Биосфера, как область взаимодействия общества и природы

Понятие "биосфера" вошло в систему знаний о Земле сравнительно недавно — в начале нашего столетия, когда в 1926 г. вышла в свет книга академика В.И.Вернадского "Биосфера". До тех пор хотя термин "биосфера" и употреблялся в работах австрийского геолога Э.Зюсса, тем не менее, не привился в науке сколько-нибудь прочно в силу недостаточной определенности содержания и, главное, недостаточной обоснованности того, что он необходим наряду с обозначениями давно известных геосфер.

В книге В.И.Вернадского впервые на богатом фактическом материале было не только раскрыто содержание понятия "биосфера", но и показано, насколько это понятие важно для понимания сущности фактически всех происходящих на поверхности Земли явлений.

В последующих трудах В.И.Вернадский всесторонне развил учение о биосфере вплоть до обоснования необходимости ввести понятие, означающее следующий, более высокий этап развития биосферы. Для этого этапа он предложил название "ноосфера", т.е. "сфера разума" — в буквальном переводе с греческого. Указанный термин употреблялся раньше в работах теологически настроенных французских ученых Э.Леруа и П.Тейяра де Шардена, которые имели в виду действительно только лишь сферу чистого разума, функционирующую фактически независимо от материального мира. В.И, Вернадский же подразумевал под биосферой не только сферу духа, но и материальную действительность, преобразованную трудом людей.

Каковы методологические мотивы введения в науку таких новых понятий, как "биосфера" и затем "ноосфера", какую роль сыграли они в развитии научной теории о Земле и в чем их значение для дальнейшего развития наук о природе и обществе?

Поиски ответа на эти вопросы приводят нас к данной Ф.Энгельсом характеристике специфики методологии естествознания, преобладавшей в предыдущие столетия. В изучении природы наиболее типичным, по его мнению, был метафизический подход, когда явления рассматриваются в их соположенности друг относительно друга, а противоположность явлений понимается лишь в плане абсолютного их исключения друг другом. То, "что эти противоположности и различия хотя и существуют в природе, но имеют только относительное значение...", осознавалось лишь немногими натуралистами, как правило, теми из них, кто не ограничивался рамками своей науки, а интересовался смежными областями знания и историей развития философской мысли. Учение о биосфере не могло возникнуть раньше, чем в естествознании накопилось достаточное количество данных, свидетельствующих о тесной взаимосвязанности в природе явлений органического и неорганического мира.

1. Сущность и методологическое значение биосферы

биосфера оболочка земля ноосфера

Идеи развития и взаимосвязанности природных явлений давно пробивали себе дорогу в трудах И.Канта, Ч.Лайеля, М. Б. Ломоносова, Ж.Б. Ламарка, Жоффруа Сент-Илера, К.Ф.Рулье и других ученых. Особенно ускорилось формирование диалектических идей в естествознании со времени создания Ч. Дарвиным теории органического мира. Дальнейшим развитием этой теории явилось формирование начал такого раздела биологической науки, как экология, благодаря трудам Э. Геккеля, НА. Северцова, И.И. Мечникова. Наконец, исключительно большую роль в преодолении остатков метафизических концепций во взглядах на природу сыграла почвоведческая наука, где со второй половины XIX в. в работах В.В. Докучаева, П.А. Костычева, Н.М. Симбирцева стало преобладать понимание почвообразования как результата комплексного взаимодействия факторов живой и неживой природы при ведущей роли биологических процессов.

К началу XX в. накопление фактического материала о взаимосвязанности природных явлений достигло той критической величины, когда требовалось лишь наличие субъективного фактора для приведения в систему разрозненных по различным областям науки данных и осмысления их в свете объединяющей теоретической концепции, которая охватила бы всю совокупность явлений, происходящих на земной поверхности. Такой личностью стал В.И. Вернадский, которого отличала основательность специальных знаний и способность всесторонне, и смело подойти к решению новых проблем. Его, как правило, интересовали наиболее "горячие" точки науки, а они в то время чаще всего возникали на стыке различных областей знания. Одним из первых в нашей стране В.И. Вернадский создает радиохимическое направление и, наконец, биогеохимическое, которое привело его в самую комплексную область знаний — в теорию взаимодействия общества и природы. Немалое место в научных занятиях В.И. Вернадского занимала философия. Ему принадлежат выступления по чисто философским проблемам, а научные труды его изобилуют обобщениями мировоззренческого характера.

В работах В.И.Вернадского нет универсального, однажды данного понятия биосферы, которого бы ученый затем придерживался как единственного, но весь ход его рассуждений позволяет считать, что биосфера - это целостная геологическая оболочка Земли, заселенная житью и качественно преобразованная ею в направлении формирования и повышения жизнепригодных свойств. Организмы не просто живут на поверхности планеты, как в некоем обиталище, а тысячами нитей генетически и актуально связаны со своей средой процессами непрекращающегося обмена веществом и энергией.

Живые организмы являются функцией биосферы и теснейшим образом материально и энергетически с нею связаны, являются огромной геологической силой, ее определяющей.

В результате обменных процессов изменяются не только сами организмы, но и окружающая их абиотическая среда. Горные породы, воздух, вся поверхность суши под воздействием организмов приобретают новые свойства, становятся биогенными. Это значит, что меняется химический состав компонентов неживой природы, становится иной динамика протекающих в них физических и химических процессов, появляются новые закономерности взаимодействия и развития тел неживой природы, что в свою очередь обусловливает новые изменения во всей совокупности населяющих ее организмов.

Абиотические факторы биосферы (реки, озера, моря, океаны, ледники, снежники, воздушные массы, различные формы рельефа и т.д.) сложились задолго до появления жизни и по мере возникновения и развития органического мира оказались вовлеченными в биогенную миграцию вещества, которая стала определяющим началом по отношению ко всей совокупности изменений на земной поверхности. В этом находит проявление закономерность — с появлением более сложной формы движения материи элементарные формы движения структурно включаются в нее и оказываются функционально подчиненными ей, хотя возникли они исторически раньше сложной формы движения.

Природные тела только внешне кажутся обособленными и изолированными друг от друга. На самом деле они постоянно связаны динамичными "миграционными вихрями атомов", которые в конце концов способствуют существенному изменению взаимодействующих тел. Причем в условиях биосферы ведущим фактором этих изменений является живое вещество.

Без учения о биосфере невозможно понять многие биологические проблемы, в частности, проблемы возникновения жизни и законов ее развития, затруднено также исследование причин образования многих видов полезных ископаемых, что препятствует разработке методов их поиска. Наконец, для всех областей знания очень важно понять общую тенденцию изменения процессов, происходящих на поверхности планеты, а это невозможно без обобщающей теории земной поверхности.

Разработка подобной теории была очень сложным делом, поскольку требовала обширных знаний во многих областях науки. Переход к обобщающей области знания всегда сложен в силу того, что теория подобного рода должна найти в самом изучаемом объекте достаточно простой и одновременно общий срез, в свете которого остальные, ранее известные законы, присущие различным фрагментам действительности, предстанут как частные, подчиненные. Наиболее эффективным в этом отношении оказался геохимический подход, ориентирующий на познание атомного уровня структуры природных объектов.

При таком подходе различия между живой и неживой природой, часто абсолютизировавшиеся раньше, отступили на второй план, а на первый выдвинулись черты генетической и функциональной общности организмов с абиотической средой их обитания. На атомном уровне исчезли различия между самими организмами, все их многообразие удалось вместить в одно общее понятие "живое вещество". Исследование законов поведения живого вещества (питания, размножения, миграции) потребовало введения таких понятий, которыми раньше пользовались лишь в науках о неживой природе. Например, "давление" жизни, "концентрация" вещества, "скорость" размножения и т.д.

Изучение жизни в плане общности ее с абиотической средой позволило прийти к нетривиальным результатам. Гораздо лучше, чем раньше, стала заметна исключительная роль живой материи в движении вещества и передаче энергии по поверхности планеты. Масштабы этих процессов оказались гораздо большими, чем можно было представить при самом богатом воображении, а результаты биогенного воздействия на неживую природу стали выглядеть, если брать во внимание достаточно большие промежутки времени, как вполне сопоставимые с геологическими процессами.

Многочисленные исследования показали, что большинство материалов поверхности нашей планеты — фосфатов, карбонатов, кремнистых, галоидных, сернокислых, битуминозных и других пород — органогены по своей природе, т.е. в их формировании либо непосредственно, либо косвенно участвовали организмы.

Еще более заметно воздействие живого вещества на состояние атмосферы. Современный состав атмосферы создан и поддерживается в основном жизнедеятельностью организмов, а от состава атмосферы зависит взаимодействие земной поверхности с космическими факторами. Несчетное количество организмов населяет водную сферу и почву (педосферу) планеты, насыщая их продуктами своей жизнедеятельности, концентрируя в составе своих тел вещества, рассеянные в среде, и качественно меняя таким образом состав и свойства этих оболочек. Причем свойства компонентов неживой природы меняются столь существенно, что в отношении к живому выступают зачастую как противоположные тем, какие были раньше. Так, химически чистая вода убивает все живое, а вода, обогащенная веществами биогенного происхождения, служит важнейшим условием жизни. То же самое можно сказать о различии между космической радиацией и приземной, которая является результатом взаимодействия космических излучений с верхними слоями атмосферы, особенно с озоновым экраном, порожденным в конечном счете фотохимической деятельностью зеленых растений, воспроизводящих в процессе своего питания свободный кислород в атмосфере. Губительный для живого короткий спектр космических лучей отбрасывается озоновым экраном, постоянно воспроизводящимся из атомов кислорода атмосферы. Благодаря этому стала возможна жизнь на суше планеты. Однако жизнь на суше не могла бы прогрессивно развиваться, занимая все новые ареалы, если бы в процессе взаимодействия с организмами выветривающаяся горная порода не превращалась в плодородную почву.

Таким образом, качественное преобразование абиотической среды под воздействием на нее живых организмов происходит в направлении, благоприятном для дальнейшего развития жизни. Можно говорить о существовании положительных обратных связей в системе взаимодействия между живой и неживой природой. Причем чем выше уровень организации живых тел, тем интенсивнее и глубже характер их воздействия на среду обитания. По мнению В.И.Вернадского, хотя масса живого вещества в конкретных условиях существования всегда сбалансирована с абиотической средой, в целом организмы продолжают наступать на неживую природу, отвоевывая новые места обитания и расширяя тем самым границы биосферы. Прогрессивно накапливается также масса органического вещества не только живущих организмов, но и их захороненных, постепенно минерализующихся остатков. Подсчитано, например, что даже в середине палеозоя масса органического вещества составляла 0,00001—0,000001 современной. Процессы накопления и преобразования органического вещества составляют важнейшую черту биосферы, учет которой исключительно важен для понимания существа происходящих в ней изменении.

В свете учения о биосфере становится возможным не только понять динамику вещественно-энергетических процессов на земной поверхности, но и правильно выделить во всей сложной совокупности ее явлений и факторов наиболее важный, определяющий. Им, как полагал В. И. Вернадский, является живое вещество планеты, т.е. вся совокупность организмов, населяющих Землю, взятая в их единстве. Такой подход был новым и в корне противоречил общепринятым взглядам в науках о Земле.

Согласно традиционному взгляду, решающая роль в происходящих на планете изменениях отводилась факторам неживой природы: тектоническим, гидроклиматическим, зональным, космическим и т.д. Жизнь рассматривалась как эфемерное поверхностное явление, которое можно не принимать во внимание при сравнении с эффективностью воздействия на лик Земли абиотических факторов.

Однако при всей незначительности массы организмам присущи качественно новые пространственно-временные характеристики бытия, в силу чего они развивают исключительную интенсивность метаболических процессов при строгой их направленности, благодаря механизмам целесообразной регуляции, составляющим отличительную черту живого. Кроме того, поскольку жизнь — это непрерывно самоподдерживающийся и самовозобновляющийся процесс, то в ходе жизнедеятельности создается внушительный кумулятивный эффект изменений как самих организмов, так и окружающей среды.

Если исходить из учета не только количественной, но и качественной стороны явлений, то можно более верно разобраться в пестрой картине природных процессов и выделить главное противоречие в развитии биосферы. Таким является противоречие между живой и неживой природой. Разрешение этого противоречия в ходе обменных процессов между организмами и окружающей средой обеспечивает процесс саморазвития биосферы как целостной материальной системы. Нет на земной поверхности более существенного и важного процесса, чем постоянно идущий процесс синтеза и разрушения органического вещества. Все остальные процессы биосферы так или иначе связаны с этим основным и им определяются.

Главное противоречие биосферы представляет пример взаимодействия диалектических противоположностей. Процессы синтеза и разрушения органического вещества исключают и полагают друг друга в одно и то же время в одном и том же наиболее существенном отношении, а именно в отношении взаимосвязи одних и тех же исходных элементов.

Создание органического вещества — это связывание автотрофами в определенном порядке исходных минеральных соединений с помощью главным образом солнечной энергии. Образуются сложные, богатые энергией вещества.

Противоположный процесс представляет собой разложение гетеротрофами сложных органических веществ на исходные минеральные соединения (С0₂, Н₂0 и т.д.) и высвобождение энергии связи этих соединений. Высвобождающиеся минеральные соединения и энергия частью используются гетеротрофами и сапрофагами на свое построение, а частью переходят обратно в неживую природу, биогенно преобразовывая ее. Весь процесс получает возможность идти снова и снова до бесконечности именно потому, что он уравновешивается противоположно направленными потоками вещества и энергии. Если бы возобладал сколько-нибудь существенно один из противоположных потоков, система довольно быстро исчерпала бы возможности саморазвития.

Как видим, неразрывность противоположностей живой и неживой природы и в данном конкретном случае основана на их диалектическом взаимоотрицании друг друга в одном и том же жизненно важном для системы аспекте — движении вещества в качественно различные состояния.

Обменные процессы, идущие в биосфере между живой и неживой природой, отличаются исключительной интенсивностью, масштабностью и носят глобальный характер. По сути дела все вещество неживой природы в пределах биосферы принимает в них участие, так или иначе проходя через тела организмов, населяющих ее. Поэтому роль организмов в перемещении и перераспределении вещества по земной поверхности очень велика. Она вполне сопоставима с геологическими факторами, а по некоторым параметрам даже превосходит их. Некоторое представление о геологической роли живого вещества дают, например, такие факты. В живом веществе в непрерывном круговороте находится не менее 10¹²—10¹³ т кальция, что составляет заметную часть всего кальция земной коры около 7*10¹⁷ т, а что касается азота, то "главная масса азотных соединений на Земле находится в виде тел живого вещества". Живое вещество в течение года перемещает массу газов, которая в несколько раз превосходит вес всей атмосферы. Такого важного для построения живого тела элемента, как углерод, через организмы перемещается в течение 13 лет в 10 раз больше, чем его содержится во всей земной коре.

В свете данных о геологической роли организмов на планете живое вещество предстает не как случайное явление, а как важная часть целостной системы, функционально подчиненная ей и обеспечивающая ее целостность в качественно новом состоянии.

Таким образом, идея о биосфере возникла на основе осознания глобальной функции организмов на нашей планете. Новое понятие потребовалось для того, чтобы отразить в теории качественно новое состояние земной поверхности, обусловленное деятельностью живого вещества.

Как организм не может быть понят вне единства с неживой природой, так и неживая природа в пределах биосферы не может быть понята достаточно полно без учета воздействия на нее со стороны организмов. По сути дела это общее методологическое требование системного подхода: часть не может быть понята в ее структурном и функциональном аспектах без соотнесения с другими частями целостной системы. Если живая и неживая природа представляют собой части целостной системы, то они могут быть поняты только путем соотнесения друг с другом и с целым, частями которого они являются.

Системный подход к изучению биосферы позволяет глубже понять многие процессы на земной поверхности, не поддававшиеся раньше научному объяснению. Особенно это касается проблем распределения вещества по поверхности Земли и проблем источников энергии, необходимой для движения вещества. Удалось, например, понять причины возникновения месторождений многих видов полезных ископаемых и разработать важные методы их поиска по биологическим признакам (работы А.Е.Ферсмана, В.В.Ковальского). Академик А.П.Виноградов положил начало теории биогеохимических провинций, которая оказалась очень важной не только для совершенствования этих методов, но и для понимания причин эндемий, т.е. заболеваний, возникающих из-за недостатка или избытка некоторых микроэлементов в окружающей среде.

Системный подход позволил верно оценить исключительную роль живого вещества как источника энергии процессов не только в живой, но и в значительной части неживой природы. Особенно велика в этом отношении роль зеленых растений — единственных автотрофов на нашей планете. Они перехватывают энергию солнечного луча и трансформируют ее в энергию связи органических соединений. В этой форме энергия Солнца становится доступной всем остальным организмам, передаваясь по цепям питания и размножения. Ежегодно деятельностью всех фотосинтетиков нашей планеты связывается энергия в количестве 10¹⁸ Дж. — величина, вполне сопоставимая с кинетической энергией геологических процессов на поверхности Земли, которая равна 10²⁴ Дж. Но энергетическая функция живого вещества не сводится только к количественному аспекту. Главное в том, что деятельностью растений в процессе питания высвобождается кислород, за счет которого идут все реакции окисления. По мнению В.И.Вернадского, химизм нашей планеты обусловлен в основном организмами. С появлением жизни реакции окисления на Земле пошли во много крат быстрее, чем в абиотических условиях, и в этом состоит особое значение энергетической функции живого вещества. В.И.Вернадский связал учение о биосфере с концепцией подвижности земных слоев, продолжив тем самым в геологической науке идею развития. Он предположил, что в геологически длительное время верхние слои биосферы, обогащенные энергией живого вещества, постепенно опускаются в магматическую область и там расплавляются под воздействием высокой температуры и давления, отдавая избыточную энергию земным недрам. Впоследствии эта гипотеза получила экспериментальное подтверждение в трудах В.И.Лебедева и Н.В.Белова.

Учение о биосфере дало толчок дальнейшему развитию биологии, и, в частности, такому ее разделу, как экология, поскольку окружающая организмы среда предстала в более значительном и динамичном для живого плане, чем раньше. Возросло внимание биологов к надорганизменным уровням организации живого, организм стали рассматривать не как самодовлеющую величину, а как часть более сложного целого — популяции, биоценоза и биосферы в целом. Можно вполне согласиться с проф. К.М.Завадским, который считал важнейшей чертой нового способа мышления в биологии "отказ от признания организма единственно реальной и первичной формой организации живого". Здесь же он отметил, что "идею первичности не одной формы существования жизни, а сразу нескольких впервые обосновал В.И.Вернадский". У В.И.Вернадского эта идея органично вытекала из его концепции биосферы, поскольку, как справедливо полагал ученый, одиночный организм, и даже вид не "мог бы исполнить все геохимические функции жизни, которые существуют в биосфере изначала". Плодотворность системного подхода в данном случае очевидна, и не случайно, что сейчас, когда системный подход становится нормой исследований в биологии, идеи В.Вернадского переживают пору возрождения и ведут ученых к ценным результатам.

Если совсем недавно биоценология была второстепенным разделом биологии, то теперь она становится одним из наиболее важных ее участков, имеющих большое практическое значение.

С позиций биоценологии вся биосфера представляет собой систему взаимосвязанных обменными процессами биогеоценозов, которые являются очень важными звеньями реализации биологического круговорота вещества и энергии в его взаимодействии с геологическим круговоротом.

Взаимосвязь различных видов организмов в биогеоценозах такова, что продукты жизнедеятельности одних видов, вредные для них самих, выступают условием жизнедеятельности других. Складывается, таким образом, непрерывная последовательность цепей питания, каждое из звеньев которых достаточно необходимо и незаменимо полностью. В обобщенном виде эти звенья можно представить как цепочку, идущую от автотрофов через гетеротрофы к сапрофагам, которые, разлагая органическое вещество, обеспечивают возврат химических элементов обратно в неживую природу. Следовательно, в биогеоценозах обеспечивается цикличность обменных процессов, их замкнутость. Однако эта цикличность относительна, так как в неживой природе идет непрерывный процесс совершенствования видов в ходе борьбы за существование.

Каждый органический вид стремится увеличить свою биогеохимическую энергию. Выживают и развиваются те виды, которые более преуспевают в этом процессе. В итоге каждый развивающийся вид способствует общему процессу аккумуляции вещества и анергии в биосфере. В силу обратного воздействия следствия на причину повышение вещественно-энергетического уровня биосферы сообщает органическому миру новый импульс развития и т.д. В целом образуется интегральный процесс восходящего развития всей живой природы.

В свете учения о биосфере все ее компоненты предстают как закономерно возникшие и необходимым образом связанные друг с другом обменными процессами. Каждый компонент играет вполне определенную и незаменимую для данного состояния роль в поддержании целостного и упорядоченного характера биосферы как системы. Сколько-нибудь существенное изменение любого из компонентов рано или поздно отражается на остальных и обусловливает соответственное их изменение. За счет этого обеспечивается саморегуляция биосферы и закономерный характер ее изменений во времени.

Принципы саморегуляции и целостности биосферы представляют для нас особый интерес. Поэтому мы остановимся на их рассмотрении подробнее.

2. Основные закономерности развития биосферы

Для уяснения специфики биосферы как саморазвивающейся системы необходимо прежде всего рассмотреть основные ее компоненты15, показать, что они — результат прогрессивной дифференциации вещества в ходе саморазвития биосферы, наконец, что взаимосвязь этих частей характеризуется специфическими закономерностями, обеспечивающими саморегулирование и целостность системы.

Такими частями являются: наружный слой литосферы, гидросфера, атмосфера, космические излучения в зоне поверхности Земли, живое вещество планеты и почва. Каждая из них в свою очередь состоит из частей меньшего порядка. Например, живое вещество состоит из тесно связанных между собой больших групп организмов: автотрофов, гетеротрофов и хемотрофов.

Исключительная разнородность частей биосферы и придает ей как целому особое своеобразие. Выделяются следующие виды неоднородности биосферы: агрегатная, пространственная, энергетическая, геохимическая, зональная качественная. В.И.Вернадский придавал большое значение свойству неоднородности биосферы, характеризовал его как своеобразную диссимметрию, мозаичность и видел в этом важнейший источник ее развития.

Агрегатная неоднородность биосферы состоит в том, что она представляет собой, пожалуй, единственный природный комплекс, в котором тесно взаимодействуют, оставаясь качественно обособленными, три агрегатных состояния — твердое, жидкое и газообразное. При постоянном, но неравномерном притоке космических излучений и особенно энергии Солнца, в условиях электромагнитного поля Земли и сферической земной поверхности взаимодействие различных агрегатных состояний вещества приобретает крайне противоречивый характер. Огромные массы воды, около 519000 куб. км в год, испаряясь с поверхности водоемов, переходят в газообразном состоянии в состав атмосферы, переносятся движением воздуха и низвергаются на сушу в виде ливней или оседают туманом и росой, Потоки воды вновь стекают к понижениям рельефа, оттуда попадают в многочисленные водоемы чтобы затем опять подняться в составе испарений в атмосферу.

Работа поверхностных вод постепенно приводит к выравниванию рельефа и, следовательно, к уменьшению энергии водного стока. Этому процессу противостоит поднятие отдельных участков суши в результате тектонических движений земной коры, происходящих медленно и незаметно, но иногда сменяющихся периодами бурного горообразования с землетрясениями и извержениями.

Наряду с поднятием одних участков суши происходит соответственное опускание других. Тектоническая неравномерность движений земной коры играет большую роль в изменении поверхности биосферы, в создании соответственной орографической неравномерности в виде неровностей рельефа, обуславливающих движение вещества на суше.

Пространственная неоднородность состоит, во-первых, в неравномерности распределения вещества в биосфере и, во-вторых, в структурной неравномерности тел биосферы по причине своеобразного соотношения моментов симметрии и диссимметрии.

Анализ вещественного состава биосферы показывает исключительную неравномерность распределения масс вещества в различных состояниях. Наибольшее количество массы сосредоточено в наружном слое литосферы и в гидросфере, гораздо меньшее — в составе атмосферы и, наконец, сравнительно незначительное количество вещества входит в состав организмов биосферы. Неравномерность распределения вещества, характерная и для неорганической части биосферы, в отношении органической части биосферы особенно разительна. Эта неравномерность распределения масс вещества и разнородность его агрегатных состояний, создавая разность потенциалов, обусловливает возможность движения и усложнения материи в системе биосферы.

Не менее велика роль вещественной неравномерности и структурной разнородности во взаимодействии органической и неорганической частей биосферы. Характерной чертой неживых тел является симметричное соотношение элементов структуры на молекулярном уровне, т.е. примерно одинаковое количество левых и правых стереоизомеров в составе вещества, тогда как для жизненно важных компонентов тел живой природы — белков, жиров, углеводов — характерно преобладание стереоспецифических изомеров, преимущественно левых. Это имеет большое значение для развития живой природы и биосферы в целом, поскольку стереоспецифические вещества энергетически более активны.

Энергетическая неоднородность выражается в неравномерном распределении по земной поверхности солнечной энергии (тепла, света), а также в неодинаковом соотношении вещества и энергии в телах биосферы в зависимости от их структуры. В симметрично организованных телах энергия находится преимущественно в связанном, потенциальном состоянии. И, наоборот, в телах, диссимметрично организованных (таковы в основном организмы), большая часть энергии пребывает в свободном, эффективном состоянии, что делает их энергетически более интенсивными. Следовательно, большей массе симметрично организованного вещества может соответствовать меньшее количество эффективной энергии, чем сравнительно небольшой массе диссимметрично и, особенно, асимметрично организованного вещества. Это прослеживается уже в неживой природе, но особенно характерно при сопоставлении живых и неживых систем. Наиболее симметричное тело неживой природы — кристалл — в то же время обладает наименьшим количеством эффективной энергии, и, наоборот, структурно диссимметричные жидкие и особенно газообразные тела энергетически наиболее активны. Например, кинетическая энергия морей составляет не более 2% кинетической энергии атмосферы, причем большая часть ее создана воздействием ветра на воду. В свою очередь энергия ветра возникает в основном за счет перепада температур между полярными и экваториальными зонами.

Энергетическая активность живых тел с их ярко выраженной асимметричностью структуры на молекулярном уровне настолько велика, что в орбиту живой материи вовлекаются непрерывно нарастающие массы вещества, и практически весь химизм биосферы оказывается функцией деятельности организмов. Неравномерное распределение энергии приводит к очень важным для развития биосферы последствиям: создается значительная разность потенциалов между элементами и частями биосферы и особенно между неживой и живой природой, чем обеспечивается преимущественный ток атомов от первой ко второй. Отсюда тенденция возрастания массы живого вещества и накопления энергетически богатого биогенного вещества в земной коре.

Геохимическая неоднородность — это неравномерность распределения атомов различных химических элементов в земной коре. Причины неравномерности распределения химических элементов в биосфере различны: здесь, и геологические условия возникновения земной поверхности, и особенности структуры самих атомов и т.д. Однако с момента возникновения жизни деятельность организмов стала решающим фактором неравномерности перераспределения химических элементов по периферии нашей планеты благодаря способности организмов концентрировать строго определенные элементы в составе своего тела соответственно видовым особенностям. Одной из основных задач биогеохимии является изучение роли живого вещества в миграции атомов по земной поверхности.

Зональная неоднородность поверхности Земли впервые четко была определена В.В.Докучаевым, хотя предвосхищавшие это положение идеи высказывались еще А. Тумбольдтом. Неравномерное по широтным зонам расселение органических форм и отложение продуктов их жизнедеятельности отражает диссимметрию неорганических условий существования жизни и составляет одну из закономерностей биосферы.

Таким образом, неоднородность — важнейшая черта биосферы. Биосфера — это единственная на нашей планете область, где полностью представлены во взаимодействии все известные формы движения материи: микрофизическая, химическая, физическая, биологическая, социальная.

Неоднородность частей и элементов биосферы обусловливает их неразрывное взаимодействие в рамках целого и исключительную степень зависимости частей друг от друга. Эта зависимость обеспечивается обменными процессами, связывающими все части в единое целое в рамках некоторого цикла. Каждая из частей в обменном цикле играет весьма важную роль, и с выпадением любой части нарушилась бы вся система.

Обменный цикл, ответственный за объединение частей целого, принято называть интегративным фактором. Таким фактором, обеспечивающим взаимодействие неорганических частей будущей биосферы до возникновения жизни, являлся абиогенный геологический круговорот вещества и энергии. С появлением жизни наряду с абиогенным круговоротом вещества и энергии складывается биологический круговорот. Поскольку масса живого вещества увеличивается, биологический круговорот имеет тенденцию к постепенному расширению сферы своего действия, вовлекая все большее количество вещества и энергии за счет элементов геологического круговорота. Функциональное переключение природных круговоротов на развитие живого вещества планеты способствовало более четкой их направленности, а также нарастанию их интенсивности и организованности соответственно развитию взаимосвязи цепей питания в биоценозах, составляющих биосферу.

Сама биосфера как качественно особое образование возникла тогда, когда сложился достаточно развитый биологический круговорот вещества и энергии. По мнению А.П.Виноградова, это произошло не менее 2*10⁹ лет назад.

В ходе естественного отбора у организмов архейской биосферы, по-видимому, довольно скоро появилась способность к фотосинтезу, что обеспечило возможность нового скачка в развитии живой материи. С этих пор количество свободного кислорода в атмосфере стало быстро возрастать за счет высвобождения его из воды деятельностью автотрофов.

В результате восстановительная среда все больше заменялась на окислительную, в условиях которой становилось невозможным химическое образование углеродных соединений, а могло происходить лишь их разрушение. По-видимому, этот этап замены восстановительной среды на окислительную можно считать периодом перехода пробиосферы в биосферу с наличием присущих ей частей.

Важным этапом в развитии биосферы явилось возникновение такой ее части как почвенный покров. С возникновением почвы достаточно развитого профиля биосфера становится целостно завершенной системой, все части которой тесно взаимосвязаны и зависят друг от друга.

Рассмотрим характер взаимосвязи частей биосферы и их обусловленность в процессе развития.

Во всякой целостной системе выделяют следующие аспекты взаимодействия частей: координация, корреляция, субординация. Если понятие координации раскрывает характер взаимосвязи между частями целого, а понятие корреляции — характер изменения самих частей в ходе их взаимодействия, то понятие субординации раскрывает порядок взаимосвязи между частями целого. Все эти типы отношений мы находим и между частями биосферы. Зависимость частей системы складывается по мере их формирования и имеет исторический характер.

Биосферу можно представить как систему взаимосвязанных между собой биогеоценозов. Каждый из них относительно замкнут в себе, но в то же время связан обменными вихрями ато