В. В. Межевикин « Принцип замкнутости и будущее биосферы и человечества »

Министерство образования и науки РФ

Государственное образовательное учреждение

Высшего профессионального образования

Новгородский государственный университет имени Ярослава Мудрого

Кафедра географии, страноведения и туризма

Законы функционирования биосферы

Реферат

По дисциплине « Техногенные системы и экологический риск»

Выполнила: студентка III курса проверил: профессор кафедр ГСТ,

ОЕНиПР гр. 9301 К.Г. – М.Н.

Лисенкова Марина Верин В.Л.

Великий Новгород

Г

Биосфера Земли является целостной многокомпонентной системой, основной функцией которой является поддержание жизни. Эта функция биосферы реализуется благодаря непрерывному потоку вещества и энергии на уровне любой экосистемы, от локальной до глобальной. Основным принципом организации экосистем является взаимосвязь биотической и абиотической составляющей.

Состав, структура и энергетика биосферы сформировались и формируются прошлой и современной деятельностью живых организмов. Все основные компоненты биосферы (атмосфера, гидросфера и литосфера) и входящие в ее состав экосистемы взаимосвязаны
сложными биогеохимическими циклами миграции веществ и энергии. Начальным, пусковым моментом этих циклов является фотосинтез и синтез биогенных веществ.

В биосфере происходят все химические превращения, связанные с биогеохимическими функциями живых организмов, включая
человека. На ранних этапах своего развития человеческая популяция оказывала локальное воздействие на биосферу. С развитием научно-технического прогресса оно сменилось глобальным влиянием на состав, структуру и ресурсы биосферы. Поэтому на сегодняшний день практически во всех компонентах биосферы можно обнаружить следы деятельности человека. Это подводит нас к необходимости пересмотра концепции о бесконечности и неисчерпаемости ресурсов биосферы.

Биосфера представляет собой высший уровень иерархии экосистем нашей планеты. Каждая экосистема представлена совокупностью живых организмов в среде их обитания, занимающих определённое пространство и способных к саморегуляции. Различают макроэкосистемы (океан, континент), мезоэкосистемы (лес,пруд и т.п.), микроэкосистемы (желудочно-кишечный тракт, ствол гниющего дерева).

Все экосистемы различаются структурами пространственно-временного разнообразия, потоками энергии, трофическими цепями, биогеохимическими круговоротами элементов и веществ, эволюцией и управлением.

Всем естественным экосистемам присуща способность к са-
морегуляции и самовосстановлению. При их преобразовании в
агроэкосистемы и антропоэкосистемы потоки энергии, биотеохимические круговороты элементов и информационные связи значительно изменяются. Если эти изменения выходят за рамки допустимых пределов, то экосистемы теряют способность к саморегуляции и самовосстановлению и быстро деградируют.

Главное свойство биосферы — это непрерывный синтез и разложение составляющих ее веществ. Вся совокупность веществ биосферы вовлечена в мощные глобальные потоки и изменения, но эти потоки и изменения практически полностью сбалансированы или, другими словами, замкнуты. Все, что производит живой организм, в том числе и он сам, потребляется организмами других видов, и так далее по цепочке — процессы эти идут циклически без образования тупиковых продуктов за счет использования солнечной энергии.

Помимо замкнутых циклов обмена веществ — метаболических циклов, существуют также физические циклы, например, водный цикл: вода в одних местах испаряется, в других — конденсируется. Чистая вода загрязняется продуктами выделений живых организмов и минеральными веществами, а затем снова очищается за счет дистилляции и жизнедеятельности других организмов, особенно растений.

Метаболические и физические циклы в биосфере обеспечивают в результате химическое и физическое постоянство окружающей нас среды. Закон равновесия циклов можно назвать «принципом циклической замкнутости» или просто «принципом замкнутости».

Жизнь в разных формах существует на Земле около трех миллиардов лет, и вся эта жизнь в целом бессмертна, хотя каждое отдельное живое существо смертно. За этот период атомы химических элементов, образующие вещества биосферы, многократно входили в состав самых различных организмов — от бактерий и сине-зеленых водорослей до высших животных и человека, то есть меняли свою «роль» миллионы раз, а между тем общее количество их и элементный состав веществ, вовлеченных в круговорот, были практически постоянны.

Таким образом, биосфера существует как эволюционно сложившаяся на нашей планете система многократного использования живыми существами одних и тех же атомов. Эта замкнутость является основой бессмертия биосферы — следовательно, любые изменения замкнутости заслуживают самого пристального внимания. Природная биосфера теряет или приобретает не более 0,01 % элементов за характерное время оборота этих элементов — такого уровня замкнутости достичь совсем не просто: в лучших лабораторных модельных биосферах потери за цикл в сотни и тысячи раз выше. Без такой полной замкнутости химические элементы, содержащиеся в одних веществах, превращались бы живыми существами в совсем другие вещества и становились бы недоступны для них, после чего жизнь, естественно, прекратилась бы. Как же возникла такая удивительная замкнутость, обеспечивающая бессмертие жизни, какие механизмы поддержания этой замкнутости существуют в биосфере в настоящее время? Все это вопросы, на которые до сих пор нет ответа.

Все имеющиеся в настоящее время теории эволюции жизни не могут объяснить возникновение и сохранение замкнутости биосферы.

Практически непонятна сейчас и связь между метаболическими и физическими циклами — ясно только, что такая связь существует, и, по-видимому, очень сильная. Любое изменение физических условий должно менять видовой состав организмов и, следовательно, характер метаболических циклов и наоборот.

Таким образом, можно сказать, что все функционирование биосферы подчиняется принципу замкнутости. Замкнутые метаболические и физические циклы осуществляют постоянство химических и физических характеристик биосферы. Необходимо тщательно осмыслить, каковы механизмы реализации принципа замкнутости в живой природе и биосфере в целом.

Основными свойствами экосистем, определяющих их эффективное функционирование, являются изменчивость и устойчивость.

Изменчивость экосистемы определяется ее способностью переходить из одного состояния в другое под влиянием внешних сил или факторов саморазвития.

Под устойчивостью понимают способность экосистемы к самосохранению и саморегулированию в пределах, не превышающих допустимых величин. Если внешнее воздействие выводит систему из состояния устойчивого равновесия, то равновесие смещается в
том направлении, при котором эффект внешнего воздействия ослабляется. Это, по мнению В.И. Вернадского, служит основным регулятором общеземных процессов. Например, если до конца ХІХ века в ответ на возрастание концентрации углекислого газа в атмосфере происходило увеличение биологической продуктивности и биомассы, то с начала ХХ века биологическая продуктивность начала значительно снижаться.

Функционирование биосферы подчиняется экологическим объективным законам, которые справедливы и для нижерасположенных уровней в этой иерархии. Первым в ряду многочисленных законов биосферы стоит закон хиральной чистоты Л. Пастера. Пастер установил, что важнейшим отличием живого от неживого является «хиральная чистота». Хиральная чистота означает использование организмами исключительно асимметрических изомеров, несовместимых со своим зеркальным отражением (типа правой и левой руки, откуда и происхождение термина: с греческого «хира›› _ рука). Например, белки построены только из L-аминокислот, поляризующих свет влево, а нуклеиновые кислоты состоят из D-сахаров, поляризующих свет вправо. Вещества абиогенного происхождения хирально симметричны, т.е_ «левых» и «правых» молекул в них поровну. Хиральная чистота обусловливает специфику живого, несводимость его к неживому и практическую невозможность получения живого из неживого. Оптическая асимметрия живой природы (от вируса до человека) является следствием матричного принципа синтеза. Поэтому хиральную асимметричность В.И. Вернадский считал фундаментальным свойством живого.

Следующим важным экологическим законом является закон экологосистемной направленности эволюции. Суть закона заключается в том, что любые эволюционные изменения, в экосистемах направляются как внешними, так и внутренними экологическими факторами. Внешними для развивающейся экосистемы могут быть все воздействия ближайших по иерархии надсистем, вплоть до Вселенной. Эти воздействия ограничивают развитие экосистемы и вынуждают ее адаптироваться.

Эволюция биосферы, как и эволюция всего живого на планете, может идти лишь в одном направлении. Невозможно прожить жизнь от смерти к рождению, как невозможно в том же направлении развернуть эволюцию жизни. Развитие жизни однонаправленно. Организм (популяция, вид) не может вернуться к прежнему состоянию, уже осуществленному в ряду его предков. Эта однонаправленность и невозвратность сформулирована в виде законов вектора развития и необратимости эволюции живого.

Большое значение для экологических и биолого-эволюционных процессов, происходящих в экосистемах и биосфере в целом, имеет принцип экономии энергии. Например, если в экосистеме имеется вероятность развития процесса в некотором множестве направлений, то реализуется такое направление, которое обеспечивает минимум рассеивания энергии (или минимум роста энтропии).

В экосистемах действует закон однонаправленности потока энергии. Это означает, что энергия, получаемая экосистемой и усваиваемая продуцентами, рассеивается или вместе с их биомассой передается консументам первого, второго и т.д. порядков. При этом происходит уменьшение энергетического потока на каждом трофическом уровне в результате процессов, сопровождающих дыхание. В обратном направлении (от редуцентов к продуцентам) поступает ничтожное количество изначально вовлечённой энергии. Такая однонаправленность потока энергии формирует в экосистемах относительно замкнутый круговорот веществ.

Вещество и энергия для функционирования и развития экосистемы могут поступать лишь из окружающей среды. Прогресс лю-
бой экосистемы возможен только за счет материально-энергетических и информационных ресурсов внешней среды. Абсолютно изолированное саморазвитие экосистемы невозможно, как невозможно функционирование компонентов экосистемы без других функционально дополняющих частей. Это - основные выводы закона развития системы за счет окружающей ее среды и принципа экологической дополнительное (комплементарности).

В обобщенном виде выводы сформулированы в законе формирования экосистемы, который гласит, что длительное существование организмов возможно лишь в рамках экологических систем, где их компоненты и элементы дополняют друг друга и соответственно приспособлены друг к другу. Это обеспечивает воспроизводство среды обитания каждого вида и относительно неизменное существование всех экологических компонентов.

Все живое вещество Земли имеет единую физико-химическую природу (закон физико-химического единства живого вещества В.И. Вернадского). Это положение развивает закон внутреннего динамического равновесия Н.Ф. Реймерса, согласно которому вещество, энергия и информация в экосистемах и биосфере взаимосвязаны настолько, что любое изменение одного из этих показателей вызывает сопутствующие функционально-структурные количественные и качественные перемены, сохраняющие общую сумму вещественно-энергетических, информационных и динамических качеств экосистем, в которых эти изменения происходят.

Нарушение закона внутреннего динамического равновесия часто является причиной региональных экологических катастроф. Даже незначительное воздействие или изменение одного из показателей может вызвать сильные отклонения во всей экосистеме. Например, загрязнение атмосферы окислами серы и азота явилось причиной возникновения кислотных осадков и связанных с ними процессов деградации и гибели лесов в Европе и Северной Америке, обезрыбливания озер Скандинавии, нарушения циклов развития морских организмов, личиночные стадии которых проходят на мелководьях. Этот закон является одним из основных в управлении природопользованием.

В природопользовании необходимо соблюдать закон оптимальности. Хозяйственная деятельность человека должна соотноситься с возможностями окружающей среды, т.е. должна быть оптимальной и не нарушать функционирование экосистем. Игнорирование этого закона является основной причиной появления техногенных экосистем, зон экологического кризиса и экологического бедствия.

В биосфере и на любом уровне составляющих ее экосистем все входящие в неё биотические и абиотические экологические компоненты функционально соответствуют друг другу. Выпадение одного элемента экосистемы приводит к изменению ее внутреннего динамического равновесия. Например, исчезновение вида неминуемо ведет к выпадению тесно связанных с ним других элементов экосистемы либо к внедрению в экосистему нового вида или группы видов с сопутствующими элементами. Иными словами, имеет место корреляция экологической устойчивости экосистемы (закон экологической корреляции). Если изменения, происходящие в экосистеме, превышают порог изменения функциональной целостности, то экосистема теряет свойство надежности. Она уже не может вернуться к первоначальному состоянию (закон эволюционно-экологической необратимости) и не может быть восстановлена за счёт самых прогрессивных технологий (закон незаменимости биосферы). Однако биосфера стремится к восстановлению экологического равновесия. Чем больше давление на биосферу, тем сильнее это стремление. Оно продолжается до достижения экосистемами климаксовых фаз развития (закон обратимости биосферы). В случае глубокого измененная природной среды, превышающего возможности ее восстановления, возобновимые природные ресурсы делаются невозобновимыми (закон необратимости взаимодействия человек - биосфера). Таким образом, все природные ресурсы и естественные условия на Земле конечны (закон ограниченности природных ресурсов).

По мнению В.И. Вернадского, хаотичное саморазвитие, основанное на процессах естественной саморегуляции, должно быть заменено разумной стратегией, базирующейся на прогнозно-плановых началах, регулировании процессов естественного развития. Иными словами, биосфера неизбежно превратится в ноосферу (закон ноосферы В.И. Вернадского), т.е. в сферу, где разум человека будет играть доминирующую роль в развитии системы человек - природа. Но при этом человек, безусловно, должен следовать законам природы и развития общества. Этот принцип лежит в основе формирования ноосферы.

Таким образом, знание основных экологических законов биосферы, гармонизации, красоты и рациональности природы дает человечеству возможность оптимального взаимодействия с окружающей средой, помогает ему найти верные пути выхода из экологического кризиса в техногенных системах.

Список литературы:

В. В. Межевикин « Принцип замкнутости и будущее биосферы и человечества »