Предисловие

Понятие биосферы вошло в науку случайно. Более 100 лет назад, в 1875 г., австрийский геолог Эдуард Зюсс, го­воря о различных оболочках земного шара, впервые употребил этот термин в последней, наиболее общей главе своей книги о происхождении Альп. Однако это упомина­ние не сыграло сколько-нибудь заметной роли в развитии научной мысли. В 1926 г. были опубликованы две лекции русского минералога В. И. Вернадского, в которых им, спу­стя 50 лет после работ Зюсса, формулировались основ­ные положения концепции биосферы, которую мы прини­маем и сейчас. Под биосферой Вернадский понимал те слои земной коры, которые подвергались в течение всей геологической истории влиянию живых организмов. Биосфера включает в себя собственно «живую пленку» Земли (сумму населяющих Землю в каждый данный момент живых организмов, «живое вещество» планеты) и область «былых сфер», очерченную распределением на Земле биогенных оса­дочных пород. В. И. Вернадский писал: «На земной поверхности нет хими­ческой силы, более постоянно действующей, а потому более могущественной по своим конечным последствиям, чем живые организмы, взятые в целом».

История эволюции биосферы

К настоящему времени накоплено множество доказательств того, что биосфера, да и наша планета в целом, обрела совре­менный вид в результате длительной эволюции. Согласно более или менее общепринятой гипотезе Канта — Лапласа, развитой Отто Юльевичем Шмидтом (1891—1956), Земля, другие планеты и Солнце образовались в результате гравитационного сжатия га­зопылевого облака около 4,6 миллиардов лет назад. Солнечная система — относительно молодое образование во Вселенной, возраст которой по современным представлениям составляет 15—25 миллиардов лет. Наша планета относится к группе внут­ренних, близких к Солнцу и сравнительно небольших планет. Главным процессом в её эволюции, незавершённым до сих пор, является гравитационное разделение веществ в её недрах, при котором тяжёлые вещества опускаются к центру Земли, а лёгкие — поднимаются к поверхности. Так сформировались ядро и оболочки Земли (рис. 1).

Литосфера

Ячейка конвекции

Материк

Атмосфера

Материк

Гидросфера

Рис. 1.Схема строения Земли по современным взглядам.

Изучая эволюцию биосферы как особую оболочку земного шара, необходи­мо предварительно ознакомиться со строением Земли. Это даст воз­можность глубже понять, в каких условиях формировалась жизнь, что ее защищает, а что представляет угрозу ее существованию.

При описании Земли выделяют так называемые геосферы — концен­трические оболочки планеты различной плотности и химического соста­ва. В направлении от периферии к центру Земли различают магнитосфе­ру, атмосферу, земную кору, мантию Земли и ядро Земли.

Магнитосфера Земли — область околоземного пространства, гра­ница которой (магнитопауза) определяется равенством давления маг­нитного поля Земли и динамического давления солнечного ветра. Конфигурация магнитосферы непрерывно меняется, простираясь с дневной стороны до 10—12 R (R — земной радиус, около 6370 км), с ночной — вытянута, образуя так называемый магнитный хвост Земли в несколько сотен R. Она реагирует на проявление солнечной актив­ности, сопровождающейся изменениями в солнечном ветре и его магнитном поле (магнитные бури). При этом частицы солнечного ветра вторгаются в магнитосферу, происходят нагрев и усиление иониза­ции верхних слоев атмосферы, ускорение заряженных частиц, увели­чение яркости полярных сияний, возникновение электромагнитных шумов, нарушение радиосвязи и т.д. Магнитосфера защищает Землю от губительного радиоактивного воздействия «солнечного ветра».

Атмосфера — газовая оболочка Земли, которая удерживается пла­нетой посредством силы тяжести и принимает участие в ее суточном и годовом вращении. Она состоит из смеси различных газов, водя­ных паров и пыли. Общая масса атмосфе­ры — 5,15-10¹⁵т. На высоте от 10 до 50 км, с максимумом кон­центрации на высоте 20—25 км, расположен слой озона, защи­щающий Землю от чрезмерного ультрафиолетового облучения, гибельного для организмов.

С увеличением высоты плотность воздуха убывает, и атмосфера плавно переходит в космическое пространство. Она делится на слои: тропосферу, стратосферу, мезосферу, термосферу и экзосферу, ко­торые отличаются температурой, ионизацией молекул и другими па­раметрами. Между атмосферой и земной поверхностью происходит постоянный обмен теплом и влагой, что вместе с циркуляцией атмос­феры влияет на основные климатообразующие процессы. Атмосфера является активным участником физических процессов, которые про­текают на суше и в верхних слоях водоемов (выветривание, морские течения и т.п.).

Гидросфера — прерывистая водная оболочка Земли, располагаю­щаяся между атмосферой и земной корой. Она включает в себя сово­купность всех вод планеты: материковых (глубинных, почвенных, поверхностных), океанических и атмосферных. По отношению к объему земного шара общий объем гидро­сферы не превышает 0,13%. Основную часть гидросферы (96,53%) составляет Мировой океан. На долю под­земных вод приходится 23,4 млн км², или 1,69% от общего объема гидросферы, остальное — воды рек, озер и ледников. Более 98% всех водных ресурсов Земли составляют соле­ные воды океанов, морей и др. Общий объем пресных вод на Земле равен 28,25 млн км³, или около 2% общего объема гид­росферы. Основная часть пресных вод сосредоточена в ледниках, воды которых пока используются очень мало. На долю остальной части пресных вод, пригодных для водоснабжения, приходится 4,2 млн км³ воды или всего лишь 0,3% объема гидросферы. Гидросфера является колыбелью жизни на нашей планете. Она играет огромную роль в формировании климата и природной среды Земли.

Литосфера (греч. «литое» — камень) — каменная оболоч­ка Земли, включающая земную кору мощностью (толщиной) от 6 (под океанами) до 80 км (горные системы). Земная кора сложена горными породами. Доля различных гор­ных пород в земной коре неодинакова — более 70% приходит­ся на базальты, граниты и другие магматические породы, око­ло 17% — на преобразованные давлением и высокой темпера­турой породы и лишь чуть больше 12% — на осадочные.

Земная кора — важнейший ресурс для человечества. Она содержит горючие полезные ископаемые (уголь, нефть, горю­чие сланцы), рудные (железо, алюминий, медь, олово и др.) и нерудные (фосфориты, апатиты и др.) полезные ископаемые, естественные строительные материалы (известняки, пески, гра­вий и др.).

Мощность литосферы ко­леблется в пределах 50—200 км. Процесс преобразования литосферы живыми организмами, начавшийся около 450 млн лет назад, привел к образованию почвы, ее мощность достигает 2—3 м, ее основное качество – плодородие.

В 1912 г. немецкий геофизик Альфред Вегенер (Wegener, 1880—1930) по­казал, что земная кора состоит из отдельных литосферных плит, медленно двигающихся друг относительно друга («дрейф мате­риков») и как бы «плавающих» поверх астеносферы. Материко­вая кора существенно отличается от океанической. Первая сло­жена из менее тяжелых минералов и достигает 75 км в глубину. Океаническая кора гораздо тоньше — порядка 10 км и состоит из тяжелых базальтов.

Ядро Земли — наиболее плотная центральная часть Зем­ли. Согласно современным взглядам, в центре Земли образова­лось внутреннее твёрдое ядро. Его материал состоит в основном из железа, которое, несмотря на высокую температуру, удерживается в твёрдом состоянии благодаря гигантскому давлению. Радиус твёрдого ядра — около 1300 км. Вокруг него, на глубине от 3 до 5 тысяч км располагается жидкое ядро. Его плотность составляет от 9400 кг/м³ в периферической области до 17200 кг/м³ (в два с лишним раза выше, чем у железа) в более глу­боких слоях; давление достигает 140—350 ГПа (1,4—3,5 млн атм.), тем­пература 2000—5000 °С. Предполагают, что по химическому составу вещество ядра сходно с веществом мантии Земли, но находится в ме­таллическом состоянии.

Первоначально при образовании Земля была холодной, но при дальнейшем сжатии потенциальная энергия тяготения, пе­реходя в тепло, и энергия распада долгоживущих радиоактив­ных изотопов урана, калия и тория вызвали разогрев её недр. Главный вклад (не менее 70 %) в нагревание был внесён грави­тацией. За счёт теплового излучения в космос Земля потеряла за всю свою историю примерно 1/3 накопленного тепла. Благодаря нагреву вещество мантии ведёт себя как жидкость с гигантской вязкостью, в которой развиваются медленные конвективные по­токи, образующие замкнутые ячейки (рис. 1). Скорости дви­жения этих потоков составляют 1—10 см/год. Внешне эти чрез­вычайно медленные по сравнению с человеческой историей процессы проявляются в движении на поверхности Земли лито­сферных плит и материков относительно друг друга и его след­ствиях — вулканизме и землетрясениях. Литосферные плиты надвигаются друг на друга, и в этих местах растут особо высо­кие горные цепи, такие как Гималаи или Кордильеры. Посреди­не океанических плит находятся срединно-океанические хреб­ты — это как раз области восходящих потоков в мантии. Имен­но здесь происходит наращивание океанической коры, которая раздвигается потом в горизонтальном направлении, образуя на Дне океанов абиссальные равнины. Атлантический океан, напри­мер, зародился примерно 200 млн лет назад и растёт со скоро­стью 1—2 см/год. Глубоководное Красное море — зародыш нового океана, который образуется по мере того, как Аравийский полуостров дрейфует на север от Африки, вызывая землетрясе­ния в Иране и Средней Азии. Океаническая кора, сталкиваясь с материковыми плитами, заглубляется под них, наращивая их толщу. На линиях этого столкновения возникают гигантские глубоководные океанические желоба шириной в десятки и дли­ной в сотни и тысячи километров с глубинами более 6 км. Наи­большая глубина (11 020 м) найдена в Марианском желобе на востоке Филиппинского моря.

Новорожденная Земля не имела ни атмосферы, ни гидросфе­ры. В первый период её существования, о котором у нас нет ка­ких-либо прямых данных, вероятно, имел место активный вул­канизм с обильным излиянием базальтовой лавы. При этих из­вержениях образовались первичные атмосфера, океан и земная кора, сходная с современной океанической корой. При дегаза­ции изверженных лав выделялись водяной пар, окиси углерода СО₂ и СО, метан СН₄, азот N₂ (в небольшом объёме), аммиак NH₃, сероводород H₂S, сернистый газ SO₂, хлор С1₂ и хлористый водород НС1 (пары соляной кислоты), а также другие газы в от­носительно малых количествах. Первичная атмосфера была тон­кой и почти не препятствовала потере тепла, поэтому средняя температура на Земле не превышала 5 °С. Благодаря этому водя­ной пар конденсировался, превращаясь в воду и образуя гидро­сферу. При этом аммиак, хлористый водород, соединения серы и углекислый газ обильно растворялись в формировавшемся океане. В результате реакций этих веществ с материалом дна об­разовывались соли, и таким образом мировой океан изначально становился солёным. Рост объёма мирового океана за счёт вул­канизма продолжается и до сих пор.

Лабораторные исследования показали, что в этом тёплом океане могло происходить множество химических реакций, ве­дущих к образованию аминокислот — «кирпичиков», из которых строятся белки, и других органических соединений. Эта эпоха «химической эволюции» продолжалась примерно миллиард лет и получила название катархея. С конца катархея начинается история биосферы. Вероятно, важнейшим этапом химической эволюции явилось появление веществ, способных к ав­токаталитическому синтезу, то есть молекул, способствующих появлению собственных копий. Скорее всего, это происходило путём деления материнской молекулы на дочерние и последую­щей достройки этих дочерних молекул. Среди этих органических молекул уже происходил естественный отбор на выживаемость, который привёл к образованию конгломератов, состоявших из молекул с разными функциями. Так или примерно так возникли первые живые организмы около 4 млрд лет назад.

В первичных атмосфере и гидросфере кислород полностью отсутствовал. И это — очень важное обстоятельство. С одной стороны, в присутствии кислорода — мощнейшего окислителя органические молекулы не могли существовать, так как они поч­ти мгновенно превратились бы в воду и углекислый газ. С дру­гой стороны, тонкая бескислородная атмосфера не защищала поверхность Земли от жёсткого ультрафиолетового излучения Солнца, губительного для органического вещества. Поэтому жизнь возникла в океане, под защитой толщи воды. Примерно 3,5 млрд лет тому назад появляются первые одноклеточные орга­низмы, владеющие фотосинтезом, — сине-зеленые водоросли и бактерии. С этого момента живое вещество становится геохими­ческим фактором, сильнейшим образом влияющим на облик Земли. Освоившие фотосинтез организмы-продуценты непо­средственно используют солнечную энергию, они захватывают мировой океан и в громадных количествах начинают выделять кислород. Наличие в гидросфере растворённого свободного кис­лорода создаёт возможность для появления организмов, живу­щих за счёт окисления органических и неорганических веществ. Часть этих организмов становится редуцентами, разлагающими аммиак с выделением молекулярного азота N₂, который, будучи практически нерастворим в воде, поступает в атмосферу. Через некоторое время выделяется группа организмов-консументов, потребляющих готовую органику продуцентов. Здесь разделяют­ся биологические царства. Продуценты не нуждаются в свобод­ном движении, и от них происходит царство растений, а консументы должны иметь возможность двигаться в поисках пищи, и от них берёт начало царство животных.

Благодаря метаболизму живых организмов океана на протя­жении протерозоя происходит постепенная смена первичной ат­мосферы на вторичную, состав которой близок к современному. Уменьшаются концентрации аммиака и углекислого газа, их сменяют свободные азот и кислород. Свободный кислород окисляет СО, СН₄, H₂S и SO₂, и их концентрации в атмосфере становятся ничтожными. В верхних слоях атмосферы молекулы кислорода О₂ расщепляются и образуют озон О₃.

Озоновый слой начинает перехватывать жёсткое ультрафио­летовое излучение Солнца, и у живой материи появляется воз­можность выхода на сушу. Это и происходит примерно 500 мил­лионов лет назад.

К этому времени жизнь в океане буквально кипит. Уже поя­вились многочисленные моллюски и ракообразные, прибрежная зона заросла гигантскими водорослями, и, наконец, уже сущест­вуют первые хордовые, от которых произойдут все позвоночные. Переход от внешнего скелета (панциря) к внутреннему носил принципиальный характер. Ослабление пассивной защиты ком­пенсировалось усилением подвижности и ловкости; кроме того, исчезла необходимость в периодической полной линьке при ро­сте организма, что дало большую экономию дефицитных строи­тельных веществ. Рост подвижности привёл к необходимости иметь хорошее устройство управления, то есть к появлению и развитию головного мозга. Первыми сушу стали осваивать рас­тения и насекомые, появились двоякодышащие рыбы, способ­ные жить и на воздухе, и в воде, от которых, по-видимому, про­изошли земноводные (амфибии). Через 200 млн лет на Земле уже господствовали динозав­ры — потомки первых пресмыкающихся. Как и почему они полностью погибли 70 млн лет назад, до сих пор идут споры. Остаётся непонятным, почему катастрофа, постигшая динозавров, не отразилась столь же существенно на остальной биоте? Так или иначе, господство в животном царстве на суше захватили теплокровные млекопитающие, а в растительном — цветковые растения, и биосфера стала приобретать совре­менный вид.

Важнейший вывод, который можно сделать, прослеживая историю биосферы и анализируя её современный элементный состав, состоит в том, что живые организмы влияют на абио­тические условия на Земле в такой же степени, как эти условия влияют на биоту. И, следовательно, биосфера пред­ставляет собой единую динамическую систему из живых ор­ганизмов и абиотической среды их обитания, пронизанную глубокими обратными связями, изменения в которой проис­ходят в ходе общей эволюции — биологической, химической и физической.

Состав и границы биосферы

Всю совокупность организмов на планете В.И. Вернадский на­звал живым веществом, рассматривая в качестве его основных харак­теристик суммарную массу, химический состав и энергию. В состав биосферы кроме живого вещества (растительного, животного и мик­роорганизмов) входят биогенное вещество (продукты жизнедеятель­ности живых организмов — каменный уголь, битумы, нефть), био­косное вещество (продукты распада и переработки горных и осадоч­ных пород живыми организмами — почвы, кора выветривания, все природные воды, свойства которых зависят от деятельности на Земле живого вещества) и, наконец, косное вещество — совокупность тех веществ в биосфере, в образовании которых, как считается, живые организмы не участвуют (горные породы магматического, неоргани­ческого происхождения, вода, космическая пыль, метеориты).

Следовательно, биосфера — это та область Земли, которая охва­чена влиянием живого вещества. С современных позиций биосферу рассматривают как наиболее крупную, глобальную экосистему, под­держивающую планетарный круговорот веществ.

Современная жизнь распространена в верхней части земной коры (литосфере), в нижних слоях воздушной оболочки Зем­ли (атмосфере) и в водной оболочке Земли (гидросфере).

В глубь Земли живые организмы проникают на небольшое рас­стояние. В литосфере жизнь ограничивает прежде всего температура горных пород и подземных вод, которая постепенно возрастает с глу­биной и на уровне 1,5—15 км превышает 100 °С. Наибольшая глуби­на, на которой в породах земной коры были обнаружены живые бак­терии, составляет 4 км. В нефтяных месторождениях на глубине 2—2,5 км бактерии регистрируются в значительном количестве.

В океане жизнь распространена до более значительных глубин и встречается даже на дне океанических впадин в 10—11 км от поверх­ности.

Верхняя граница жизни в атмосфере определяется уровнем УФ — радиации. На высоте 25—30 км большую часть ультрафиолетового из­лучения Солнца поглощает находящийся здесь относительно тонкий слой озона — озоновый экран. Если живые организмы поднимаются выше защитного слоя озона, они погибают. Атмосфера над поверхно­стью Земли насыщена многообразными живыми организмами, которые передвигаются в воздухе активным или пассивным способом. Споры бактерий и грибов обнаруживают до высоты 20—22 км, но основная часть аэропланктона сосредоточена в слое до 1—1,5 км. В горах грани­ца распространения наземной жизни — около 6 км над уровнем моря.

Водяной пар, углекислый газ и отчасти метан СН₄ и не­которые другие атмосферные примеси перехватывают инфрак­расное излучение как Солнца, так и Земли. Эти ат­мосферные примеси действуют подобно прозрачной крыше парника, раскинутого над Землёй, пропуская к Земле корот­коволновую часть спектра и задерживая у Земли длинновол­новое тепловое излучение. Отсюда и их название — парнико­вые газы. Возникающий благодаря ним парниковый эффект играет важнейшую роль в тепловом балансе Земли.

Так как в среднем температура Земли не меняется, Земля должна излучать в космос из верхней атмосферы столько же энергии, сколько получает от Солнца. Спектр длин электромагнитных волн, излучае­мых в космос верхней атмосферой Земли, соответствует излуче­нию абсолютно чёрного тела с температурой около 250 °К. Если бы не было парникового эффекта, то и температура Земли упала бы до 250 °К (то есть до -23 °С), и жизнь на Земле вряд ли была бы возможна, по крайней мере в её нынешних формах. Однако уходящее излучение поверхности Земли, продвигаясь вверх, многократно поглощается и переизлучается парниковыми газа­ми (в том числе в обратном направлении), и на каждом уровне температура и уходящий поток энергии снижаются. Поэтому средняя температура поверхности Земли удерживается на уровне 288 °К (15 °С), и спектр её излучения соответствует этой темпе­ратуре.

Весьма вероятно, что переходы от периодов потепления на Земле к ледниковым периодам и обратно тесно связаны с коле­баниями концентраций парниковых газов и пылевых — аэрозо­льных частиц в атмосфере. Важную роль в этих процессах игра­ют отличия в альбедо различных типов поверхности. Рост площади ледников и отчасти песчаных пустынь ведёт к росту альбедо Земли в целом, тогда как увеличение пло­щади океана и растительности — к его (альбедо) уменьшению.

Парниковые газы «согревают» Землю, аэрозольные частицы, отражая обратно в космос солнечное излучение, её «остужают». В периоды временного усиления вулканической деятельности содержание частиц в атмосфере резко растёт, поэтому средняя температура на Земле начинает падать. При этом растут ледники и прежде всего полярные шапки Земли возле её полюсов. Рост полярных шапок и сокращение площади океана увеличивают альбедо Земли, что ускоряет процесс охлаждения. Одновременно уменьшается испарение с поверхности океана, поэтому падают содержание водяного пара в воздухе и облачность. Это приводит к уменьшению альбедо, то есть росту нагрева поверхности Зем­ли, и в какой-то момент процесс начинает идти в обратном на­правлении, пока вся система тепловой машины Земли не вернётся в состояние, близкое к исходному.

Возможен толчок и в обратном направлении, если какой-ли­бо фактор приведёт к потеплению. Таким фактором может быть, например, антропогенный рост концентрации СО₂ в атмосфере вследствие сжигания человеком огромных количеств ископаемо­го топлива — нефти, угля и природного газа. Необходимо отметить, что именно СО₂ в наибольшей мере препятствует тепловому из­лучению Земли в космос. Наблюдаемый рост концентрации СО₂, составляющий примерно 0,3 % в год, приводит к уменьше­нию альбедо Земли. Соответственно будет расти средняя темпе­ратура. Если начнётся интенсивное таяние полярных шапок и гренландского ледника, то скорость уменьшения альбедо ещё более возрастёт и соответственно ещё более возрастёт средняя температура на Земле. Этому процессу отчасти противостоят растворение избытка СО₂ в океане и поглощение его раститель­ностью, но их может оказаться недостаточно. Такое развитие со­бытий может привести ко многим крайне нежелательным по­следствиям.

Концентрация и активность жизни особенно велики у поверхнос­ти Земли. Водоемы заселены по всей толще, со сгущениями у повер­хности и у дна. Выделяются своим богатством прибрежные и мелко­водные участки. На суше более 99% живого вещества, или биомас­сы, сосредоточено в слое на несколько метров вглубь и на несколько десятков метров (высокие деревья) вверх от поверхности. Следова­тельно, жизнь сосредоточена в тончайшей пленке планеты, где и протекают главные процессы взаимодействия живой и неживой (кос­ной) природы. Этот тонкий деятельный слой нередко называют био­геосферой, биогеоценотическим покровом, ландшафтной оболочкой. Места наибольшей концентрации организмов в биосфере В.И. Вер­надский назвал «пленками жизни».

Крайние пределы температур, которые выносят некоторые фор­мы жизни — от практически абсолютного нуля до 180 °С. Давление, при котором существует жизнь, — от ма­лых долей атмосферы на большой высоте до тысячи и более атмосфер на больших глубинах. Для ряда бактерий верхние критические точки давления лежат в области 12 тыс. атм. Бактерии обна­ружены в водах атомных реакторов, некоторые из них выдерживают облучение порядка 2—3 млн рад. При температурах жидкого воздуха (-192°С), гелия (-268,9°С), водорода (-259,1°С) ряд бактерий оста­ются живыми.

На основании приведенных данных можно сделать важный вывод: выносливость жизни в целом к отдельным факторам среды шире диапа­зонов тех условий, которые существуют в границах современной био­сферы. Следовательно, жизнь обладает значительным «запасом проч­ности», устойчивости к воздействию среды и потенциальной способ­ностью к еще большему распространению.

Свойства живого вещества биосферы

Особое место в учении В. И. Вернадского о биосфере занимает живое вещество. Под живым веществом В. И. Вернадский понимал все ко­личество живых организмов планеты как единое целое. Жизнь — высшая форма организации материи. В то же время у живой материи практи­чески нет таких свойств, каких не существовало бы у неживой мате­рии. Живое отличается от неживого только совокупностью особен­ностей.

Существенным свойством живого является обмен веществ, энер­гии и информации. Организм потребляет из окружающей среды энер­гию и вещества и использует их для жизненно важных реакций, а затем возвращает в среду эквивалентное количество энергии и веще­ства, но уже в другой форме, менее пригодной для него. Живое вещество способно существовать только в потоке не­прерывного обмена веществ, энергии и информации с окружающей средой. Прекращение движения в этом потоке хотя бы одного компо­нента прекращает жизнь организма.

Главной отличительной особенностью живого вещества в целом является способ использования энергии. Живые существа — уникаль­ные природные объекты, могущие улавливать энергию, которая при­ходит из Космоса преимущественно в виде солнечного света, удержи­вать ее в виде сложных органических соединений (биомассы), переда­вать друг другу, трансформировать в механическую, электрическую, тепловую и другие виды энергии. Косные (неживые) тела не способ­ны к столь сложным преобразованиям энергии, они преимущественно рассеивают ее: камень нагревается под действием солнечной энергии, но не может ни сойти с места, ни увеличить свою массу.

В широком и основном значении информация — это передача от одного живого объекта к другому различных сведений или иных воз­действий, которые влияют на их жизнедеятельность. Кроме этого, каж­дый живой организм воспринимает и накапливает непрерывный по­ток информации второго рода, который поступает к нему из окружа­ющей среды: звуки, запахи, зрительные образы, изменение темпе­ратуры, освещенности и т.д.

Единство химического состава. Для живых организмов последний характеризуется наличием тех же химических элементов, которые со­держатся и в объектах неживой материи. Однако соотношение эле­ментов в живом и неживом неодинаково. Химический состав живых организмов во многом отличается от состава атмосферы и литосферы. Он ближе к химическому составу гидросферы по абсолютному преобладанию атомов водорода и кислорода. Но в отличие от гидросферы в организмах относительно велика доля углерода, кальция и азота. Живое вещество состоит почти на 98,8% из элементов, которые повсеместно присутствуют и в атмосфере и в гидросфере: кислорода, водорода, азота и углерода. Из оставшихся один процент приходится еще на четыре элемента, широко распространенных и весьма подвижных: кальций, калий, магний и кремний. Еще 0,2% приходятся на долю серы, фосфора, хлора, натрия, алюминия и железа и лишь 0,01% — на все остальные элементы.

Благодаря обмену веществ обеспечивается относительное посто­янство химического состава всех частей организма.

Здесь уместно привести закон физико-хи­мического единства живого вещества, сформулированный В.И. Вер­надским: все живое вещество Земли физико-химически едино.

Логичным является следствие из этого закона: вредное для одной части живого вещества не может быть безразлично для другой его части (или: вредное для одних видов существ вредно и для других).

Самовоспроизведение. Каждая отдельно взятая биологическая си­стема существует ограниченное время: поэтому поддержание жизни невозможно без воспроизведения себе подобных. В основе после­днего лежит образование новых молекул и структур, которое обу­словлено информацией, заложенной в дезоксирибонуклеиновой кис­лоте (ДНК).

Процесс самовоспроизведения тесно связан с явлением наслед­ственности: любое живое существо рождает себе подобных. Наслед­ственность состоит в способности организмов передавать свои при­знаки, свойства и особенности развития из поколения в поколение, что связано с относительной стабильностью, т.е. постоянством стро­ения молекул ДНК. Однако важно подчеркнуть, что развитие био­логических процессов не может быть жестко детерминированным, предопределенным во всех деталях. Поэтому особенности родителей передаются потомству не с абсолютной точностью, а всегда с неко­торыми отклонениями, обычно незначительными (микромутации), иногда существенными (макромутации).

Изменчивость — противоположное наследственности свойство организма. Оно связано с его способностью приобретать новые при­знаки и свойства. В основе наследственной изменчивости лежат из­менения так называемых биологических матриц — молекул ДНК. Благодаря изменчивости создается разнообразный материал для есте­ственного отбора особей, наиболее приспособленных к конкретным условиям существования. При этом лучшие шансы на сохранение получают особи, которые более приспособлены и быстрее размножа­ются. Однако и здесь в реальной жизни нет жесткой детерминации, поэтому возможны любые случайности. Согласно Ч. Дарвину, изменчивость, наследственность и естественный отбор — главные фак­торы эволюции жизни, способствующие появлению новых ее форм, новых видов живых организмов.

Способность к росту и развитию присуща любому живому орга­низму, который с момента зарождения растет, увеличиваясь в разме­рах и массе, но при этом сохраняет общие черты строения. Таким образом, рост сопровождается развитием и в результате возникает новое качественное состояние живого объекта. Важно отметить, что развитие живой формы материи в целом представлено как индивиду­альным, так и историческим развитием. На стадии индивидуального развития постепенно и последовательно проявляются все свойства единого организма. Историческое развитие сопровождается образо­ванием новых видов и прогрессивным усложнением жизни. Именно благодаря ему возникло все многообразие живых организмов на Земле.

Для нормального функционирования живого организма в меняю­щихся условиях окружающей среды необходимо внутреннее регулиро­вание — саморегуляция различных процессов, полное подчинение их единому порядку поддержания постоянства внутренней среды — гомеостазу.

Чертой, присущей всему живому, является раздражимость. Она выражается реакциями живых организмов на внешнее воздействие и связано с передачей информации из внешней среды биологической системе любой сложности (организму, органу, клетке). Благодаря этому свойству организмы способны избирательно реагировать на ус­ловия окружающей среды (например, на тепло и холод). Наиболее яркой формой проявления раздражимости является движение. Реак­ции многоклеточных на раздражение (рефлексы) осуществляются с помощью нервной системы. Надо указать, что сочетания «раздражитель-реакция» могут накапливаться в виде опыта, т.е. научения и памяти и использоваться в последующей жизнедеятельности (по крайней мере у животных).

Дискретность является всеобщим свойством материи. Любая, в том числе биологическая, система состоит из отдельных, но, тем не менее, взаимодействующих частей, которые образуют структурно-функциональное единство. Живое вещество существует всегда диск­ретно — в форме обособленных друг от друга тел; они характеризуют­ся трехмерной структурой, которая специфична для каждого вида. Именно по характеру этой структуры можно отличить, например, льва от кошки.

Структурная сложность живого начинается с гигантских полимер­ных молекул и продолжается на уровне клеток многоклеточных орга­низмов и надорганизменных сообществ. Все живое на Земле характе­ризуется иерархичностью (соподчиненностью) структурной органи­зации. Жизнедеятельность биологических систем на менее сложном уровне является предпосылкой осуществления свойств живого на бо­лее высоком уровне. Так, например, самовоспроизведение на уров­не многоклеточного организма невозможно без деления клеток, и т.д. Указанная взаимосвязь и соподчиненность уровней организации жи­вого является отражением иерархичного принципа строения биоло­гических систем и лежит в основе биологической формы движения материи.

Итак, живое характеризуется исключительно высокой функцио­нальной активностью. Она связана с его способностью к неограни­ченному развитию и количественному росту, названному В. И. Вер­надским «напором жизни».

Функции живого вещества

Различают пять основных функций живого вещества в масштабах планеты Земля: энергетическую, газовую, концентрационную, окис­лительно-восстановительную и деструкционную.

Энергетическая функция состоит в осуществлении связи биосфер­но-планетарных явлений с излучением Космоса, и прежде всего с солнечной радиацией. Основой указанной функции является фото­синтез, в процессе которого происходит аккумуляция энергии Солн­ца и ее последующее перераспределение между компонентами био­сферы. Накопленная солнечная энергия обеспечивает протекание всех жизненных процессов. За время существования жизни на Земле жи­вое вещество превратило в химическую энергию огромное количе­ство солнечной энергии. При этом существенная часть ее в ходе гео­логической истории накопилась в связанном виде (залежи угля, не­фти и других органических веществ).

Благодаря газовой функции происходит миграция газов и их пре­вращение, формируется газовый состав биосферы. Отметим, что преобладающая масса газов на планете имеет биогенное происхожде­ние. Так, кислород атмосферы накоплен за счет фотосинтеза. При этом количество молекул кислорода, выделяемых земными растени­ями, пропорционально количеству связываемых водой молекул ди­оксида углерода. Последний поступает в атмосферу за счет дыхания всех организмов. Другой, не менее мощный его источник — выделе­ние по трещинам земной коры из осадочных пород за счет химичес­ких процессов под действием высоких температур.

Концентрационная функция проявляется в извлечении и накопле­нии живыми организмами биогенных элементов из окружающей сре­ды, которые используются для построения тела. Концентрация этих элементов в теле живых организмов в сотни и тысячи раз выше, чем во внешней среде.

Окислительно-восстановительная функция заключается в химическом превращении веществ, которые содержат атомы с переменной степенью окисления (это в основном соединения железа, марганца и др.). В ре­зультате происходят превращения большинства химических соединений, при этом преобладают биогенные процессы окисления и восстановления. На основе данной функции происходит самоочищение биосферы от загрязнения.

Благодаря деструкционной функции протекают процессы, связан­ные с разложением остатков мертвых организмов. При этом проис­ходит минерализация органического вещества, т.е. превращение жи­вого вещества в косное.

Таким образом, живое вещество трансформирует солнечную энер­гию и вовлекает неорганическую материю в непрерывный круговорот. Живое вещество определило современный состав атмосферы, гидросфе­ры, почв и, в значительной степени, осадочных пород Земли.

Потоки энергии в биосфере

Существование биосферы основано на непрерывном движе­нии вещества и информации внутри живых организмов и между организмами и окружающей их средой. Это движение требует энергии, и каждый организм и биосфера в целом работают как тепловые машины.

Источником энергии для биосферы служит Солнце. Около 30 % его излуче­ния отражается облаками и атмосферой обратно в космос, и око­ло 15 % поглощается в атмосфере. Помимо облаков в рассеянии, поглощении и отражении солнечной радиации велика роль мель­чайших твёрдых аэрозольных частиц с размерами меньше неско­льких микрон (микрометров). Примерно 3 % радиации Солнца поглощается озоном и кислородом озонового слоя атмосферы — это ультрафиолетовая часть солнечного излучения, и 12 % захва­тывается углекислым газом (СО₂) и водяным паром. На поверхность Земли попадает 55 % солнечного излучения, из кото­рых 5 % отражается обратно в космос, не задерживаясь в атмо­сфере. Всего непосредственно отражается в космос 35 %. Эта ве­личина есть средняя отражательная способность, или альбедо, Земли. Поглощённая поверхностью Земли энергия составляет примерно половину радиации, попадающей в верхние слои атмо­сферы. Около половины этой поглощённой радиации (энергии инсоляции) уходит на испарение воды с поверхности океанов и об­разование облаков, а вторая половина — на собственно нагрев по­верхности. С учетом потери энергии радиации вследствие отраже­ния и других причин, а также энергетического выхода фотосинтеза, не превышающего 2%, общее количество энергии, запасаемой еже­годно в продуктах фотосинтеза, выразится величиной порядка 20·10²² кДж. Кроме создания чистой продукции, живой покров суши использует захваченную им энергию Солнца для процесса дыхания. Эти энерге­тические затраты составляют около 30—40% энергии, расходуемой на создание чистой продукции. Таким образом, растительность суши в год преобразует суммарно (на дыхание и создание чистой продукции) около 4,2·10¹⁸ кДж солнечной энергии.

Создание и существование биомассы неразрывно связаны с по­ступлением энергии и веществ из окружающей среды. Большинство веществ земной коры проходит через живые организмы и вовлекается в биологический круговорот веществ, создавший биосферу и опреде­ляющий ее устойчивость. В энергетическом отношении жизнь в био­сфере поддерживается постоянным притоком энергии от Солнца и использованием ее в процессах фотосинтеза. Поток солнечной энер­гии, воспринимаясь молекулами живых клеток, преобразуется в энер­гию химических связей. В процессе фотосинтеза растения использу­ют лучистую энергию солнечного света для превращения веществ с низким содержанием энергии (СО₂ и Н₂О) в более сложные органи­ческие соединения, где часть солнечной энергии запасена в форме химических связей.

Органические вещества, образованные в процессе фотосинтеза, служат источником энергии для самого растения или переходят в про­цессе поедания и последующего усвоения от одних организмов к дру­гим: от растений к растительноядным животным, от них — к плотоядным и т.д. Высвобождение заключенной в органических соедине­ниях энергии происходит также в процессе дыхания или брожения. Разрушение использованных или отмерших остатков биомассы осу­ществляют разнообразные организмы, относящиеся к числу сапрофитов (гетеротрофные бактерии, грибы, некоторые животные и рас­тения). Они разлагают остатки биомассы на неорганические состав­ные части (минерализация), способствуя вовлечению в биологический круговорот соединений и химических элементов, что обеспечивает очередные циклы продуцирования органического вещества. Укажем, что содержащаяся в пище энергия не совершает круговорота, а по­степенно превращается в тепловую энергию. В итоге поглощенная организмами в виде химических связей солнечная энергия снова воз­вращается в пространство в виде теплового излучения. Поэтому био­сфере требуется постоянный приток энергии извне. Эту важнейшую функцию и выполняет Солнце, обеспечивающее в течение многих миллиардов лет постоянный поток энергии через биосферу. При этом к Земле приходит коротковолновое излучение (свет), а уходит от нее длинноволновое тепловое излучение. Существенно, что баланс этих энергий не соблюдается: планета излучает в Космос несколько мень­ше энергии, нежели получает от Солнца. Эту разность (доли процен­та) и усваивает биосфера, постепенно, но постоянно накапливая энергию.

Потоки вещества в биосфере

Биосфера — это специфическим образом организо­ванное единство всего живого и минеральных элементов. Взаимодействие между ними проявляется в биогенной миграции атомов, осуществляющейся за счет энергии солнечного излучения. Происходящий в биосфере круго­ворот веществ, энергии и особей осуществляется при участии всех населяющих ее организмов. Все живые существа являются частями одного целого, гигантской совокупности живых существ, живого покрова Земли.

Чтобы биосфера продолжала существовать и на Земле не прекра­щалось развитие жизни, должны происходить непрерывные химичес­кие превращения ее живого вещества. Иными словами, вещества после использования одними организмами должны переходить в усвояемую для других организмов форму. Такая циклическая миграция веществ и химических элементов может осуществляться только при опреде­ленных затратах энергии, источником которой является Солнце. Ака­демик В.Р. Вильяме указывал, что единственный способ придать чему-то конечному свойства бесконечного — это заставить конечное вра­щаться по замкнутой кривой, т.е. вовлечь его в круговорот.

Солнечная энергия на Земле вызывает два круго­ворота веществ: большой, или геологический, наиболее ярко проявляющийся в круговороте воды и циркуляции атмосферы, и малый, или биологический, который разви­вается на основе большого и заключается в круговой циркуляции веществ между почвой, растениями, микро­организмами и животными. Оба круговорота взаимосвя­заны и представляют собой как бы единый процесс. Втягивая в свои многочисленные орбиты косную среду, биологический круговорот веществ обеспечивает воспро­изводство живого вещества и оказывает активное влия­ние на облик биосферы.

Круговорот веществ — это многократное участие веществ в про­цессах, протекающих в атмосфере, гидросфере, литосфере, в том числе и тех их слоях, которые входят в биосферу планеты. При этом выделяют два основных круговорота: большой (геологический) и ма­лый (биогенный и биохимический).

Большой круговорот длится сотни миллионов лет. Горные породы подвергаются разрушению, выветриванию, а продукты выветрива­ния, в том числе растворимые в воде питательные вещества, сносят­ся потоками воды в Мировой океан. Здесь они образуют морские напластования и лишь частично возвращаются на сушу с осадками, с извлеченными человеком из воды организмами. Крупные, но мед­ленно протекающие геотектонические изменения (опускание матери­ков и поднятие морского дна, перемещение морей и океанов) при­водят к тому, что эти напластования возвращаются на сушу и про­цесс повторяется. Границы геологического круговорота значительно шире границ биосферы, его амплитуда захватывает слои земной коры далеко за пределами биосферы. И, самое главное, — в процессах указанного круговорота живые организмы играют второстепенную роль.

Напротив, биологический круговорот вещества проходит в грани­цах обитаемой биосферы и воплощает в себе уникальные свойства живого вещества планеты. Будучи частью большого, малый кругово­рот осуществляется на уровне биогеоценоза, он заключается в том, что питательные вещества почвы, вода, углерод аккумулируются в веществе растений, расходуются на построение тела и жизненные процессы как их самих, так и организмов-консументов. Продукты разложения органического вещества почвенной микрофлорой и мезофауной (бактерии, грибы, моллюски, черви, насекомые, простей­шие и др.) вновь разлагаются до минеральных компонентов, опять-таки доступных растениям и поэтому вновь вовлекаемых ими в поток вещества.

Круговорот химических веществ из неорганической среды через растительные и животные организмы обратно в неорганическую сре­ду с использованием энергии Солнца и химических реакций называ­ется биогеохимическим циклом. Его часто называют большим био­сферным кругом, имея в виду безостановочный планетарный про­цесс перераспределения вещества, энергии и информации, многократно входящих в непрерывно обновляющиеся экологические системы биосферы.

Биогеохимические круговороты в биосфере подразделяют на: 1) кру­говороты газового типа с резервным фондом веществ в атмосфере или гидросфере (азота, кислорода, диоксида углерода, водяных паров) и 2) круговороты осадочного типа с менее обширными резервуарами в земной коре (фосфора, кальция, железа).

В связи с этим, следует отметить, лишь один-единствен­ный на Земле процесс, который не тратит, а, наоборот, свя­зывает солнечную энергию и даже накапливает ее — это соз­дание органического вещества в результате фотосинтеза. В свя­зывании и запасании солнечной энергии и заключается основ­ная планетарная функция живого вещества на Земле.

Круговорот воды. Постоянный перенос воды происходит с одно­го места в другое в масштабе всей планеты, главным образом между океаном и сушей. Он осуществляется в основном непосредственно за счет энергии Солнца, однако живые организмы оказывают на него важное регулирующее воздействие.

Испаряясь, вода с содержащимися в ней некоторыми вещества­ми воздушными течениями переносится на десятки, сотни и тысячи километров. Выпадая в виде осадков, она способствует разрушению горных пород, делает их минералы доступными для растений и мик­роорганизмов, размывает верхний почвенный слой, после чего ухо­дит вместе с растворенными частицами в океаны и моря. Подсчитано, что с поверхности Земли только за 1 минуту испаряется около одного миллиарда тонн воды и столько же выпадает обратно в виде осадков. В круговороте воды на Земле ежегодно участвует более 500 тыс. км³ воды.

Круговорот воды в целом играет основную роль в форми­ровании природных условий на нашей планете. С учетом транспирации воды растениями и поглощения ее в биогеохимиче­ском цикле, весь запас воды на Земле распадается и восста­навливается за 2 млн лет.

Циркуляция воды между Мировым океаном и сушей — важнейшее звено в поддержании жизни земных организмов и основное условие взаимодействия растений и животных с неживой материей. Одновре­менно вода в геологическом круговороте — величайшая трансформи­рующая сила, которая способствует постепенному разрушению лито­сферы, переносу ее составных частей в глубины морей и океанов.

Круговорот углерода гораздо в большей степени, чем круговорот воды, зависит от деятельности живых организмов. Диоксид углерода атмосфе­ры ассимилируется наземными растениями в ходе фотосинтеза и вклю­чается в состав органических веществ (рис. 5.3). В процессе дыхания растений, животных и микроорганизмов углерод, содержащийся в орга­низме, вновь переходит в атмосферу в виде СО₂. Эти два процесса пол­ностью уравновешены: лишь около 1% углерода, усвоенного растения­ми, откладывается в виде торфа и удаляется из круговорота.

Намного большее количество углерода, чем в атмосфере, содер­жится в растворенном виде в морях и океанах (в виде СО₂ угольной кислоты Н₂СО₃ и ее ионов). Этот углерод также доступен для усвое­ния живыми организмами и расходуется как в процессе фотосинтеза, так и на образование скелетов организмов, включающих карбонат кальция. Благодаря различным биологическим и химическим про­цессам между океанами и атмосферой идет интенсивный обмен угле­родом, причем заметное количество его (3 млрд т) ежегодно выво­дится из круговорота и осаждается в виде малорастворимых карбона­тов (солей угольной кислоты) в океанах.

Круговорот азота. Хотя атмосфера содержит огромный запас азо­та (3,8·10¹⁵ т), Мировой океан — 2·10¹³ т, однако атмосферный азот в форме N₂ не может быть напрямую использован большинством жи­вых организмов.

При осуществлении круговорота соединений азота главную роль играют микроорганизмы: азотфиксаторы, нитрификаторы, денитрификаторы, которые способствуют биологической фиксации азота воз­духа, т.е. переводят его в усвояемую для живых организмов форму. В целом в биосфере ежегодная фикса­ция азота из воздуха составляет в среднем 140—700 мг/м². В основном это биологическая фиксация и лишь небольшое количество азота (в умеренных областях не более 35 мг/м²) фиксируется в результате электрических разрядов и фотохимических процессов.

Возвращение азота в атмосферу происходит вследствие денитрификации, которая осуществляется как при участии бактерий, так и в ходе химических реакций без участия организмов. Другие этапы кру­говорота также во многом зависят от деятельности бактерий, кото­рые переводят азот из одних форм в другие. Важнейший из этапов — разложение тел отмерших организмов, в результате чего восполняет­ся фонд неорганических соединений азота, доступных для использо­вания растениями.

Круговорот азота в большинстве сообществ замкнутый, лишь не­большие количества этого элемента выносятся из наземных сообществ со стоком. Однако в масштабах всей биосферы реки выносят в океан около 30 млн т азота в год.

Круговорот кислорода является планетарным процессом, связыва­ющим атмосферу и гидросферу с земной корой. Основными узловы­ми звеньями его являются: образование свободного кислорода при фотосинтезе, последующие затраты на дыхание, протекание реак­ций окисления органических остатков и неорганических веществ (на­пример, сжигание топлива) и других химических преобразований. Они способствуют образованию таких окисленных соединений, как диоксид углерода, вода, после чего указанные вещества вовлекаются в новый цикл фотосинтетических превращений. Подсчитано, что весь кислород атмосферы проходит через живое вещество Земли за 2 тыся­чи лет.

Помимо вышеупомянутых основных элементов, которые прини­мают участие в биологическом круговороте веществ, важную роль играют также калий, фосфор, сера, натрий и некоторые другие эле­менты, входящие в состав питания растений. В той или иной степе­ни все элементы таблицы Д. И. Менделеева вовлечены в биологи­ческий круговорот.

Биогеохимические циклы фосфора и серы, важнейших биогенных элементов, значительно менее совершенны, так как основная их масса содержится в резервном фонде зем­ной коры, в «недоступном» фонде.

Круговорот серы и фосфора — типичный осадочный био­геохимический цикл. Такие циклы легко нарушаются от раз­личного рода воздействий и часть обмениваемого материала выходит из круговорота. Возвратиться опять в круговорот она может лишь в результате геологических процессов или путем извлечения живым веществом биофильных компонен­тов.

Круговорот фосфора относительно прост и весьма неполный. Этот элемент является одной из основных частей живого вещества, в котором он содержится в до­вольно большом количестве. Фосфор содержится в горных породах, образовавшихся в прошлые геологические эпохи. В биогеохимический кругово­рот он может попасть в случае подъема этих пород из глубины земной коры на поверхность суши, в зону вывет­ривания. Фосфаты потребляются растениями и используются ими для синтеза органиче­ских веществ. При разложении трупов животных бак­териями фосфаты возвращаются в почву и снова исполь­зуются растениями. Кроме того, часть фосфатов выно­сится водотоками в море, и это обеспечивает существо­вание фитопланктона и всех зависящих от него пищевых цепей. Часть фосфора из морской воды может вернуться на сушу (в виде гуано и т. д.).

Фосфор является основным фактором, лимитирую­щим рост автотрофных организмов как в водной среде, так и в наземных биотопах.

Этот же элемент контролирует основную часть пер­вичной продукции биосферы. Ряд исследователей по­лагает, что фосфор — главный регулятор всех других биогеохимических круговоротов. Количество нитратов в воде или кислороде в атмосфере зависит от состояния круговорота фосфора.

Под влиянием хозяйственной деятельности человека круговорот фосфора в природе значительно изменяется; происходит его перераспределение по территории Земли. В одних местах наблюдается фосфатизация суши, т. е. увеличение содержания фосфора в различных объектах природной среды, в других — его потеря (дефосфатизация).

Отсутствие систематического удобрения почвы фосфорными удобрениями ведет к их обеднению фосфо­ром. Фосфор — наиболее слабое звено в жизненной це­пи, которая обеспечивает человека.

Поскольку на Земле запасы фосфора, который необ­ходим для функционирования экосистем, незначитель­ны, то любые воздействия человека на его биологический круговорот имеют отрицательные последствия.

Круговорот серы, хотя ее требуется организмам в неболь­ших количествах, является ключевым в общем процессе продукции и разложения.

В биосфере основные запасы серы содержатся глав­ным образом в виде пиритов и сульфатов (например, гипс). Несмотря на наличие ряда газообразных соедине­ний серы (H₂S, SO₂), преобладающая часть круговорота этого элемента имеет осадочную природу и происходит в почве и воде. В морской среде сера в основном представлена в виде сульфат-иона, который занимает второе место по со­держанию после хлора и является основной доступной формой серы, которая восстанавливается автотрофами и включается в состав аминокислот.

Основной источник серы, доступный живым сущест­вам,— это всевозможные сульфаты. Их хорошая раство­римость в воде облегчает доступ неорганической серы в экосистемы. Поглощая сульфаты, растения восстанавливают се­росодержащие аминокислоты.

В наземных экосистемах сера возвращается в почву при отмирании растений, захватывается микроорганизмами, которые, восстанавливают ее до H2S. Другие организмы и воздействие самого кислорода приводят к окислению этих продуктов. Об­разовавшиеся сульфаты растворяются и поглощаются растениями из поровых растворов почвы или со стоком поступают в водоемы — так продолжается круговорот.

Однако круговорот серы, так же как и азота, может быть нарушен вмешательством человека. Виной тому пре­жде всего сжигание ископаемого топлива, а особенно угля. Сер­нистый газ (SO₂) нарушает процессы фотосинтеза и приводи к гибели растительности.

Вообще биогеохимические циклы легко нарушаются человеком. Так, добывая минеральные удобрения, он загрязняет воду и воздушную среду. В воду попадает фосфор, вызывая эвтрофикацию, азотистые высокотоксичные соединения и др. Иными словами, круговорот становится не циклическим, а ацикличе­ским. Охрана природных ресурсов должна быть, в частности, направлена на то, чтобы ациклические биогеохимические про­цессы превратить в циклические.

Таким образом, всеобщее равновесие в биосфере зависит от стабильности биогеохимического круговорота веществ в при­роде. Но являясь планетарной экосистемой, она состоит из эко­систем всех уровней, поэтому первоочередное значение для ее равновесия имеют целостность и устойчивость природных эко­систем.

Потоки информации в биосфере

Потоки энергии и вещества в биосфере неразрывно связаны с потоками информации. Ранее мы рассмотрели, что способность восприни­мать, накапливать и использовать информацию является одной из главных особенностей живого вещества. Эта способность не­разрывно связана с построением упорядоченных структур (организма, популяции, биоценоза и т.д.).

Благодаря биологической эволюции живые организмы выра­ботали множество механизмов адаптации, то есть приспособле­ния к условиям жизни. Более того, само строение и физиология организмов есть результат адаптации. Первое, чему должны были научиться живые организмы, — это различать в окружаю­щей среде молекулы и частицы, пригодные в пищу, от инертных или опасных. Так возникли хеморецепторы, сохраненные у рас­тений и высших животных в виде вкуса и обоняния. Это уже ин­формационная связь организма с внешним миром. Как только образовалась живая клетка и в ней специализированные органеллы, потребовался обмен информацией между ними. Перво­начально обмен веществ и энергией внутри клетки являлся од­новременно и обменом информационными сигналами. Однако нуклеиновые кислоты (ДНК и информационная РНК) стали вы­полнять преимущественно информационные функции. По мере усложнения органических структур появились гормоны и гормоноподобные вещества с их чисто информационно-командными функциями. Специализированные железы внутренней секреции, генерирующие эти вещества, образовали эндокринную систему управления организмом.

С увеличением размеров животные уже не могли обходиться только химическими информационными связями. Слишком мед­ленными оказываются процессы передачи информации. Так поя­вилась нервная система, использующая быстрые электрические сигналы, и новые органы чувств (рецепторы) — зрение и слух, да­ющие информацию об окружающей среде на больших расстояни­ях и практически мгновенно. Увеличение количества и качест­венные изменения поступающей извне информации, а также не­обходимость согласованных движений всех органов тела привели к образованию центральной нервной системы. При этом железы внутренней секреции, занимающие наивысшее положение в эн­докринной системе — гипоталамус и гипофиз, расположились в головном мозге (скорее мозг возник вокруг них) и обеспечивают согласование действий нервной и эндокринной систем.

С развитием нервной системы у животных появилась спо­собность обмена зрительными и звуковыми сигналами, а следом за тем и способность к обучению потомства. Эта последняя спо­собность неразрывно связана с появлением головного мозга и свободной, незаполненной изначально памяти. Накопленная живым организмом информация разделилась на врождённую, переданную химическим путём от предков, и приоб­ретённую, полученную сигнальным путём за счёт обучения и собственного опыта.

Важнейшим свойством живого вещества, принципиально от­личающим его от косной материи, является передача наследст­венной информации из поколения в поколение. Эта связь осу­ществляется с помощью генетического кода, носителями кото­рого служат нуклеиновые кислоты.

Принципиальным адаптационным шагом в эволюции ока­зался переход от вегетативного к половому размножению. Дело в том, что под воздействием внешних факторов, прежде всего ра­диационного фона, химических веществ и вирусной инфекции, в спиралях дезоксирибонуклеиновой кислоты возникают нарушения или мутации, то есть наследственная информация может портиться. При вегетативном, бесполом размножении у популя­ции нет иного способа исправить эти нарушения кроме гибели носителей вредных мутаций. Половое размножение даёт воз­можность корректировать ошибки, возникшие в генетическом коде, так как вероятность одинаковых нарушений у обоих роди­телей мала. Именно поэтому опасны браки между кровными родственниками, когда вероятность одинаковых хромосомных дефектов у обоих родителей резко возрастает, и, напротив, по­томство отдалённых генетических линий бывает особенно силь­ным и жизнеспособным.

При вегетативном размножении говорить об индивидуаль­ном биологическом возрасте особи в принципе бессмысленно. Понятие возраста особи возникает вместе с половым размноже­нием, причём механизм запрограммированного старения поя­вился, скорее всего, на поздних этапах эволюции. Такие древ­ние виды, как крокодилы, черепахи или акулы, ещё этого меха­низма, по-видимому, не имеют. Они потенциально бессмертны и погибают от болезней, врагов или в силу изменения условий обитания. Запрограммированное старение и смерть от старо­сти — пример адаптационного признака, полезного для вида в целом, но не для отдельного организма. Они обеспечивают сме­ну поколений и отбор генофонда в популяции, позволяющие ей эффективно адаптироваться к постепенным изменениям среды обитания.

Динамика биосферы

Биосфере, как и любой другой природной системе, свойственна динамика. Этот термин означает систему закономерных изменений состоя­ния среды обитания живых организмов и соответственно состояния самих этих организмов, а также непрерывных нарушений последнего.

Как известно, к границам биосферы подходят различные виды космических, и прежде всего солнечных, потоков вещества и энер­гии (видимый свет, тепловые инфракрасные лучи, ультрафиолетовое и радиоактивное излучение, а также коротковолновое и рентгено­вское излучение); большая их часть задерживается в высоких слоях атмосферы и на границе ее с космическим пространством. При этом первопричиной динамики биосферы является поток поступающей на Землю солнечной энергии. Проходя через атмосферу и попутно взаи­модействуя с ней, он определяет совокупность климатических про­цессов. Конкретные состояния последних в каждом месте в каждый момент времени называют погодой.

Именно постоянные изменения погодных условий служат глав­ной причиной разнообразных колебательных изменений в природе биосферы. Как известно, атмосфера нагревается неравномерно, что в свою очередь заставляет воздух постоянно перемешиваться; при этом неоднородность земной поверхности весьма осложняет указанное пе­ремешивание. При этом необходимо учитывать и воздействие мате­риков и океанов. Так, материки усиливают температурные контрас­ты: зимой вблизи полюсов они сильнее охлаждаются, а летом в тро­пиках сильнее прогреваются. Напротив, океаны эти контрасты ослабляют.

Воздушные потоки в жизни биосферы играют большую роль. Благодаря им доставляются сотни миллиардов тонн воды из океанов, которые далее увлажняют сушу, они же приносят почти весь необхо­димый для жизненных процессов йод. Однако в результате воздей­ствия многих факторов траектории воздушных потоков периодически отклоняются от средних положений. Из-за этого в различных местах земли наступают заморозки или оттепели, засухи или дожди, сти­хийные бедствия или, напротив, периоды устойчивости природных факторов.

Обязателен учет роли геологических факторов, которые прелом­ляют и конкретизируют влияние изменений погодных процессов на природу. В частности, действие заморозков ослабевает в положи­тельных и усиливается в отрицательных формах рельефа, засуха силь­нее проявляется не только на южных, но и на глинистых склонах. Наконец, при прогнозировании последствий изменения погоды нельзя не учитывать роль почвенного покрова и, прежде всего его замедлен­ную реакцию на изменения погодных условий. Она в свою очередь тормозит реакцию растительности на изменения последних, что оп­ределенным образом стабилизирует состояние всего живого покрова. Указанное явление торможения проявляется, в частности, в том, что атмосферная засуха может быть весьма сильной, но в почве, тем не менее, имеются запасы влаги, которые остались в ней от преды­дущих лет. Поэтому дефицит влаги проявляется не так остро.

Вышеизложенное следует увязывать с тем, что скорость реакции различных видов живых существ на изменение погоды (при наличии взаимосвязи между ними) обусловливает непрямолинейность влия­ния погодных условий на экологические системы. Поэтому биоти­ческие факторы служат одновременно источником как автоколеба­ний природных сообществ, так и их стабилизации.

Огромную роль в динамике биосферы играют геокосмические рит­мы. Очевидно, что вся­кое количественное или качественное изменение в притоке космичес­кой энергии сказывается на состоянии исключительно чувствительных передающих систем (атмосферы, гидросферы и почвы), а затем и на существующей за счет энергии Космоса биосфере. В частности, была установлена связь колебаний численности видов живых существ, урожаев, динамики заболеваемости населения с солнечными процес­сами. Однако следует иметь в виду, что космические ритмы очень разнообразны. Так, наряду с хорошо изученными 11,5-летними солнечны­ми циклами существует множество других — от одномесячных лунных до длящихся миллиарды лет галактических ритмов. Налагаясь друг на друга, эти ритмы оказывают сложные интегральные воздействия на жи­вые организмы, характер которых до сих пор до конца не ясен.

Ныне, на динамику биосферы огромное влияние оказывает челове­ческая деятельность. При этом она в отличие от естественных экологических факторов, обусловливает не колебательные, а преимущественно поступательные изменения приро­ды. Так, развитие водного транспорта влечет за собой создание кана­лов, соединяющих различные речные системы, и, соответственно, раз­витие обменов элементами флоры и фауны между водными бассейна­ми. Что касается колебательных явлений в природе, связанных с человеческой деятельностью, то они весьма редки. Это либо ритми­ческие, часто многолетние процессы смены культурных растений в се­вообороте, либо аномальные явления.

Устойчивость биосферы

Что же позволяет жизни во всех ее формах и проявлениях быть достаточно устойчивой во времени и пространстве? В попытке ответить на этот весьма сложный вопрос следует учесть, что жизнь в значительно большей степени есть явление космическое, нежели земное. Результаты исследований последних лет показывают, что строение, эволюция биосферы, как и устойчивость последней, предопределены начальными условиями, которые существовали до современного состояния Вселенной, и самим происхождением Кос­моса.

Характеризуясь, огромной энер­гией, космическое излучение способно за относительно короткий срок разложить на ионы и электроны весь воздух атмосферы, а следова­тельно, уничтожить жизнь на планете. Однако этого, к счастью, не происходит. Дело в том, что Земля представляет собой своеобразный магнит, его силовые линии окружают земной шар и образуют вокруг него магнитосферу, которая защищает живые организмы от солнеч­ного ветра. Однако некоторые частицы солнечной плазмы с высокой энергией могут проникать сквозь радиационные пояса и даже дости­гать биосферы.

Итак, магнитное поле есть важнейший защитник жизни на Зем­ле, без которого она не смогла бы зародиться в прошлом, не смогла бы сохраниться в настоящем. Но наряду с этим есть и другие факто­ры стабильности, порожденные самим живым веществом биосферы.

Важнейшим фактором возникновения и развития биосферы стало создание автотрофными организмами кис­лородной среды на Земли. С появлением такого химического активного элемента, как кислород в свободном, т.е. молекулярном состоянии, существенно изменились процессы минералообразования в поверх­ностных слоях геологической оболочки планеты, а следовательно, резко изменились и все химические факторы существования живого вещества. С другой стороны, наполнение атмосферы кислородом способствовало появлению в ней озона и формированию озонового слоя.

Образование озона в стратосфере связано с реакцией фотодиссоциа­ции поступающего туда молекулярного кислорода под воздействием уль­трафиолетового излучения Солнца. Основное количество озона сосредоточено в стратосфере на вы­сотах 15—25 км (верхняя граница его распространения — до 45 км), где он образует озоновый слой или озоносферу. Основная масса озо­на образуется в экваториальной зоне и распространяется затем атмос­ферными движениями к полюсам непосредственно. У поверхности Земли озон появляется только во время грозовых разрядов.

Расчеты показали, что если все содержащиеся в атмосфере моле­кулы озона равномерно распределить над поверхностью Земли, то толщина образовавшейся оболочки составит лишь около 3 мм. Несмотря на крайне низкое количественное содержание, этот газ имел и продолжает иметь неоценимое эколого-биологическое значе­ние, так как слой озона практически полностью поглощает поток ко­ротковолновых УФ-лучей Солнца с длиной волны 200—280 нм и около 90% ультрафиолетового излучения с длиной волны 280—320 нм. Та­ким образом, озоновый слой является охранным щитом от жесткого, короче 280 нм, УФ-излучения, крайне опасного для всего живого на планете. При этом наблюдения и расчеты ученых выявили, что если общее содержание озона сократится всего лишь на 10—20%, то на каж­дый процент такого сокращения придется приблизительно 2%-ное уве­личение потока в вышеуказанной полосе УФ-излучения.

Стабильность биосферы, помимо вышесказанного, в значительной степени основывается на высоком видовом разнообразии живых организмов, отдельные груп­пы которых выполняют различные функции в поддержании общего потока вещества и распределения энергии, на теснейшем переплете­нии и взаимосвязи биогенных и абиогенных процессов, на согласо­ванности циклов отдельных элементов и уравновешивании емкости отдельных экологических ниш. В биосфере действуют сложные системы об­ратных связей и зависимостей.

Итак, биосфера теснейшим образом связана с Космосом. Потоки космической энергии создают на Земле условия, обеспечивающие жизнь. При этом находящиеся за пределами биосферы магнитное поле Земли, возникшее задолго до появления жизни, а также озоновый экран, яв­ляющийся порождением живого вещества планеты, защищают жизнь на ней от губительного космического излучения и интенсивной солнечной радиации. С другой стороны, находясь, образно говоря, между моло­том и наковальней (снаружи — враждебный Космос, внутри Земли — огромное раскаленное ядро), жизнь активно ищет пути поддержания своего существования и развития. Отсюда следует вывод, что стабиль­ное состояние биосферы обусловлено в первую очередь деятельностью самого живого вещества, обеспечивающей определенную скорость фик­сации солнечной энергии и биогенной миграции атомов. Жизнь на пла­нете Земля сама стабилизирует и, согласно В.И. Вернадскому, «как бы само создает себе область жизни». Это закладывает основу для длитель­ного ее развития.

Здесь уместно привести принцип Ле Шателье—Брауна: при внеш­нем воздействии, выводящем экологическую систему из состояния ус­тойчивого равновесия, равновесие смещается в том направлении, при котором эффект внешнего воздействия ослабляется.

Однако стабильность биосферы имеет определенные пределы и нарушение ее регуляторных возможностей чревато серьезными по­следствиями. На это, в частности, указывает правило одного процен­та: изменение энергетики природной системы в среднем на 1% выводит последнюю из состояния гомеостаза (равновесия). Данное правило подтверждается исследованиями в области глобальной климатологии и других геофизических, а также биофизических процессов. Так, все крупные природные явления на поверхности Земли (извержения вул­канов, мощные циклоны, процесс глобального фотосинтеза и т.п.), как правило, имеют суммарную энергию, не превышающую 1% энер­гии солнечного излучения попадающего на поверхность Земли. Пе­реход энергетики процесса за это значение обычно приводит к рез­ким аномалиям — климатическим отклонениям, переменам в харак­тере растительности, крупным лесным и степным пожарам. Все это следует учитывать при планировании отдельных видов хо­зяйственной деятельности глобального масштаба.

Ноосфера

Венцом учения В.И. Вернадского о биосфере стало учение о ноосфере. Ноосфера («мыслящая оболочка», сфера разума) — выс­шая стадия развития биосферы. Это «сфера взаимодействия природы и общества, в пределах которой разумная человече­ская деятельность становится главным, определяющим фак­тором развития».

Почему возникло понятие «ноосфера»? Оно появилось в связи с оценкой роли человека в эволюции биосферы. Непре­ходящая ценность учения В. И. Вернадского о ноосфере именно в том, что он выявил геологическую роль жизни, живого ве­щества в планетарных процессах, в создании и развитии био­сферы и всего разнообразия живых существ в ней. Среди этих существ он выделил человека как мощную геологическую силу. Эта сила способна оказывать влияние на ход биогеохи­мических и других процессов в охваченной ее воздействием среде Земли и околоземном пространстве (пока «ближний» Космос). Вся эта среда весьма существенно изменяется чело­веком благодаря его труду. Он способен перестроить ее со­гласно своим представлениям и потребностям, изменить фак­тически ту биосферу, которая складывалась в течение всей геологической истории Земли.

В. И. Вернадский писал, что становление ноосферы «есть не случайное явление на нашей планете», «создание свобод­ного разума», «человеческого гения», а «природное явление, резко материально проявляющееся в своих следствиях в окру­жающей человека среде». Иными словами, ноосфера — окружающая человека среда, в которой природные процессы обмена веществ и энергии кон­тролируются обществом.

Человек, по мнению В. И. Вернадского, является частью биосферы, ее «определенной функцией». Подчеркивая тесную связь человека и природы, он допускал, что предпосылки воз­никновения человеческого разума имели место еще во време­на животных, предшественников Homo sapiens, и проявление его началось миллионы лет назад, в конце третичного перио­да. Но как новая геологическая сила смог проявить себя толь­ко человек.

Воздействие человеческого общества как единого целого на природу по своему характеру резко отличается от воздей­ствий других форм живого вещества. В. И. Вернадский пи­сал: «Раньше организмы влияли на историю тех атомов, ко­торые были нужны им для роста, размножения, питания, ды­хания. Человек расширил этот круг, влияя на элементы, нуж­ные для техники и создания цивилизованных форм жизни», что и изменило «вечный бег геохимических циклов».

Эти гениальные мысли В. И. Вернадского позволили ря­ду ученых допустить в дальнейшем и такой ход событий в эволюции биосферы, как коэволюцию между человеческим обществом и природной средой, в результате чего и возник­нет ноосфера, но это будет происходить благодаря «новым фор­мам действия живого вещества на обмен атомов живого ве­щества с косной материей». Он считал, что «геологически мы переживаем сейчас выделение в биосфере царства разума, ме­няющего коренным образом и ее облик, и ее строение, — ноо­сферы».