушал биологический круговорот веществ. Нарушался и гидрологический цикл. В ледниковые эпохи снижался влагообмен между океаном и атмосферой, падало содержание влаги в атмосфере, а значит сокращалась составляющая парникового эффекта. Вследствие развития криосферы на значительных площадях существенно увеличивалось альбедо земной поверхности и снижался радиационный баланс, а все это еще больше усиливало эффект выхолаживания планеты.

Активный вулканизм, особенно при значительном выбросе пирокластического материала в атмосферу, определенным образом снижал альбедо атмосферы, но выброс значительных количеств углекислоты, наоборот, способствовал усилению парникового эффекта.

Как в случае отрицательного (выхолаживание), так и положительного развития планетарных событий, когда появлялось большое число благоприятных для жизнедеятельности организмов ландшафтов, биосфера успешно справлялась с возникавшими трудностями и продолжала развиваться.

Однако совершенно другой сценарий возможен при антропогенном воздействии, если фактором деструкции станет криогенно-гляциальное воздействие, вызванное человеком. Оно может возникнуть при ядерном конфликте и масштабном использовании ядерных устройств. Это вызывает явление, описанное как «ядерная зима». В этом случае нарушится энергообеспеченность Земли, а криосфера получит планетарное распространение, т.е. Земля может превратиться в новую ледяную планету.

Сравнения современных условий с палеогеографическими, т. е. с физико-географическими условиями геологического прошлого, свидетельствуют о том, что современная дестабилизация биосферы хотя и уникальна по происхождению, но далеко не первая. Однако это вовсе не означает, что биосфера даже в ее современном состоянии способна перенести еще более серьезные воздействия со стороны современной цивилизации.

Современная ситуация необычайна еще и тем, что она накладывается на условия природного гомеостаза в биосфере, и поэтому ее развитие может считаться однонаправленным. Явления как дестабилизирующего, так и благоприятно развивающегося характера дают некоторую стабилизацию в развитии, но главное заключается в том, какие явления пересилят.

В современной биосфере экологические ресурсы восстанавливаются не полностью. Однако биосфера обладает еще одним уникальным качеством. Находясь в дестабилизированном состоянии, она не полностью утрачивает свои экологические функции. Живое вещество способно аккумулировать рассеиваемую неорганическими источниками энергию и при этом перераспределять ее вновь в окружающее пространство таким образом, что косная среда, в основном неорганическая, превращается в фактор прогрессивного увеличения функционального и статического потенциала живой природы. Работая на себя, живое вещество меняет действие процессов в неживой природе (С. П. Горшков, 1998). Таким образом, в биосфере происходят процессы, восстанавливающие гомеостаз.

Со времени своего возникновения биосфера постоянно взаимодействует с Космосом. Это взаимодействие вытекает из длительности развития биосферы, которая существует на Земле почти 4 млрд. лет, и постоянного увеличения биоразнообразия и биологических функций живого вещества.

Эти два фактора свидетельствуют об удивительной устойчивости биосферы, об определенной ограниченности масштабов воздействия на биосферу неорганической природы, об ускорении космического воздействия на биосферу, по крайней мере в течение фанерозойской истории. По мнению ведущих экологов, для выработки научно обоснованной стратегии устойчивого развития и оптимальных условий выживания человечества необходимо установить следующие приоритеты (С. П. Горшков, 1998):

высший — эколого-экономическая оптимизация природно-антропогенных и антропогенных систем. От успехов реализации высшего приоритета зависит и решение демографической проблемы; высокий — охрана природных систем и биоразнообразия. В условиях сочетания демографического, социально-экономического и экологического кризисов должны быть более приоритетными цели, защищающие человека и природу одновременно.

Источник: www.polnaja-jenciklopedija.ru

Границы распространения жизни на Земле

Границы биосферы определяются пригодностью физико-химических условий для существования живых организмов. Нижней границей распространения жизни принято считать изотерму 100 °C в литосфере, расположенную на глубине около 6 км, либо дно океана (около 11 км). Однако эти оценки могут оказаться заниженными, поскольку существуют глубоководные организмы-экстремофилы, переносящие температуры свыше 200 °C (при высоком давлении вода там не кипит). Так что литосфера теоретически может быть населена значительно глубже, но в целом ниже 3-4 км вряд ли возможна активная жизнедеятельность.

Верхние границы биосферы определяются высотой озонового слоя и не поднимаются выше 15-20 км. Фактически же живые организмы могут быть активны на высотах до 8-9 км. В общем, жизнь весьма разнообразна и умеет приспосабливаться к самым разным условиям. Но когда и как возникло все это богатство?

Лаборатория на молодой планете

Первичный органический синтез вполне мог идти в газопылевом протопланетном облаке на ранних этапах формирования Солнечной системы. Так что новорожденная Земля, вероятно, уже имела в своем составе достаточное количество простой органики.

Есть также геологические свидетельства того, что температурный режим Земли с самого начала (возраст нашей планеты составляет 4,5-4,6 млрд лет) позволял существование воды в жидкой фазе. Дегазация недр должна была проходить достаточно активно, поскольку мощной коры планета еще не имела. Вулканы создавали первичную атмосферу и гидросферу, поставляли химически активные вещества. На поверхность выпадали метеориты и кометы. В геохимический круговорот было вовлечено множество веществ, которые непрерывно вступали в реакции, превращались в новые соединения, а те, в свою очередь, реагировали друг с другом.

Автокатализ – двигатель прогресса

Но как все-таки из подобной смеси ингредиентов могла получиться хотя бы самая примитивная живая система? Долгое время поиски ответа на этот вопрос многие ученые вообще считали бесперспективными. Проблема сдвинулась с мертвой точки только в начале 1980-х годов, когда к решению ее подключили теорию самоорганизующихся систем.

Пусть на одном субстрате идет несколько реакций. Тогда более медленные из них станут затухать и прекратятся, то есть будут вытеснены быстротекущими. Так, уже на самых ранних стадиях предбиологической эволюции начинает действовать естественный отбор. Преимущество получают цепные (автокаталитические) реакции, ускоряемые собственными продуктами. На следующих уровнях организации – автокаталитических циклах и гиперциклах – процессы также отбираются на эффективность и сложность, поскольку по достижении определенного уровня сложность системы становится самоподдерживающейся и может возрастать.

Следует заметить, что классическая термодинамика бессильна помочь в вопросе о том, как и когда возникла биосфера, и все эти выводы сделаны учеными в рамках неравновесной, пригожинской термодинамики. В этом контексте жизнь определяется как процесс химической самоорганизации на основе автокатализа высокомолекулярных соединений углерода в неравновесных условиях, и можно считать живой первобытную среду – лужу, в которой протекают упомянутые реакции. Это в буквальном смысле живое вещество – без существ. Такая первичная биосфера – практически ровесница Земли. Во всяком случае, если она моложе нашей планеты, то не намного.

Мир РНК и первые живые существа

Согласно очень перспективной и успешно развиваемой в последнее время теории, первые организмы, обособленные от внешней среды, появились на основе РНК-циклов. Ни ДНК, ни белков они еще не имели.

ДНК в современных организмах хранит наследственную информацию, белки выполняют в клетке активную работу, РНК в общем случае служит неким посредником – считывает информацию и обеспечивает синтез белка. И ДНК, и белок беспомощны друг без друга и без РНК, а вот она умеет делать все – правда, похуже, чем «узкие специалисты», но поначалу это могло и не быть критическим недостатком. В противном случае придется признать, что на каком-то этапе химическая эволюция создала сразу ДНК, РНК, белки, заключила их в первые клетки и строго распределила функции – вероятность этого действительно исчезающе мала.

Первые примитивные РНК, во всяком случае, гораздо эффективнее синтезировались из низкомолекулярной органики, чем сложная «двойная спираль». Параллельно шел процесс образования коацерватов – водно-липидных капель, предшественников клеточной мембраны. И как только «живой раствор» РНК обернулся коацерватной оболочкой, возник первый автономный организм. Пленка мембраны сохраняла химический градиент между внутренней полостью и средой, не давала живому веществу рассеяться – это стало огромным преимуществом.

В ходе дальнейшего развития биосферы эстафету в деле хранения наследственной информации перехватила ДНК, обеспечивающая большую точность, каталитическую активность взяли на себя белки, наштампованные той же РНК, но последняя без дела не осталась. Ведь без нее клетка мертва.

Следы древней жизни в камне и генах

Ответы на вопросы о том, как и когда возникла биосфера, какова ее ранняя история, ученые вынуждены искать в теоретических моделях и лабораторных экспериментах, поскольку первичная поверхность Земли давно уничтожена последующими геологическими процессами.

Древнейшие на сегодняшний день следы жизни обнаружены в Гренландии, Канаде, Австралии. Наиболее достоверные из них датируются временем 3,7 млрд лет назад и свидетельствуют о том, что уже тогда существовали сложные сообщества микроорганизмов, некоторые из них были фотосинтезирующими (цианобактерии или их предшественники).

Другое направление исследований лежит в области молекулярной биологии. Поскольку все ныне существующие виды – родственники, можно, построив филогенетическое дерево видов, приблизительно установить время, когда существовал «последний универсальный общий предок» (англ. Last Universal Common Ancestor, LUCA). Это не первый организм на Земле, но жил он очень давно – по оценкам ученых, около 4 млрд лет назад. Для этого организма определен набор точно имевшихся у него генов, но не известно, был ли «Лука» отдельным видом микроорганизмов или же сообществом видов, обменивающихся наследственным материалом.

Жизнь преобразует планету

Биосфера и на ранних этапах своего существования активнейшим образом участвовала в эволюции Земли. Самой главной заслугой древних докембрийских одноклеточных является, конечно, создание устойчиво-окислительной атмосферы. Но жизнь оказала огромное влияние также на характер осадконакопления и рудообразования. Например, важнейшие железорудные месторождения, такие как Курская магнитная аномалия, образовались благодаря деятельности фотосинтезирующих бактерий в океанах палеопротерозойской эры 2,5-2 млрд лет назад.

Выйдя на сушу, жизнь принялась за работу над ландшафтами. Собственно, сушу как таковую создала именно биосфера. Ведь пока не возникли почвы и не распространились высшие растения, не существовало четкой границы «суша-водоем», сток воды в океаны был площадным, не было устойчивых русел рек.

Про нефть и уголь знают все. Но вот горные цепи Гималаев, Альп, Кавказа – они сложены известняками, а большая часть этой породы имеет биогенное происхождение. Эти горы когда-то были морскими животными. Их раковины, от мельчайших до крупных, образовали одну из самых распространенных осадочных пород.

Функции биосферы

Мы рассмотрели несколько примеров того, как жизнь меняет лик планеты. Обобщим то, что известно о функциях биосферы.

В-первых, она участвует в изменении и поддержании состава атмосферы и природных вод. Во-вторых, переносит, а также накапливает или рассеивает, то есть перераспределяет различные вещества. В-третьих, исполняет средообразующую функцию. Все это можно суммировать как процесс упорядочения и стабилизации геохимических циклов Земли. Осуществляется он за счет поглощения, преобразования, аккумуляции и высвобождения солнечной энергии структурными составляющими, выделенными еще Вернадским в его учении о биосфере: совокупностью живых организмов, биогенным, биокосным и косным веществом.

Неотделима от Земли

С момента, когда возникла биосфера (хотя точного момента, скорее всего, не было), все компоненты ее тесно взаимодействуют между собой и с остальными геологическими оболочками планеты – атмосферой, гидросферой, литосферой. Система «Земля — биосфера» охвачена множеством положительных и отрицательных обратных связей на самых разных уровнях – от отдельных биогеоценозов до глобальных процессов в масштабах геологического времени.

Источник: www.syl.ru

История возникновения термина

Впервые в биологии термин «биосфера» ввел ученый из Австрии Эдуард Зюсс в 1875 году. Теперь вы знаете, в каком году появился термин. Но задолго до того, как термин «биосфера» был введен Зюссом, его принципы впервые применил и подробно сформулировал французский исследователь Жан Батист Ламарк. Правда, название термина у Ламарка было другим.

Биосфера, что в переводе с греческого языка означает «сфера жизни», рассматривалась как система живых организмов, существующая в тесном контакте с минеральными элементами и подверженная их влиянию. И только советский академик и философ Вернадский учел факторы, оказывающие влияние на формирование всего окружающего мира.

Благодаря этому считается, что этот ученый – автор и создатель функционального учения о сущности биосферы, которое признано сегодня во всем мире. Он впервые ввел в науку многие определения, которыми пользуются ученые всего мира, в том числе и представление об иерархической структуре биосферы. Вернадский писал, что живое вещество оказывает заметное влияние на процесс преобразования планеты и ее строение. Он подробно описал состав и функции биосферы.

Где расположена биосфера

Рассмотрим, что входит в биосферу. Пределы биосферы в глубину поверхности Земли простираются на многие километры. Вся толща вод морей и океанов наполнена живыми организмами вплоть до самых глубоких впадин. Верхняя граница существования живых организмов находится примерно на высоте 45 километров от поверхности и ограничена озоновым слоем. Он играет важную роль в существовании биосферы, защищая земную поверхность от губительного космического излучения, убивающего все живое.

Наука считает, что биосфера состоит из трех оболочек:

1. литосферы;
2. гидросферы;
3. атмосферы.

Литосфера как самая плотная составляющая оболочки биосферы начинается у поверхности Земли и простирается на несколько километров вниз. Это геологическая оболочка в составе биосферы. Зона обитания живых организмов под землей ограничена. С увеличением расстояния от поверхности температура увеличивается. На определенной глубине жизнь невозможна из-за слишком высокой температуры и давления.

Гидросфера как среда, занимающая большую часть земной поверхности, состоит из воды. Вся водная масса, входящая в биосферу, неравномерно насыщена живыми организмами. Больше всего их находится у поверхности, вблизи суши и на дне.

Когда говорят об атмосфере, в основном подразумевают слои от верхушек деревьев до нижнего края озонового слоя. Это оболочка, имеющая самую малую плотность. В состав биосферы не входят слои атмосферы, расположенные выше озонового слоя.

Биосфера и ее составляющие

Биология полагает, что биосфера включает в себя четыре вида вещества. Вот какие виды определяют состав и строение биосферы:

• Живое – общность всех организмов, населяющих планету.
• Биогенное – неживой материал, образованный в процессе жизнедеятельности организмов. Примером может послужить уголь или нефть.

  Янтарь — биогенное вещество:

  

• Косное – имеет неорганическое происхождение. Образование этого вещества никак не связано с живыми организмами.
• Биокосное. Субстанция, объединяющая живую и неживую материю. В качестве примера можно назвать ил на дне водоемов или почву.

Эти вещества составляют биосферу. Кроме них, биосфера включает в свой состав:

• вещества космического происхождения;
• радиоактивные элементы;
• рассеянные атомы, образующиеся при расщеплении веществ под действием космического излучения.

Под биосферой понимают общность всех живых организмов планеты. Землю населяет около 3 миллионов видов разнообразных живых существ. Попробуйте, охарактеризуйте их! Можно растеряться от такого разнообразия! О существовании многих из них мы даже не представляем. Они обитают в различных условиях, что делает их непохожими друг на друга. Организмы взаимодействуют между собой в границах отдельных биогеоценозов. А схема строения биосферы представляет собой структуру, организованную в виде множества биогеоценозов. Другими словами, в состав биосферы входят биогеоценозы. Их состояние является необходимым условием существования и развития биосферы. Поэтому биогеоценозы называют кирпичиками, из которых состоит биосфера планеты. Биосфера – это совокупность всех биогеоценозов планеты. Все составляющие биосферы важны. Если один из них будет поврежден, то и все здание станет менее устойчивым. На биосферу в целом влияет состояние каждого биогеоценоза.

Происхождение и развитие жизни на Земле

Существует множества версий, откуда появилась живая оболочка Земли. Так как достоверной информации нет, называется великое множество версий. Одни полностью уверены в божественном происхождении. Другие считают, что это, в общем, было редчайшим совпадением, создавшим из набора неживых элементов живой организм. Третьи полагают, что предки всего живого на нашей планете прибыли из космоса.

Есть даже полуфантастическая версия, что исследователи из другой галактики прибыли на Землю, выбирая место для основания новой колонии. Они решили, что планета малопригодна, и, улетая, оставили мусор. Биологические остатки, присутствующие в нем, послужили основой для зарождения жизни на Земле.

Если у вас есть свой вариант, того, как протекал этот процесс, опишите и поясните его. Он имеет такое же право на существование, как и предыдущие. Это вопрос философии.

Какую же версию можно считать достоверной? Как все происходило на самом деле, никто точно не знает Известно только, что родиной предков всех живых организмов, в том числе и человечества, является Мировой океан.

Опишем кратко, как возникла и развивалась жизнь на Земле.

Глобальные процессы, вызвавшие появление и распространение живых организмов, начались в гидросфере. Затем жизнь из этой оболочки биосферы распространилась на сушу. Дальнейшее преобразование довершили процессы, протекающие в биосфере. Появившиеся наземные растения начали активно преобразовывать состав атмосферы и ее строение, делая планету все более пригодной для жизни сложных организмов. Менялся химический состав биосферы. Путем фотосинтеза происходила выработка кислорода, необходимого для дыхания животных. В верхних слоях атмосферы часть кислорода превращалась в озон, который послужил защитой от космической радиации.

В первичной атмосфере планеты, при мощных электрических разрядах, а также под действием утра фиолетового излучения и высокой радиации могли образовываться органические соединения, которые накапливались в океане

Биосфера включает в себя и человечество – венец природы. Роль биосферы для существования людей как биологического вида важна. Люди являются достаточно разумными, чтобы целенаправленно видоизменять окружающую среду, делая ее более пригодной для своего обитания.

Созданная природой система совершенна, но стоит задуматься, вечна ли она?

Активное воздействие на элементы биосферы оказывают антропогенные факторы, далеко не всегда положительно влияющие на окружающую среду. Мы уничтожаем других представителей биосферы на Земле, загрязняем атмосферу и Мировой океан, создаем электромагнитные излучения, меняем климат. Последствия техногенные катастроф, происходящих на планете со второй половины прошлого века, приходится преодолевать десятилетиями. Нарушена экология. Созданное людьми оружие массового поражения, если будет пущено в ход, способно уничтожить жизнь на Земле.

В данный момент человеческая деятельность несет угрозу существованию не только своего вида, но и всего живого. Если не принимать меры, то будущего у человечества нет. Какой же выход есть из этой ситуации?

Выход впервые предложил все тот же В. И. Вернадский. Он предположил, что будущее биосферы определяется человеком. Он создаст новую систему, комфортную для совместного проживания, развития и размножения живых организмов. Для этой новой среды он использовал определение «ноосфера». Для формирования ноосферы необходим ряд условий:

1. расселение человека разумного по всей территории планеты и его господствующее положение над другими биологическими видами;
2. революция в развитии средств связи и возможность быстрой коммуникации между любыми точками планеты;
3. возможность появления и активного использования атомной энергетики;
4. в мировом сообществе преобладают демократические установки, дающие широким народным массам реальные рычаги управления;
5. внушительная часть населения планеты вовлечена в научную деятельность.

Возможно, некоторые пункты звучат наивно, но не будем забывать, что данные постулаты были выдвинуты много десятилетий назад человеком, который исследовал глобальные процессы развития человечества и среды его обитания.

Другое направление, в котором движется человечество, это попытки самостоятельного создания биосферы. Известно, что биосфера является открытой системой в экологии, которая требует постоянного притока солнечной энергии, а сама выделяет тепло. И биосфера, что будет создана искусственно, предполагает автономное существование во враждебной для человека среде. И ее строение должно способствовать решению этой задачи.

Значение биосферы для человечества огромно. Мы не способны выжить без нее. К. Э. Циолковский ввел в научную литературу, посвященную освоению космоса, идею их создания. Такой системой является искусственная биосфера. Это понятие впервые употребил Циолковский. Если воссоздать ее на другой планете, толщина биосферы обеспечит условия, позволяющие человеку выжить. Пока получить независимую биосферу не удалось, но исследования в этом направлении продолжаются.

Искусственная биосфера

Каждый человек бережно относится к своему дому, автомобилю, заботится о детях. Биосфера, что нас окружает, – это тоже наш дом. Мы обитаем в нем и пользуемся его благами. Но если его разрушить, нам негде будет жить, из чего делаем вывод, что следует беречь этот дом, чтобы можно было передать его своим потомкам. И он будет чист и прекрасен.

Источник: ecobloger.ru

Суть учения Вернадского

По В. И. Вернадскому, биосфера – оболочка Земли, состав, структура и характеристики которой обусловлены прошлой и современной деятельностью живых организмов.

Биосфера – это целостная организованная система живого вещества. Все явления в ней – часть ее единого механизма. Живое вещество – это то звено, которое соединяет историю химических элементов с эволюцией организмов и человека и с эволюцией всей биосферы. Биосфера сыграла определяющую роль в возникновении атмосферы, гидросферы и литосферы.

Биосфера – сфера единства живого и косного (неживого) вещества. «Живое вещество биосферы есть совокупность живых организмов, в ней живущих» (определение Вернадского). Помимо живых и косных природных тел в биосфере существуют биокосные природные тела: почва, поверхностные воды и т.п.

Вернадский отмечал, что между живым и косным веществом «есть, однако, непрерывная, непрекращающаяся связь, которая может быть выражена как непрерывный биогенный ток атомов в косное вещество биосферы, и обратно».

В своих трудах Вернадский подчеркивал, что, несмотря на то, что живого вещества в биосфере немного, но «геологически оно является самой большой силой в биосфере и определяет все идущие в ней процессы».

При изучении механизма эволюции биосферы Вернадский отмечал, что живое вещество определяет все основные особенности ее эволюции. Образно говоря, живое вещество можно сравнить с тонкой пленкой на поверхности планеты, которая существует за счет энергии Солнца. Живое вещество ускоряет все планетарные процессы. Вернадский считал, что жизнь на Земле появилась вместе или практически вместе с Землей как космическим телом. Жизнь – ровесница началу геологической истории Земли.

Живое вещество непрерывно эволюционирует. И в этой эволюции четко прослеживается процесс постепенного развития и усложнения центральной нервной системы. Под влиянием научной мысли и человеческого труда биосфера переходит в новое состояние – в ноосферу.

Наблюдаемая перестройка биосферы – природный геологический процесс, и Человечество должно осознать это и вести себя таким образом, чтобы не противоречить идущему геологическому процессу.

Анализируя возможности все возрастающей мощи цивилизации, Вернадский приходит к выводу о том, что Человечеству как части живого вещества придется взять на себя ответственность за будущее развитие биосферы и общества. Биосфера должна будет измениться. Измениться должно будет все ‒ и геохимические циклы биосферы, и ее способности обеспечивать потребности Человечества в сочетании с изменением природы, общества, а может быть, и природы самого человека. Все это должно сделаться объектом целенаправленной деятельности.

Источник: StudFiles.net