Большой (геологический) и малый (биогеохимические) круговорот веществ. Большая энциклопедия нефти и газа

Основой самоподдержания жизни на Земле являются биогеохимические круговороты . Все химические элементы, используемые в процессах жизнедеятельности организмов, со­вершают постоянные перемещения, переходя из живых тел в соединения неживой природы и обратно. Возможность много­кратного использования одних и тех же атомов делает жизнь на Земле практически вечной при условии постоянного прито­ка нужного количества энергии.

Типы круговоротов веществ. Биосфера Земли характеризу­ется определенным образом сложившимися круговоротом ве­ществ и потоком энергии.Круговорот веществ – многократ­ное участие веществ в процессах, протекающих в атмосфере, гидросфере и литосфере, в том числе в тех слоях, которые входят в состав биосферы Земли. Круговорот веществ осуществляется при непрерывном поступлении (потоке) внешней энергии Солнца и внутренней энергии Земли.

В зависимости от движущей силы, с определенной долей условности, внутри круговорота веществ можно выделить гео­логический, биологический и антропогенный круговороты. До возникновения человека на Земле осуществлялись только пер­вые два.

Геологический круговорот (большой круговорот веществ в при­роде) – круговорот веществ, движущей силой которого явля­ются экзогенные и эндогенные геологические процессы.

Эндогенные процессы (процессы внутренней динамики) про­исходят под влиянием внутренней энергии Земли. Это энер­гия, выделяющаяся в результате радиоактивного распада, хи­мических реакций образования минералов, кристаллизации горных пород и т. д. К эндогенным процессам относятся: тек­тонические движения, землетрясения, магматизм, метамор­физм. Экзогенные процессы (процессы внешней динамики) про­текают под влиянием внешней энергии Солнца. Экзогенные процессы включают выветривание горных пород и минера­лов, удаление продуктов разрушения с одних участков земной коры и перенос их на новые участки, отложение и накопле­ние продуктов разрушения с образованием осадочных пород. К экзогенным процессам относятся геологическая деятельность атмосферы, гидросферы (рек, временных водотоков, подзем­ных вод, морей и океанов, озер и болот, льда), а также живых организмов и человека.

Крупнейшие формы рельефа (материки и океанические впадины) и крупные формы (горы и равнины) образовались за счет эндогенных процессов, а средние и мелкие формы ре­льефа (речные долины, холмы, овраги, барханы и др.), нало­женные на более крупные формы, – за счет экзогенных про­цессов. Таким образом, эндогенные и экзогенные процессы противоположны по своему действию. Первые ведут к образо­ванию крупных форм рельефа, вторые – к их сглаживанию.

Магматические горные породы в результате выветривания преобразуются в осадочные. В подвижных зонах земной коры они погружаются вглубь Земли. Там под влиянием высоких температур и давлений они переплавляются и образуют маг­му, которая, поднимаясь на поверхность и застывая, образует магматические породы.

Таким образом, геологический круговорот веществ проте­кает без участия живых организмов и осуществляет перерасп­ределение вещества между биосферой и более глубокими сло­ями Земли.

Биологический (биогеохимический) круговорот (малый кру­говорот веществ в биосфере) – круговорот веществ, движущей силой которого является деятельность живых организмов. В отличие от большого геологического малый биогеохимичес­кий круговорот веществ совершается в пределах биосферы. Главным источником энергии круговорота является солнеч­ная радиация, которая порождает фотосинтез. В экосистеме органические вещества синтезируются автотрофами из неорганических веществ. Затем они потребляются гетеротрофами. В результате выделения в процессе жизнедеятельности или после гибели организмов (как автотрофов, так и гетеротрофов) органические вещества подвергаются минерализации, то есть превращению в неорганические вещества. Эти неоргани­ческие вещества могут быть вновь использованы для синтеза автотрофами органических веществ.

В биогеохимических круговоротах следует различать две части:

1) резервный фонд – это часть вещества, не связанная с жи­выми организмами;

2) обменный фонд – значительно меньшая часть вещества, которая связана прямым обменом между организмами и их непосредственным окружением. В зависимости от расположения резервного фонда биогео­химические круговороты можно разделить на два типа:

1) Круговороты газового типа с резервным фондом веществ в атмосфере и гидросфере (круговороты углерода, кис­лорода, азота).

2) Круговороты осадочного типа с резервным фондом в зем­ной коре (круговороты фосфора, кальция, железа и др.).

Круговороты газового типа более совершенны, так как обладают большим обменным фондом, а значит, способны к быстрой саморегуляции. Круговороты осадочного типа менее совершенны, они более инертны, так как основная масса ве­щества содержится в резервном фонде земной коры в «недо­ступном» живым организмам виде. Такие круговороты легко нарушаются от различного рода воздействий, и часть обмени­ваемого материала выходит из круговорота. Возвратиться опять в круговорот она может лишь в результате геологических про­цессов или путем извлечения живым веществом. Однако из­влечь нужные живым организмам вещества из земной коры гораздо сложнее, чем из атмосферы.

Интенсивность биологического круговорота в первую оче­редь определяется температурой окружающей среды и коли­чеством воды. Так, например, биологический круговорот ин­тенсивнее протекает во влажных тропических лесах, чем в тундре.

С появлением человека возник антропогенный круговорот, или обмен, веществ.Антропогенный круговорот (обмен) – круговорот (обмен) веществ, движущей силой которого яв­ляется деятельность человека. В нем можно выделить две со­ставляющие: биологическую, связанную с функционировани­ем человека как живого организма, и техническую, связан­ную с хозяйственной деятельностью людей (техногенный кру­говорот).

Геологический и биологический круговороты в значитель­ной степени замкнуты, чего нельзя сказать об антропогенном круговороте. Поэтому часто говорят не об антропогенном кру­говороте, а об антропогенном обмене веществ. Незамкнутость антропогенного круговорота веществ приводит к истощению природных ресурсов и загрязнению природной среды – основным причинам всех экологических проблем человечества.

Круговороты основных биогенных веществ и элементов. Рас­смотрим круговороты наиболее значимых для живых орга­низмов веществ и элементов. Круговорот воды относится к большому геологическому, а круговороты био­генных элементов (углерода, кислорода, азота, фосфора, серы и других биогенных элементов) – к малому биогеохимичес­кому.

Круговорот воды между сушей и океаном через атмосферу относится к большому геологическому круговороту. Вода ис­паряется с поверхности Мирового океана и либо переносится на сушу, где выпадает в виде осадков, которые вновь возвра­щаются в океан в виде поверхностного и подземного стока, либо выпадает в виде осадков на поверхность океана. В круго­вороте воды на Земле ежегодно участвует более 500 тыс. км 3 воды. Круговорот воды в целом играет основную роль в фор­мировании природных условий на нашей планете. С учетом транспирации воды растениями и поглощения ее в биогеохи­мическом цикле весь запас воды на Земле распадается и вос­станавливается за 2 млн. лет.

Круговорот углерода. Продуценты улавливают углекислый газ из атмосферы и переводят его в органические вещества, консументы поглощают углерод в виде органических веществ с телами продуцентов и консументов низших порядков, редуценты минерализуют органические вещества и возвращают углерод в атмосферу в виде углекислого газа. В Мировом оке­ане круговорот углерода усложнен тем, что часть углерода, содержащегося в мертвых организмах, опускается на дно и накапливается в осадочных породах. Эта часть углерода вык­лючается из биологического круговорота и поступает в геоло­гический круговорот веществ.

Главным резервуаром биологически связанного углерода являются леса, они содержат до 500 млрд. т этого элемента,чтосоставляет 2/3 его запаса в атмосфере. Вмешательство челове­ка в круговорот углерода (сжигание угля, нефти, газа, дегумификация) приводит к возрастанию содержания СО 2 в атмос­фере и развитию парникового эффекта.

Скорость круговорота СО 2 , то есть время, за которое весь углекислый газ атмосферы проходит через живое вещество, составляет около 300 лет.

Круговорот кислорода. Главным образом круговорот кисло­рода происходит между атмосферой и живыми организмами. В основном свободный кислород (0^) поступает в атмосферу в результате фотосинтеза зеленых растений, а потребляется в процессе дыхания животными, растениями и микроорганиз­мами и при минерализации органических остатков. Незначи­тельное количество кислорода образуется из воды и озона под воздействием ультрафиолетовой радиации. Большое количе­ство кислорода расходуется на окислительные процессы в зем­ной коре, при извержении вулканов и т.д. Основная доля кис­лорода продуцируется растениями суши – почти 3/4, осталь­ная часть – фотосинтезирующими организмами Мирового океана. Скорость круговорота – около 2 тыс. лет.

Установлено, что на промышленные и бытовые нужды еже­годно расходуется 23% кислорода, который образуется в про­цессе фотосинтеза, и эта цифра постоянно возрастает.

Круговорот азота. Запас азота (N 2) в атмосфере огромен (78% от ее объема). Однако растения поглощать свободный азот не могут, а только в связанной форме, в основном в виде NН 4 + или NО 3 – . Свободный азот из атмосферы связывают азотфиксирующие бактерии и переводят его в доступные растени­ям формы. В растениях азот закрепляется в органическом ве­ществе (в белках, нуклеиновых кислотах и пр.) и передается по цепям питания. После отмирания живых организмов реду­центы минерализуют органические вещества и превращают их в аммонийные соединения, нитраты, нитриты, а также в сво­бодный азот, который возвращается в атмосферу.

Нитраты и нитриты хорошо растворимы в воде и могут миг­рировать в подземные воды и растения и передаваться по пи­щевым цепям. Если их количество излишне велико, что часто наблюдается при неправильном применении азотных удобре­ний, то происходит загрязнение вод и продуктов питания, и вызывает заболевания человека.

Круговорот фосфора. Основная масса фосфора содержится в горных породах, образовавшихся в прошлые геологические эпохи. В биогеохимический круговорот фосфор включается в результате процессов выветривания горных пород. В наземных экосистемах растения извлекают фосфор из почвы (в основном в форме РО 4 3–) и включают его в состав органических соединений (белков, нуклеиновых кислот, фосфолипидов и др.) или оставляют в неорганической форме. Да­лее фосфор передается по цепям питания. После отмирания живых организмов и с их выделениями фосфор возвращается в почву.

При неправильном применении фосфорных удобрений, водной и ветровой эрозии почв большие количества фосфора удаляются из почвы. С одной стороны, это приводит к пере­расходу фосфорных удобрений и истощению запасов фосфор­содержащих руд (фосфоритов, апатитов и др.). С другой сто­роны, поступление из почвы в водоемы больших количеств таких биогенных элементов, как фосфор, азот, сера и др., вы­зывает бурное развитие цианобактерий и других вод­ных растений («цветение» воды) и эвтрофикацию водоемов. Но большая часть фосфора уносится в море.

В водных экосистемах фосфор усваивается фитопланкто­ном и передается по трофической цепи вплоть до морских птиц. Их экскременты либо сразу попадают назад в море, либо сначала накапливаются на берегу, а затем все рав­но смываются в море. Из отмирающих морских животных, особенно рыб, фосфор снова попадает в море и в круговорот, но часть скелетов рыб достигает больших глубин, и заключен­ный в них фосфор снова попадает в осадочные породы, то есть выключается из биогеохимического круговорота.

Круговорот серы. Основной резервный фонд серы находит­ся в отложениях и почве, но в отличие от фосфора имеется резервный фонд и в атмосфере. Главная роль в вовлечении серы в биогеохимический круговорот принадлежит микроор­ганизмам. Одни из них восстановители, другие – окислители.

В горных породах сера встречается в виде сульфидов (FeS 2 и др.), в растворах – в форме иона (SO 4 2–), в газообразной фазе в виде сероводорода (Н 2 S) или сернистого газа (SО 2). В некоторых организмах сера накапливается в чистом виде и при их отмирании на дне морей образуются залежи само­родной серы.

В наземных экосистемах сера поступает в растения из по­чвы в основном в виде сульфатов. В живых организмах сера содержится в белках, в виде ионов и т.д. После гибели живых организмов часть серы восстанавливается в почве микроорга­низмами до Н 2 S, другая часть окисляется до сульфатов и вновь включается в круговорот. Образовавшийся сероводород уле­тучивается в атмосферу, там окисляется и возвращается в по­чву с осадками.

Сжигание человеком ископаемого топлива (особенно угля), а также выбросы химической промышленности, приводят к накоплению в атмосфере сернистого газа (SO 2), который реа­гируя с парами воды, выпадает на землю в виде кислотных дождей.

Биогеохимические циклы не столь масштабны как геоло­гические и в значительно степени подвержены влиянию чело­века. Хозяйственная деятельность нарушает их замкнутость, они становятся ацикличными.

Большой круговорот веществ в природе обусловлен взаимодействием солнечной энергии с глубинной энерги­ей Земли и осуществляет перераспределение вещества между биосферой и более глубокими горизонтами Земли.

Осадочные горные породы, образованные за счет выветривания магматических пород, в подвижных зонах земной коры вновь погру­жаются в зону высоких температур и давлений. Там они переплавля­ются и образуют магму - источник новых магматических пород. По­сле поднятия этих пород на земную поверхность и действия процессов выветривания вновь происходит трансформация их в новые осадоч­ные породы. Новый цикл круговорота не повторяет в точности ста­рый, а вносит что-то новое, что со временем приводит к весьма значи­тельным изменениям.

Движущей силой большого (геологического) круговорота являются экзогенные и эндогенные геологические процессы.

Эндогенные процессы (процессы внутренней динамики) происходят под влиянием внутренней энергии Земли, выделяющейся в результате радиоактивного распада, химических реакций образования минералов, кристаллизации горных пород и др. (например, тектонические движения, землетрясения, магматизм, метаморфизм).

Экзогенные процессы (процессы внешней динамики) протекают под влиянием внешней энергии Солнца. Примеры: выветривание горных пород и минералов, удаление продуктов разрушения с одних участков земной коры и перенос их на новые участки, отложение и накопление продуктов разрушения с образованием осадочных пород. К Экз.пр. относ. геологическая деятельность атмосферы, гидросферы, а также живых организмов и человека.

Крупнейшие формы рельефа (материки и океанические впадины) и крупные формы (горы и равнины) образовались за счет эндогенных процессов, а средние и мелкие формы рельефа (речные долины, холмы, овраги, барханы и др.), наложенные на более крупные формы – за счет экзогенных процессов. Таким образом, эндогенные и экзогенные процессы – противоположны. Первые ведут к образованию крупных форм рельефа, вторые к их сглаживанию.

Примеры геологического круговорота. Магматические горные породы в результате выветривания преобразуются в осадочные. В подвижных зонах земной коры они погружаются в глубь Земли. Там под влиянием высоких температур и давлений переплавляются и образуют магму, которая, поднимаясь на поверхность и, застывая, образует магматические породы.

Примером большого круговорота может служить и круговорот воды между сушей и океаном через атмосферу (рис. 2.1).

Рис. 2.1. Общепринятая схема гидрологического (климатического)

круговорота воды в природе

Влага, испарившаяся с поверхности Мирового океана (на что затрачивается почти половина поступающей к поверхности Земли солнечной энергии), переносится на сушу, где выпа­дает в виде осадков, которые вновь возвращаются в океан в виде по­верхностного и подземного стока. Круговорот воды происходит и по более простой схеме: испарение влаги с поверхности океана - конден­сация водяного пара - выпадение осадков на эту же водную поверх­ность океана.

Круговорот воды в целом играет основную роль в формировании природных условий на нашей планете. С учетом транспирации воды растениями и поглощения ее в биогеохимическом цикле весь запас воды на Земле распадается и восстанавливается за 2 млн лет.

Таким образом, геологический круговорот веществ протекает без участия живых организмов и осуществляет перераспределение вещества между биосферой и более глубокими слоями Земли.

Все вещества на планете находятся в процессе кругово­рота. Солнечная энергия вызывает на Земле два круговоро­та веществ: большой (геологический, биосферный) и малый (биологический).

Большой круговорот веществ в биосфере характеризует­ся двумя важными моментами: он осуществляется на про­тяжении всего геологического развития Земли и представ­ляет собой современный планетарный процесс, принимаю­щий ведущее участие в дальнейшем развитии биосферы.

Геологический круговорот связан с образованием и раз­рушением горных пород и последующим перемещением продуктов разрушения - обломочного материала и хими­ческих элементов. Значительную роль в этих процессах иг­рали и продолжают играть термические свойства поверх­ности суши и воды: поглощение и отражение солнечных лу­чей, теплопроводность и теплоемкость. Неустойчивый гид­ротермический режим поверхности Земли вместе с плане­тарной системой циркуляции атмосферы обусловливал гео­логический круговорот веществ, который на начальном этапе развития Земли, наряду с эндогенными процессами, был связан с формированием континентов, океанов и совре­менных геосфер. Со становлением биосферы в большой кру­говорот включились продукты жизнедеятельности орга­низмов. Геологический круговорот поставляет живым ор­ганизмам элементы питания и во многом определяет усло­вия их существования.

Главные химические элементы литосферы: кислород, кремний, алюминий, железо, магний, натрий, калий и дру­гие - участвуют в большом круговороте, проходя от глу­бинных частей верхней мантии до поверхности литосферы. Магматическая порода, возникшая при кристаллизации магмы, поступив на поверхность литосферы из глубин Зем­ли, подвергается разложению, выветриванию в области био­сферы. Продукты выветривания переходят в подвижное состояние, сносятся водами, ветром в пониженные места рельефа, попадают в реки, океан и образуют мощные толщи осадочных пород, которые со временем, погружаясь на глу­бину в областях с повышенной температурой и давлением, подвергаются метаморфозу, т. е. «переплавляются». При этой переплавке возникает новая метаморфическая порода, поступающая в верхние горизонты земной коры и вновь входящая в круговорот веществ (рис.).

Наиболее интенсивному и быстрому круговороту подвер­гаются легкоподвижные вещества - газы и природные во­ды, составляющие атмосферу и гидросферу планеты. Зна­чительно медленнее совершает круговорот материал литос­феры. В целом каждый круговорот любого химического элемента является частью общего большого круговорота ве­ществ на Земле, и все они тесно связаны между собой. Жи­вое вещество биосферы в этом круговороте выполняет ог­ромную работу по перераспределению химических элемен­тов, беспрерывно циркулирующих в биосфере, переходя из внешней среды в организмы и снова во внешнюю среду.

Малый, или биологический, круговорот веществ - это

циркуляция веществ между растениями, животными, гриба­ми, микроорганизмами и почвой. Суть биологического круго­ворота заключается в протекании двух противоположных, но взаимосвязанных процессов - создания органических ве­ществ и их разрушения. Начальный этап возникновения ор­ганических веществ обусловлен фотосинтезом зеленых расте­ний, т. е. образованием живого вещества из углекислого газа, воды и простых минеральных соединений с использованием энергии Солнца. Растения (продуценты) извлекают из почвы в растворе молекулы серы, фосфора, кальция, калия, маг­ния, марганца, кремния, алюминия, цинка, меди и других элементов. Растительноядные животные (консументы I по­рядка) поглощают соединения этих элементов уже в виде пи­щи растительного происхождения. Хищники (консументы II порядка) питаются растительноядными животными, потреб­ляя пищу более сложного состава, включающую белки, жи­ры, аминокислоты и другие вещества. В процессе разруше­ния микроорганизмами (редуцентами) органических ве­ществ отмерших растений и останков животных, в почву и водную среду поступают простые минеральные соединения, доступные для усвоения растениям, и начинается следую­щий виток биологического круговорота (рис. 33).

Возникновение и развитие ноосферы

Эволюция органического мира на Земле прошла несколько этапов.Первый –связан с возникновением биологического круговорота веществ в биосфере. Второй- сопровождался формированием многоклеточных организмов. Эти два этапа называют биогенезом.Третий этап связан с появлением человеческого общества, под влиянием которого в современных условиях происходит эволюция биосферы и превращение ее в сферу разума-ноосферу(от гр.-разум,-шар). Ноосфера- новое состояние биосферы, когда разумная деятельность человека становится главным фактором, обуславливающим ее развитие. Термин «»ноосфера» был введен Э. Леруа. В. И. Вернадский углубил и развил учение о ноосфере. Он писал: «Ноосфера есть новое геологическое явление на нашей планете.В ней человек становится крупной геологической силой». В. И. Вернадский выделил необходимые предпосылки для создания ноосферы:1.Человечество стало единым целым.2.Возможность мгновенного обмена информацией.3.Реальное равенство людей.4.Рост общего уровня жизни.5.Использование новых видов энергии. 6.Исключение войн из жизни общества. Создание этих предпосылок становится возможным в результате взрыва научной мысли в ХХ веке.

Тема – 6. Природа – человек: системный подход. Цель лекции: Сформировать целостное представление о системных постулатах экологии.

Основные вопросы:1.Понятие о системе и о сложных биосистемах.2.Особенности биологических систем.3.Системные постулаты: закон всеобщей связи, экологические законы Б. Коммонера, Закон больших чисел, Принцип Ле Шателье, Закон обратной связи в природе и закон константности количества живого вещества.4.Модели взаимодействий в системах «природа- человек» и « человек-экономика-биота-среда».

Экологическая система – главный объект экологии. Экология по своей сущности системна и в теоретическом облике близка к общей теории систем. Согласно общей теории систем система- это реальная или мыслимая совокупность частей, целостные свойства которой определяются взаимодействием между частями (элементами) системы. В реальной жизни,систему определяют как совокуность объектов, объединенных некоторой формой регулярного взаимодействий или взаимозависимости для выполнения заданной функции. В материальном существуют определенные иерархии-упорядоченные последовательности пространственно-временного соподчинения и усложнения систем. Все многообразия нашего мира представить в виде трех последовательно возникших иерархий. Это основная,природная, физико- химико- биологическая(Ф,Х,Б) иерархия и побочные две, возникшие на ее основе, социальная (С) и техническая (Т) иерархии. Существование последних по совокупно­сти обратных связей определенным образом влияет на основную иерархию. Объединение систем из разных иерархий приводит к «смешанным» классам систем. Так, объединение систем из физико-химической части иерархии (Ф, X - «среда») с живыми системами биологической части иерархии (Б - «биота») приводит к смешан­ному классу систем, называемых экологическими. А объединение систем из иерархий С

(«человек») и Т («техника») приводит к клас­су хозяйственных, или технико-экономических, систем.

Рис. . Иерархии материальных систем:

Ф, X - физико-химическая, Б - биологическая, С - социальная, Т - техническая

Должно быть понятно, что отображенное на схеме воздействие человеческого общества на природу, опосредованное техникой и технологиями (техногенез), относится ко всей иерархии природных систем: нижняя ветвь - к абиотической среде, верхняя - к биоте биосферы. Ниже будет рассмотрена сопряженность экологических и технико-экономических сторон этого взаимодействия.

Всем системам присущи некоторые общие свойства:

1. Каждая система имеет определенную структуру, определяе­мую формой пространственно-временных связей или взаимодейст вий между элементами системы. Структурная упорядоченность сама по себе не определяет организацию системы. Систему можно на­звать организованной, если ее существование либо необходимо для поддержания некоторой функциональной (выполняющей опреде­ленную работу) структуры, либо, напротив, зависит от деятельности такой структуры.

2. Согласно принципу необходимого разнообразия система не мо­жет состоять из идентичных элементов, лишенных индивидуально­сти. Нижний предел разнообразия - не менее двух элементов (про­тон и электрон, белок и нуклеиновая кислота, «он» и «она»), верх­ний - бесконечность. Разнообразие - важнейшая информацион­ная характеристика системы. Оно отличается от числа разновидно­стей элементов и может быть измерено.3.Свойства системы невозможно постичь лишь на основании свойств ее частей. Решающее значение имеет именно взаимодейст­вие между элементами. По отдельным деталям машины перед сбор­кой нельзя судить о ее действии. Изучая по отдельности некоторые формы грибов и водорослей, нельзя предсказать существование их симбиоза в виде лишайника. Совместное действие двух или более различных факторов на организм почти всегда отличается от суммы их раздельных эффектов. Степень несводимости свойств системы к сумме свойств отдельных элементов, из которых она состоит, опре­деляет эмерджентность системы.

4.Выделение системы делит ее мир на две части - саму систе­му и ее среду. В зависимости от наличия (отсутствия) обмена веще­ством, энергией и информацией со средой принципиально возмож­ны: изолированные системы (никакой обмен невозможен); замкну­тые системы (невозможен обмен веществом); открытые системы(возможен обмен веществом и энергией). Обмен энергии определя­ет обмен информацией. В живой природе существуют только от­крытые динамические системы, между внутренними элементами ко­торых и элементами среды осуществляются переносы вещества, энергии и информации. Любая живая система - от вируса до биосферы - представляет собой открытую динамическую систему.

5. Преобладание внутренних взаимодействий в системе над внешними и лабильность системы по отношению к внешним воз­
действиям определяют ее способность к самосохранению благодаря качествам организованности, выносливости и устойчивости. Внеш­нее воздействие на систему, превосходящее силу и гибкость еевнутренних взаимодействий, приводит к необратимым изменениям
и гибели системы. Устойчивость динамической системы поддержи­вается непрерывно выполняемой ею внешней циклической работой. Для этого необходимы поток и преобразование энергии в сие. теме. Вероятность достижения главной цели системы - самосохранения (в том числе и путем самовоспроизведения) определяется кaк ее потенциальная эффективность.

6. Действие системы во времени называют ее поведением. Вызванное внешним фактором изменение поведения обозначают как реакцию системы, а изменение реакции системы, связанное с изменением структуры и направленное на стабилизацию поведения, -.как ее приспособление, или адаптацию. Закрепление адаптивных изменений структуры и связей системы во времени, при котором ее потенциальная эффективность увеличивается, рассматривается кaк развитие, или эволюция, системы. Возникновение и существование всех материальных систем в природе обусловлено эволюцией. Динамические системы эволюционируют в направлении от более вероятной к менее вероятной организации, т.е. развитие идет по пути усложнения организации и образования подсистем в структуре системы. В природе все формы поведения систем - от элементарной реакции до глобальной эволюции - существенно нелинейны. Важной особенностью эволюции сложных систем является
неравномерность, отсутствие монотонности. Периоды постепенного накопления незначительных изменений иногда прерываются резкими качественными скачками, существенно меняющими свойства системы. Обычно они связаны с так называемыми точками бифуркации - раздвоением, расщеплением прежнего пути эволюции. 0т выбора того или иного продолжения пути в точке бифуркации очень многое зависит, вплоть до появления и процветания нового мира частиц, веществ, организмов, социумов или, наоборот, гибели системы. Даже для решающих систем результат выбора часто непредсказуем, а сам выбор в точке бифуркации может быть обусловлен случайным импульсом. Любая реальная система может быть представлена в виде некоторого материального подобия или знакового образа, т.е. соответственно аналоговой или знаковой моделью системы. Моделирование неизбежно сопровождается некоторым упрощением и формализацией взаимосвязей в системе. Эта формализация может быть
осуществлена в виде логических (причинно-следственных) и/или математических (функциональных) отношений.По мере возрастания сложности систем у них появляются новые эмерджентные качества. При этом сохраняются качества более простых систем. Поэтому общее разнообразие качеств системы возрастает по мере ее усложнения (рис. 2.2).

Рис. 2.2. Закономерности изменений свойств иерархий систем с повышением их уровня (по Флейшману, 1982):

1 - разнообразие, 2 - устойчивость, 3 - эмерджентность, 4 - сложность, 5 - неидентичность, 6 - распространенность

В порядке возрастания активности по отношению к внешним воз­действиям качества системы могут быть упорядочены в следующей последовательности: 1 - устойчивость, 2 - надежность, обусловлен­ная информированностью о среде (помехоустойчивость), 3 - управляемость, 4 - самоорганизация. В этом ряду каждое последующее ка­чество имеет смысл при наличии предыдущего.

Пар Сложность структуры системы опреде­ляется числом п ее элементов и числом т

связей между ними. Если в какой-либо системе исследуется число частных дискретных состояний, то сложность системы С определя­ется логарифмом числа связей:

C=lgm. (2.1)

Системы условно классифицируются по сложности следующим образом: 1) системы, имеющие до тысячи состояний (О <С < 3), относятся к простым; 2) системы, имеющие до миллиона состояний (3 < С < 6), являют собой сложные системы; 3) системы с числом состояний свыше миллиона (С > 6) идентифицируются как очень сложные.

Все реальные природные биосистемы очень сложны. Даже в структуре единичного вируса число биологически значимых моле­кулярных состояний превышает последнее значение.

Все вещества на нашей планете находятся в процессе круговорота. Солнечная энергия вызывает на Земле два круговорота веществ:

1) Большой (геологический или абиотический);

2) Малый (биотический, биогенный или биологический).

Круговороты веществ и потоки космической энергии создают устойчивость биосферы. Круговорот твердого вещества и воды, происходящий в результате действия абиотических факторов (неживой природы), называют большим геологическим круговоротом. При большом геологическом круговороте (протекает миллионы лет) горные породы разрушаются, выветриваются, вещества растворяются и попадают в Мировой океан; протекают геотектонические изменения, опускание материков, поднятие морского дна. Время круговорота воды в ледниках 8 000 лет, в реках - 11 дней. Именно большой круговорот поставляет живым организмам элементы питания и во многом определяет условия их существования.

Большой, геологический круговорот в биосфере характеризуется двумя важными моментами:

а) осуществляется на протяжении всего геологического развития Земли;

б) представляет собой современный планетарный процесс, принимающий ведущее участие в дальнейшем развитии биосферы.

На современном этапе развития человечества в результате большого круговорота на большие расстояния переносятся также загрязняющие вещества - оксиды серы и азота, пыль, радиоактивные примеси. Наибольшему загрязнению подверглись территории умеренных широт Северного полушария.

Малый, биогенный или биологический круговорот веществ происходит в твердой, жидкой и газообразных фазах при участии живых организмов. Биологический круговорот в противоположность геологическому требует меньших затрат энергии. Малый круговорот является частью большого, происходит на уровне биогеоценозов (внутри экосистем) и заключается в том, что питательные вещества почвы, вода, углерод аккумулируются в веществе растений, расходуются на построение тела. Продукты распада органического вещества разлагаются до минеральных компонентов. Малый круговорот незамкнут , что связано с поступлением веществ и энергии в экосистему извне и с выходом части их в биосферный круговорот.

В большом и малом круговоротах участвует множество химических элементов и их соединений, но важнейшими из них являются те, которые определяют современный этап развития биосферы, связанный с хозяйственной деятельностью человека. К ним относятся круговороты углерода, серы и азота (их оксиды - главнейшие загрязнители атмосферы ), а также фосфора (фосфаты -главный загрязнитель материковых вод) . Практически все загрязняющие вещества выступают как вредные, и их относят к группе ксенобиотиков.

В настоящее время большое значение имеют круговороты ксенобиотиков - токсичных элементов - ртути (загрязнитель пищевых продуктов) и свинца (компонент бензина) . Кроме того, из большого круговорота в малый поступают многие вещества антропогенного происхождения (ДДТ, пестициды, радионуклиды и др.), которые причиняют вред биоте и здоровью человека.

Суть биологического круговорота заключается в протекании двух противоположных, но взаимосвязанных процессов - созидания органического вещества и его разрушения живым веществом.

В отличие от большого круговорота малый имеет разную продолжительность: различают сезонные, годовые, многолетние и вековые малые круговороты .

Круговорот химических веществ из неорганической среды через растительность и животных обратно в неорганическую среду с использованием солнечной энергии химических реакций называется биогеохимическим циклом .

Настоящее и будущее нашей планеты зависит от участия живых организмов в функционировании биосферы. В круговороте веществ живое вещество, или биомасса, выполняет биогеохимические функции: газовую, концентрационную, окислительно-восстановительную и биохимическую.

Биологический круговорот происходит при участии живых организмов и заключается в воспроизводстве органического вещества из неорганического и разложении этого органического до неорганического посредством пищевой трофической цепи. Интенсивность продукционных и деструкционных процессов в биологическом круговороте зависит от количества тепла и влаги. Например, низкая скорость разложения органического вещества полярных районов зависит от дефицита тепла.

Важным показателем интенсивности биологического круговорота является скорость обращения химических элементов. Интенсивность характеризуется индексом , равным отношению массы лесной подстилки к опаду. Чем больше индекс, тем меньше интенсивность круговорота.

Индекс в хвойных лесах - 10 - 17; широколиственных 3 - 4; саванне не более 0,2; влажных тропических лесах не более 0,1 , т.е. здесь биологический круговорот наиболее интенсивный.

Поток элементов (азота, фосфора, серы) через микроорганизмы на порядок выше, чем через растения и животных. Биологический круговорот не является полностью обратимым, он тесно связан с биогеохимическим круговоротом. Химические элементы циркулируют в биосфере по различным путям биологического круговорота:

поглощаются живым веществом и заряжаются энергией;

покидают живое вещество, выделяя энергию во внешнюю среду.

Эти циклы бывают двух типов: круговорот газообразных веществ; осадочный цикл (резерв в земной коре).

Сами круговороты состоят из двух частей:

- резервного фонда (это часть вещества, не связанная с живыми организмами);

- подвижного (обменного) фонда (меньшая часть вещества, связанная с прямым обменом между организмами и их непосредственным окружением).

Круговороты делят на:

Круговороты газового типа с резервным фондом в земной коре (круговороты углерода, кислорода, азота) - способны к быстрой саморегуляции;

Круговороты осадочного типа с резервным фондом в земной коре (круговороты фосфора, кальция, железа и др.) - более инертны, основная масса вещества находится в «недоступном» живым организмам виде.

Круговороты также можно разделить на:

- замкнутые (круговорот газообразных веществ, например, кислорода, углерода и азота - резерв в атмосфере и гидросфере океана, поэтому нехватка быстро компенсируется);

- незамкнутые (создающие резервный фонд в земной коре, например, фосфор - поэтому потери плохо компенсируются, т.е. создается дефицит).

Энергетической основой существования биологических круговоротов на Земле и их начальным звеном является процесс фотосинтеза. Каждый новый цикл круговорота не является точным повторением предыдущего. Например, в ходе эволюции биосферы часть процессов имела необратимый характер, в результате чего происходило образование и накопление биогенных осадков, увеличение количества кислорода в атмосфере, изменение количественных соотношений изотопов ряда элементов и т.д.

Циркуляцию веществ принято называть биогеохимическими циклами . Основные биогеохимические (биосферные) циклы веществ: цикл воды, цикл кислорода, цикл азота (участие бактерий-азотфиксаторов), цикл углерода (участие аэробных бактерий; ежегодно около 130 т углерода сбрасывается в геологический цикл), цикл фосфора (участие почвенных бактерий; ежегодно в океаны вымывается 14 млн.т фосфора), цикл серы, цикл катионов металлов.

В природе существует два основных круговорота веществ: большой (геологический) и малый (биогеохимический).

Геологический - большой круговорот веществ (Приложение А), обусловлен, взаимодействием солнечной энергии с глубинной энергией Земли и осуществляет перераспределение вещества между биосферой и более глубокими горизонтами Земли. Осадочные горные породы, образованные за счет выветривания магматических пород, в подвижных зонах земной коры вновь погружаются в зону высоких температур и давлений. Там они переплавляются и образуют магму - источник новых магматических пород. После поднятия этих пород на земную поверхность, и действия процессов выветривания вновь происходит трансформация их в новые осадочные породы. Символом круговорота веществ является спираль, а не круг. Это означает, что новый цикл круговорота не повторяет в точности старый, а вносит что-то новое, что со временем приводит к весьма значительным изменениям.

Большой круговорот - это и круговорот воды между сушей и океаном через атмосферу. Влага, испарившаяся с поверхности Мирового океана, переносится на сушу, где выпадает в виде осадков, которые вновь возвращаются в океан в виде поверхностного и подземного стока.

Круговорот воды происходит и по более простой схеме: испарение влаги с поверхности океана -- конденсация водяного пара -- выпадение осадков на эту же водную поверхность океана.

Подсчитано, что в круговороте воды на Земле ежегодно участвует более 500 тыс. км3 воды. Круговорот воды в целом играет основную роль в формировании природных условий на нашей планете. С учетом транспирации воды растениями, и поглощения ее в биогеохимическом цикле, весь запас воды на Земле распадается и восстанавливается за 2 миллиона лет.

Малый круговорот веществ в биосфере (биогеохимический) (Приложение Б). В отличие от большого круговорота, совершается лишь в пределах биосферы. Сущность его в образовании живого вещества из неорганических соединений в процессе фотосинтеза и в превращении органического вещества при разложении вновь в неорганические соединения. Этот круговорот для жизни биосферы -- главный, и он сам является порождением жизни. Изменяясь, рождаясь и умирая, живое вещество поддерживает жизнь на нашей планете, обеспечивая биогеохимический круговорот веществ. Главным источником энергии круговорота является солнечная радиация, которая порождает фотосинтез. Эта энергия довольно неравномерно распределяется по поверхности земного шара. Например, на экваторе количество тепла, приходящееся на единицу площади, в три раза больше, чем на архипелаге Шпицберген (80°с.ш). Кроме того, она теряется путем отражения, поглощается почвой, расходуется на транспирацию воды. Как мы уже отмечали, на фотосинтез тратится не более 5% от всей энергии, но чаще всего 2--3 %.

В ряде экосистем перенос вещества и энергии осуществляется преимущественно посредством трофических цепей.

Такой круговорот обычно называют биологическим . Он предполагает замкнутый цикл веществ, многократно используемый трофической цепью. Он имеется в водных экосистемах, особенно в планктоне с его интенсивным метаболизмом, но не в наземных экосистемах, за исключением дождевых тропических лесов, где может быть обеспечена передача питательных веществ "от растения к растению", корни которых на поверхности почвы.

Однако в масштабах всей биосферы такой круговорот невозможен. Здесь действует биогеохимический круговорот, представляющий собой обмен макро- и микроэлементов и простых неорганических веществ с веществом атмосферы, гидросферы и литосферы.

Круговорот отдельных веществ - В.И. Вернадский назвал биогеохимическими циклами. Главное в том, что химические элементы, поглощенные организмом, впоследствии его покидают, уходя в абиотическую среду, затем, через какое-то время, снова попадают в живой организм. Такие элементы называют биофилъными. Этими циклами и круговоротом в целом обеспечиваются важнейшие функции живого вещества в биосфере. В. И. Вернадский выделяет пять таких функций:

- первая функция - газовая - основные газы атмосферы Земли, азот и кислород, биогенного происхождения, как и все подземные газы - продукт разложения отмершей органики;

- вторая функция - концентрационная - организмы накапливают в своих телах многие химические элементы, среди которых на первом месте стоит углерод, среди металлов - первый кальций, концентраторами кремния являются диатомовые водоросли, йода - водоросли (ламинария), фосфора - скелеты позвоночных животных;

- третья функция - окислительно-восстановительная - организмы, обитающие в водоемах, регулируют кислородный режим и создают условия для растворения или же осаждения ряда металлов (V, Mn, Fe) и неметаллов (S) с переменной валентностью;

- четвертая функция - биохимическая -размножение, рост и перемещение в пространстве ("расползание") живого вещества;

- пятая функция - биогеохимическая деятельность человека - охватывает все разрастающееся количество веществ земной коры.

Следовательно, следует отметить лишь один-единственный на Земле процесс, который не тратит, а, наоборот, связывает солнечную энергию и даже накапливает ее -- это создание органического вещества в результате фотосинтеза. В связывании и запасании солнечной энергии и заключается основная планетарная функция круговорота веществ на Земле.