Биосфера и техносфера как самоорганизующиеся системы эволюционно-синергетической парадигмы

Окружающая среда включает, помимо поверхности Земли и ее недр, часть Солнечной системы, которая попадает или может попасть в сферу деятельности человека, а также созданный им материальный мир. В структуре окружающей среды выделяют естественную и искусственную среды обитания. Естественная среда обитания включает неживую и живую части природы – геосферу и биосферу. Она существует и развивается без вмешательства человека, естественным образом. Однако в ход эволюции человек постепенно все больше осваивает естественную среду обитания.

Первоначально это было лишь простое потребление естественных богатств. Затем человек начал использовать и естественные источники средств жизни, преобразуя их в ходе своей практической деятельности. В результате была создана искусственная среда обитания – все то, что специально сделано человеком: разнообразие предметов материальной и духовной культуры, преобразованные ландшафты, а также выведенные в процессе селекции и одомашнивания растения и животные. С развитием общества роль и значение для человека искусственной среды обитания непрерывно возрастают. В результате преобразования человеком естественной среды обитания можно говорить о существовании нового ее состояния – техносфере. Техносфера – совокупность технических устройств и систем вместе с областью технической деятельности человека. Ее структура достаточно сложна, включает техногенное вещество, технические системы, живое вещество, верхнюю часть земной коры, атмосферу, гидросферу. С началом эры космических полетов техносфера вышла далеко за пределы биосферы и охватывает уже околоземный космос.

Крупнейшим обобщением современного естествознания является учение о биосфере, созданное великим русским ученым В.И. Вернадским. Огромное мировоззренческое значение этого учения (не говоря уже о его прикладной ценности для человечества) состоит в том, что оно вскрыло глубинные, органические связи между неживой и живой природой нашей планеты и человеком. Длительный период добиологического развития нашей планеты, определяющийся действием физико-химических факторов, приводит к появлению жизни. С момента своего появления организмы существуют и развиваются в тесном взаимодействии с неживой природой - складывается принципиально иная система планетарных масштабов - биосфера. Развитие жизни в результате биологической эволюции, появление все более многочисленных и сложноорганизованных форм, превращает "живое вещество" (термин, введенный В.И. Вернадским) планеты в мощный геологический фактор. Отмечая мощное воздействие "живого вещества" на окружающую среду, В.И. Вернадский писал: "Эволюция видов переходит в эволюцию биосферы". В результате эволюции биосферы происходит появление человека, с которым связано возникновение нового этапа существования материи, социального. Развитие человеческого общества приводит к тому, что деятельность человека оказывает все усиливающееся воздействие на биосферу и порождает целый комплекс антропогенных экологических факторов, влияющих разрушительно на неживую и живую природу планеты. Сейчас эти процессы стремительно нарастают и угрожают глобальной экологической катастрофой. Преодоление этой кризисной ситуации В.И. Вернадский связывал с наукой. Именно в науке он усматривал ту силу, которая обуславливает новый этап в развитии биосферы: "Так как среда жизни есть организованная оболочка планеты - биосфера, то вхождение в нее, в ходе ее геологически длительного существования, нового фактора ее изменения - научной работы человечества - есть природный процесс перехода биосферы в новую фазу, в новое состояние - в ноосферу". В.И. Вернадский понимал под ноосферой новый этап в ее развитии, заключающийся в разумном регулировании отношений человека и природы (ноосфера - "сфера разума"). Главная цель в построении ноосферы заключается в сохранении того типа биосферы, в которой возник и может существовать человек как вид. Основная задача, стоящая перед наукой, - планирование настоящего во имя лучшего будущего. Задачей сегодняшнего дня является исправление нарушений в отношениях человека и природы, вызванных научно-техническим прогрессом.

4. Биосфера как экосистема планетарного масштаба

Биология XIX века обогатила естествознание теорией эволюции. Идеи эволюционизма, исторический метод исследования сразу же были восприняты всеми естественными науками, прочно вошли в их "обиход" и оказались весьма плодотворными. В биологии XX столетия сформировалась и заняла лидирующее положение новая отрасль - экология. Сегодня экология оказывает все усиливающееся влияние на естествознание, науку в целом, а также на все сферы деятельности человечества - сельское хозяйство и промышленность, экономику и политику, образование и культуру. Экологизация науки, сознания современного человека и всех сфер его деятельности определяется тем, что в условиях научно-технического прогресса человечество вступает в конфликт с природой. Дальнейшее углубление этого конфликта может привести к глобальной катастрофе, в результате которой погибнет все живое на планете, в том числе, и сам человек. Для предотвращения грядущих бед должны быть коренным образом пересмотрены взаимоотношения человека с окружающей его средой, его место в природе. Существование и развитие человечества должны соизмеряться с законами развития биосферы. Основополагающее значение для разработки стратегической концепции взаимоотношений между человеческим обществом и окружающей средой имеют учение о биосфере (В.И. Вернадский) и понятие о биогеоценозах (В.Н. Сукачев, 1940) и экологических системах (А. Тенсли, 1935) как элементарных структурно-функциональных единицах биосферы, экологической системы планетарного масштаба.

Биогеоценоз (экосистема) - это исторически сложившееся сообщество организмов разных видов (биоценоз), тесно связанных между собой и окружающей их неживой природой (биотоп) обменом веществ и энергии. Биогеоценоз пространственно ограничен (например, озерный биогеоценоз) и относительно однороден (как по видовому составу живых существ, так и по комплексу абиотических факторов - свет, температура, соленость, давление и т.д.). С функциональной точки зрения биогеоценоз является открытой системой, находящейся в состоянии динамического равновесия. Постоянное поступление солнечной энергии определяет существование этой системы. Ведущая активная роль в процессах взаимодействия компонентов биогеоценоза принадлежит живым существам, т.е. биоценозу. Функционально биоценоз подразделяется на три группы организмов - продуцентов, консументов и редуцентов, находящихся в тесном взаимодействии друг с другом и неживой природой и объединенных трофическими (пищевыми) связями. Продуценты составляют группу автотрофных организмов (фото- и хемосинтетиков), которые потребляя минеральные вещества из биотопа и используя энергию солнечного света (либо энергию, выделяемую при окислении ими неорганического субстрата) создают (синтезируют) первичное органическое вещество. К этой группе относятся растения и некоторые бактерии. Консументы - гетеротрофные организмы, использующие готовые органические вещества (в виде пищи) как источники энергии и веществ, необходимых для их жизнедеятельности. К ним относятся все животные, некоторые грибы, бактерии и растения (растения-хищники и растения-паразиты). Редуценты - это организмы-деструкторы, разлагающие "остатки" отмирающих организмов и возвращающие тем самым в биотоп неорганические вещества, которые были "изъяты" продуцентами. Трофические отношения между тремя названными компонентами биоценоза определяют всю "экономику" биогеоценоза - потоки энергии и круговорот веществ. Продуценты, поглощая минеральные вещества и улавливая солнечную энергию, создают органические вещества, из которых строится их тело (солнечная энергия, таким образом, переводится в энергию химических связей). Консументы, поедая продуцентов и друг друга (растительноядные, хищные, паразитические организмы) расщепляют органические вещества (пищи), используя их и высвобождающуюся энергию для построения собственного тела и обеспечения жизнедеятельности. Наконец, редуценты разлагают органические вещества мертвых организмов, получая необходимые им материалы и энергию. Редуценты обеспечивают возврат неорганических веществ, изъятых из биотопа продуцентами, и теперь эти вещества вновь поступают в "распоряжение" продуцентов. Постоянное осуществление круговорота веществ является залогом длительного существования биогеоценоза, несмотря на ограниченный запас минеральных веществ. Взаимодействия всех организмов биогеоценоза между собой и с физической средой характеризуются динамическим равновесием (экологический гомеостаз системы). Так, в благоприятный по погодным условиям год (большое число солнечных дней, оптимальные значения температуры и влажности) растения создают повышенный объем биомассы. Обилие пищи обуславливает массовое размножение грызунов, что вызывает увеличение численности хищников и паразитов, которые сокращают число грызунов. Уменьшение количества грызунов, по принципу обратной связи, приводит к сокращению численности хищников, в результате гибели части их от недостатка добычи. Таким образом, восстанавливается исходное состояние системы. Биогеоценозы являются структурно-функциональными единицами биосферы, ее материально-энергетическими ячейками и взаимосвязаны круговоротом веществ и потоком энергии. Обмен веществами между биогеоценозами может осуществляться в газообразном, жидком и твердом состояниях, а также в форме живого вещества (например, миграции животных). Свойства биосферы определяются свойствами слагающих ее биогеоценозов.

Понятие о биосфере как особой оболочке Земли (области распространения жизни) было предложено австрийским геологом Э.Зюссом в 1875 г. и кардинально переработано и наполнено новым смыслом выдающимся русским ученым В.И. Вернадским (1926, 1940). Главным содержанием его учения о биосфере являются обобщения о роли организмов в преобразовании земной коры и создании биосферы, о "живом веществе" как мощной геологической силе. Биосфера по Вернадскому - не только область распространения жизни, но и ее производная. Совокупность организмов Земли участвуют во всех протекающих в биосфере процессах. Для обозначения этой совокупности организмов В.И. Вернадский и ввел понятие "живого вещества", определил его массу, химический состав и энергию. Он показал, что живое вещество определяет все основные химические закономерности в биосфере, ее особую динамическую структуру и организованность. Раздел учения о биосфере В.И. Вернадского, посвященный эволюции биосферы и роли человечества в этом процессе на современном этапе, представляет сегодня особый интерес.

Живые организмы обитают в трех "оболочках" планеты - литосфере (верхняя твердая оболочка Земли), гидросфере (совокупность океанов, морей, озер, рек и т.п.) и атмосфере (газовая оболочка планеты). Поскольку основным источником энергии, обеспечивающей функционирование биосферы, является лучистая энергия солнца, то, в основном, живые существа обитают в тех зонах, куда поступает свет. Большая часть видов живых организмов заселяет поверхность литосферы и верхние слои гидросферы (на границе с атмосферой). Однако существование части организмов возможно и в неосвещаемых зонах. Так в толщу вод и на дно водоемов постоянно падают мертвые организмы, экскременты, много органики заносится (живыми организмами, потоками воды и т.д.) в верхние слои атмосферы. Именно поэтому живые организмы встречаются во всей толще гидросферы (до максимальных глубин в океане - 11 км) и проникают в литосферу до нескольких десятков метров (например, дождевые черви, корни растений), На глубине 3 км (в нефтеносных слоях) были обнаружены своеобразные бактерии, живущие за счет этого субстрата. Живые организмы широко освоили и нижние слои атмосферы - на высоту до нескольких десятков метров над поверхностью земли (до такой высоты растения могут выносить свои кроны и служить местом обитания разных животных, грибов, бактерий). Восходящие токи воздуха используются некоторыми птицами для подъема на высоту в несколько километров (грифы, беркуты и т.д.). Эти воздушные потоки могут заносить на многокилометровую высоту споры, цисты, семена разных организмов. Определяя границы биосферы, можно указать следующие параметры - в атмосфере жизнь встречается до 20 км (лимитирующий фактор - ультрафиолетовое излучение), в литосфере - до 2-3 км (лимитирующие факторы - плотность среды, дефицит кислорода, повышение температуры до 1000С уже на глубине 3 км).

Биосфера - экологическая система планетарного масштаба (живая мега-система) - обладает такими фундаментальными свойствами живого, как самовоспроизведение, устойчивость (гомеостаз), саморегуляция и способность к эволюции. За 3,5 млрд. лет существования биосферы на Земле происходили глобальные изменения - смена климата, мощные тектонические процессы, затопления суши, движения материков, но биосфера продолжала существовать и развиваться. Все выше названные свойства биосферы определяются совокупностью всех живых существ на планете, их способностью к размножению; сложными взаимоотношениями между собой и с неживой природой, окружающей их; способностью к эволюции; "обеспечение" круговорота веществ в биосфере. Именно поэтому В.И. Вернадский отводил главную роль в существовании и развития биосферы совокупности живых организмов - "живому веществу" - и выделял четыре функции живого компонента биосферы: газовую, окислительно-восстановительную, концентрационную и почвообразовательную. В результате происходящего метаболизма организмов (фотосинтез, дыхание, брожение и др.) регулируется и поддерживается химический состав атмосферы. Биогенное образование основных ее газов - кислорода и азота - было показано еще В.И. Вернадским, а сейчас установлено биогенное происхождение водорода (~ 50 %), окиси углерода, аммиака и других газов. Поступление и расход кислорода, азота и углекислого газа регулируются организмами. Создав миллионы лет назад атмосферу Земли организмы обусловили и формирование озонового слоя, который защищает все живое от губительного ультрафиолетового излучения (ультрафиолет обладает к тому же мощным мутагенным и онкогенным воздействием). Все выше сказанное раскрывает смысл понятия - газовая функция живого вещества. Увеличение концентрации кислорода в атмосфере повлияло на скорость и интенсивность окислительно-восстановительных реакций в литосфере и гидросфере и, тем самым, интенсифицировало круговорот веществ в биосфере. Способность организмов концентрировать (накапливать) в своих телах, скелетах химические элементы, рассеянные в окружающей среде, обуславливают участие живых организмов в образовании осадочных пород - залежи мела, известняка, кремнистые породы, торф, уголь, нефть. Наконец, живые организмы обуславливают процесс почвообразования. Почва - особое природное тело, образующее верхний слой литосферы и обладающее свойством плодородия (т.е. способностью удовлетворять потребности растений в питательных веществах, влаге, воздухе и т.д.). Почва образуется из продуктов разрушения поверхностных слоев литосферы под действием микроорганизмов, растений и животных. За счет минерализации органических веществ отмирающих организмов образуется особое органическое вещество почвы - гумус (перегной).

Особое место в трудах В.И.Вернадского занимает концепция эволюции биосферы. Он выделяет три этапа развития биосферы. Первый этап - возникновение первичной биосферы с биотическим круговоротом веществ. Ведущие факторы на этом этапе - геологические и климатические изменения на Земле. Второй этап - усложнение структуры биосферы в результате появления одноклеточных и многоклеточных эукариотных организмов. Движущим фактором выступает биологическая эволюция. И, наконец, третий этап - возникновение человеческого общества и постепенное превращение биосферы в ноосферу. Ведущим фактором в этом процессе является разумная деятельность человека, характеризующаяся рациональным регулированием взаимоотношений человека и природы.

5. Превращение биосферы в ноосферу

Место человека в биосфере имеет свою существенную специфику, обусловленную биосоциальной природой человека. Его существование, как и всех других гетеротрофных организмов, зависит от наличия органической пищи, воздуха, воды и т.д. В то же время, человек обладает особенностью, выделяющей его из живой природы - труд, творческая деятельность, производственные отношения, определяющиеся его социальной сущностью. На ранних этапах существования человека его деятельность не нарушала равновесия в биосфере. Потребляемые человечеством ресурсы природы и продукты его жизнедеятельности циркулировали в общем круговороте веществ так же, как и других видов живых существ. Но со временем, в результате роста численности людей и развития цивилизации, все возрастает использование природных ресурсов человеческим обществом. Человек становится мощным экологическим фактором, нарушившим прежнее равновесие в природе, биосфере. Воздействия человека на окружающую природу достигли к настоящему времени планетарных масштабов. В результате деятельности человека происходят изменения климата, ландшафтов, состава атмосферы, видового и численного состава живых существ. Повсеместное уничтожение лесов приводит к снижению выделения в атмосферу кислорода и утилизации углекислого газа, к эрозии почв, нарушению водного режима и изменению климата. Сжигая органическое топливо, человек снижает содержание кислорода в атмосфере (так, например, при пробеге автомобилем 100 км пути расходуется годовая норма кислорода для одного человека). За последние годы отмечается повышение содержания углекислого газа в атмосфере, накопление промышленной пыли. Это ведет к возникновению "парникового эффекта" - нарушению рассеивания тепла с поверхности Земли в космос, что приводит к постепенному потеплению климата на планете. По некоторым данным, за последние 30 лет средняя температура приземной атмосферы повысилась на 10С. Если тенденция загрязнения атмосферы сохранится, то через 30-50 лет температура увеличится еще на 2-30С, что приведет к таянию "полярных шапок" и катастрофическому повышению уровня мирового океана. В атмосферу ежегодно поступают миллионы тонн загрязненных веществ. Особую опасность представляет сернистый газ, который соединяется с парами воды и является причиной выпадения кислотных дождей. Повсеместно на нашей планете отмечается ухудшение состояния водных систем в результате ирригационных и мелиоративных мероприятий. Происходит истощение подземных вод, массовая гибель малых рек, сокращение крупных рек, высыхание крупных водоемов (например, Арал). Промышленные и бытовые стоки, загрязняющие гидросферу ядовитыми веществами, солями тяжелых металлов, радионуклеотидами и т.п., составляют 700 км3 в год (примерно, 3 % всего планетарного объема воды). Тяжелый ущерб природным водным системам наносит "тепловое загрязнение" - сбросы термальных вод. Значительно воздействие человека на литосферу - распахивание земель для сельскохозяйственных нужд (сегодня 30% суши занято угодьями) приводит к эрозии почв, их засаливанию, поднятию грунтовых вод. В результате деятельности человека только на протяжении последних столетий были уничтожены многие виды растений и животных. В числе последних такие, например, как тур, стеллерова (морская) корова, эпиорнис, дронт, странствующий голубь и многие другие.