Московский государственный университет печати

Горбачев В.В.


         

Концепции современного естествознания. В 2 ч.

Учебное пособие


Горбачев В.В.
Концепции современного естествознания. В 2 ч.
Начало
Печатный оригинал
Об электронном издании
Оглавление
1.

Часть I

Предисловие

1.1.

Введение

1.1.1.

Этапы развития и становления естествознания

1.1.2.

Общие проблемы естествознания на пути познания Мира

1.2.

Механика дискретных объектов

1.3.

Физика полей

1.4.

Теория относительности Эйнштейна - мост между механикой и электромагнетизмом

1.4.1.

Физические начала специальной теории относительности

1.4.2.

Общая теория относительности

1.5.

Основы квантовой механики и квантовой электродинамики

1.6.

Физика Вселенной

1.6.1.

Модели происхождения Вселенной

1.6.2.

Современные модели элементарных частиц как первоосновы строения материи Вселенной

1.6.3.

Фундаментальные взаимодействия и их мировые константы

1.6.4.

Модель единого физического поля и многомерность пространства-времени

1.6.5.

Устойчивость Вселенной и антропный принцип

1.6.6.

Ньютоновская модель развития Вселенной

1.6.7.

Антивещество во Вселенной и антигалактики

1.6.8.

Механизм образования и эволюции звезд

1.7.

Проблема «порядок-беспорядок» в природе и обществе

1.8.

Симметрия и асимметрия в их различных физических проявлениях

1.9.

Современная естественнонаучная картина мира с точки зрения физики

2.

Часть II. Физика живого

Введение

2.1.

От физики существующего к физике возникающего

2.1.1.

Термодинамические особенности живых систем

2.1.2.

Энергетический подход к описанию живого

2.1.3.

Уровни организации живых систем и системный подход к эволюции живого

2.1.4.

Физическая интерпретация биологических законов

2.1.5.

Пространство и время для живых организмов

2.1.6.

Энтропия и информация в живых системах

2.2.

Физические аспекты и принципы

2.2.1.

От атомов к протожизни

2.2.2.

Химические процессы и молекулярная самоорганизация

2.2.3.

Биохимические составляющие живого вещества

2.2.4.

Клетка как «элементарная частица» молекулярной биологии

2.2.5.

Роль асимметрии в возникновении живого

2.3.

Физические принципы воспроизводства и развития живых систем

2.3.1.

Информационные молекулы наследственности

2.3.2.

Воспроизводство и наследование признаков

2.3.3.

Процессы мутагенеза и передача наследственной информации

2.3.4.

Матричный принцип синтеза информационных макромолекул и молекулярная генетика

2.4.

Физическое понимание эволюционного и индивидуального развития организмов

2.4.1.

Онтогенез и филогенез. Онтогенетический и популяционный уровни организации жизни

2.4.2.

Физическое представление эволюции. Синтетическая теория эволюции

2.4.3.

Аксиомы биологии

2.4.4.

Признаки живого и определения жизни

2.4.5.

Физическая модель демографического развития С.П. Капицы

2.5.

Физические и информационные поля биологических структур

2.5.1.

Физические поля и излучения функционирующего организма человека

2.5.2.

Механизм взаимодействия излучений человека и окружающей среды и возможности медицинской диагностики и лечения

2.5.3.

Устройство памяти. Воспроизводство и передача информации в организме

2.6.

Физические аспекты биосферы и основы экологии

2.6.1.

Структурная организованность биосферы

2.6.2.

Биогеохимические принципы В.И. Вернадского и живое вещество

2.6.3.

Физические аспекты эволюции биосферы и переход к ноосфере

2.6.4.

Физические факторы влияния Космоса на земные процессы

2.6.5.

Физические основы экологии

2.6.6.

Принципы устойчивого развития

Контрольные вопросы

Литература

Темы курсовых работ, рефератов и докладов

Вопросы к зачету и экзамену

Словарь терминов

Указатели
690   именной указатель
3016   предметный указатель
58   указатель иллюстраций
Рис. 2.6.1. Распределение солнечной энергии, поступающей на Землю Рис. 1.7.2. Бифуркационная диаграмма Рис. 2.6.2. Общая схема солнечно-земных связей Рис. 2.6.3. Взаимодействие заряженных частиц от Солнца с магнитным полем Земли

Самое плохое в жизни - то,
что она проходит.

Эмиль Кроткий


Про зыбкий образ мира вопрошаешь -
Узнать ты слишком много замышляешь,
Из бездны океана он возник
И в бездну канет вновь, ужель не знаешь.

Омар Хайям

Существование всех живых организмов на Земле неразрывно связано с Окружающая средаокружающей средой. Растения и животные находятся не только в тесной зависимости от неживой природы и от других организмов, испытывая их воздействие и приспосабливаясь к ним, но и, потребляя разнообразные продукты окружающей среды, сами преобразуют природу. Потребляемые вещества, необходимые для жизни, называются Биогены биогенами. К ним относятся химические вещества, абсолютно необходимые для существования живых организмов и входящие в их состав (молекулы кислорода, азота, углерода и т.д.), вещества, возникшие в результате разложения остатков организмов, но еще не полностью минерализованные, вещества, образуемые растениями (например, лук, чеснок, хрен, так называемые Фитонциды фитонциды) и животными организмами и связанные с их жизнедеятельностью, а также вещества, которые оказывают стимулирующее действие на организмы (Биогенныйбиогенные стимуляторы). К Абиотический абиотическим компонентам окружающей среды, необходимым для существования живой природы, относятся атмосфера, почва, вода, солнечная энергия, воздействие радиации, электромагнитных и тепловых полей, т.е. такие условия воздействия окружающей среды, в которых живые организмы возникли и могут существовать.

В процессе исторического развития и Естественный отборестественного отбора под влиянием конкретных природных факторов сложились различные группы организмов - сообщества, взаимодействующие со своей средой обитания и находящиеся в органическом единстве, образуя целостную динамическую систему. Такие сообщества организмов получили название биоценозов. Таким образом, биоценоз - это совокупность растений, животных, грибов и микроорганизмов, населяющих участки суши или водоемов с более или менее однородными условиями существования, характеризующихся определенными взаимосвязями между собой, которую можно рассматривать как элементарную экологическую нишу. Биоценоз представляет собой целостную с сильной связью между внутренними элементами, но открытую систему, находящуюся в условиях вдали от равновесия. На такую неустойчивую и самоорганизующуюся систему существенно влияют слабые воздействия, которые могут создавать в ней согласованное, кооперативное поведение подсистем различных типов - отдельных особей, видов, Популяцияпопуляций. В результате согласованного взаимодействия подсистем происходят процессы упорядочения и возникновения из хаоса определенных структур, их изменение и усложнение. Как следует из синергетического метода изучения сложных самоорганизующихся систем, чем больше отклонение от равновесия, тем выше взаимосвязь и единство процессов, протекающих в отдаленных областях и не связанных друг с другом.

Наличие неустойчивостей увеличивает роль внешних воздействий, и даже очень малое воздействие может привести к значительным последствиям. Наглядный, хотя и несколько необычный пример такого слабого воздействия неустойчивости, возникшей при изменении начальных условий, приводит в своей отличной книге «Колебания и волны для гуманитариев», написанной в хорошем классическом научно-популярном жанре, академик Трубецков Д.И.Д.И. Трубецков, описывая ситуацию из фантастического рассказа Брэдбери «И грянул гром»: «Некая фирма организует сафари в прошлом. Там проложена тропа, с которой нельзя сходить, чтобы не изменить условий в прошлом, и которые являются начальными для настоящего. Однако один из охотников по трусости сходит с тропы и нечаянно раздавливает маленькую желтую бабочку. Начальные условия изменились... Экспедиция возвращается в настоящее, и ее члены видят, что изменился алфавит, избран другой президент, более того, у людей изменился цвет лица, разрез глаз, т.е. произошли изменения на генетическом уровне. Малое изменение начальных условий (раздавлена бабочка) привело к серьезным изменениям за конечное время».

В связи с этими «путешествиями» во времени можно заметить еще раз, что в рамках Синергетикасинергетики имеются представления [ссылка на источники литературы] о том, что будущее состояние системы (среды) формирует и изменяет и ее настоящее. Будущее, по терминологии Курдюмов С.П.С.П. Курдюмова и Князева Е.Н.Е.Н. Князевой, «временит» настоящее, организует его. Если мы знаем (или предполагаем), к чему придет система в будущем, то в настоящем должны быть ростки или условия этого будущего. И в этом также проявляется целевая функция живого и его память - факторы, которые не учитывала классическая физика.

Можно выделить также отдельно участки земной поверхности с определенными природно-климатическими условиями, которые будут характеризовать Географическая средагеографическую среду обитания живых организмов. Они называются Геоценоз геоценозами. Как Биоценозбиоценозы, так и геоценозы входят в качестве составных частей в более сложную, но также целостную систему, которую наш соотечественник академик Сукачев В.Н.В.Н. Сукачев назвал Биогеоценоз биогеоценозом. Примерами биогеоценозов являются водоемы (океаны, моря, реки, озера) и лесные массивы со всеми их обитателями. С точки зрения уровней организации живого биогеоценоз является элементарной единицей биогеоценотического уровня организации жизни на Земле, а составной частью биоценоза как раз и будет Популяцияпопуляция. В естественных условиях наблюдается закономерная последовательность преобразований биоценозов с переходом в новое устойчивое состояние, которое можно рассматривать как своеобразный фазовый неравновесный физический переход в результате эволюции.

Примерами являются превращения озер в болота, смена форм растительности и т.д. Поскольку понятие биогеоценоза имеет, как мы видим, широкий смысл, иногда его называют экологической системой (экосистемой). Сам термин Экология экология был введен немецким биологом Гаккелем Э.Э. Гаккелем в 1866 г. и обозначал взаимоотношения между сообществами животных и растений. Сейчас круг вопросов, относящихся к проблемам экологии, значительно расширился, вплоть до представлений концепции устойчивого развития биосферы, ее Коэволюциякоэволюции с человеком и вообще возможности существования жизни на Земле в условиях интенсивного роста Техносфератехносферы.

Таким образом, Экосистема экосистема - это взаимообусловленный комплекс живых и Абиогенное веществоабиогенных компонентов, связанных между собой обменом вещества и энергии, продукт совместного развития многих живых организмов, в ходе которого они не только приспособились друг к другу, но и изменились в результате эволюции. Каждая экосистема содержит и сложные, и простые компоненты, поэтому низшие организмы являются составной ее частью. Выпадение одного или нескольких компонентов (вспомним бабочку Брэдбери!) может привести к потере целостности или даже гибели определенного биогеоценоза.

В современном естествознании проблемы жизни в целом на Земле объединяются общим понятием Биосфера биосферы - термин (его в 1875 г. ввел австрийский геолог Зюсс Э.Э. Зюсс), первоначально означавший совокупность всех живых организмов на нашей планете. Однако в дальнейшем выяснилось, что биосфера представляет собой единство объектов живой и неживой природы, вовлеченных в сферу жизни. Два основных компонента биосферы - живые организмы и среда их обитания - непрерывно взаимодействуют и влияют друг на друга. Как мы уже рассматривали, воздействие биотических (живых) факторов на Абиогенныйабиогенные условия в значительной мере изменяет физическое, химическое и геологическое состояние нашей планеты.

Именно поэтому биосферу нельзя рассматривать отдельно от неживой природы, а только в единой совокупности со средой обитания живых организмов - гидросферой, атмосферой и верхней частью Литосфералитосферы, которые и обеспечивают их необходимыми компонентами жизни - водой, кислородом, минеральными веществами и микроорганизмами. Можно даже сказать, что Окружающая средаокружающая среда выступает неким регулятором жизненных процессов, причем не только в поставке необходимых веществ и контактном взаимодействии, но и во влиянии совокупностей полей различной природы, обладающих в том числе энергетическими и информационными характеристиками.

Таким образом, Биосферабиосфера - это вся совокупность связанных между собой биологическим круговоротом веществ и энергий биогеоценозов на поверхности Земли. Состав, структура и энергетика биосферы определяются совокупной деятельностью живых организмов. В различных природных условиях биосфера принимает вид относительно независимых комплексов - биогеоценозов. Биосфера распространена неравномерно по земной поверхности, верхняя ее граница - 25-30 км, нижняя (в земной коре) - до 2-3 км, в воде - до 3-10 км.

Океан занимает около 71% земной поверхности Земли, но его Биомассабиомасса составляет всего 0,13% от суммарной массы живых организмов. Масса живого вещества сосредоточена в основном в сухопутных растениях. Сухопутные животные составляют 93% , водные - 7%, растительность на суше - 92%, в воде - 8%. Одним из признаков живого и условием сохранения Биотабиоты и Биосферабиосферы в целом является разнообразие видов живых организмов. К настоящему времени установлено, что число видов растений составляет 21%, а животных - 79% от общего числа объектов живой природы. Однако на 79% видов животных приходится всего 1% всей биомассы Земли. Отсюда Дубнищева Т.Я.Т.Я. Дубнищева [ссылка на источники литературы] делает вывод, что чем выше уровень видовой дифференциации, тем меньше соответствующая ему Биомассабиомасса. Такое распределение численности видов и их биомасс носит не случайный характер, а определяется ходом эволюции. Несмотря на то что животный мир более разнообразен и почти в 4 раза превосходит численность видов растений, на долю позвоночных и млекопитающих приходится менее 4%, поэтому на суше преобладают растения, а в воде - животные. Из процентного соотношения сухопутных и водных видов делается вывод, что возможность видообразования на суше, обусловленная процессами эволюции, выше, чем в воде. Отметим еще один общий закон: чем выше уровень дифференциации, тем меньше занимаемый видом объем.

Биологический круговорот играет огромную роль в биосфере - он обеспечивает жизнь. Любая форма жизни неизбежно включается в этот кругооборот. Общее количество Протоплазмапротоплазмы всех живых организмов, населявших Землю в течение многих миллиардов лет, намного превосходит массу нашей планеты. Следовательно, материя использовалась многократно. Химические элементы извлекаются из окружающей среды, входят в состав живой протоплазмы и возвращаются в окружающую среду для повторного использования. Распад, Деструкциядеструкция сложных органических соединений служит источником энергии. Образуемые микроорганизмы, приспособленные практически к любым условиям, эту энергию извлекают.

Важным моментом существования биосферы и круговорота веществ в ней является получение и преобразование энергии в живых организмах. О роли и значении энергии в целом для живого мы уже говорили в подразд. 2.1.2, а о том, как это происходит на клеточном уровне, - в подразд. 2.2.4. Рассмотрим здесь возможность получения и использования энергии в биосфере, а затем и роль энергии в эволюции.

Основным естественным внешним источником энергии, используемой для поддержания жизни, как мы уже отмечали, является лучистая энергия Солнца. Однако биосфера улавливает лишь небольшую часть всей солнечной энергии, поступающей на Землю. Ультрафиолетовая часть солнечного спектра, составляющая около 30% всей этой энергии, практически полностью задерживается озоновым слоем атмосферы. Половина достигающей Земли энергии превращается в тепло и затем рассеивается в космическое пространство. Около 20% расходуется на испарение воды с огромных пространств океанов и морей и образование облаков в атмосфере Земли, и лишь около 0,02% энергии Солнца используется биосферой. На рис. Рис. 2.6.1. Распределение солнечной энергии, поступающей на Землю показано это распределение солнечной энергии.

Зеленые растения усваивают эту энергию непосредственно, поглощая ее молекулами Хлорофиллхлорофилла в процессе Фотосинтезфотосинтеза, преобразуют ее и запасают в виде энергии химической связи различных соединений в объектах живой природы. Это основной первичный процесс усваивания энергии Солнца и от него зависит все существование биосферы. Животные, поедая растения, а хищники - травоядных животных, получают эту энергию, сжигая сахара, другие биологические накопители энергии и питательные вещества с использованием кислорода. Сама переработка пищи в организме также сопровождается выделением энергии, часть ее запасается в форме энергии химических связей и затем может быть использована для совершения работы. Таким образом, животные не получают нужную им энергию непосредственно от Солнца.

Удовлетворение в целом энергетических потребностей живых организмов осуществляется в условиях равновесия, которое возникает между организмами в рамках возникающих Экосистемаэкосистем. В каждой экосистеме имеются и Автотрофыавтотрофы, которые переваривают в пищу вещества из неживой окружающей среды, и Гетеротрофыгетеротрофы, которые не производят необходимую им пищу и, тем самым, зависят от остальных непосредственных производителей энергии. Заметим еще раз, что все элементы, из которых состоят живые организмы, многократно используются в Биосферабиосфере, обеспечивая биотический круговорот органических веществ с участием всех образующих биосферу организмов.

Каждый вид, популяция, Биогеоценозбиогеоценоз являются лишь звеньями в этом биотическом круговороте. Непрерывность жизни обеспечивается синтезом и распадом веществ, при этом каждый живой организм выделяет то, что может быть использовано другими организмами. Важную роль в круговороте играют микроорганизмы, превращающие останки животных и растений в минеральные соли и простейшие органические соединения, которые затем снова используются растениями для синтеза новых органических веществ. Энергетический обмен в биосфере отличается от круговорота веществ в ней, поскольку энергия частично рассеивается при переходе от растений к травоядным, а затем и плотоядным животным и вследствие этого требуется постоянная подпитка биосферы солнечной энергией.

Роль энергии во всех проявлениях жизни огромна и несомненна, можно даже сказать, что главным фактором эволюции является энергетический. Все биологические объекты и их Эволюцияэволюция тесно связаны с потоком энергии, пронизывающим все живое. По существу, он является той физической основой, на которой построена Биологическая эволюциябиологическая эволюция и которая создает предпосылки для естественного возникновения регуляторных механизмов. Наличие энергетического потока является определяющим в существовании биологических структур и их динамики. Поэтому неудивительно, что в процессе эволюции появляются организмы, выработавшие сложные механизмы превращения и запасания энергии. Огромную роль, как мы отмечали в подразд. 2.2.4, играют превращения, происходящие в химических связях фосфорных соединений, в которых принимают участие Белокбелки и Нуклеотиднуклеотиды.

Результатом появления многоклеточных форм жизни является Потребностьпотребность живого существовать в условиях избытка энергии как фактора, предохраняющего живое от гибели. ЭволюцияЭволюция от Прокариотпрокариотов до Эукариотыэукариотов может рассматриваться как возможная эволюция Фосфогенфосфогенов, поскольку для мышц необходимы легко доступные источники энергии, какими Фосфатфосфаты и являются. Как отмечал Фокс Р.Фокс [ссылка на источники литературы], организм может легко перемещаться, если его ткани «насыщены» энергией, как раз для этого и нужны фосфогены. Естественный отборЕстественный отбор в живых организмах, существующих за счет притока энергии, отдал предпочтение организмам, у которых сформировались ткани с более эффективным энергетическим обменом и способом утилизации энергии, более совершенной регуляцией этих процессов и накоплением энергии.

Можно считать, что жизнь возникла благодаря потокам энергии и особым веществам, преобразующим энергию в живом организме.

Мир - мгновенье, и я в нем - мгновение одно.
Сколько вздохов мне сделать за миг суждено?
Будь же весел, живой! Это бренное зданье
Никому во владение навек не дано.

Омар Хайям

То, что я понял, - прекрасно,
из этого я заключаю, что и
остальное, чего я не понял, -
тоже прекрасно.

Сократ

Теперь нам уже стало ясно, что биосфера является единством живого и минеральных элементов, вовлеченных в сферу жизни. Большое значение для понимания эволюции жизни и роли всех процессов, происходящих на Земле, в становлении и функционировании биосферы сыграли работы и идеи нашего выдающегося естествоиспытателя Вернадский В.И.В.И. Вернадского. Им же было введено и понятие Живое вещество живого вещества и сформулированы биогеохимические принципы. Под живым веществом он понимал совокупность всех живых организмов нашей планеты, рассматривая Биосферабиосферу как некое системное образование на основе внешней геологической оболочки Земли, включающее в себя как живое вещество всей планеты, так и среду обитания, которая преобразуется этим живым веществом. Заметим, что с энергетической точки зрения живое вещество является наиболее эффективным способом преодоления роста энтропии.

Тем самым были показаны роль живого вещества в процессе эволюции Земли и неотделимость развития биосферы от геологической истории планеты. В этом смысле он даже рассматривал биосферу как самостоятельную часть геосферы, в которой масса живого вещества сравнима с массой горных пород, а его энергия сопоставима с такими геологическими явлениями, как горообразование, извержения или землетрясения. Живое вещество активно участвует в круговороте веществ и энергии в земной коре, причем его энергия значительно больше, чем энергия Косное веществокосного вещества. Биосфера, по В.И. Вернадскому, включает в себя следующие элементы: живое вещество, косное вещество (без наличия живых организмов), Биогенныйбиогенное, создаваемое и перерабатываемое организмами (газы, каменный уголь, известь, битум и т.д.), Биокосное веществобиокосное, возникающее при совместной деятельности организмов и Абиогенныйабиогенных процессов (вода, почва, кора выветривания; таким образом, почву и осадочные породы можно рассматривать как результат преобразования биокосного вещества), радиоактивное вещество и вещество космического происхождения.

Вернадский предположил, что Живое веществоживое вещество биосферы выполняет и биогеохимические функции жизни, формирующие среду для существования живого. Это -газовая (все организмы); кислородная (хлорофилльные растения); окислительная (Бактериябактерии, Автотрофыавтотрофы); кальциевая (водоросли, бактерии); восстановительная (бактерии); концентрационная (животные и растения); разрушение органических соединений (грибы, бактерии); восстановительное разложение (бактерии); Метаболизмметаболизм и дыхание (все организмы). В результате совместного осуществления этих функций происходят образование различных соединений (карбонатов, сульфидов, Фосфатфосфатов, соединений азота, железа, марганца и т.д.), их восстановление до других химических форм, концентрация в почвах и осадочных породах, синтез и разрушение органического вещества, т.е. те процессы, которые мы называем круговоротом веществ в природе.

В этом смысле единство состава и функционирования живой природы, независимо от уровня представляющих их структур, - это биогеохимическое единство. Можно считать, что геохимические процессы в биосфере задаются живым веществом и геохимические процессы - это биогеохимические процессы, и в этом состоит биогеохимическое проявление биосферы. Результатом деятельности живого вещества является формирование осадочных и образовавшихся из них метаморфических пород, полезных ископаемых, Ландшафтландшафтов Земли и ее атмосферы. В соответствии с этими представлениями Вернадский В.И.В.И. Вернадский сформулировал два биогеохимических принципа [ссылка на источники литературы]:

  • Биогенныйбиогенная миграция атомов, которая вызвана лучистой энергией Солнца, процессы обмена веществ, рост и размножение организмов стремятся к максимальному проявлению;

  • эта же Биогенныйбиогенная миграция приводит к выживанию организмов, увеличивающих саму биогенную миграцию атомов биосферы.

  • В свете этих идей, подтвержденных современной наукой, можно также отметить и пять постулатов В.И. Вернадского, касающихся и структуры функций первичной биосферы:

  • первобытная биосфера была функционально разнообразна;

  • появление организмов произошло не в единичном порядке, а массово, в совокупности, должны сразу появиться биогеоценозы;

  • эти биогеоценозы и есть главная движущая сила геохимических преобразований, морфологические изменения не влияли на глобальные химические функции;

  • живые организмы порождают миграцию химических элементов в биосфере;

  • все без исключения функции живого организма в биосфере могут быть исполнены простейшими одноклеточными организмами.

Заметим, что эволюцию Земли и затем образование и развитие Биосферабиосферы Вернадский В.И.В.И. Вернадский объединил через три фактора макроэволюции - космический, геологический и геохимический, которые, как мы видим теперь, самым тесным образом связаны с биологической эволюцией, и все они объединяются в энергетических процессах биосферы. Таким образом, можно дать еще одно определение жизни - как могучей геологической силы нашей планеты, формирующей облик Земли и создающей ее в образе живой планеты. Геологическая активность и роль живого вещества проявляются в его геохимических функциях - энергетической, Деструкциядеструктивной, средообразующей и транспортной.

Совокупность живых организмов в их совместном осуществлении жизненных процессов на Земле как раз и дает миграцию химических элементов в биосфере - основу круговорота жизни. Именно с этим обстоятельством связана определяющая роль живого вещества в становлении атмосферы, гидросферы и Литосфералитосферы Земли. Источником необходимой для этого огромной энергии служит биогеохимическая энергия живого вещества биосферы. Исходя из развитых Вернадский В.И.В.И. Вернадским представлений, можно заключить, что жизнь на Земле существует примерно столько же лет, сколько существует сама Земля. Предполагается, что жизнь возникла в виде примитивной биосферы и связана в целом с эволюцией Земли и влиянием на нее живого вещества. Заметим, что только широчайшее разнообразие животных, растений и других форм жизни, возникшее сначала в виде простейших организмов 3-3,5 млрд. лет тому назад, обусловило выполнение всех функций живого вещества. Именно такая огромная роль живого вещества позволила В.И. Вернадскому образно говорить о вечности жизни на Земле.

Мыслящий человек есть
мера всему.

В.И. Вернадский

Зачем ты над загадкой жизни бился,
Тоскою и сомненьем удручен?
В конце концов, когда сей мир творился,
Ты на совет ведь не был приглашен.

Омар Хайям

Все развитие биосферы можно рассматривать как чередование этапов эволюции, прерываемой Бифуркациябифуркациями при переходе к новым качественным состояниям. В результате создавались все более сложные и упорядоченные формы живого вещества. Мы уже касались в той или иной форме в целом проблем эволюции. Дадим здесь общую схему основных этапов эволюции биосферы:

  • появление простейших клеток - Прокариотпрокариотов (без ядра);

  • появление более организованных клеток - Эукариотыэукариотов (с Ядро клеткиядром);

  • объединение клеток - Эукариотыэукариотов - с образованием многоклеточных организмов, функциональная дифференциация клеток в организмах;

  • появление организмов с твердыми скелетами и формирование высших животных;

  • возникновение у высших животных развитой нервной системы и формирование мозга, в котором происходят сбор, переработка и систематизация информации, ее хранение и управление на ее основе поведением и целенаправленной деятельностью живых организмов;

  • формирование Разумразума как высшей формы деятельности мозга;

  • образование социальной общности людей - носителей разума.

Считается уже общепринятым, что появление человека в биосфере знаменует собой высшую ступень ее развития. Само появление человека представляет переход от простого биологического приспособления живых организмов к разумному поведению и целенаправленному изменению окружающей среды разумными существами. Живое веществоЖивое вещество при этом активно приспосабливается к новым условиям существования и присутствия в природе. При этом, как мы уже отмечали, происходит взаимное совместное влияние природы на человека и человека на природу и человек теперь несет ответственность за эволюцию жизни. Человек значительно (и не всегда разумно, к сожалению) влияет на Биосферабиосферу Земли - изменяет структуру ее поверхности, Биотабиоту, состав биосферы, меняет энергетический (тепловой) баланс, влияет на пространственно-временные факторы процессов на Земле, в том числе техногенных, и т.д. Более подробно мы рассмотрим это в подразд. 2.6.5 в связи с экологическими проблемами.

Рассматривая эволюцию с общих позиций, мы уже убедились, что вектор ее развития направлен от чисто геологического к геолого-биологическому и биогеохимическому периодам и далее к новому этапу эволюции - появлению человека и возникновению социальной эволюции. Самые большие изменения в биосфере Земли наступили именно в этот последний, современный этап эволюции. Появление человека и его развитие, проявление разума в биосфере существенно изменили ситуацию на Земле, ознаменовали переход биосферы в Ноосфера ноосферу, область сознательной деятельности человека и коллективной памяти, названной Вернадский В.И.В.И. Вернадским научной мыслью. Можно считать, что ноосфера является новым состоянием биосферы, когда разумная человеческая деятельность становится основным определяющим фактором развития жизни на Земле.

Сам термин «ноосфера», предложенный Леруа Э.Э. Леруа в 20-х годах после докладов Вернадский В.И.В.И. Вернадского на семинарах у Бергсон А.А. Бергсона, в интерпретации этих ученых означал «сферу разума», или «мыслящий пласт». Однако в отличие от них В.И. Вернадский подходил к ноосфере с материалистических позиций. Для него было очевидным, что биосфера под влиянием разумной человеческой деятельности и коллективной научной мысли переходит в качественно новое состояние биосферы, названное им ноосферой, преобразованной из биосферы человеческой мыслью и трудом. Следует особенно подчеркнуть роль человека в переходе от биосферы к ноосфере, так как именно здесь проявился новый Антропогенныйантропогенный фактор - человек стал использовать биосферу для удовлетворения своих потребностей за счет применения различных орудий труда, накопленных Знаниезнаний и умений. Как отмечал Шарден Т. (де)Тейяр де Шарден [ссылка на источники литературы], «отличие человека как гомонизированного Индивидиндивида от животного в том, что и животное что-то знает, но только человек знает о своем знании» и в полной мере может использовать это знание на ноосферном этапе биосферы. Это означает, что важнейшим фактором, определяющим жизнь на Земле, становится разумная коллективная деятельность человека.

Используя представление о научной мысли, Вернадский отмечал, что «перестройка научной мыслью через организованный человеческий труд не есть случайное явление, зависящее от воли человека, т.е. стихийный процесс, но есть стихийный природный процесс, корни которого лежат глубоко и подготавливались эволюционным процессом, длительность которого исчисляется сотнями миллионов лет... Создание Ноосфераноосферы из биосферы есть природное явление, более глубокое и мощное, чем человеческая история. Оно требует проявления человечества как единого целого». Преобразование биосферы в ноосферу в соответствии с идеями В.И. Вернадского определяется следующими положениями:

  • переход этот закономерен и неизбежен как естественный ход эволюции независимо от воли человека;

  • однако человек рассматривается как составной элемент биосферы и выполняет ее определенные функции во времени и пространстве. Его появление в биосфере означает начало нового этапа в развитии Земли в целом;

  • не только Живое веществоживое вещество, но и сам человек, вооруженный научной мыслью, становится величайшей геологической силой, кардинально изменяющей облик нашей планеты;

  • переход от биосферы к ноосфере осуществляется за счет коллективных (когерентных) взаимодействий всех людей и их целостного влияния на природе. В этом смысле человечество действительно стало единым, независимо от расового, географического или имущественного положения. Это взаимодействие с учетом развития Техносфератехносферы практически мгновенно передается во все уголки Земного шара;

  • необходимость продуманного развития использования энергетических возможностей человека. Развитие энергетики, открытие и применение новых видов энергии, нужных человеку для его существования, не должно входить в противоречие с природой и нарушать ее регенерационные возможности для поддержания жизни;

  • возможность разумного влияния на глобальные процессы, происходящие на Земле, как природного, так и социального характера.

Все эти преобразования по человеческому масштабу времени происходят в течение нескольких поколений, но в геологическом измерении они происходят мгновенно и их можно рассматривать как Бифуркациябифуркации в эволюционном процессе.

Мы уже отмечали ранее и подчеркнем еще раз, что и к анализу эволюции биосферы в ноосферу можно применить физические модели, связанные в первую очередь со статистическим пониманием процессов в природе, и синергетические представления о нелинейных процессах в открытых системах вдали от равновесия. Возникновение диссипативных структур связано с когерентным поведением элементов, образующих систему, и обязательным для жизни уменьшением энтропии. Возникающие в результате слабых воздействий неустойчивости, необходимые для эволюции системы, сопровождаются процессами самоорганизации создания из хаотических движений и состояний, в том числе в неживой природе, высокоорганизованных структур живых организмов. СпонтанныйСпонтанные процессы самоорганизации живого можно рассматривать как неравновесные кинетические фазовые переходы от неупорядоченного к упорядоченному состоянию через последовательность бифуркаций, развитие которых как раз и проходит через фазу неустойчивостей.

Для биологических объектов существует два типа последовательностей Бифуркациябифуркаций. Один связан с неограниченным Антропогенныйантропогенным воздействием, другой - с ограниченными изменениями при естественном протекании процессов в биосфере. В качестве примера первого типа бифуркаций можно привести биоценоз небольших озер. С ростом загрязнений наблюдаются последовательные скачкообразные изменения в составе популяций и их взаимосвязях. При определенных концентрациях загрязненных веществ жизнь в озере полностью прекращается и оно гибнет, становится мертвым. Другими примерами могут быть рукотворные плотины на могучих русских реках, дамба в Финском заливе, попытки сооружения перегородки залива Кара-Богаз-Гол на Каспийском море и т.д. При естественном протекании процессов по второму типу идет бесконечная смена одних устойчивых состояний, одних форм другими через неустойчивости, когда управляющие этими процессами малые параметры лежат в ограниченном диапазоне. Это соответствует естественному ходу эволюции живых систем к состояниям, далеким от равновесия, что физически обусловливается обменом веществ, энергий и информацией в них как открытых системах.

Заметим, что при любой последовательности бифуркаций система каждый раз делает случайный, но, тем не менее, необратимый выбор. Если система находится в некоторой точке той или иной ветви Бифуркационное дереводерева бифуркаций (см. рис. 1.7.2Рис. 1.7.2. Бифуркационная диаграмма), то это означает, что она прошла весь путь, отделяющий ее от первой бифуркации, через все промежуточные точки и в историческом развитии и измерении должна помнить свой путь. В этом синергетическое понимание памяти. Последующая Эволюцияэволюция в значительной степени является следствием выбора в прошлом. Как мы уже отмечали в главе 2.3, наследственная информация живых организмов в виде последовательности Основаниеоснований в молекулах Нуклеиновая кислотануклеиновых кислот в ядрах клеток создавалась в ходе эволюции в прошлом и с учетом ее участвует в эволюции в будущем. В этом смысле точки бифуркаций являются источниками Инновация инновации и Диверсификация диверсификации. Количество информации, которое содержит живой организм, определяется степенью его упорядоченности. При этом усложнение организма за счет получения информации уменьшает энтропию. А поскольку все живое борется против энтропии, то получение новой полезной информации (а в этом, собственно, суть образования и науки) и есть борьба за жизнь!

В Ноосфераноосфере, так же как и в биосфере, происходит замкнутый кругооборот веществ, все утилизируется, снова переходит в полезный продукт и используется, но при этом человек активно участвует в этом процессе. Сам человек, его производительные силы становятся частью ноосферы, непрерывно обмениваются веществом, энергией и информацией с биосферой. Человек перестает быть просто потребителем, живущим только за счет биосферы, угнетающим и подавляющим ее. Он становится звеном в сложной системе «неживая природа - живая природа - человек - мышление человека». Предполагается, что каждый компонент системы может давать вклад в некое общее энергоинформационное поле, и тогда ноосферу можно рассматривать не только как сумму человеческих Знаниезнаний, а как физическое существование в пространстве совокупной информации продукта человеческого Разумразума.

Ноосфера как более высокоорганизованное состояние биосферы может возникнуть и существовать только если ее развитие проходит сознательно, направляется и организуется научной мыслью. В связи с этим резко возрастает роль науки как коллективного разума во всех областях человеческой деятельности, в том числе в овладении всеми формами движения материи, создании новых живых организмов Методметодами Генная инженериягенной инженерии и биотехнологии. Однако очень важно, чтобы направленное и согласованное развитие человека и Окружающая средаокружающей его среды происходило коэволюционно и с учетом изменения характера взаимоотношений человека с природой. А это определяется возможностями человеческого Интеллектинтеллекта, который обязан взять на себя заботу и ответственность за судьбу нашей планеты.

Поэтому пусть не покажется странным,
если я позволю себе сказать, что легче
понять образование всех небесных тел и
причину их движений, короче говоря,
происхождение всего современного
устройства мироздания, чем точно
выяснить на основании механики
возникновение одной только былинки
или гусеницы.

И. Кант

Природа такой же уникум,
как картины Рафаэля.
Уничтожить ее легко,
воссоздать - невозможно.

А. Бородин

Как мы уже убедились, Солнце является основным источником энергии для жизни на Земле и огромное количество процессов на нашей планете связано с его излучением. Вся биосфера открыта КосмосКосмосу, и, образно говоря, она «купается в потоках космической энергии» [ссылка на источники литературы]. Перерабатывая эту энергию, Живое веществоживое вещество преобразует всю нашу планету. В этом смысле можно считать, что происхождение, образование и функционирование биосферы является результатом действия космических сил.

Космические факторы, влияющие на биогеохимические процессы и на климат Земли, определяются ее пространственным расположением относительно Солнца (наклон земной оси к плоскости орбиты Земли), расстоянием Земли от Солнца, условиями прохождения солнечных лучей и главным образом процессами, происходящими на Солнце, которые называют в целом Солнечная активность солнечной активностью. Поэтому изучение ее и установление природы солнечно-земных связей имеет огромное значение буквально для всех процессов, протекающих на Земле. Основой солнечно-земных связей является влияние солнечной активности на неустойчивость тех процессов, которые проходят на Земле, в ее атмосфере и околоземном космическом пространстве. В работах Шелепин Л.А.Л.А. Шелепина [ссылка на источники литературы] рассмотрены механизмы воздействия излучения Солнца на магнитосферу, тропосферу, гидросферу, Литосфералитосферу и биосферу Земли и дана общая схема солнечно-земных связей (рис. Рис. 2.6.2. Общая схема солнечно-земных связей).

Уже достаточно давно, начиная с середины XVIII века, была установлена цикличность появления солнечных пятен с периодом около 11 лет, которые связывают с Протуберанецпротуберанцами - плазменными образованиями в солнечной короне. В результате увеличения солнечной активности Солнце извергает, в том числе и в сторону Земли, огромное количество вещества и энергии. Причину такой цикличности объясняют в настоящее время так называемой моделью солнечного «динамо». Перемещение вещества внутри Солнца в результате его вращения и конвекции, взаимодействие с его магнитным полем и приводит в действие «динамо» - электрический генератор тока, превращающий механическую энергию в энергию магнитного поля. Когда заряженные частицы движутся вместе с межзвездным веществом, перемещается и связанное с ними магнитное поле (рис. Рис. 2.6.3. Взаимодействие заряженных частиц от Солнца с магнитным полем Земли).

Поскольку было установлено, что эти процессы происходят циклически то естественно было бы ожидать их проявления в цикличности процессов на Земле. Такие связи были отмечены различными учеными в областях их профессиональной деятельности - в изменении климата, оледенениях, сезонных изменениях растительности, вспышках болезней и т.д. Однако только с работ нашего великого естествоиспытателя Чижевский А.Л.А.Л. Чижевского [ссылка на источники литературы], впервые систематически изучавшего влияние космических факторов на земные процессы в широком диапазоне явлений, можно говорить о новом глобальном подходе к изучению Глобальный эволюционизмэволюции Земли как в естественноприродном, так в социально-культурном развитии.

А.Л. Чижевский определял жизнь как способность живого организма пропускать сквозь себя поток космической энергии, а биосферу считал местом трансформации космической энергии, подчеркивая тем самым, что жизнь - в значительной степени явление более космическое, чем земное. В своей работе «Земное эхо солнечных бурь» он писал: «Эрруптивная деятельность на Солнце и биологические явления на Земле суть соэффекты одной общей причины - великой электромагнитной жизни Вселенной. Эта жизнь имеет пульс, свои периоды и ритмы... Жизнь не является результатом случайной Играигры только земных сил. Она создана воздействием творческой динамики КосмосКосмоса на инертный материал Земли. Она живет динамикой этих сил, и каждое биение органического пульса согласовано с биением космического сердца - этой грандиозной совокупности материальных объектов Вселенной. За огромный промежуток времени воздействия космических сил на Землю утвердились определенные циклы явлений, правильно и периодически повторяющиеся как в пространстве, так и во времени. На Земле всюду находим циклические процессы, являющиеся результатом воздействия космических сил. В этом бесконечном числе циклических процессов сказывается биение общемирового пульса, великая динамика природы, различные части которой созвучно и гармонично резонируют одна с другой» [ссылка на источники литературы]. Хотелось бы отметить, как здесь ясно и красиво выражена глубинная сущность связи Космоса и нашей Земли!

Во многом это связано с личностью самого Чижевский А.Л.А.Л. Чижевского - ученого-энциклопедиста, одного из создателей, наряду с другим нашим великим соотечественником Вернадский В.И.В.И. Вернадским, космического естествознания, основоположника Биология космическаякосмической биологии, Гелиобиологиягелиобиологии, Аэроионофикацияаэроионофикации и электрогемодинамики, историка, поэта и художника, гуманитарная культура которого позволяет облекать исследуемые явления в ясную форму изложения. В специальном меморандуме, принятом на 1-м Международном конгрессе по биологической физике и космической биологии в 1939 г. в Нью-Йорке, отмечалось, что «Гениальностьгениальные по новизне идеи, по широте охвата, по смелости синтеза и глубине анализа труды поставили профессора Чижевский А.Л.А.Л. Чижевского во главе мира и сделали его истинным Гражданином мира, ибо его труды - достояние человечества». В истории мировой науки даже среди выдающихся ученых найдутся немногие, про которых современники могли бы сказать, как про А.Л. Чижевского, что их многогранная деятельность олицетворяет по глубине и разносторонности «для нас, живущих в XX веке, монументальную Личностьличность да Винчи». Он был избран почетным (потому что, конечно, в Америку его не пустили) президентом конгресса, который выдвинул его на Нобелевскую премию. В Сорбонне среди барельефов великих ученых мира находится и барельеф Чижевский А.Л.А.Л. Чижевского.

Однако мировое признание не уберегло ученого от репрессий. С 1942 по 1945 г. он был репрессирован. Сталину, предпочитавшему все катаклизмы в Обществообществе объяснять одной классовой борьбой, не понравились его выводы о связи войн, революций и других массовых потрясений в обществе с числом солнечных пятен. В заключении А.Л. Чижевский организовал небольшую лабораторию в лагерной больнице и после формального освобождения продолжал там работать, чтобы завершить очередной цикл испытаний своего удивительного оздоровительного устройства, известного теперь под названием «люстра Чижевского».

Известный отечественный физик Блохинцев Д.И.Д.И. Блохинцев писал о нем и его картинах: «...быть может, самое главное, о чем говорят эти картины, как и стихи ... заключается в том, что они раскрывают перед нами Образобраз истинно великого русского человека в том смысле, в котором он всегда понимался в России. Необходимой и неотъемлемой, обязательной чертой этого образа были не только успехи в той или иной науке, а создание мировоззрения. НаукаНаука, поэзия, искусство - все это должно было быть лишь частью великого гуманиста и его деятельности». Как справедливо отмечал Кузнецов О.Л.О.Л. Кузнецов, «это был талант редкий, способный к одновременному охвату и мыслью, и чувством не только логической стройности, но и красоты мира» [ссылка на источники литературы].

Установление А.Л. Чижевским влияния космических факторов на земные процессы поставило его в один ряд как с пионерами космического естествознания Циолковский К.Э.К.Э. Циолковским и Вернадский В.И.В.И. Вернадским, так с другими выдающимися русскими космистами, в работах которых отражены взаимосвязи Космоскосмоса, Биосферабиосферы и человека. Следует отметить и непосредственный интерес А.Л. Чижевского к освоению космического пространства, многолетнюю его дружбу с Циолковский К.Э.К.Э. Циолковским и посильную поддержку, которую Чижевский А.Л.А.Л. Чижевский ему оказывал.

Многие разработки и идеи Чижевского находят свое применение и в практической космонавтике, например явление Метахромазияметахромазии Бактериябактерий, позволяющее прогнозировать солнечные Эмиссияэмиссии, опасные для человека как на Земле, так и в КосмосКосмосе. Позднее Шноль С.Э.С.Э. Шнолем с сотрудниками были обнаружены космофизические корреляции процессов не только в биологических объектах, но и химических, физико-химических и чисто физических явлениях (радиоактивный распад) с изменениями слабых электромагнитных полей в околосолнечном пространстве - магнитными бурями, изменениями знака межпланетного поля и состоянием Ноосфераноосферы [ссылка на источники литературы].

Отметим также, что при циклическом характере физиологических процессов в организме человека существенную роль в его жизнедеятельности может играть резонанс внешнего малого возмущения и когерентного характера внутренних процессов в живой системе. Общая картина взаимосвязей внутри Солнечной системы настолько разнообразна, что все ее составные элементы - само Солнце, планеты, в том числе Землю, околосолнечное и межпланетное пространство - необходимо рассматривать как целостную, но существенно неравновесную систему, в которой роль неустойчивостей и слабых воздействий как управляющих параметров сильно возрастает и они могут приводить к значительным и непредсказуемым последствиям (вспомните бабочку в Рио-де-Жанейро!).

В последние годы идеи Чижевского о наличии многосторонних космоземных связей получили широкое подтверждение в работах по влиянию геомагнитного поля и солнечной активности на биоритмы артериального давления, частоту сердечно-сосудистых заболеваний, поведение Эритроцитыэритроцитов, Свертывание кровисвертывание крови, содержание Гемоглобингемоглобина, гомеостаз живых организмов, почвообразование, барическое давление и циркуляцию атмосферы, осадки, генезис рельефа Земли, по прогнозу неблагоприятных периодов в гео- и биосфере, погоды, эпидемий и т.д. [ссылка на источники литературы] Таким образом, периодичность солнечной активности является одним из важнейших факторов, влияющих на жизнь на Земле.

Раньше природа устрашала человека,
теперь человек устрашает природу.

Ж.И. Кусто

Он не только не ждет милостей
от природы, но и не берет их,
когда она ему их дает.

В. Александров

Будучи составной частью биосферы, человек сильно зависит от Окружающая средаокружающей среды. Так, без воздуха человек может прожить лишь 3 минуты, без воды - 3 дня, без пищи - 30 дней. Существует весьма узкий диапазон допустимых значений состава воздуха, воды и пищи. То же относится и к внешним параметрам: температуре, давлению, влажности, облучению и значениям различных физических полей [ссылка на источники литературы].

Однако с ростом технических и научных достижений человек, обеспечивая себе комфортные условия существования, резко увеличил Антропогенныйантропогенную нагрузку на окружающую среду, нарушив при этом сбалансированность Биосферабиосферы, ее биологическое равновесие и способность к самоочищению. Например, за год от сжигания ископаемого органического топлива в атмосферу выбрасывается около 5,8 млрд. тонн углерода, соответствующих 20 млрд. тонн углекислого газа. Чтобы накопить такое количество углерода в процессе Фотосинтезфотосинтеза и поглощения углекислого газа из атмосферы, природе требуется почти миллион лет!

Достижения НТР коренным образом изменили мир. Человек овладел новыми технологиями, материалами, средствами, коммуникациями и энергетическими возможностями. За последние 100 лет произошло увеличение скорости передвижения в <?xml version="1.0" encoding="UTF-16"?>
раз, связи - в <?xml version="1.0" encoding="UTF-16"?>
, обработки информации - в <?xml version="1.0" encoding="UTF-16"?>
. Человек действительно, как говорил В.И. Вернадский, становится глобальной планетарной силой и его деятельность во всех сферах существенно влияет на природу Земли. АдаптацияАдаптационные возможности природных систем подходят к своему пределу, нарушается ее устойчивость как естественной среды обитания человека. Демографические проблемы населения Земли мы уже обсуждали в подразд. 2.4.5 и отмечали экологический предел его роста. Отметим здесь, что при росте населения за последние 140 лет в 4 раза нагрузка на биосферу возросла в 100 раз, а энерговооруженность человечества выросла в 1000 раз. Причем технические возможности человека реализуются вовсе не адекватно энергетическим затратам - на производство автомобилей уходит половина всего производимого металла, транспорт потребляет 15-20% всей расходуемой энергии, около 25% ученых работают в области военных разработок и 40% всех расходов на научные исследования тратятся на войну и т.д. Люди становятся биологическими жертвами экономического развития Обществообщества.

За год в мире извлекается из недр 120 млрд. тонн руд, горючих ископаемых различных строительных материалов, выплавляется 800 млн. тонн металлов. В то же время эффективность использования сырья составляет не более 5-7%, а 93-95% уходит в отходы, загрязняя атмосферу и природные водоемы. Это Антропогенныйантропогенное загрязнение обусловлено бесхозяйственной, неразумной деятельностью человека. Металлургические предприятия дают до 34% загрязнений, тепловые станции - 27%, нефтяная промышленность - 12%, химическая - 9%, газовая - 7%. По данным ООН, общая площадь разрушенных почв за всю историю человечества составляет 20 млн. км2, что больше совокупной площади, используемой в настоящее время в мире в сельском хозяйстве. УрбанизацияУрбанизация природной среды и рост городского населения сильно уменьшают возможности производства продовольствия.

Большие города занимают обширные территории и насчитывают до 40% населения Земли. В отдельных странах процент городского населения еще выше: в Аргентине - 83%, Уругвае - 82, Австралии - 75, США - 80, Японии - 76, Германии - 90, Швеции - 83. Помимо крупных городов-миллионеров быстро растут городские агломерации или слившиеся города. Таковы Вашингтон - Бостон и Лос-Анджелес - Сан-Франциско в США, города Рура в Германии, Москва, Донбасс и Кузбасс в СНГ [ссылка на источники литературы].

Они представляют собой искусственно поддерживаемую среду обитания, для которой поток новых средств существования, чистый воздух и вода приходят извне, а внутри резко возрастают отходы. Изменяются все Экосистемаэкосистемы, накапливаются вредные вещества в почве, воде, в Биотабиоте. При малой подвижности воздуха тепловые аномалии над городом охватывают слои атмосферы в 250-400 м, а контрасты температуры могут достигать 5-8°С. С ними связаны температурные Инверсияинверсии, приводящие к повышенному загрязнению, туману и смогу. Над крупными городами атмосфера содержит в 10 раз больше аэрозолей и в 25 раз больше газов. При этом 60-70% газового загрязнения дает автомобильный транспорт. Растут заболеваемость и смертность. 35% населения промышленно развитых городов страдает заболеваниями, связанными с окружающей средой. Даже и в сельской местности человек ухитряется портить природу. Так, по данным департамента здравоохранения штата Нью-Йорк (США), деревенская семья из четырех человек, ежедневно сжигающая мусор на своем дворе, выпускает в воздух больше токсических соединений (в основном соединения хлора - диоксиды и фураны), чем средний мусороперерабатывающий завод. Примеси диоксидов в воздухе разрушают Иммунитетиммунитет, вызывают рак и гормональные расстройства. В целом на всей Земле, составляя по своей Биомассабиомассе тысячные доли процента живого вещества, человечество создает в тысячи раз больше отходов, чем вся Биосферабиосфера. Рост их удваивается каждые 15 лет.

Разрушается природная среда и в целом на планете. Изменяется состав атмосферы. Концентрация <?xml version="1.0" encoding="UTF-16"?>
в атмосфере возрастает ежегодно на 0,4%, и за последние 100 лет в результате деятельности человека в атмосферу поступило около 360 млрд. тонн углекислого газа, до 400 млн. тонн аэрозолей, увеличилось содержание фреонов, которые разрушают озоновый слой, защищающий все живое на Земле от жесткого ультрафиолетового излучения Солнца. Поскольку <?xml version="1.0" encoding="UTF-16"?>
служит регулятором теплового энергетического баланса на поверхности Земли, увеличение его содержания в атмосфере приводит к возникновению парникового эффекта, что может привести к 2050 г. к возрастанию уровня Мирового океана на 2 м выше нынешнего и привести к затоплению низменных территорий, где проживает около трети населения мира. В водную среду обитания человека ежегодно сбрасывается огромное количество промышленных сточных вод (до 600 млрд. тонн), содержащих до 300 млн. тонн железа, 2.3 млн. тонн свинца, 7000 тонн ртути, 6000 тонн фосфора и других вредных веществ, что значительно загрязняет Мировой океан, сокращает его Биотабиоту и видоизменяет или даже сокращает пищевые ресурсы человека.

В океан выливается 0,5% от общей добычи нефти. Во время Ирано-Кувейтской войны в океан вылито около 2 млн. тонн нефти (ежегодное попадание нефти в океаны составляет до 10 млн. тонн), что ведет к необратимым процессам в Экосистемаэкосистеме океана. Ежегодно сгорает около миллиона тонн нефти, промышленная загазованность приводит к попаданию в атмосферу окислов серы и азота. Возвращаясь на Землю в виде кислотных дождей, они зачисляют и поражают почвы, водоемы, леса. Происходит деградация почв, вокруг Аральского моря ежегодно выдувается свыше 150 млн. тонн земли. В целом на Земле опустыниванием охвачена территория, равная по площади Северной и Южной Америке.

Наблюдается дефицит пресной воды (суточная Потребностьпотребность человека в воде возросла до 2,5 л). Гидросфера Земли содержит 1,5 млрд. км3, однако более 96% из них - это соленая вода морей и океанов, покрывающих до 70% всей ее поверхности. Меньше 3% составляют запасы пресной воды, которую только и может потреблять человек в обычных условиях. Эти запасы в основном являются подземными и ледниковыми. Темпы роста потребления пресной воды возрастают. Так, в сутки на все нужды человек затрачивает в среднем 150-200 л, а в больших городах - до 500-600 л. Это ведет к истощению невозобновляемых водных ресурсов. В то же время каждый день на Земле умирают 25 тыс. человек из-за плохой воды. Происходит сокращение естественных мест обитания, темпы ежегодного уничтожения лесов составляют около <?xml version="1.0" encoding="UTF-16"?>
. За последние 50 лет было уничтожено около 60% лесов на нашей планете, которые справедливо считаются легкими Земли, так как они дают основную массу кислорода, необходимого для существования животного мира. Австралия уже потеряла 75% своих лесов, Латинская Америка - 38%, Африка - 23%, и темпы вырубки непрерывно растут. Для восстановления необходимого для человека взаимоотношения между кислородом и углекислым газом в атмосфере огромную роль играют растения и протекающие в них процессы Фотосинтезфотосинтеза. Этот баланс регулируется естественным образом, в основном лесами и океанами. Кроме того, леса удерживают влагу в почвах, препятствуя тем самым засухам, ветровой и водной эрозии, а хвойный лес еще и выделяет Фитонцидыфитонциды, которые убивают различные болезнетворные Бактериябактерии. Поэтому вырубка лесов также является причиной возникновения инфекционных болезней. В сочетании с угрозой уничтожения Планктонпланктона при загрязнении морей и океанов это может создать угрозу воспроизводству необходимого для жизни кислорода.

В XX веке возникла созданная только человеком угроза радиоактивного загрязнения окружающей среды за счет развития ядерной энергетики, испытаний ядерного оружия и накопления радиоактивных отходов. В настоящее время в мире нет ребенка, в костях которого не содержалось хотя бы небольшого количества стронция-90 [ссылка на источники литературы]. Предполагается, что к середине XXI века масса радиоактивных элементов в объектах биосферы возрастет в 10 раз.

Большой урон для экологии России нанесли и сами ядерные испытания. На российских полигонах произведено более 180 поверхностных и подземных взрывов. Техногенные катастрофы, связанные с ядерной энергетикой, типа «Чернобыля», приобретают планетарный характер, и их отдаленные последствия еще не известны и не поняты до конца. Накоплены огромные запасы радиоактивных отходов от активных зон ядерных реакторов атомных подводных лодок (АПЛ) и атомных ледоколов (АЛ), промышленных реакторов и радиационных установок. Их надежная утилизация и захоронение требуют таких значительных финансовых средств, которых не может позволить текущая экономика России. Требуется также разработка новых технологий, связанных с ядерной энергетикой. Такие же проблемы имеются и в других развитых странах (США, Англия, Франция), использующих ядерные энергетические установки (ЯЭУ), и встанут перед странами «третьего» мира, стремящихся войти в ядерный клуб. Намечается тенденция решить проблемы захоронения и переработки ядерных отходов за счет России. Необходимы глобальные меры и усилия всего человечества для собственного спасения от радиоактивной угрозы.

Примеров неразумного, потребительского отношения человека к природе каждый из нас может привести сколь угодно много. Поистине, человек никогда не взимал с природы столько дани и не оказывался столь уязвимым перед мощью, которую сам же и создал. Постепенно управляющие возможности человека приходят в противоречие с созданными им производительными силами и сохранением Окружающая средаокружающей среды. Несмотря на огромную самоочищающую способность биосферы, человек становится основной опасностью для стабильности биосферы. АнтропогенныйАнтропогенное воздействие на Биосферабиосферу поставило под угрозу существование присущих ей биотических процессов и позволяет считать, что глобальная экологическая катастрофа может стать реальной в результате такой деятельности человека на Земле.

Истощение и загрязнение природной среды приводят к нарушению экологических связей, образованию огромных пространств на Земле, где уже невозможно в деградированной среде осуществлять обмен веществ и энергии. Это резко ухудшает жизнедеятельность человека, сокращает Ареалареал его обитания и изменяет его генетический фонд. Заметим, что состояние окружающей среды в России в настоящее время официально признано экологическим кризисом [ссылка на источники литературы].

Физическими основами современной экологии являются те же представления о термодинамике открытых неравновесных систем и их самоорганизации, которые мы уже рассмотрели в главе 2.1. В процессе образования диссипативных структур в открытых системах отток энтропии наружу может уравновесить ее производство в самой системе при протекании неравновесных процессов развития и установится то стационарное состояние, которое Берталанфи [ссылка на источники литературы] назвал «текущим равновесием». Процессы самоорганизации в результате обмена энергией, веществом и информацией с окружающей средой позволяют поддерживать это состояние текущего равновесия при условии компенсации потерь на диссипацию извне, из окружающей среды.

Как отмечал Шелепин Л.А.Л.А. Шелепин [ссылка на источники литературы], вся биосфера Земли в состоянии текущего равновесия существует за счет отрицательного баланса энтропии. Световое излучение от Солнца является более энтропийно ценным видом энергии, чем тепло. Это излучение за счет фотосинтеза в биосфере преобразуется в другие виды энергии, в частности в тепло, которое уходит в мировое пространство в виде равновесного теплового излучения Земли. Приток энергии на Землю в виде электромагнитного излучения Солнца уравновешивается ее оттоком в виде теплового излучения, и при этом энтропия уменьшается.

Можно считать, что вся жизнь на Земле существует лишь потому, что поглощаемое Землей излучение в среднем имеет более высокую частоту, чем излучаемое. Этим же объясняется и причина казавшейся парадоксальной и противоречащей второму Законзакону термодинамики (для изолированных систем!) направленности процессов в живой природе, где, как мы знаем, биологические объекты эволюционируют от простейших форм к высшим организмам.

Загрязнение Окружающая средаокружающей среды обусловлено термодинамическими законами, применимыми к неравновесным открытым системам и заложенными в самой природе. Загрязнение является следствием неэффективного использования или дополнительного увеличения энергии для удовлетворения потребностей человека. Энергетика в этом отношении - та область человеческой деятельности. которая оказывает самое разрушительное действие на природу. При этом, потребляя запасенную в природных системах энергию ископаемых горючих, человек вносит в биосферу хаос и разрушает ту упорядоченность, которую создала свободная энергия солнечного излучения.

Термодинамический подход к экологии применим к изучению не только загрязнения среды, но и цепей питания живых организмов (последовательностей передачи вещества и энергии) и экологической смены сообществ. При поедании животным растений (или других животных) наряду с синтезом живого вещества происходит значительное рассеивание энергии. Одум Ю.Ю. Одум [ссылка на источники литературы] показал, что количество энергии, передаваемой на следующий Трофическийтрофический уровень, всегда меньше энергии, полученной предыдущим уровнем. Эффективность передачи энергии составляет лишь 5-20%, и трофические цепи имеют всего 4-5 звеньев. Выпадение того или иного звена в этой цепи может полностью изменить характер биоценоза.

Различные диссипативные структуры реализуются в открытых экологических системах. Модель Вольтерра - Лотки [ссылка на источники литературы] для системы «хищник - жертва» описывает взаимодействие между элементами биоценоза. Например, рост численности зайцев приводит к увеличению питания для волков, но уменьшает количество травы, необходимой для питания зайцев. Поэтому через какое-то время численность зайцев уменьшится, а численность волков увеличится. Количество травы увеличивается, но запасы пищи для волков уменьшаются и их численность падает. Тогда поголовье зайцев снова растет, и процесс повторяется. В общем случае, когда хищники слишком сильно размножаются, жертвы уничтожаются интенсивней. Численность жертв падает, это вызывает нехватку пищи для хищников и, как следствие, уменьшение их популяции. Тогда численность жертв снова увеличивается. Налицо автоколебательный процесс, и, как следует из теории колебаний, режим с определенным периодом оказывается устойчивым. Здесь мы подошли к проблеме физической и биологической устойчивости животного мира.

Постоянство внутренней среды есть
условие свободной жизни организма.

К. Бернар

Им бы теперь, попивая сакэ,
Наслаждаться прекрасной картиной.
Нет, ходит зачем-то народ,
Топчет на улице снег.

Т. Мунэтаке

Так же как и любая Структура диссипативнаядиссипативная структура, биосфера как целостная согласованно функционирующая система имеет пределы своей устойчивости, и проблема изучения стабильности и устойчивого развития биосферы является одной из самых фундаментальных. При выходе за эти пределы система проходит через цепь Бифуркациябифуркаций, скачкообразно меняет свои свойства и может прекратить свое существование. До интенсивного развития Техносфератехносферы буквально за последние 50 лет Антропогенныйантропогенные воздействия не достигали этих пределов. Однако в настоящее время планетарная сила человечества достигла такого могущества, что быстрые катастрофические изменения могут произойти настолько стремительно и неожиданно, что мы уже ничего не сможем изменить, а границы устойчивости окажутся существенно ниже, чем это представляется на первый взгляд.

Как подчеркивал Моисеев Н.Н.Н.Н. Моисеев [ссылка на источники литературы], индикаторами приближения к бифуркационному состоянию биосферы как раз и являются перечисленные нами в подразд. 2.6.5 условия загрязнения окружающей среды, потепление климата, утоньшение озонового слоя, уменьшение биоразнообразия, необратимое изменение связей в биогеоценозах и т.д. Определенным подтверждением предположения о возможной потере биосферной устойчивости служат компьютерные имитации последствий ядреной войны, проведенные академиком Н.Н. Моисеевым и его сотрудниками. В отличие от модели американского астронома Саган К.К. Сагана были использованы разнообразные данные по глобальной взаимосвязи атмосферы и океана, выпадения осадков и изменения температуры в разных частях Земли. Было показано, что в результате «ядерной зимы» биосфера, возмущенная ядерными взрывами и общепланетарными пожарами, лишь через год вернется в состояние равновесия, но качественно отличное от исходного, в котором уже не будет условий для существования жизни в современном виде.

Качественные оценки устойчивости биосферы как целого могут быть проведены на основе использования химического принципа Ле Шателье, о котором мы уже упоминали. Напомним, что этот принцип реализуется в том, что если на систему, находящуюся в равновесии, воздействовать извне, то в ней усилятся те процессы, которые ослабляют влияние, производимое воздействием. Положение равновесия также сместится в сторону ослабления эффективности внешнего воздействия. Таким образом, неблагоприятные условия Природа живаяживая природа регулирует по этому принципу, и если принцип Ле Шателье перестает действовать в Биотабиоте, то она и Окружающая средаокружающая среда теряют устойчивость

Горшков В.Г.В.Г. Горшков [ссылка на источники литературы] считает, что любые живые особи представляют собой сложнейшие типы скоррелированности на молекулярном, клеточном, организменном, популяционном и даже социальном уровнях. По его мнению, главной особенностью жизни является то, что в силу сложности корреляций любой конкретный тип скоррелированности в биоте всегда неустойчив и непрерывно распадается с течением времени. Для отдельного организма это означает смерть. Поэтому сохранение этой скоррелированности живых особей возможно только в рамках популяции этих особей. Причем необходимым условием сохранения природы в целом является необходимость разнообразия (многообразные Экосистемаэкосистемы), а для устойчивости популяций - наличие конкурентно взаимодействующих особей. Скоррелированность различных видов в сообществах и обеспечивает Биотический потенциал популяциибиотическую регуляцию и выполнение принципа Ле Шателье в биосфере по отношению к возмущениям Окружающая средаокружающей среды.

Заметим, что естественная Биотабиота не использует невозобновляемых ресурсов для поддержания ее существования. Это следует из постоянства запасов органического и неорганического углерода в биосфере, а современное энергопотребление человеческого Обществообщества основано на 90% невозобновляемых ресурсов, нарушая тем самым устойчивость природных систем и загрязняя их. Необходимо подчеркнуть, что биосфера как целое, стремящаяся к устойчивости и выживанию в соответствии с принципом Ле Шателье, предпринимает и усиливает действие против неразумного поведения человека, угрожающего самому ее существованию, и может измениться так, что в ней не будет места человеку.

Каждый живой организм адаптирован к своей экологической нише, в которой он может устойчиво существовать и развиваться. В этом смысле Ноосфераноосферу можно рассматривать как экологическую нишу устойчивого существования и развития цивилизованного человека в условиях НТР только при сохранении естественной Биотабиоты на больших территориях Земли и сокращении общего энергопотребления и оптимизации роста населения до экологически разрешенного уровня. Тогда смысл жизни каждого человека будет заключаться в выполнении необходимой работы по производству и генетической стабилизации человечества как биологического вида, его культуры, цивилизации и, конечно, окружающей среды.

В связи с проблемой устойчивости Экосистемаэкосистем возникла необходимость разработки некой концепции устойчивого развития. Сам термин «sustainible development», провозглашенный на знаменитой конференции по окружающей среде и развитию в Рио-де-Жанейро в 1992 г., по мнению Моисеев Н.Н.Н.Н. Моисеева, неудачно трактуется, особенно в России, как устойчивое развитие, которое можно осуществить лишь технологическими и организационными мерами по преодолению существующих экологических трудностей, в то время как понятие «sunstainibility» в популяционной динамике означает, что развитие любого вида не должно нарушать стабильности его экологической ниши и имеет более глубокий смысл Коэволюциякоэволюции природы и человека.

По своему замыслу принятие этой концепции должно было стимулировать разработку общей стратегии развития человеческого Обществообщества на базе экологически целесообразного природопользования, сохранения благоприятного для людей состояния окружающей среды, обеспечивающего приемлемое качество жизни для нынешнего и последующих поколений людей. Эту концепцию можно рассматривать в конечном итоге как переход общества к ноосфере.

Совершенно очевидно, что сейчас недостаточен наивно-трогательный подход просто доброго отношения к природе человека, близкого к ней. Экспоненциально ухудшающаяся ситуация требует глубокого сознательного активного спасания природы. А это может сделать только образованный человек. Такой развитый творчески и обогащенный научными Знаниезнаниями человек не только не станет неосторожно мешать природе, но и сможет построить правильную модель своей коэволюции с биосферой. Реализация такой коэволюции невозможна без глубокого познания природы, которое постигается научными Методметодами на основе холистической мировоззренческой Парадигмапарадигмы современного естествознания. Поэтому в основе экологического образования должен лежать курс концепций современного естествознания, развивающий целостное представление об окружающем нас мире [ссылка на источники литературы].

Очень важно также «услышать», что подсказывает нам сама природа, уловить вектор движения к этой парадигме из отобранных природой для нас понятий и общих законов. Примером такого общего, хорошо и давно известного понятия, проявляющегося и в живой, и неживой природе, является представление о гармонии. Оно, как мы неоднократно отмечали, выражается в пропорции Золотое сечение«золотого сечения», принципы которого охватывают все уровни организации матери, мышление и сознание человека, биосферу и экологию [ссылка на источники литературы].

В связи с этим возрастает роль современных и адекватных физических моделей как инструмента научного осмысления природы. Можно и нужно согласиться с Моисеев Н.Н.Н.Н. Моисеевым, что «именно естественные науки способы точно описать ту запретную черту, которую люди ни при каких обстоятельствах не имеют права переступать» [ссылка на источники литературы]. Только целостное научное понимание мира с нравственных позиций позволит правильно организовать экологическое обучение и решать многочисленные экологические проблемы.

Контрольные вопросы к главе 2.6

© Центр дистанционного образования МГУП