Функции биосферы

Важная функция  биосферы — устойчивое поддержание  жизни — основывается на непрерывном  круговороте веществ, связанном  с направленными потоками энергии. Хотя биологический круговорот может  быть осуществлен не только на уровне биоциклов, но и конкретных экосистем, в реальных условиях обособленных круговоротов нет: на уровне биосферы эти процессы объединяются в единую систему глобальной функции живого вещества. В этой системе не только полностью завершаются отдельные биогенные циклы, но и реализуется тесная взаимосвязь с абиотическими процессами формирования и переформирования горных пород, становления и поддержания специфических свойств гидросферы и атмосферы, образования почв и поддержания их плодородия и т. п. В этом едином цикле функции живого вещества существенно шире, нежели осуществление круговорота отдельных элементов.

Живые организмы  и надорганизменные системы активно  участвуют в формировании особенностей климата, типов почв, вариантов ландшафта, характера циркуляции вод и во многих других процессах, на первый взгляд не относящихся к категории биогенных. В конечном итоге многообразные формы жизни в их глобальной взаимосвязи определяют уникальные свойства биосферы как самоподдерживающейся системы, гомеостаз которой запрограммирован на всех уровнях организации живой материи. Теснейшая функциональная связь биологических систем разных уровней превращает дискретные формы жизни в интегрированную глобальную систему — биосферу (И.А. Шилов, 1988; В.Е. Соколов, И.А. Шилов, 1989).

Биосфера, по В.И. Вернадскому, как целостная система обладает определенной организованностью, механизмами самоподцержания (гомеостазирования). Это выражается в регуляции постоянства газового состава атмосферы (а через озоновый экран — и физических условий на поверхности Земли), устойчивого состава и концентрации солей Мирового океана, несмотря на постоянный приток их с суши и т. д.

Основа таких  механизмов заложена в процессах  биологической природы: фотосинтез, дыхание, регуляция водного и  солевого обмена организмов и др. «Живое вещество,— писал В.И. Вернадский в «Очерках геохимии»,—... становится регулятором действенной энергии биосферы... Весь поверхностный слой планеты становится таким образом через посредство живого вещества полем проявления кинетической и химической энергии». В обобщающем виде В.И. Вернадский говорил о биосфере, как «...сложном, но вполне упорядоченном механизме».

В современном  выражении это можно трактовать как представление о гомеостатических реакциях на уровне биосферы. Прав А.В. Дало (1987), выражая идеи В.И. Вернадского следующим образом: «На языке современной науки биосферу называют саморегулируемой кибернетической системой, обладающей свойством гомеостаза».

Механизмы гомеостазирования  остались вне интересов В.И. Вернадского. В своей геохимической концепции  для него было важно отметить роль совокупности живых организмов как целого (отсюда термин «живое вещество), преобразования их химического состава и связанные с этим перемещения молекул в глобальном круговороте, затрат энергии на жизненные процессы и т. д. Однако, когда речь идет о механизмах биологической регуляции в биосфере, обобщенное понятие живого вещества становится уже недостаточным. Регуляторная функция чувствительна к конкретным формам живых организмов и механизмов их взаимодействия. При решающей роли биологических процессов в биосфере и механизмы поддержания целостности ее представляют собой явление, в первую очередь биологическое. В наиболее общей форме можно считать, что эти механизмы основываются на таких фундаментальных свойствах жизни, как ее разнокачественность (разнообразие) и системность. Именно на этих свойствах основывается и глобальная функция жизни в биосфере — поддержание биогенного круговорота веществ.

Разнокачественность форм жизни и биогенный круговорот. Специфическое свойство жизни —  обмен веществ со средой. Любой организм должен получать из внешней среды определенные вещества как источники энергии и материал для построения собственного тела. Продукты метаболизма, уже непригодные для дальнейшего использования, выводятся наружу. Таким образом, каждый организм или множество одинаковых организмов (популяция, вид) в процессе своей жизнедеятельности ухудшают условия своего обитания. Возможность обратного процесса—поддержания жизненных условий или даже их улучшения, — о чем говорилось выше, определяется тем, что биосферу населяют разные организмы (виды) с разным типом обмена веществ.

Физиологическая разнокачественностъ живых организмов представляет собой фундаментальное  условие устойчивого существования  жизни как планетарного явления. Теоретически можно представить возникновение жизни в одной форме, но в этом случае запрограммирована конечность жизни как явления: видоспецифичность обмена веществ неизбежно ведет к исчерпанию ресурсов и «загрязнению» среды продуктами жизнедеятельности, которые невозможно использовать вторично.

Устойчивое  существование жизни возможно лишь при многообразии, разнокачественности  ее форм, специфика обмена которых  обеспечивает последовательное использование  выделяемых в среду продуктов  метаболизма, формирующее генеральный  биогенный круговорот веществ. Это отмечал еще В.И. Вернадский: «Геохимика может интересовать только проблема создания комплекса жизни в биосфере, т. е. создание биосферы» (В.И. Вернадский, 1967).

В простейшем виде такой комплементарный набор  качественных форм жизни представлен продуцентами, консументами и редуцентами, совместная деятельность которых обеспечивает извлечение определенных веществ из внешней среды, их трансформацию на разных уровнях трофических цепей и минерализацию органического вещества до составляющих, доступных для очередного включения в круговорот

МЕХАНИЗМЫ УСТОЙЧИВОСТИ БИОСФЕРЫ

     Все виды устойчивости (гомеостаза), наблюдаемые  в живых орга-

     низмах  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, пи-

     сал К. А. Тимирязев, заключается в одном  слове: это слово – смерть.

     Смерть, рано или поздно пресекающая все  уродливое, все бесполез-

     ное, 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 окружаю-

     щего  мира приобретает теория открытых систем  (синергетика).

     14.1. СИНЕРГЕТИКАБИОСФЕРЫ

     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 проявле-

     ниям.

     Согласно  второму началу термодинамики, если подобно Нью-

     тону  рассматривать Вселенную как  Мировую машину  (закрытую

     систему), запас полезной энергии, приводящей мировую машину в

     движение, рано или поздно будет исчерпан. Если запас полезной энер-

     гии в системе тает, то ее способность  поддерживать организован-

     ные структуры ослабевает. Высокоорганизованные структуры рас-266

     падаются  на менее организованные, которые  в большей мере наде-

     лены  случайными элементами. Мера внутренней неупорядоченнос-

     ти  системы – энтропия – растет. Второе начало термодинамики пред-

     сказывает 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 окружаю-

     щей 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 круп-

     нейших  достижений современной физики. Теория термодинамики

     открытых  систем переживает бурное развитие. Эту  область иссле-

     дований назвали синергетикой  (от греч. “sinergos”  – совместный,

     согласованно  действующий).

     Выдающаяся  роль в развитии синергетики принадлежит

     И.Р. Пригожину, который противопоставляет  закономерности разви-

     тия замкнутых детерминированных систем и открытых неустойчи-

     вых неравновесных, в которых малый  сигнал на входе может выз-

     вать  сколь угодно сильный отклик на выходе. По Пригожину замк-

     нутые системы составляют лишь малую долю физической Вселен-

     ной. Большинство же систем, в том числе  все географические и эко-

     логические  системы, открыты. Они обмениваются веществом, энер-

     гией  и информацией с окружающей средой. Открытый характер боль-

     шинства систем наводит на мысль, что реальность отнюдь не явля-

     ется  ареной, на которой господствует порядок: главенствующую роль

     в окружающем нас мире играют неустойчивость и неравновесность.

     Пригожин  отмечает, что открытые системы непрерывно флук-

     туируют. Иногда отдельная флуктуация или  их комбинация может

     стать (в результате положительной обратной связи) настолько силь-

     ной, что существовавшая прежде организация  не выдерживает и раз-

     рушается. В этот переломный момент, в точке  бифуркации, прин-

     ципиально невозможно предсказать, в каком  направлении будет про-

     исходить  дальнейшее развитие: станет ли состояние  системы хао-

     тическим  или она перейдет на новый, более  высокий уровень орга-

     низации. Пригожин подчеркивает возможность  спонтанного возник-267

     новения порядка и организованности из беспорядка и хаоса в резуль-

     тате  процесса самоорганизации.

     Строение  живой материи существенно отличается от строения

     мертвой не только чрезвычайно сложной структурой, но и способно-

     стью  отбирать из окружающей среды полезную энергию в количе-

     стве, необходимом для самосохранения и саморазвития, что дости-

     гается  путем создания таких элементов материи, которые способ-

     ны:

     – черпать свободную энергию из окружающего пространства в

     процессе  зарождения, развития и жизни;

     – стремительно размножаться в питательной  среде, вычерпы-

     вая ее свободную энергию для парирования  роста энтропии;

     – образовывать новые элементыживой материи, используя пита-

     тельную  среду для дополнительного парирования  роста энтропии;