Живое вещество в биосфере

Живое вещество в биосфере выполняет  такие планетарные функции:

1. Энергетическая  функция живого вещества заключается  в трансформации более 99% энергии,  поступающей на поверхность Земли, от Солнца. Преимущественно эта энергия идет на химические и физические процессы в гидросфере, литосфере и атмосфере. На Земле существует только один процесс, когда энергия Солнца связывается и запасается (иногда на довольно продолжительное время) в виде энергии органических соединений. Это фотосинтез. Сжигая уголь, мы используем солнечную энергию, которую запасли растения сотни миллионов лет назад. Для современной биосферы характерны залежи угля и других органических веществ, которые образовались в палеозое, мезозое и кайнозое.

2. Редуцентная  функция заключается в том,  что за счет жизнедеятельности огромного количества гетеротрофов, в основном грибов, животных и микроорганизмов, происходит работа по разложению органических остатков. Органические соединения разлагаются до углекислого газа, аммиака, воды, а в анаэробных условиях — еще и к водорода и углеводов. Продукты минерализации вновь используются автотрофами. Так осуществляется круговорот веществ в природе. Кроме того, в почве часть веществ ароматической природы, которые высвобождаются, под влиянием жизнедеятельности микроорганизмов, опять сконденсируется с образованием сложного комплекса соединений — почвенного гумуса. Этот процесс стимулируется деятельностью многих почвенных групп гетеротрофов. Гумус является основой плодородия почвы.

3. Газовая  функция живого вещества связана с тем, что многие газов планеты имеют органическое происхождение, то есть являются продуктами жизнедеятельности живых существ. Так, кислород в атмосфере, на долю которого приходится 21%, выделяется в результате фотосинтеза зелеными растениями. Накопление кислорода в атмосфере началось еще с докембрия. До наступления палеозоя содержание его, по некоторым данным, не превышает 10% современного. Весь имеющийся свободный кислород в атмосфере оценивается в 1,6 • 1016 г, зеленые растения могут воспроизвести его за 10 000 лет (Н. М. Чернова, А. М. Билова, 1986). В верхних слоях тропосферы под действием ультрафиолетового излучения из кислорода образуется озон. Существование озонового экрана также является следствием деятельности живого вещества, которое, по выражению В. И. Вернадского, «словно сама создает себе сферу жизни».

Углекислый  газ является также продуктом  дыхания всех живых существ планеты. Современная атмосфера содержит 0,3% СО2. Содержание СО2 в атмосфере раннего периода развития жизни был значительно выше. В течение фанерозоя он менялся в достаточно широком диапазоне. В девоне в начале карбона, а также в Перми он превышал современный уровень в 6-10 раз, а начиная с середины мела неуклонно снижается.

Азот  может поступать в атмосферу  за счет процесса денитрификации (восстановление окислов азота до свободного азота). Этот процесс происходит под действием микроорганизмов в почвах за анаэробных условий.

К газам  органического происхождения принадлежит  также сероводород, метан и множество  других летучих соединений, созданных живым веществом. В течение одного дня 1 га ялинцевого леса может выделить в атмосферу до 30 кг летучих веществ — фитонцидов.

4. Окислительно-восстановительная  функция заключается в том,  что за счет жизнедеятельности  микроорганизмов в биосфере осуществляются такие химические процессы, как окисление и восстановление элементов с переменной валентностью (азот, сера, железо, марганец и др.). К таким микроорганизмов относятся денитрифицирующие и сульфатредукуючи бактерии, которые восстанавливают из окисленных форм азот до металлов и серу из сероводорода. Микроорганизмы-окислители могут быть как автотрофами, так и гетеротрофами. Это бактерии, которые окисляют сероводород и серу, нитро — и нитрофикуючи микроорганизмы, железные и марганцевые бактерии, концентрирующих эти металлы в своих клетках.

Геологические последствия деятельности этих организмов оказываются в образовании осадочных  месторождений серы, образовании  в анаэробных условиях залежей сульфидов, металлов, а в аэробных условиях — в возникновении железных и железомарганцевых руд.

5. Концентрационная  функция заключается в том,  что многочисленные организмы  наделены способностью накапливать, концентрировать в себе определенные элементы, несмотря на кое слишком ничтожен содержание их в окружающей среде. Организмы могут концентрировать в себе кальций, кремний, натрий, аммоний, йод и т.д. Отмирая, они образуют сочетание этих веществ. Возникают залежи таких соединений, как известняки, бокситы, фосфориты, осадочная железная руда и др. Многие из них человек использует как полезные ископаемые.

В целом  биосфера похожа на большой, гигантский организм, в котором автоматически  поддерживается гомеостаз и существуют различные связи: энергетические, химические, трофические, информационные.

В. И. Вернадский разрабатывал также учение и о ноосфере. Сам термин «ноосфера» (noos — ум, Sphaira — шар, то есть сфера, в которой действует разум) был предложен двумя французскими учеными С. Леруа и Тейяра де Шардена. По Вернадскому, ноосфера — это такой этап развития биосферы, когда умственная деятельность человека станет главным, ведущим фактором в биосфере. Следует отметить, что В.И. Вернадский рассматривал ноосферу как будущее состояние биосферы. На его взгляд, цивилизация еще очень далека от такого состояния.

В своей книге «Несколько слов о ноосфере» он в 1944 году определил несколько общих условий, необходимых для создания или перехода к ноосфере:

Общество  должно быть единым в информационном и экономическом отношениях.

Ноосфера  — явление всепланетное, то есть общество должно прийти к равенству рас и народов.

Ноосфера  не может быть создана, пока не прекратятся  войны между народами.

Основные экологические законы

Задачей экологии являются поиск законов  функционирования и развития этой отрасли  объективной реальности. Исторически первым для экологии есть закон, устанавливающий зависимость живых систем от факторов, которые ограничивают их развитие (так называемых лимитирующих факторов).

Закон минимума. В 1840 году Ю. Либих установил, что урожай зерна часто лимитируется не теми питательными веществами, которые требуются в больших количествах, а теми, которых нужно немного, однако их мало в почве. Он сформулировал закон, по которому "веществом, что есть в минимуме, регулируется урожай и определяется величина и его устойчивость во времени". Действие этого закона ограничивают два принципа. Согласно первым закон Либиха применяется только в условиях стационарного состояния. Его более точную формулировку: "При стационарном состоянии лимитирующей будет и вещество, доступна количество которой наиболее близка к необходимому минимуму*'. Второй принцип касается взаимодействия факторов. Высокая концентрация и доступность определенного вещества может изменить потребления минимальной питательного вещества. Организм тогда заменяет одну, дефицитную, вещество другой, что есть в избытке.

Другое  толкование упомянутого закона: устойчивость организма определяется самым слабым звеном в цепи его экологических потребностей.

Если  количество и качество экологических  факторов близкие до минимума, необходимого для организма, он выживает, если меньше этот минимум, организм гибнет, экосистема разрушается.

Следующий закон обобщает закон минимума.

Закон толерантности (закон Шелфорда): отсутствие или невозможность развития экосистемы определяется не только недостатком, но и избытком любого из факторов (тепло, свет, вода и т.д.). Этот закон может быть выражено другими словами: лимитирующим фактором процветания организма может быть как минимум и максимум экологического воздействия, диапазон между которыми определяет степень выносливости (толерантности) организма к данному фактору.

В соответствии с этим законом любой избыток  вещества или энергии в экосистеме становится ее врагом, загрязнителем. Слишком много хорошего - тоже плохо. Диапазон между двумя величинами составляет пределы толерантности, в которых организм нормально функционирует и реагирует на воздействие среды.

Закон конкурентного исключения формулируется  таким образом: два вида, которые  занимают одну экологическую нишу, не могут сосуществовать в одном месте бесконечно долго. То, какой из видов побеждает, зависит от внешних условий. При этих условиях победить может каждый. Важным для победы обстоятельством является скорость роста популяции. Неспособность вида к биотической конкуренции приводит к его вытеснения и необходимости приспособления к более сложных условий и факторов.

Этот  закон может работать и в человеческом обществе. Особенностью его действия является то, что в наше время  цивилизации не могут разойтись. В биосфере нет места для расселения и нет избытка ресурсов, что обостряет конкурентную борьбу. Можно говорить о экологическое соперничество между странами и даже о экологические войны или войны, обусловленные экологическими причинами. В свое время Гитлер оправдывал агрессивную политику нацистской Германии борьбой за жизненное пространство. Ресурсы нефти, угля и тогда были очень важными. Еще больший вес они имеют в конце XX столетия, когда добавилась необходимость территории для захоронения радиоактивных и других отходов. Войны - горячие и холодные - приобретают экологического характера. Много событий, в том числе распада СССР, воспринимаются иначе, если на них взглянуть с экологических позиций. Здесь переплетаются политические, социальные и экологические проблемы.

Закон биогенной миграции атомов (закон В.И. Вернадского): миграция химических элементов на земной поверхности и в биосфере в целом осуществляется под преобладающим влиянием живого вещества, организмов.

Живое вещество или участвует в биохимических  процессах непосредственно, или  создает соответствующее, обогащенный кислородом, углекислым газом, водородом, азотом, фосфором и другими веществами, среда. Понимание всех химических процессов, происходящих в геосферах, невозможно без учета действия биогенных факторов, в частности - эволюционных. Люди влияют на состояние биосферы, меняют ее физический и химический состав, сбалансированной веками биогенной миграции атомов. В будущем это приведет к очень негативные изменения, которые уже сейчас приобретают способности саморазвиваться и становятся глобальными, неуправляемыми (спустелювання, деградация почв, вымирание тысяч видов организмов).

Закон внутреннего динамического равновесия: вещество, энергия, информация и динамические качества отдельных природных систем и их иерархии очень тесно связаны между собой, поэтому изменение одного из показателей неизбежно приводит к функционально-структурных изменений других, но при этом сохраняются общие качества системы-речовинно-энергетические, информационные и динамические.

Последствия действия этого закона проявляются в том, что после любых изменений элементов природной среды (вещественного состава, энергии, информации, скорости природных процессов и т.д.) обязательно развиваются цепные реакции, которые пытаются нейтрализовать эти изменения. Даже незначительное изменение одного показателя может повлечь большие отклонения в других и во всей экосистеме.

Изменения в крупных экосистемах могут  иметь необратимый характер, а  любые локальные преобразования природы вызывают в биосфере планеты реакции-ответы, которые предопределяют относительную неизменность эколого-экономического потенциала. Искусственное рост эколого-экономического потенциала ограниченное термодинамічною устойчивостью природных систем. Закон гласит, что в случае незначительных вмешательств в природную среду его экосистемы способны саморегулироваться и восстанавливаться, а когда эти вмешательства превышают определенные границы и уже не могут угаснуть в цепи иерархии экосистем, они приводят к значительным нарушениям энерго - и біобалансу на значительных территориях и во всей биосфере.

Закон генетического разнообразия: все живое генетически разное и имеет тенденцию к увеличению биологического разнообразия.

Закон имеет важное значение в природопользовании, особенно в сфере биотехнологии, когда не всегда можно предвидеть результат нововведений во время выращивания новых микро-культур через возникающие мутации или распространение действия новых биопрепаратов на те виды организмов, на которые они рассчитывались.

Закон исторической необратимости: развитие биосферы и человечества как целого не может происходить от более поздних фаз в начальных, общий процесс развития одпонаправлений.

Закон константности (сформулированный В.И. Вернадским): количество живого вещества биосферы, созданной за определенный геологическое время, является величиной постоянной.

Этот  закон тесно связан с законом  внутреннего динамического равновесия. По закону константності любое изменение количества живого вещества в одном из регионов биосферы неизбежно приводит к такой же по объему изменения вещества в другом регионе, только с обратным знаком. Следствием этого закона является правило обязательного заполнения экологических ниш.

Закон корреляции (сформулированный Же. Кюв'є): в организме как целостной системе все его части соответствуют друг другу как по строению, так и по функциям.

Изменение одной части неизбежно вызывает изменения в других.

Закон максимізаціі энергии (сформулирован  Г. и Ю. Одумами и дополнен М. Реймерсом): в конкуренции с другими системами сохраняется та из них, которая больше всего способствует притоку энергии и информации и использует максимальное их количество наиболее эффективно.

Система образует накопители высококачественной энергии, часть которой уходит на обеспечение поступления новой энергии, обеспечивает нормальный круговорот веществ и создает механизмы регулирования, поддержки, устойчивости системы, ее способности приспосабливаться к изменениям, налаживает обмен с другими системами. Максимизация обеспечивает повышение шансов на выживание.

Закон максимума биогенной энергии (закон Вернадского - Бауэра): будь-яка биологическая и біонедосконала система, находящаяся в состоянии устойчивого неравновесия (динамічнорухливої равновесия с окружающей средой), увеличивает, развиваясь, свое влияние на среду.

В процессе эволюции видов выживают те, которые увеличивают біогенну геохимическую энергию. Живые системы никогда не находятся в состоянии равновесия и выполняют за счет своей свободной энергии полезную работу против равновесия, в которой нуждаются законы физики и химии при существующих внешних условий. Этот закон наряду с другими является основой разработки стратегии природопользования.

Закон ограниченности природных ресурсов: все природные ресурсы в условиях Земли исчерпывающие.

Планета естественно ограниченным телом, и  на ней не могут существовать бесконечные составные части.

Закон однонаправленности потока энергии: энергия, которую получает экосистема и которая усваивается продуцентами, рассеивается или вместе с их биомассой необратимо передается консументом первого, второго, третьего и других порядков, а потом, редуцентам, что сопровождается потерей определенного количества энергии на каждом трофическом уровне как следствие процессов, сопровождающих дыхание.

В обратный поток (от редуцентів к продуцентов) попадает очень мало начальной энергии (не более 0,25%), поэтому срок круговорот энергии является достаточно условным.

Закон оптимальпости: никакая система не может сужаться или расширяться до бесконечности.

Никакой целостный организм не может превысить  определенных критических размеров, обеспечивающих поддержку его энергетики. Эти размеры зависят от условий питания и факторов существования. В природопользовании закон оптимальности помогает найти оптимальные, с точки зрения производительности, размеры участков для полей, выращиваемых животных, растений. Игнорирование закона - создание огромных площадей монокультур, выравнивание ландшафта массовыми застройками и др . - приводит к неестественной однообразия на больших территориях и вызывает нарушения в функционировании экосистем, предопределяет экологический кризис.

Закон пирамиды энергий (сформулированный Г. Ліндеманом): с одного трофического уровня экологической пирамиды на другой переходит в среднем не более 10% энергии. Обратный поток с более высоких на более низкие уровни намного слабее - не более 0,5-0,25%, и поэтому говорить о круговорот энергии в біоценозі не приходится.

По  этому закону можно выполнять  расчеты земельных площадей, лесных угодий с целью обеспечения населения  продовольствием и другими ресурсами.

Закон равнозначности условий жизни: все природные условия среды, необходимые для жизни, играют равнозначны роли. Отсюда следует другой закон - совокупной действия экологических факторов.

Закон развития окружающей среды: будь-яка  естественная система развивается  только за счет использования матеріальноенергетичних и информационных возможностей окружающей среды.

Абсолютно изолирован саморазвитие невозможен - это вывод из законов термодинамики.

Из  этого закона вытекают следующие  выводы:

- абсолютно  безотходное производство невозможно;

- будь-яка  более высокоорганизованная биотическая  система в своем развитии является  потенциальной угрозой для менее организованных систем. Поэтому в биосфере Земли невозможно повторное зарождения жизни - оно будет уничтожено существующими организмами;

- биосфера  Земли как система развивается  за счет внутренних и космических ресурсов.

Закон уменьшения энергоотдаче в природопользовании: процесс получения из природных  систем полезной продукции, со временем (в историческом аспекте) на ее изготовление в среднем тратит, все больше энергии (увеличиваются энергетические затраты на одного человека).

Рост  энергетических затрат не может быть бесконечным. Его следует рассчитывать, гармонизируя отношения человека с природой.

Закон совокупной действия природных факторов (закон Мітчерліха - Тінемана - Бауле): объем урожая зависит не от отдельного, даже лимитирующего фактора, а от всей совокупности экологических факторов одновременно.

Долю  каждого фактора в совокупном действии можно определить. Закон  имеет силу, когда влияние монотонный и максимально оказывается каждый фактор при неизменности других в той совокупности, что рассматривается.

Закон Ґрунтостомлення (снижение плодородия): постепенное снижение естественного  плодородия почв происходит через длительное их использование и нарушение природных процессов почвообразования, а также вследствие длительного выращивания монокультур, вследствие накопления токсических веществ, выделяемых растениями, остатков пестицидов и минеральных удобрений.

Закон физико-химического единства живого вещества (сформулированный В.И. Вернадским): вся живое вещество Земли имеет единую физико-химическую природу.

Из  этого следует, что вредно для  одной части живого вещества вредит и другой ее части, только в разной степени.

Через наличие в любой популяции устойчивых к физико-химического воздействия видов скорость отбора по выносливостью популяций к вредному агента прямо пропорциональна скорости размножения организмов и чередование поколений. Вследствие этого длительное использование пестицидов является экологически недопустимым, потому что вредители, которые размножаются гораздо быстрее, приспосабливаются и выживают, а объемы химических загрязнений приходится все увеличивать.

Закон экологической корреляции: в экосистеме, как и в любой другой, все виды живого вещества и абиотические экологические компоненты функционально соответствуют друг другу, выпадения одной части системы неизбежно приводит к вы ереключить связанных с ней других частей экосистемы и функциональных изменений.

Известны  также четыре законы экологии, американского ученого Бы. Коммонера:

- все  связано со всем;

- все  должно куда деваться;

- природа  знает лучше;

- ничто  не дается даром.

Первый  закон Бы. Коммонера, по мнению М. Реймерса, близок по смыслу к закону внутреннего  динамического равновесия, второй - до этого же закона и закона развития природной системы за счет окружающей среды, третий - предостерегает человечество от самоуверенности, четвертый - снова касается проблем, которые обобщают закон внутреннего динамического равновесия, законы константності и развития природной системы. В соответствии с четвертым законом Бы. Коммонера мы должны возвращать природе то, что берем от нее, иначе катастрофа неизбежна.

В 1991-1993 гг. известный американский эколог Д. Чірас пришел к выводу, что природа существует вечно (с точки зрения человека) и сопротивляется деградации благодаря действия четырех экологических законов:

- рециклічності  или многократного повторного  использования важнейших веществ;

- постоянного  восстановления ресурсов;

- консервативного потребления (когда живые существа потребляют только то и в том количестве, что им необходимо, не больше и не меньше);

- популяционного  контроля (природа не допускает  "взрывного" роста популяций,  регулируя количественный состав  того или иного вида путем создания соответствующих условий для его существования и размножения).

Важнейшей задачей экологии Д. Чірас считает  изучение структуры и функций  экосистем, их уравновешенности или  неуравновешенности, то есть причин стабильности и разбалансирования экосистем.

Среди законов природы встречаются  привычные в науке законы детерминистского типа, которые жестко регулируют взаимоотношения между компонентами экосистемы, но большинство являются законами тенденциями, которые действуют не во всех случаях. В некотором смысле они напоминают юридические законы, которые не препятствуют развитию общества, если изредка нарушаются незначительным количеством людей, но мешают нормальному развитию, если нарушения становятся массовыми. Есть и законы-афоризмы, которые можно отнести к типу законов как ограничение разнообразия.

Закон емерджентності: целое всегда имеет  особые свойства, отсутствующие в его частей.

Закон необходимого разнообразия: система  не может состоять из абсолютно идентичных элементов, но может иметь иерархическую организацию и интегративные уровне*

Закон необратимости эволюции: организм (популяция, вид) не может вернуться к предыдущему  состоянию, реализованного его предками.

Закон осложнения организации: историческое развитие живых организмов приводит к усложнению их организации путем дифференциации органов и функций.

Биогенный закон (Е. Геккель): онтогенез организма  является кратким повторением филогенеза данного вида, то есть развитие индивида сокращенно повторяет историческое развитие своего вида.

Закон неравномерности развития частей системы: система одного вида развивается не строго синхронно - в то время, когда один достигает более высокой стадии развития, другие остаются в менее развитом состоянии. Этот закон напрямую связан с законом необходимого разнообразия.

Закон сохранения жизни: жизнь может существовать только в процессе движения через  живое тело потока веществ, энергии, информации.

Принцип сохранения упорядоченности (И. Пригожин): в открытых системах энтропия не растет, а уменьшается, пока не достигается минимальная постоянная величина.

Принцип Ле Шателье-Брауна: при внешнее воздействие, выводящее систему из состояния  устойчивого равновесия, это равновесие смещается в направлении ослабления эффекта внешней действия. Этот принцип  в рамках биосферы нарушается современным человеком. "Если в конце прошлого столетия еще происходило увеличение биологической продуктивности и биомассы вследствие роста биологической продуктивности и биомассы в качестве ответа на рост концентрации углекислого газа в атмосфере, то с начала нашего века это явление не наблюдается" (Н.Ф. Реймерс).

Принцип экономии энергии (Л. Онсагер): при вероятности  развития процесса в некотором множестве  направлений, которые допускаются  началам термодинамики, реализуется  тот, который обеспечивает минимум рассеивания энергии.

Закон максимизации энергии и информации: лучшие шансы самосохранения имеет  система, которая в наибольшей степени  способствует поступлению, выработке  и эффективному использованию энергии  и информации; максимальное поступление вещества не гарантирует системе успеха в конкурентной борьбе.

Периодический закон географической зональности A.A. Григорьева - М.Н. Будико: с изменением физико-географических поясов Земли  аналогичные ландшафтные зоны и  некоторые общие свойства периодически повторяются, то есть в каждом поясе - субарктическом, умеренном, субтропическом и тропическом и экваториальном - происходит смена зон по схеме: леса - степи - пустыни.

Закон развития системы за счет окружающей среды: будь-яка система может  развиваться только за счет использования материально-энергетических и информационных возможностей окружающей среды; абсолютно изолирован саморазвитие невозможен.

Правило затухания процессов: с ростом степени  зрівноваженості с окружающей средой или внутреннего гомеостаза (в случае изолированности системы) динамические процессы в системе затухают.

Закон физико-химического единства живого вещества В.И. Сен-вернадского: вся живое  вещество Земли физико-химически единственное, что не исключает биогеохимических различий.

Термодинамическое правило Вант-Гоффа - Аррениуса:

рост  температуры на 10 Градусов приводит к 2-3-крат-ного ускорения химических процессов. Отсюда следует опасность повышение температуры в результате хозяйственной деятельности человека.

Правило Шредингера "об питания" организма отрицательной энтропией: при упорядоченности организма лучше окружающую среду он отдает в это среду более неустроенности, чем получает. Это правило соглашается с принципом сохранения упорядоченности Прижогіна.

Правило ускорения эволюции: с ростом сложности организации биосистем продолжительность существования вида в среднем сокращается, а темпы эволюции растут. Средняя продолжительность существования вида птиц - 2 млн лет, вида млекопитающих - 800 тыс лет*. Число вымерших видов птиц и млекопитающих по сравнению со всей их количеством большое.

Принцип генетической перед адаптации: способность  к приспособлению в организмов заложена изначально и обусловлена практической неисчерпаемостью генетического кода. В генетическому разнообразию всегда находятся необходимые для адаптации варианты.

Правило происхождение новых видов от неспециализированных предков: новые  большие группы организмов берут  начало не от специализированных представителей предков, а от их сравнительно неспециализированных групп.

Принцип дивергенции Ч. Дарвина: філогенез любой группы сопровождает кажется разделением ее на ряд филогенетических ветвей, которые расходятся в разных адаптивных направлениях от среднего исходного состояния. .

Принцип прогрессирующей специализаций  группа, что ступает на путь специализации, в дальнейшем развитии будет идти путем все более глубокой специализации.

Правило более высоких шансов вымирания  глубоко специализированных форм (О. Марш).: скорее вымирают более специализированные формы, генетические резервы которых для дальнейших той адаптации снижены.

Закон увеличения размеров (роста) и веса (массы) организмов в філогенетичній ветке (В.И. Вернадский): в ходе геологического времени формы, что выживают, увеличивают свои размеры (а следовательно - вес), а затем вымирают. Происходит это потому, что чем меньше особи, тем труднее им противостоять процессам энтропии (которые приводят к равномерного распределения энергии), организовывать энергетические потоки для осуществления жизненных функций. Следовательно, в процессе эволюции размер особей увеличивается.