Законы функционирования биосферы

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 са­морегуляции и самовосстановлению. При их преобразовании в агроэкосистемы и антропоэкосистемы потоки энергии, биогеохими­ческие 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.

Основными свойствами экосистем, определяющих их эффек­тивное функционирование, являются изменчивость и устойчивость. Изменчивостьэкосистемы определяется ее способностью перехо­дить из одного состояния в другое под влиянием внешних сил или факторов саморазвития.

Под устойчивостьюпонимают 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 XIX века в ответ на возрастание концентрации углекислого газа в атмосфере происходило увеличение биологической продуктивности и биомас­сы, то с начала XX 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 лю­бой 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 дополнительности (комплементарности).

В обобщенном виде эти 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 из­менения 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.