РЕФЕРАТ

     на  тему: 

     Механизм  устойчивости биосферы

 
 
 
 
 
 

 

     

     Биосфера - система величайшей степени надежности. В.И.Вернадский, создатель учения о  биосфере, писал "Биосфера в основных чертах неизменна в течение всего  геологического времена, с археозоя, по крайней мере, полтора миллиарда лет... В геохимическом аспекте, входя как часть в мало меняющуюся, колеблющуюся около неизменного среднего состояния биосферы, жизнь, взятая как целое, представляется устойчивой и неизменной в геологическом времени" (1928).

     Эта глубокая экологическая и философская мысль, высказанная в начале прошлого века, неоднократно становилась объектом дискуссии и нападок. Особенно негативную реакцию она вызывала у сторонников идеологии глобальных экологических кризисов, говорящей о необратимом разрушении и деградации биосферы под влиянием социального фактора.

     Однако, объективных данных о каком-то сокращении видового разнообразия и массы биосферы не получено поныне.

     В разных участках биосферы развитие жизни  лимитируется разными веществами. Можно сказать, что в пустыне жизнь ограничена недостаточным количеством водорода и кислорода в форме воды. В открытом океане лимитирующим фактором часто служит железо, обычно присутствующее в форме труднодоступной для организмов гидроокиси. В иных средах, например в почвах влажных районов, в озерах, окраинных морях, лимитирующим фактором чаще всего является фосфор.

     Значение  живого в строении земной коры медленно вошло в сознание ученых и еще  до сих пор обычно не оценивается  во всем его объеме.

     Только  в 1875 г. один из крупнейших геологов прошлого века, профессор Венского университета Э. Зюсс, ввел в науку представление о биосфере, как об особой оболочке земной коры, охваченной жизнью. Он закончил этим медленно проникавшее в научное сознание представление о всюдности жизни и о непрерывности ее проявления на земной поверхности.

     Введя новое понятие об особой земной оболочке, которая обусловлена жизнью, Э. Зюсс высказал в действительности новое  очень большое эмпирическое обобщение, всех последствий которого он не предвидел. Это обобщение только теперь начинает выясняться, благодаря новым научным достижениям, в его время неизвестным.

     Биосфера  составляет верхнюю оболочку, или  геосферу, одной из больших концентрических  областей нашей планеты - земной коры.

     Физические и химические свойства нашей планеты меняются закономерно в зависимости от их удаленности от центра. В концентрических отрезках они идентичны, что может быть установлено исследованием.

     Можно различить две формы в этой структуре: с одной стороны, большие концентрические области планеты - концентры, с другой - более дробные подразделения, называемые земными оболочками, или геосферами.

     По-видимому, вещество этих областей отделено друг от друга и если переходит из одной  области в другую, то этот переход  совершается чрезвычайно медленно или временами и не является фактом ее текущей истории.

 

     Каждая  область представляет, по-видимому, замкнутую, независимую от другой механическую систему.

     Земля сотни миллионов лет, если не миллиарды  их, находится, в общем, в одних и тех же термодинамических условиях. Неизбежно думать, что в ней за это время установились устойчивые неизменные равновесия вещества и энергии, там, где не было внешнего (для механических систем ее составляющих) притока действенной энергии.

     Надо  думать, что в замкнутых областях Земли мы имеем механические системы тем более совершенного равновесия, чем меньше к ним приток сторонней энергии.

     Таких областей, по крайней мере, три: 1) ядро планеты, 2) промежуточный слой, называемый иногда "сима" (по Зюссу) и 3) земная кора.

 

     МЕХАНИЗМЫ УСТОЙЧИВОСТИ БИОСФЕРЫ

 

     Все виды устойчивости (гомеостаза), наблюдаемые в живых организмах и экосистемах, не являются статическими, а достигаются за счет непрерывно протекающих процессов, активно препятствующих любой тенденции к нарушению этого постоянства. Устойчивость всего живого есть непрерывная борьба за существование. Ключ к загадке, которую представляет для человека органический мир, писал К. А. Тимирязев, заключается в одном слове: это слово – смерть.

     Смерть, рано или поздно пресекающая все уродливое, все бесполезное, все несогласное с окружающими условиями, и есть причина красоты и гармонии органического мира. И если эта вечная борьба, это бесконечное истребление невольно вселяют в душу ужас, то мы не должны забывать, что:

     ...у  гробового входа

     Младая  будет жизнь играть

     И равнодушная природа

     Красою  вечною сиять.

     А. Пушкин

     Ключевое  положение в понимании законов  развития окружающего мира приобретает  теория открытых систем (синергетика).

 

     СИНЕРГЕТИКА БИОСФЕРЫ

 

     Законы  развития косной и живой материи описываются двумя противоположными теориями – это классическая термодинамика и эволюционное учение Ч. Дарвина. Обе теории отражают единую физическую реальность, но соответствуют различным ее проявлениям.

     Согласно  второму началу термодинамики, если подобно Ньютону рассматривать Вселенную как Мировую машину (закрытую систему), запас полезной энергии, приводящей мировую машину в движение, рано или поздно будет исчерпан. Если запас полезной энергии в системе тает, то ее способность поддерживать организованные структуры ослабевает. Высокоорганизованные структуры распадаются на менее организованные, которые в большей мере наделены случайными элементами. Мера внутренней неупорядоченности системы – энтропия – растет. Второе начало термодинамики предсказывает все более однородное будущее окружающего мира.

     Теория  эволюции органического мира рассматривает  биосферу как открытую систему, находящуюся в неравновесном состоянии и обменивающуюся веществом, энергией и информацией с окружающей средой. Временной ход развития биосферы отнюдь не приводит к понижению уровня организации и обеднению разнообразия форм организмов и образуемых ими сообществ; развитие живой материи идет от низших форм к высшим.

     Обоснование совместимости второго начала термодинамики со способностью открытых систем к самоорганизации – одно из крупнейших достижений современной физики. Теория термодинамики открытых систем переживает бурное развитие. Эту область исследований назвали синергетикой (от греч. “sinergos” – совместный, согласованно действующий).

     Выдающаяся  роль в развитии синергетики принадлежит И.Р. Пригожину, который противопоставляет закономерности развития замкнутых детерминированных систем и открытых неустойчивых неравновесных, в которых малый сигнал на входе может вызвать сколь угодно сильный отклик на выходе. По Пригожину замкнутые системы составляют лишь малую долю физической Вселенной. Большинство же систем, в том числе все географические и экологические системы, открыты. Они обмениваются веществом, энергией и информацией с окружающей средой. Открытый характер большинства систем наводит на мысль, что реальность отнюдь не является ареной, на которой господствует порядок: главенствующую роль в окружающем нас мире играют неустойчивость и неравновесность.

     Пригожин  отмечает, что открытые системы непрерывно флуктуируют. Иногда отдельная флуктуация или их комбинация может стать (в результате положительной обратной связи) настолько сильной, что существовавшая прежде организация не выдерживает и разрушается. В этот переломный момент, в точке бифуркации, принципиально невозможно предсказать, в каком направлении будет происходить дальнейшее развитие: станет ли состояние системы хаотическим или она перейдет на новый, более высокий уровень организации. Пригожин подчеркивает u1074 возможность спонтанного возник-новения порядка и организованности из беспорядка и хаоса в результате процесса самоорганизации.

     Строение  живой материи существенно отличается от строения мертвой не только чрезвычайно сложной структурой, но и способностью отбирать из окружающей среды полезную энергию в количестве, необходимом для самосохранения и саморазвития, что достигается путем создания таких элементов материи, которые способны:

     – черпать свободную энергию из окружающего пространства в процессе зарождения, развития и жизни;

     – стремительно размножаться в питательной  среде, вычерпывая ее свободную энергию  для парирования роста энтропии;

     – образовывать новые элементы живой  материи, используя питательную  среду для дополнительного парирования  роста энтропии;

     – в питательной среде сохранять информацию о структуре живых элементов, об их наследственности за счет использования свободной энергии окружающей среды.

     Рассмотренные положения позволяют по-новому оценить  механизмы устойчивости биосферы. Очевидно, что при существующих космических и земных предпосылках живое вещество биосферы способно продолжать свое “давление” на внешние оболочки Земли и потенциал этого давления отнюдь не ослабевает. Антропогенный фактор, вызывающий деструкцию биосферы, следует рассматривать как флуктуацию, вызванную популяционным взрывом, который по законам регулирования неизбежно будет элиминирован. Система общество – природа, следуя теории Пригожина, достигнув точки бифуркации, должна будет перестроиться. Однако распад старой системы отнюдь не будет означать ее хаотического состояния. Бифуркация – это импульс к развитию биосферы по новому, неведомому пути. Какое место займет в нем человеческое общество – это предмет специальных исследований. О судьбе биосферы можно не беспокоиться, она продолжит свое развитие.

     Рассмотрим  движущие силы, которые поддерживают биосферу в устойчивом состоянии, – это биоразнообразие, динамика популяций, реализация разных жизненных стратегий организмов и занимаемых ими экологических ниш, сукцессии сообществ, соблюдение принципа экологической эквивалентности.

 

     БИОРАЗНООБРАЗИЕ

 

     Внешние оболочки Земли – литосфера, гидросфера и атмосфера обозначают наиболее существенные черты лика нашей планеты. Но там, – по словам А. Гумбольдта, – где миросозерцание стремится подняться до более возвышенной точки зрения, эта картина была бы лишена своей наиболее очаровательной прелести, если бы она не представила нам и сферу органической жизни в разных степенях ее типичного развития. Жизнь на Земле отличается огромным разнообразием как систематического состава флоры и фауны, так и сообществ живых организмов.

     Конвенция ООН (Рио-де-Жанейро, 1992 г.) провозгласила  непреходящую ценность биологического разнообразия, отметив его большое значение для функционирования систем, поддерживающих как жизнь в биосфере, так и устойчивое развитие общества.

     В процессе разработки концепции биологического разнообразия сложилось представление  о базовых единицах: альфа-разнообразии – разнообразии видов; бета-разнообразии – разнообразии сообществ; гамма-разнообразии – разнообразии видов и сообществ в пределах ландшафтов.

     Расхождение признаков (дивергенция) в ходе микро- и макро-эволюционных процессов  определило своеобразие биот биогеографических регионов разного ранга. В ходе естественного исторического развития под влиянием физико-географических факторов складывались биомы природных зон на суше и в Мировом океане.

     Общее представление о количестве видов  и их распределении по основным систематическим группам дает таблица 1.

     Обратим внимание на особенности соотношения  числа видов растений и животных в современном органическом мире. Численность видов животных примерно в четыре раза больше числа видов растений; насекомые составляют 75% от числа видов животных. На суше растет 92% всех видов растений, и живет 93% всех видов животных.

     На  суше биомасса растений составляет 2400 . 109 т (99,2%); животных 20 . 109 т (0,8 %). Это соотношение отражает фундаментальный экологический закон и показывает ведущую роль растительности в организации и распределении биоценозов. Гумбольдт пишет: “Хотя характер различных местностей земного шара определяется одновременно всеми внешними явлениями, хотя очертания гор, физиономия флоры и фауны, синева неба, строение облаков и прозрачность воздуха влияют на общее впечатление, тем не менее, нельзя отрицать, что главное, определяющее это впечатление, обусловливается растительным покровом”.