Свойства биосферы как системы

1. Биосфера больше других геосфер – непосредственно – связана с Космосом – она живет за счет космической (солнечной) энергии. Впервые тесную связь некоторых физических процессов на Земле с Солнцем заметили астрономы еще в 19 в.; позже эта идея проникла и в биологию.

2. «Всюдность» жизни: живое вещество обнаружено в широком диапазоне обстановок зоны гипергенеза: от термальных источников с температурами, даже превышающими 100 ^оС, до стратосферы, самых глубоких океанских впадин и на значительной глубине на континентах.

3. Антиэнтропийный характер жизни и неравновесность биогеохимических реакций. По словам акад. Л.С.Берга, «организмы осуществляют нечто с физической точки зрения невероятное». Таковы все ферментативные реакции. Например, для промышленного синтеза аммиака из азота и водорода нужны температура 500 ^оС и давление 300–350 атм. Микроорганизмы проводят эту реакцию при обычной температуре и атмосферном давлении при помощи фермента нитрогеназы. В 1935 г. немецкий биофизик Эрвин Бауэр, работавший тогда в СССР, выдвинул принцип устойчивого неравновесия живых систем.

«Этот принцип показывает, что живые организмы представляют собой открытые неравновесные системы, которые отличаются от неживых тем, что эволюционируют в сторону понижения энтропии. Сейчас его называют принципом Бауэра. Благодаря деятельности живого вещества, принцип устойчивого неравновесия действует и в биосфере в целом» (Лапо, 1987, с.31).

Живое вещество в этой кибернетической системе выполняет функцию ведущей подсистемы – так называемого центра системы. Вернадский (1987, с. 300) оценивал массу живого вещества как ~ 0.25% от массы всей биосферы.

4. Стационарность биосферы. На входе этой сложнейшей системы – поток космической (солнечной) энергии, а на выходе – биогенные продукты, в частности, осадки-биолиты. Внутри системы происходят циклические процессы – биологические круговороты, отдельные ее части эволюционируют (особенно органический мир), однако в целом, по основным своим параметрам, система остается стационарной – устойчивой.

Биосфера, после своего возникновения, становится активной силой и сама приспосабливает неорганическую среду к своим нуждам. Например, Вернадский считал, что озоновый экран биосфера как бы сама создала для своей защиты. Стационарность океана также является сугубо биосферным явлением. Из кибернетики известно, что устойчивость системы против внешних и внутренних возмущений обеспечивается ее внутренним разнообразием. Главное разнообразие в биосфере создается живыми организмами: их насчитывают около 2 млн видов. Именно поэтому уменьшение биологического разнообразия смертельно опасно для существования биосферы – она может «пойти вразнос», не справившись с буферированием внешних воздействий.

5. Мозаичное строение биосферы. Единицами этой мозаики, своебразными «квантами» биосферы являются так называемы экосистемы, самых разных размеров – «от кочки до оболочки» (по Ю.К.Ефремову). Согласно определению Д.В.Панфилова, «экосистемы – это комплексы взаимосвязанных популяций разных видов живых существ и изменяемой ими абиотической среды, обладающие способностью к саморегуляции и возобновлению всех главных компонентов их биоты».

Важное следствие гетерогенности (мозаичности) биосферы – присутствие в ней регионов с разной геохимической специализацией – «биогеохимических провинций». Это понятие было введено в 1936 г. в докладе Вернадского и его молодого ученика А.П.Виноградова «Геохимические провинции и заболевания» и потом дало начало целому научному направлению.

6. Особая роль воды в биосфере. «Вернадскому очень нравилось оп­ределение жизни как «одушевленной воды», данное французским биологом Р.Дюбуа...» (Лапо, 1987, с.31). Практически мы не знаем жизни без во­ды.

7. Особая роль газов в биосфере: ведь фотосинтез осуществляется путем поглощения СО₂ и сопровождается выделением кислорода из воды.

8. Для биосферы характерны круговороты атомов – циклические процессы. Разные циклы имеют разную длительность: от часов и суток до многих миллионов лет!

Например, установлена длительность циклов:

обновление биомассы в океане............. 33 дня

обновление фитомассы суши................ 14 лет

обновление углекислоты в атмосфере....... 6.3 года

обновление всего живого вещества......... 8 лет

обновление воды в гидросфере............. 2800 лет

обновление кислорода в атмосфере ........ несколько тыс. лет

обновление углерода в стратисфере........ десятки и сотни миллио­нов лет

9. Для этих круговоротов характерны три особенности – три» биогеохимических принципа» Вернадского.

– Принцип первый, названный А.И.Перельманом «Законом Вернадского»: «биогенная миграция атомов химических элементов в биосфере всегда стремится к максимальному своему проявлению» (Вернадский, 1987, с. 248).

– Принцип второй, касающийся биологической эволюции: «эволюция видов в ходе геологического времени, приводящая к созданию форм жизни, устойчивых в биосфере, идет в направлении, увеличивающем биогенную миграцию атомов биосферы» (Вернадский, 1987, с.250).

– Принцип третий, дополнительный к первому: «в течение всего геологического времени, с криптозоя, заселение планеты должно было быть максимально возможное для всего живого вещества, которое тогда существовало» (Вернадский, 1987, с. 265).

10. Биосферные циклы неполностью замкнуты (на 90–98%). Если бы было иначе – мы не имели бы в стратисфере органогенных горных пород – биолитов.