Биосфера как глобальная централизованная кибернетическая система

В современном понимании биосфера Земли представляет собой глобальную открытую систему со своим «входом» и «выходом». Входом является потоки солнечной (поступающей из космоса) и химической (из литосферы) энергий, вовлекаемое в биогенный круговорот вещество, наличная внутренняя информация и поток внешней информации. При выходе из биосферы - рассеиваемая и излучаемая, преимущественно, тепловая энергия, уходящее из круговорота вещество, реорганизованная внутренняя информация и поток исходящей информации.

Биосфера, как кибернетическая система, обладает свойством саморегуляции. Одним из характерных особенностей биосферы является наличие озонового экрана (максимальная концентрация озона находится на высоте около 40-45 км), поглощающего губительные для живого вещества жесткие ультрафиолетовые лучи. Состав газовой оболочки планеты в целом, практически полностью, регулируется биотой. Процессы саморегуляции представлены и в мировом океане. Реки ежегодно вносят в него около 1,5 млн. т только карбоната кальция, а состав океанической воды существенно не меняется. Связано это со способностью многих организмов концентрировать и кристаллизовать в покровных образованиях, внешних и внутренних скелетах минеральные вещества, осаждающиеся, после их гибели, на дно океана и формирующих осадочные горные породы. Таким образом, саморегуляция биосферы Земли обеспечивается живыми организмами. Это позволяет считать биосферу централизованной кибернетической системой, то есть системой, в которой один из элементов или одна из подсистем играет главенствующую роль в функционировании системы в целом. Такой элемент называют ведущей частью системы, или ее центром. Живое вещество в биосфере и является ведущей частью.

В биосфере выделяют поля устойчивости жизни и поля существования жизни. Первое определяет условия, которые живое вещество выдерживает, не прекращая своих функций, а второе - условия, при которых живое вещество может увеличивать свою массу (через рост и размножение). Пределы (собственно) биосферы обусловлены полем существования жизни. и

Живые организмы являются структурными единицами живого вещества и активными элементами биосферы как системы. Они составляют неотъемлемую часть этой системы и выполняют в ней определенные функции. Живые организмы – это и аккумуляторы солнечной энергии, и трансформаторы для превращения ее в запасаемую химическую и выделяемую действующую энергию, и устройства, выполняющие работу, и хранители, преобразователи и передатчики информации. Живые организмы не изолированы от неорганического «косного» вещества; вместе с ним они образуют особые функциональные подсистемы, которые В.И. Вернадский назвал «биокосными». Это подсистемы биосферы, в которых живое и неживое вещество проникают друг в друга. Основные биокосные подсистемы – почвы, илы, водоемы.

Характерной особенностью биосферы является мозаичность ее строения. Жизнь, будучи организована в планетарном масштабе, функционирует в пределах структурных подразделений биосферы – биогеоценозов. Биогеоценоз – сообщество организмов, связанных с определенными почвенно-климатическими условиями. Сейчас термин приобрел более широкое значение: им обозначают не только наземные, но и «водные» сообщества, связанные с определенными физико-химическими условиями.

В структуре биогеоценоза выделяют два главных элемента: биоценоз – сообщество живых организмов и биотоп – территорию с однородными климатическими условиями, заселенную более или менее однородным составом организмов. Биоценоз можно условно разделить на более дробные структурные единицы, в соответствии с делением организмов на систематические группы: фитоценоз – сообщество растений; зооценоз – сообщество животных; орнитоценоз – сообщество птиц; энтомоценоз – сообщество насекомых и т.д. В биотопе также могут быть выделены более мелкие элементы, обладающие какими-либо специфическими условиями – стации. Например, в дубраве это кроны деревьев, стволы, полог леса, подстилка, гниющие стволы и пни, почва.

Каждый биогеоценоз характеризуется следующими основными показателями: видовое разнообразие; численность или плотность видовых популяций (общее число особей одного вида или число особей на единицу площади, объема); биомасса (общее количество органического вещества на единице площади); взаимоотношения между видами и взаимодействие между организмами и средой.

Для характеристики вещественных, энергетических и информационных процессов в биосфере используют особые, логические ее подразделения. Английским ученым А. Тэнсли они были названы экосистемами. Сейчас экосистему определяют как комплекс взаимосвязанных организмов разных видов и изменяемой ими абиотической среды, обладающий способностью к саморегуляции и полному самовозобновлению биоты (живой составляющей). В структуре экосистемы выделяются несколько функциональных блоков: ресурсная среда, продуценты, консументы нескольких последовательных порядков и редуценты. Значимыми характеристиками экосистемы являются структурная сложность, биологическая продуктивность (количество биомассы, образуемой за единицу времени), в том числе первичная продуктивность (продуктивность автотрофов) и вторичная продуктивность (продуктивность гетеротрофов), скорость и пути миграции химических элементов, веществ, интенсивность энергетического потока, накопление и расход энергии в отдельных блоках, некоторые другие.

Сопоставление содержания понятий «биогеоценоз» и «экосистема» показывает, что первое из них имеет отношение к конкретным структурно-функциональным подразделениям биосферы, а второе – к абстрактным моделям произвольно выделенных частей биосферы или биосферы в целом.

Биогеоценозы находятся в постоянном взаимодействии друг с другом, и все вместе организуют гигантский круговорот вещества в пределах биосферы. Основными элементами, участвующими в нем, являются водород, углерод, кислород, азот, калий, кальций, кремний, фосфор, сера, стронций, барий, цинк, молибден, медь и никель. Биогеохимический круговорот в биосфере не является замкнутым. Степень воспроизводства циклов достигает 90–98%. В масштабе геологического времени неполная замкнутость биогеохимических циклов приводит к разделению элементов и накоплению их в атмосфере, гидросфере или осадочной оболочке Земли. В свою очередь, для существования этого круговорота необходимо постоянное поступление углекислоты и других веществ из недр земли.

Непрерывному круговороту в биосфере подвергаются только вещества, в то время как в отношении энергии можно говорить лишь о направленном потоке. Поступающая в биосферу солнечная энергия частично расходуется на синтез органического вещества. Запасенная таким образом энергия, передаваясь с одного пищевого уровня на другой, постепенно рассеивается, совершая работу и выделяясь в виде тепла. После окончательного разложения органических остатков, энергия частично накапливается в земной коре в алюмосиликатах.

Обновление всего живого вещества биосферы Земли осуществляется, в среднем, за 8 лет. При этом вещество наземных растений обновляется примерно за 14 лет. В океане циркуляция вещества происходит быстрее: вся, биомасса обновляется, в среднем, за 33 дня, в то время как фитомасса - каждый день. Процесс полной смены вод в гидросфере осуществляется за 2800 лет. В атмосфере смена кислорода происходит за несколько тысяч лет, а углекислого газа - за 6,3 года.

Миграция химических элементов в биосфере осуществляется или при непосредственном участии живого вещества, или же она протекает в среде, геохимические особенности которой преимущественно обусловлены живым веществом в течение всей геологической истории. На миграцию элементов в биосфере влияют также и абиогенные факторы, однако, их роль второстепенна, по сравнению с суммарным влиянием живого вещества.

Вопросы для повторения

1. Дайте характеристику понятию «биосфера».

2. Опишите подразделения, параметры и структуру биосферы.

3. Дайте характеристику понятию «биокостное» вещество биосферы.

4. Живое и неживое вещество биосферы. Признаки живого вещества.

5. Раскройте функции живого вещества биосферы

6. Сравните понятия «биогеоценозы» и «экосистемы».