Биосфера: структура и свойства

Биосферой называют всю совокупность живых организмов на Земле и все объемное пространство, заселенное ими, находящееся под их воздействием и занятое продуктами их жизнедеятельности. Биосфера является глобальной экосистемой, которая занимает верх­нюю часть литосферы (земной коры), гидросферу и нижнюю часть атмосферы1.

Термин «биосфера» впервые появился во второй половине XIX в. в трудах австрийского ученого-геолога Э. Зюсса, который называл так «тонкую пленку жизни» на земной поверхности. Однако фундамен­тальные исследования эволюции биосферы принадлежат российскому ученому В.И. Вернадскому. Именно он стал основателем учения о биосфере и доказал, что все три оболочки Земли (литосфера, гидро­сфера, атмосфера) связаны воедино и приобрели современный облик И состав благодаря грандиозной работе живых организмов. Они много-Кратно (миллионы раз) пропустили через себя весь объем Мирового океана, создали почву, наполнили атмосферу Земли кислородом, оста­вили после себя километровые толщи осадочных пород, в том числе топливно-энергетические ресурсы. Таким образом, биосфера — зем-

 

Биосфера охватывает нижнюю часть атмосферы до высоты озонового слоя (в среднем до 20—25 км), верхнюю часть твердой оболочки Земли — литосферы (до глу­бины 3 км) и всю гидросферу.

 

ная оболочка живых организмов, сформированная при непосредст­венном их участии.

Согласно теории В.И. Вернадского, в состав биосферы кроме био-ты входит биогенное вещество — остатки организмов на разных стадиях деструкции, органические и минеральные продукты их жизнедеятель­ности и биокосное вещество — продукты переработки горных и осадоч­ных пород живыми организмами.

Структурными единицами биосферы являются экосистемы и био­геоценозы.

Активную часть биосферы, представленную живыми организма­ми, называют экосферой. Ее населяют примерно 1 млн видов животных и около 340 тыс. видов растений; при этом 93% всех видов растений и животных живут на суше.

Биомасса экосферы поддерживается на относительно постоянном уровне на протяжении сотен миллионов лет (около 2 трлн тонн орга­нического сухого вещества). Происходит это за счет лимитирования биомассы (по веществу) в процессе круговорота биогенных элементов1 под воздействием потока солнечной энергии.

Таким образом, за счет естественных процессов в биосфере — син­теза и разложения органических веществ обеспечивается устойчивость биосферы в масштабе геологического времени. Это обстоятельство яв­ляется важнейшим условием глобальной экологической безопасно­сти — экологического равновесия.

Синтез и разложение органических веществ осуществляются раз­личными видами живых организмов. Эти виды, а также их сообщества были отобраны в ходе эволюции биосферы. «Избранные» сообщества и сформированные ими абиотические компоненты окружающей при­родной среды составляют современную биосферу Земли.

Поскольку биота поддерживает определенный химический состав природной среды, ее деятельность должна подчиняться принципу Ле Шателье: при возникновении внешних возмущений, нарушающих со­стояние окружающей среды, в биоте должны возникать процессы, компенсирующие это возмущение. Компенсация возмущения в био­сфере может происходить за счет направленного изменения соотноше­ния между синтезом и разложением органических веществ.

Однако компенсация возмущений окружающей среды может осу­ществляться только неизмененной (невозмущенной) или слабо изме­ненной биотой. Например, в случае замещения естественных видов культурными теряется возможность не только компенсировать возникшее возмущение, но и обеспечить полностью замкнутый кругово­рот веществ.

Итак, биосфера — фундаментальное понятие экологии — означа­ет оболочку жизни, живое вещество которой выполняет роль транс­форматора, переводящего космическую энергию в различные виды земной энергии: электрическую, химическую, механическую, тепло­вую и пр.

 

Учение о ноосфере

К середине XX в. стало вполне очевидным, что человеческая дея­тельность по характеру своих последствий и проявлений является про­цессом геологическим: антропогенное воздействие изменяет химиче­ский состав и физические параметры атмосферы, гидросферы и литосферы; человек вмешивается в видовой состав живых организмов; массы вещества, перемещаемые человечеством, сопоставимы с при­родными потоками вещества. Идея о геологическом характере челове­ческой деятельности принадлежит В.И. Вернадскому. Она была пред­ставлена им в научных кругах в начале 1920-х годов. К этому времени в естествознании уже сложились представления о единстве природы и человека, их взаимообусловленности. Однако не было еще теории, ко­торая связала бы воедино мир неживой материи и живого вещества, с одной стороны, и мир человека и общества — с другой.

Учение В.И. Вернадского о ноосфере стало связующим звеном для воспроизведения единой цельной картины мира. Развивая мине­ралогию и геохимию, В.И. Вернадский стал одним из первых, кто по­нял, что облик Земли как космического тела (ландшафты, химия оке­ана, структура атмосферы) является следствием развития жизни. Рассматривая жизнь как космическое явление, В.И. Вернадский в своем труде «Биогеохимия» описал эволюцию биосферы с момента ее возникновения.

В.И. Вернадский стал первым ученым-естественником, который систематически исследовал влияние жизни на развитие Земли, назы­вая жизнь буфером между космосом и косным (неживым) веществом. Этот буфер способен использовать космическую энергию для преобра­зования планетарного вещества. Таким образом, по В. И. Вернадскому, жизнь — «живое вещество» — является катализатором процесса пла­нетарного развития. Планета Земля и космос представляют собой единую систему, в которой живое вещество связывает в единое целое процессы, протекающие на Земле, с процессами космического происхождения. За счет энергии Солнца возникли так называемые геохими­ческие циклы, или круговорот веществ в природе, начали возникать толщи осадочных пород, которые преобразовывались затем в ходе гео­логических и геохимических процессов.

Однако не феномен жизни, а феномен человека является ядром тео­рии В.И. Вернадского. Появление человека — неотъемлемая часть кар­тины общепланетарного развития. Породив человека, природа «избра­ла» еще один мощный катализатор процесса мирового развития. Однако масштабы воздействия человека на окружающую природу ста­ли расти столь быстро, что В. И. Вернадский увидел в человеческом об­ществе геологообразующую силу.

Мысль о том, что человечество — катализатор процесса эволюции Земли, геологообразующий фактор развития активной оболочки зем­ли, сила, которая способна существенно изменить состояние планеты, легла в основу учения о ноосфере1 — высшей стадии развития биосфе­ры, сферы разума, в которую постепенно преобразуется земная био­сфера под воздействием «силы культурного человечества».

Развивая теорию ноосферы, В.И. Вернадский указал на реальное решение глобальных экологических проблем современности: сосуще­ствование, софункционирование, «коэволюция» биосферы и техно­сферы необходимы для сохранения человечества. В эпоху ноосферы «коэволюция» биосферы и общества требует от человечества регла­ментации хозяйственной деятельности.

Ноосферное развитие базируется на четком понимании того, что че­ловек является частью природы и должен подчиняться ее законам. Без сохранения природы невозможно продолжение человеческого рода.

В ноосфере, как и в биосфере, более 99% энергии обмена будет за­трачиваться на поддержание замкнутости круговорота веществ и со­хранение качества окружающей природной среды. На развитие циви­лизации остается менее 1%, т.е. меньше того, что человечество имело в условиях невозмущенной биосферы.

Законы экономики природы

Если экономика природы предполагает количественный подход к анализу экологических взаимодействий (количественный анализ кру­говорота веществ в природе, количественную характеристику природ­ных условий и факторов), то в экономику природопользования входит

 

1 Термин «ноосфера» принадлежит французскому ученому Э. Леруа (1924 г.). Впо­следствии он широко использовался в трудах П. Тейяра де Шардена.

 

изучение масштабов, количественных и качественных характеристик изменений в природе, которые вызваны хозяйственной деятельностью человеческого общества. При этом задачей экономики природополь­зования является анализ и учет при решении эколого-экономических проблем трех самых фундаментальных законов Вселенной и основан­ных на них законов экологии1.

1. Закон всеобщей связи предметов и явлений (закон внутреннего ди­намического равновесия). Вещества, энергия, информация и динамиче­ские качества отдельных экологических систем и их иерархии взаимо­связаны настолько, что любое изменение одного из этих показателей вызывает сопутствующие функционально-структурные перемены, со­храняющие общую сумму вещественно-энергетических, информаци­онных и динамических качеств экосистем, в которых эти изменения происходят, или в их иерархии.

Таким образом, в теории и практике природопользования должна быть учтена всеобщая связь предметов и явлений в природе и следст­вия, вытекающие из этой общей закономерности:

• любое изменение в экосистеме неизбежно приводит к развитию природных цепных реакций, направленных на нейтрализацию изме­нения;

• зависимость между компонентами экосистем носит нелиней­ный характер, т.е. незначительное изменение одного из компонентов системы может вызвать существенные (сильные) отклонения других составляющих;

• необратимый характер изменений в крупных экосистемах (био­сфере) означает переход на новый эволюционный уровень развития. Существует так называемое правило одного процента (некоторый при­родный норматив допустимости отклонений в функционировании крупных экосистем), согласно которому изменение энергетики при­родной системы в пределах 1 % выводит ее из равновесного состояния, а затем разрушает2.

2. Закон сохранения вещества и энергии («все должно куда-то девать­ся»). Его экологическая интерпретация включает:

• закон развития природной системы за счет окружающей ее среды, т.е. любая природная система может развиваться только за счет ис­пользования материально-энергетических и информационных воз-

 

1 Законы экологии, сформулированные Б. Коммонером, следует рассматривать как крупные обобщения в области взаимодействия природы и общества.

2 Исключение представляют глобальные экосистемы: их энергетика принципи­ально не может изменяться более чем на 0,2—0,5% от поступающей солнечной радиации без катастрофических последствий. Это природный лимит человеческой деятельности.

Возможностей окружающей среды. Таким образом, абсолютно изолиро­ванное саморазвитие невозможно, поэтому невозможно и абсолютно безотходное производство;

• закон неустранимости отходов или побочных воздействий, со­гласно которому любая хозяйственная деятельность приводит к воз­никновению отходов или побочных эффектов, принципиально не­устранимых: они могут быть переведены из одной формы в другую или перемещены в пространстве.

3. Закон экономии энтропии — в той мере, насколько это касается эффективности производства и функционирования биологических систем. Принцип минимума диссипации (рассеивания), относимый как к энергии, так и к информации, реализует стратегию цивилизован­ной экономической свободы во взаимодействии с высокой эколого-экономической эффективностью.

Очевидно, что существует «генетическая связь» наиболее общих законов экономики и фундаментальных законов природы.