Природные системы. Структура и свойстваприродных систем

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

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

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

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

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

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

Геосистемы - (природные комплексы, ландшафты) - это совокупности взаимосвязанных природных компонентов и соподчиненных комплексов, относительно ограниченные в пространстве и функционирующие как одно целое. Сочава (1968) дает следующее определение: общее безранговое понятие для всех природных объектов, состоящих из живых и неживых или только неживых компонентов, от ландшафтной сферы (географической оболочки) до биогеоценоза.

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

Выделяют микроэкосистемы (напр. ствол гниющего дерева, лужа и т.д.), мезоэкосистемы (лес, пруд и т. п.), макроэкосистемы (океан, континент и т. п.).

В экосистемах выделяются связи, направленные от факторов среды к главному компоненту - биоте, особое внимание уделяется трофическим цепям.

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

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

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

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

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

Различают пространственную и временную структуры.

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

Временная структура проявляется в виде сезонной ритмики и многолетней перестройки связей.

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

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

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

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

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

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

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

Р.У. проявляется, как правило, при сравнительно небольших нагрузках. У.У. - при сильных внешних воздействиях.

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

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

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

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

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

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

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

Наиболее изменчивы компоненты - воздух, воды, наименее изменчивы горные породы и рельеф, промежуточное - биота, почвы.

Изменения могут быть необратимыми и обратимыми.

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

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

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

Развитие (эволюция) необратимые поступательные изменения природной системы, ведущие к коренной перестройке ее структуры. Оно выражается в качественном преобразовании компонентов природы и формировании новых ландшафтов, что связано с внешним воздействием (прир. или АВ), так и внутренними причинами (саморазвитием). В естественных условиях это происходит медленно, при АВ - быстро.

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

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

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

Биосфера

История развития представлений о биосфере

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

В середине 17 века нидерландский географ Б. Варениус 1622-1650), выделив «небесный и земные круги» провозгласил, что «земля», включающая наряду с грунтом и минералами растения и животных, вода и атмосфера находятся в состоянии взаимопроникновения. Спустя столетие французкий анатом Ф. Вик д^,Азир (1748-1794) высказал мысль о жизни, охватывающей внешние оболочки Земли, и о связи живого со всей окружающей средой.

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

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

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

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

Термин «биосфера» появился в научной литературе в 1875 году. Его автором был австрийский геолог Эдуард Зюсс (1831-1914). Введя это понятие, Э. Зюсс отожествлял это понятие с «пространственно ограниченной совокупностью организмов» и понимавший ее как тонкую пленку жизни на земной поверхности, в значительной мере определяющую «Лик Земли». Он писал: "Одно кажется чужеродным на этом большом, состоящем из сфер теле, а именно - органическая жизнь. На поверхности материков можно выделить самостоятельную - биосферу". Предложив термин, Э.Зюсс не дал ему никакого определения. Термин стал использоваться в геологической и географической литературе от случая к случаю.

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

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

В.И.Вернадский, развивая идеи своих предшественников, первым из мировых ученых осмыслил геологическую роль живого вещества на планете (первые труды по этому вопросу в 1924-26). Он определял биосферу, как «поверхностную оболочку Земли, занятую жизнью и качественно преобразованную ее»… и «Биосфера может быть рассматриваема как область земной коры, занятая трансформаторами, переводящими космические излучения в действенную земную энергию - электрическую, химическую, механическую, тепловую и т.д.».

Современное определение биосферы звучит следующим образом: «Биосфера - оболочка Земли состав, структура и энергетика которой определяются совокупностью живых организмов» (БЭС).

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

Рассматривая биосферу Вернадский выделял 7 типов веществ слагающих ее:

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

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

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

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

5. «вещество, находящееся в радиоактивном распаде…»

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

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

Понятие "живое вещество" он рассматривал как совокупность живых организмов, выраженную в массе, химическом составе и энергии, которую оно привносит в геологические процессы, приводя к образованию новой формы процессов - биогеохимических.

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

Вернадский не только сформулировал понятие «биосферы», но и разработал учение о биосфере, доказав, что она является не только сферой обитания живой материи, но и планетарной средой. Он писал: "Живое вещество - есть прежде всего планетарное явление и не может быть оторвано от биосферы, геологической функцией которой оно является". «Живое вещество охватывает всю биосферу ее создает и изменяет, но по весу и объему оно составляет небольшую ее часть…. в среднем едва ли … одну-две сотых процентов по весу. Но геологически оно является самой большой силой в биосфере и определяет, как все идущие в ней процессы и развивает огромную свободную энергию, создавая основную геологически проявляющуюся силу в биосфере, мощность которой возможно превышает все другие геологические проявления в биосфере».

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

- Литосфера - 13 фунтов

- Гидросфера - 1 фунт

- Атмосфера – медная монета

- Живое вещество – вес почтовой марки.

· Массу биосферы примерно оценивают 2,5-3 х 10²⁴ г,

· вес тропосферы - 0,004 х 10²⁴ г,

· вес гидросферы – 1,4 х 10²⁴ г,

· вес литосферы в пределах биосферы 1,6 х 10²⁴ г

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

Биомасса Земли (в сухом веществе) составляет 2,44 х 10¹² т, т.е. 0,00001 % земной коры (2 х 10¹⁹т)

Масса живого вещества в биосфере

(Степановских, 2001)

Подразделение биосферы	Масса,т	Сравнение
Живое вещество	2,4х1012
Атмосфера	5,15х1015
Гидросфера	1,5х1018
Земная кора	2,81019

Основные свойства живого

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

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

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

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

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

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

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

Дискретность и целостность – два фундаментальных свойства организации жизни на Земле. Живые объекты в природе относительно обособлены друг от друга (особи, популяции, виды). Любая особь многоклеточного организма состоит из клеток, а любая клетка и одноклеточные существа – из определенных органелл. Органеллы состоят из дискретных, обычно высокомолекулярных, органических веществ, которые в свою очередь состоят из дискретных атомов, элементарных (тоже дискретных) частиц. В то же время сложная организация немыслима без взаимодействия ее частей и структур – без целостности. Целостность биологических систем качественно отличается от целостности неживого, и прежде всего тем, что целостность живого поддерживается в процессе развития. Живые системы – открытые системы, они постоянно обмениваются веществами и энергией со средой. Для них характерна отрицательная энтропия (увеличение упорядоченности), увеличивающаяся в процессе органической эволюции. Вероятно, что в живом проявляется способность к самоорганизации материи.

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

Конвариантная редупликация (самовоспроизведение с изменениями), осуществляемая на основе матричного принципа (сумма трех первых аксиом), - это, видимо, единственное специфическое для жизни свойство. В основе его лежит уникальная способность к самовоспроизведению основных управляющих систем (ДНК, хромосом и генов). Редупликация определяется матричным принципом (аксиома Кольцова) синтеза макромолекул, которая обеспечивает появление практически бесконечного числа новообразований (1-я аксиома Ч.Дарвина), передающихся по наследству. “Размножение” и рост кристаллов принципиально отличаются от такой редупликации. Благодаря способности к самовоспроизведению по матричному принципу молекулы ДНК смогли выполнить роль носителя наследственности исходных управляющих систем (аксиома Вейсмана). Исходные управляющие системы, молекулы ДНК примитивных дискретных живых частиц (вирусы, фаги, бактерии и сходные формы), свободно размножающихся клеток-эукариот, половых клеток многоклеточных организмов, обладают относительной стабильности, что обеспечивает возможность идентичного самовоспроизведения (явление наследственности). Следует еще раз отметить, что при самовоспроизведении управляющих систем в живых организмах происходит не механическое повторение, а воспроизведение с внесением изменений (аксиома Ч.Дарвина) Неизбежность таких изменений вытекает из физико-химических свойств молекул ДНК. Любая достаточно сложная молекулярная и сверхмолекулярная структура обладает ограниченной степенью стабильности. Время от времени она претерпевает структурные изменения в результате движения атомов и молекул. Эти изменения, если не ведут к летальному исходу, будут многократно усиливаться (аксиома Тимофеева-Ресовского) и затем передаваться по наследству в результате самовоспроизведения по матричного принципу. Конвариантная редупликация означает возможность передачи по наследству дискретных отклонений от исходного состояния, т.е. мутаций.

Живое вещество состоит из хирально чистых структур (Закон Л.Пастера). Хиральность, или хиральная чистота, – наличие исключительно объектов несовместимых со своим зеркальным отражением типа правой и левой руки, откуда и происхождение термина: гр. “хира” - рука). Белки живого построены только из “левых” (поляризующих свет влево) аминокислот, нуклеиновые кислоты исключительно из поляризующих свет вправо сахаров и т.д. Синтетически такие вещества получить очень трудно. Вещества необиогенного происхождения хирально симметричны – “левых” и “правых” молекул в них поровну.

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

В дополнении к этому можно выделить следующие свойства живого вещества:

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

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

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

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

"Всюдность жизни есть обобщение, не подлежащее никакому другому доказательству. Объяснение ей мы дать не можем, так как всякое объяснение неизбежно приводит к утверждению, что она является неизбежным проявлением основных свойств живого организма - его размножения" (Вернадский).

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

Действительно, способность к размножению у некоторых организмов колоссальна.

Примеры:

· Одна особь сельди ежегодно дает 40 000 икринок

· Осетр - по 2 млн.

· Треска – по 10 млн.

· Рыба-луна – до 300 млн.

· Зеленая лягушка – 10 000.

· Потомство 1 пары воробьев теоретически может составить за 10 лет - 200 млрд. особей.

· Бактерия Фишера размером 10^-12 см³ за 1,5 суток размножения в состоянии покрыть полностью Землю тонкой пленкой живой массы.

· Холерный вибрион за 1,6-1,7 суток может дать живое вещество массой 2,0 х 10²⁵ г, что равняется массе земной коры толщиной до 16 км, Такое же количество вещества образует диатомовая водоросль Nitzchia putruda за 24,5 суток, слон за 1300 лет.

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

· Viola nuttallii - за 1 год дает 50 семян. Через 25 генераций количество особей составит 10²², через 50 генераций вес растений будет в 60 раз больше весить,чем Земля.

· При выживании всех растений потомство от одной семянки одуванчика (Taraxacumofficinale) на второй год составило бы 100 особей, на 5-й год – 10⁷, на 10-й год – 10¹⁷. За 10 лет потомство одного одуванчика покрыло бы нашу планету сплошным слоем в 20 см.

· За 10 лет потомство одной пары рыбы-луна составит 6х10⁸⁴ особей

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

· Гриб дождевик гигантский - каждый экземпляр его дает по 7.5 млрд. спор. Если бы все споры проросли, то уже во втором поколении объем дождевиков в 800 раз превысил размеры нашей планеты.

Как бы не различались виды по продолжительности жизни, плодовитости, репродуктивным циклам и другим особенностям, определяющим прогрессию размножения, во всех без исключения случаях образуются избыточная численность потомства – это основа геохимической энергии жизни с одной стороны, и механизм ведущий к естественному отбору - с другой. Казалось бы, что в ходе эволюционного процесса организмы легко могли бы приобрести особенности снижающие репродуктивность и избавляющие их от жестокой борьбы за существование. Однако всюду наблюдается устойчивое сохранение и развитие форм размножения, обеспечивающих существование постоянного давления жизни. С увеличением численности возрастает и вероятность появления новых наследственных изменений и их комбинаций. Эволюция каждого вида и всей биосферы в целом оказываются, как бы “часами с постоянным самозаводящимся устройством”.

Прогрессия размножения приводит к двум важным последствиям:

1) Возрастает вероятность появления новых наследственных уклонений;

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Функции Живого вещества на планете

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

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

- кислородная – образование свободного кислорода;

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

- кальциевая – выделение кальция в виде чистых солей;

- восстановительная – создание сульфидов металлов и сероводорода;

- концентрационная – скопление элементов рассеянных в окружающей среде;

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

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

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

А.В.Лапо объединил функции живого следующим образом:

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

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

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

Живое вещество является довольно совершенным преемником энергии. В.И Вернадский подсчитал, что поверхность Земли составляет едва 0, 0001% поверхности Солнца, а суммарнаяповерхность ассимиляционного аппарата растений от 0,86 до 4,2 %. В целом в биосфере используется лишь 0,1-0,2%годовой величины солнечной радиации, аккумулированной фотосинтезом. На суше она колеблется в пределах 0,3-0,46% (оптимум 1-2%), эффективность энергии фитопланктоном ниже (0,04% энергии, достигающей поверхности океана). Обнаружена увеличение энергетической эффективности экосистем различного эволюционного возраста (по отношению продукции к биомассе). В ландшафтах хвойных лесов, возникших в середине пермского периода, отношение продуктивности к биомассе составляет 0,54-0,55, в ландшафтах с покрытосеменными деревьями, возникших в середине мела, - 0,59-0,68. В ландшафтах с травянистыми покрытосеменными (степи, саваны), возникших возникших в неогене, достигает 0,96.

Увеличение биомассы и накопление ископаемого органического вещества изменяет энергетику атмосферы. Только в месторождениях горючих ископаемых сконцентрировано более 1*10¹³т органического вещества (по А.И.Перельману), а всего в осадочных породах – около 3,48*10¹⁵т (по Н.Б.Вассоевич). Энергия, накопленная в осадочных породах, равняется 1*10²³Дж (по Р.С.Волскис). По В.А.Ковде (1985), гумусовая оболочка суши содержит примерно такое же количество связанной энергии как и наземная биомасса.

Энергетические ресурсы биосферы	Энергия, ккал
Приток солнечной энергии в год	n * 1020-21
Учтенные запасы ископаемой энергии	n * 1022-23
Энергия биомассы планеты	n * 1020
Энергия биомассы суши	n * 1019
Энергия гумусовой оболочки почв и мелководий	n * 1019-20
Энергия, связываемая ежегодно фотосинтезом	n * 1017-18
Энергия, связываемая ежегодно в фитомассе земледелия	n * 1012-13

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

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

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

1/ - организмы концентрирующие элементы в количестве 10 % и выше (кремний – диатомовые водоросли, радиолярии,кремневые губки; кальцый – бактерии, простейшие, водоросли, губки; мшанки, брахиоподы, кораллы; железо – железобактерии и т.д.)

2/ - богатые каким либо элементом в количестве от 1% до 10%. Приэтом содержание элемента в группах должно быть выше, чем кларк данного элемента.

3/ - обычные организмы.

4/ - бедные данным элементом.

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

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

Органику разлагают сапрофиты. Неорганику - в море сверлящие водоросли, сверлящие бактерии, губки, морские ежи, рыбы и т. д. Например слой в 1 м породы перемалывается сверлящими губками за 70 лет. Коралловые рифы разгрызаются некоторыми рыбами и морскими ежами, которые поглощают карбонаты кальция, а извергают известковый ил. %) На суше - химическое разложение. Причем биотическое воздействие на много сильнее, чем абиотическое. Химические реагенты – продукты метаболизма. Алюмосиликаты разлагаются при химическом воздействии: цианобактерии, бактерии, грибы, лишайники воздействуют на горные породы растворами угольной, азотной, серной кислот (с концентрацией до 10%). Корни елей на бедных почвах также выделяют сильные кислоты.

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

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

- появление озонового экрана;

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

- появление почвы;

- бактерии формируют состав почвенного воздуха, промышленные полезные ископаемые;

- в результате отмирания живых существ формируются осадочные породы;

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

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

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

5. Транспортная функция – заключается в том, что живое вещество является единственным фактором обуславливающим обратное перемещение вещества - снизу вверх, из океана на континенты, реализующий тем самым “восходящую ветвь биогеохимического круговорота”.Растения перемещают растворы из подземных органов в надземные. Однако данные о распределении солнечной энергии показывают, что мощность регулируемого растениями испарениями (транспирации) превосходит мощность диссипации ветровой энергии всей Земли. Суммарная поверхность листьев растений превосходит поверхность почв в несколько раз (в лесах – 10 раз, на суше – в среднем в 5 раз).

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

Уровни организации живой материи

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

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

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

4. Органный - уровень, на котором несколько типов тканей функционально взаимодействуют и образуют определенный орган.

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

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

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

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

Границы биосферы

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

Пределы существования жизни

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

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

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

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

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

Физико-химические условия ограничивающие

развитие жизни

1. Достаточное количество углекислого газа и кислорода

В Гималаях распространение зеленой растительности ограничено высотой 5000 м (6200 м - в Гималаях /Степановских,2001/), где парциальное давление углекислого газа вдвое ниже, чем на уровне моря. Выше встречаются виды пауков и насекомых, которые питаются органическими остатками, занесенными ветром.

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

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

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

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

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

4. Наличие «прожиточного минимума» элементов минерального питания.

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

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

Диапазон давления, при котором возможна жизнь, изменяется от 8000 атмосфер (выживают дрожжи) до 0,001 миллибар (семена и споры) и даже до 10^{-11 мм рт. ст. (одноклеточные организмы).}

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

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

Границы биосферы

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

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

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

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

Нижняя часть фитосферы образованная почвенной синузией называется педосферой.

Ниже педосферы, до глубины 1 км, располагается слой разряженной жизни образованный всей толщей выветривания -гипотеррабиосфера.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Неоднородность биосферы

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

Агрегатная неоднородность биосферы состоит в том, что она представляет собой единственный природный комплекс, в котором тесно взаимодействует, оставаясь качественно обусловленными, вещество в трех агрегатных состояниях – твердом, жидком и газообразном. «Для биосферы характерно не только присутствие живого вещества…, она обладает так же следующими тремя особенностями: во-первых, в ней в значительных количествах содержится жидкая вода; во-вторых на нее падает мощный поток энергии солнечных лучей; в третьих, в биосфере находятся поверхности раздела между веществами, находящимися в трех фазах - твердой, жидкой и газообразной. В связи с этим для биосферы характерен непрерывный круговорот вещества и энергии, в котором активнейшую роль играют организмы» (Хадчинсон).

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

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

Под пространственной неоднородностью имеется в виду следующее:

1. неравномерность распределения вещества в биосфере;

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

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

По подсчетам И.А.Суетовой (1974),

· живое вещество суши составляет 6,4 х 10¹⁸ г

· живое вещество океана весит 29, х 10¹⁵ г

· живое вещество суши образов. растениями весит 6,4 х 10¹⁸ г

· живое вещество суши образов. животными весит 0,006 х 10¹⁸ г

· живое вещество океана образов. растениями весит 1,1 х 10¹⁵ г

· живое вещество океана образов. животными весит 28,8 х 10¹⁵ г

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

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

Экосистемы	Биомасса
Гт	%
Континенты
растения*	2 125	99,93
животные		0,14
Океан
растения		0,14
животные		0,19
Всего	2 135

* в эту категорию включены биомасса бактерий и грибов

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

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

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

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

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

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

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

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

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

---

---