Биосфера - Надорганизменный уровень организации жизни

Термин «биосфера» принадлежит Ж. Б. Ламарку, который ввел его в 1803 г. для обозначения совокупности всех организмов. В постоянное употребление его ввел в 1875 г. австрийский геолог Э. Зюсс, обозначая оболочки Земли, охваченные жизнью. В. И. Вернадский определял биосферу как природно-историческое геологическое тело, состоящее из тропосферы, нижней части стратосферы, жидкой гидросферы и значительной части земной коры, включая ее гранитно-метаморфический слой. Сейчас биосферу определяют как оболочку Земли, которая преобразуется деятельностью живых организмов.

В. И. Вернадский также ввел понятие «живое вещество», определив его как совокупность всех живых организмов, которые рассматриваются как единое целое. Если их распределить по поверхности Земли равномерно, образуется пленка толщиной 2 см. Средняя продолжительность ее обновления — 8 лет (а в океане — 33 дня).

Геохимические функции живого вещества:

• энергетическая — аккумуляция солнечной энергии растениями в результате фотосинтеза с последующим перераспределением этой энергии;

• концентрационная — избирательное накопление определенных элементов в теле самих организмов и в образуемых с их участием осадочных породах;

• деструктивная — минерализация органики, разложение горных пород, привлечение элементов в круговорот;

• формирование среды обитания — трансформация параметров среды в благоприятные для организмов (почвообразование, поддержание газового состава атмосферы, очистка водоемов и др.);

• транспортная — перемещение элементов, входящих в состав живого вещества, и перераспределение их по поверхности планеты (пример: вынос биогенов из водоемов птицами и животными, водная личиночная и наземно-воздушная взрослая стадии).

Основными результатами биогеохимической активности живого вещества можно считать кислородную революцию около 2,5 миллиардов лет назад, формирование устойчивых границ между сушей и водоемами (преобразование плащевого стока воды с континентов в русловый), создание почвы, регуляция образования геологических осадочных пород.

Часто упоминаемым достижением научной мысли прошлого века является концепция ноосферы. Общепринятой трактовки этого понятия не существует. Идея ноосферы не является научно обоснованным обобщением, а лишь попыткой воплотить в слова интуитивные догадки о том, что человечество в будущем изменится.

Вероятно, основным автором понятия «ноосфера» был Пьер Тейяр де Шарден, французский священник и ученый-эволюционист. Поскольку де Шарден был членом монашеского ордена иезуитов, высказываемые им публично идеи были ограничены дисциплиной ордена, и потому идея ноосферы была обнародована в 1927 г. его другом — философом и математиком Эдуардом Леруа. Как подчеркивали де Шарден и Леруа, важным источником этой идеи стали лекции по геохимии, которые В. И. Вернадский читал в 1922-1923 гг. в Париже. В дальнейшем представления о ноосфере независимо друг от друга разрабатывали и де Шарден, и Вернадский.

По де Шардену, человеческая психика является сложным результатом эволюции Вселенной. Преодолевая раздробленность, отдельные человеческие личности должны объединиться под всепланетную сферу разума — ноосферу. Это длительный и не законченный процесс, в котором участвует каждый из нас.

Идеи Вернадского, высказанные в связи с концепцией ноосферы, тесно связаны с основной областью интересов ученого — геохимией. Главные из них:

• человечество — геологическая сила;

• причина силы человечества — его разум и воля, результат его социальности;

• человечество осуществляет преобразование геохимического круговорота, изменяя функции биосферы;

• человечество эволюционирует в направлении отделения от остальной биосферы.

Согласно Вернадскому, переход биосферы в ноосферу закономерен и неизбежен, но, видимо, рассматривается как нечто, что должно произойти в будущем.

В целом можно сказать, что ноосфера— состояние биосферы, при котором разумная деятельность человека становится основным фактором ее развития. Существует и альтернативная трактовка, согласно которой ноосфера уже возникла (на основе техносферы), и рассматривать ее можно как становление и развитие отношений между биогенными и техногенными (антропическими) процессами.

В конце ХХ века понятие ноосферы было переосмыслено Н. Н. Моисеевым в рамках его концепции коэволюции (совместной эволюции) биосферы и человеческого общества. С этой точки зрения, ноосфера — состояние человечества, при котором оно эволюционирует вместе с биосферой.

Биогеохимические циклы

Земная жизнь построена на довольно сложной химической основе. Для ее существования необходимо много химических элементов. Основное соединение в составе организмов — вода, но для жизнедеятельности абсолютно необходимы органические вещества, состоящие из различных атомов. Из элементов, являющихся важными ресурсами для биосферы, важнейшие — так называемые биогенные элементы, или биогены. К ним относится примерно половина из 54 элементов земной коры.

Для того чтобы организмы могли включать в свой состав биогенные элементы, они должны находиться в доступной форме в населенной организмами среде. Однажды попав в состав живых организмов, один и тот же атом может переходить из одной молекулы в другую, из одного существа в другое. Однако со временем любой атом любого из биогенов покинет состав живого вещества и вернется в окружающую среду. Чтобы организмы могли восполнять недостаток необходимых им элементов, в среде должны действовать биогеохимические циклы.

Биогеохимическим циклом (БГХ-циклом) называется совокупность относительно замкнутых путей перемещения веществ между живыми организмами и средой их существования. Биогеохимические циклы называются так потому, что в их обеспечении участвуют как биологические, так и геохимические процессы.

Конечно, совсем необязательно, чтобы, передвигаясь по БГХ-циклу, элементы двигались по кругу. Однако по мере перехода из одной молекулы в другую в составе организмов и окружающей среды один и тот же атом может время от времени возвращаться в какое-то определенное состояние. В этом и проявляется цикличность биогеохимических процессов.

В составе БГХ-циклов выделяют фонды и потоки. Фонды— совокупности веществ, содержащие рассматриваемый элемент в определенной форме. Потоки — пути превращения элемента, которые переводят его из одного фонда в другой. В составе различных фондов элементы меняются с разной скоростью. Количество водяного пара, содержащегося в атмосфере в каждый момент времени, успевает за год пройти через нее несколько раз. В то же время за миллионы лет изменяется лишь незначительное количество воды, связанной в литосфере. Именно поэтому в БГХ-циклах выделяют резервные и обменные фонды.

Выделяют несколько типов циклов, основные из которых — циклы газообразных веществ с резервными фондами в атмосфере и гидросфере и осадочные циклы с резервным фондом в литосфере. Те биогеохимические циклы, в которых фонды находятся в атмосфере (циклы углерода, азота, воды, а также отдельно кислорода и водорода), могут регулироваться организмами намного лучше, чем циклы, все фонды которых расположены в литосфере. БГХ-циклы различаются по степени регулирования живыми организмами. Необходимо отметить, что зарегулированость осадочных циклов хуже. Если спуск элемента в кору идет быстрее его подъема, возникает недостаточность, лимитирующая круговорот, но одновременно замедляющая его спуск. Тот элемент, которого недостает для круговорота, сильнее задерживается живым веществом и медленнее выводится из круговорота.

Человек — мощный геологический фактор. Человечество использует в своей деятельности почти все элементы, в том числе те, которые применяются только для нужд техносферы (уран, плутоний и др.). Мы интенсивно вмешиваемся в цикл биогенов за счет производства удобрений. Именно это обусловило биогенное загрязнение значительной части биосферы. Природоохранные усилия должны быть направлены на превращение ациклических процессов в циклические.

Перемещение элементов в биосфере обеспечивается благодаря трем основным источникам энергии:

• энергия Солнца, преобразованная гидросферой и атмосферой в гидрологическом цикле;

• энергия Солнца, накопленная в органических веществах в ходе фотосинтеза;

• материнская энергия Земли (перемещение тектонических плит, а также поднятие пород при горообразовании и вулканических извержениях, что делает породы доступными для водной, ветровой и биологической эрозии).

БГХ—цикл одного из важнейших элементов — углерода (овалами показаны фонды, в которых углерод находится в определенном состоянии, прямоугольниками — фонды, которые включают углерод в разных степенях окисления; стрелки указывают на потоки; числа (выраженные в миллионах миллиардов грамм — 1015) для фондов показывают среднюю величину, для потоков — за год)

БГХ-цикл углерода

Современные экологические проблемы

Следует разделить понятия кризиса, катастрофы и коллапса. Кризис является обратимым состоянием системы, в ходе которого она может как вернуться к нормальному состоянию, так и перейти в другое. Катастрофа связана с разрушением механизмов регуляции, которые поддерживали прежнее состояние системы, и переходом в иное качество. Коллапс — необратимая перемена, которая приводит к разрушению существующей системы как таковой. Экологический коллапс связан с переходом среды в состояние, исключающее существование в ней организмов, населявших ее ранее. Следовательно, кризис — нарушение функционирования системы, катастрофа — ее перестройка, а коллапс — разрушение.

Следует различать локальные, региональные и глобальные кризисы. Локальные связаны с проблемами отдельных местообитаний и отдельных популяций человека, региональные охватывают обширные области, а глобальные распространяются на весь земной шар.

Таким образом, говоря об экологическом кризисе, мы утверждаем, что нынешняя биосфера неустойчива и может перейти в новое состояние. Оно, вероятно, будет существенно отличаться от того, к которому приспособилось человечество и другие обитатели нашей планеты. С этой точки зрения, экологический кризис — наблюдаемая нами данность. Основная задача человечества — не «побороть» кризис, а избежать перехода экологической катастрофы в коллапс биосферы. Особенность нынешнего кризиса заключается в его скоротечности (по меркам истории биосферы).

Биосфера проходила через кризисы и катастрофы задолго до появления человека. Известно массовое вымирание (в палеонтологии его называют кризисом, хотя из сказанного выше ясно, что речь идет о катастрофе) на границе мелового периода и палеогена. Еще масштабнее была катастрофа на рубеже пермского периода и триаса. То, что палеозойская, мезозойская и кайнозойская эры разделяются именно этими катастрофами, неудивительно: каждая из них означала переход биосферы в новое качество.

Многочисленные кризисы приходилось переживать и нашему виду. Например, популяционно-генетические исследования свидетельствуют, что на каком-то этапе нашей истории (еще до расселения Ноmо sapiens за пределы Африки) численность всего нашего вида снижалась до нескольких десятков человек.

В эпоху раздробленности (до того, как стать глобальным) человечество не раз проходило через локальные экологические кризисы и катастрофы (а возможно, и через коллапсы отдельных экосистем). Эти катастрофы вызывались как независимыми от популяций человека причинами, так и были следствием его деятельности. К первым можно отнести локальные экологические катастрофы, вызванные нашествием саранчи, или коллапс средневековых поселений норвежцев в Гренландии, вызванный похолоданием климата. Однако неблагоприятные последствия человеческой деятельности были более масштабными.

Наш вид был сформирован образом жизни неспециализированного хищника и собирателя африканских саванн. По мере совершенствования механизмов взаимодействия членов в группе и планирования своих действий представители нашего вида стали самыми эффективными охотниками, которых знала история Земли. Расселяясь по планете, люди начали эксплуатировать разнообразные популяции крупных копытных. С ростом численности росла способность сокращать количество жертв. Кризис разразился примерно 10-12 тысяч лет назад, когда возможности для поддержания такого образа жизни были исчерпаны. В наибольшей степени это коснулось Евразии. Численность человечества сократилась в несколько раз. Тем не менее, человечеству удалось выйти из кризиса, коренным образом изменив свой характер отношений со средой. Решением стал переход к земледелию и скотоводству, приведший к резкому сокращению охотничьей нагрузки на природные экосистемы. Этот перелом в истории человечества получил название неолитического кризиса, или неолитической революции.

Современное человечество проходит через новый кризис в своей истории. Это первый кризис, через который наш вид проходит с тех пор, как стал глобальным. Учитывая взаимосвязи различных частей человечества, можно предположить, что оно либо как единое целое пройдет через нынешний кризис (с большими или меньшими потерями), либо подорвет возможности для своего существования в ходе масштабной экологической катастрофы или коллапса земной среды. Нынешний характер отношений человечества со средой, основанный на стремительном расходовании запасов ископаемого топлива, не может продолжаться долго. Уже в течение ХXI века образ жизни человечества должен будет измениться.

Составляющие современного экологического кризиса следующие: рост численности человечества вызвал нехватку продовольствия, энергии и пресной воды. Преодоление этих проблем осложняется изменением климата, разрушением естественных экосистем, снижением биоразнообразия, загрязнением среды и военной угрозой.