Всякая жизнь связана в неразрывную комплексную связь с неодушевлённой окружающей средой. Та часть Земли, которая делает возможной жизнь и содержит формы жизни, обозначается в естествознании термином биосферы[4].
В некоторых естественнонаучных учебниках даётся одностороннее определение биосферы как совокупности всех земных живых существ или как сумма всех экосистем Земли. Для профессора экологии Хартмута Бикка, например, биосфера есть «пригодное для жилья организмов пространство планеты Земля» (Hartmut Bick, Ökologie («Экология»), с. 8).
Однако такое рассмотрение — одностороннее, упрощающее и вводит в заблуждение. Оно видит живой и неодушевлённый мир как застывшие противоположности и изолированные друг от друга явления. Но сущность жизни как раз-таки выражается в постоянном активном обмене веществ с неодушевлённой природой. Фридрих Энгельс критиковал метафизический способ рассмотрения природы:
«Ведь в природе ничто не совершается обособленно. Каждое явление действует на другое, и наоборот; и в забвении факта этого всестороннего движения и взаимодействия и кроется в большинстве случаев то, что мешает нашим естествоиспытателям видеть ясно даже самые простые вещи» («Диалектика природы», К. Маркс и Ф. Энгельс, Соч., т. 20, с. 494).
В соответствии с диалектически-материалистическим рассмотрением природы русский геофизик Владимир Иванович Вернадский (1863—1945 гг.) развил меткое определение биосферы: совокупность земных организмов вместе с окружающей их неоживлённой материей, с которой они находятся в бесконечном обмене веществ, в формировании которой они участвуют и на которую они накладывают свой отпечаток.
Вернадский подчёркивал активную роль жизни в системе биосферы, особенно роль наделённого сознанием человека. Человек может продолжительно и глубоко преобразовывать свою живую и неодушевлённую окружающую среду и находится под её влиянием, он является частью биосферы. Это включает возможность отрицательного изменения природной окружающей среды до такой меры, что естественные условия существования человека будут в очень значительной степени деформированы или даже разрушены.
В этом смысле и в научном плане вполне правильно говорить в настоящее время о «разрушении природной окружающей среды человека». Обобщающее понятие «разрушения природы», как оно иногда применяется в обиходе в экологическом движении, напротив, с диалектически-материалистически точки зрения следует отклонить как ненаучное, оно же носит отпечаток паники. Природу и универсум невозможно ни создать, ни уничтожить, а можно только изменить.
Система биосферы
Кроме Земли, пока не открыто других небесных тел со следами жизни или достаточными жизненными условиями. На основе универсального действия законов природы внеземная жизнь принципиально возможна — повсюду, где в бесконечном универсуме даны необходимые природные условия.
В сравнении со всем объёмом Земли биосфера является довольно тонкой оболочкой. Она простирается от примерно 60 км над поверхностью Земли до 5 км под ней. Она охватывает верхний слой земной коры, включая систему водных ареалов, и нижние слои атмосферы.
Возникновение жизни 3,5 млрд лет назад является результатом бесконечной изменчивости форм движения неодушевлённой и живой материи. В своей книге «Дух не с неба упал» Хоймар фон Дитфурт так описал процесс возникновения первой примитивной жизни:
«Первый шаг жизни был тем самым актом обособления, отделения от окружения, которое тем самым объективно становилось внешним миром. ‹…› Однако этому почти само собой разумеющемуся требованию парадоксальным кажущимся образом противостоит теперь точно противоположная необходимость, заставляющая непрерывно поддерживать связь с тем же внешним миром. ‹…› Решение может состоять только в установлении настоящей ‹квалифицированной› связи с внешним миром. Речь должна идти о связи селективного, избирательного характера» (Hoimar von Ditfurth, Der Geist fiel nicht vom Himmel («Дух не с неба упал»), сс. 32—33).
Обособление жизни от своей окружающей среды и возникающий тем самым обмен веществ между живыми существами и их окружающей средой были диалектическими процессами, которые дальше развивались по спирали вверх с восхождением от примитивных к более высоким формам жизни.
Сначала атмосфера Земли была свободной от чистого кислорода. Она была сильно насыщена водяными парами и содержала, среди прочего, аммиак, метан, водород, а также окись и двуокись углерода.
Между тем уже удалось в искусственно созданных условиях протоатмосферы получить важные структурные элементы жизни (в частности, аминокислоты и мононуклеотиды) и присоединить их к нуклеиновой кислоте и протеинам. Таким образом было доказано естественное происхождение существенных структурных элементов органического обмена веществ и передачи их по наследству.
Фридрих Энгельс метко определил «жизнь» как «способ существования белковых тел, и этот способ существования состоит по своему существу в постоянном самообновлении химических составных частей этих тел» («Анти-Дюринг», К. Маркс и Ф. Энгельс, Соч., т. 20, с. 82).
Современное исследование генов тем временем доказало, что гены развиваются закономерно и в диалектическом единстве с изменяющейся окружающей средой.
Чтобы получить доступ ко всей комплексности биосферы, имеет смысл сначала выбрать научный метод рассмотрения её существенных отдельных частей. Фридрих Энгельс описал этот метод:
«Чтобы понять отдельные явления, мы должны вырвать их из всеобщей связи и рассматривать их изолированно…» («Диалектика природы», К. Маркс и Ф. Энгельс, Соч., т. 20, сс. 576—577).
Именно по этой причине биосфера, следуя австрийскому геологу Эдуарду Зюссу (1831—1914 гг.) обычно делится на три субъединицы:
• литосферу, слой пород и почв,
• гидросферу, водные ареалы Земли, и
• атмосферу, воздушную оболочку Земли.
Но это не резко разграниченные друг от друга сферы, а части связанной глобальной системы, находящиеся в диалектическом взаимодействии.
Литосфера
Одна из важнейших экологических функций пород земной коры состоит в предоставлении выветрившихся минералов, исходных материалов образования почвы. Из них, вместе с омертвелой органикой, возникают более или менее плодотворные почвы, т. е. одна из необходимых основ всей человеческой цивилизации. Другой функцией являются сбор и очистка питьевой воды.
Земная кора — это собственное пространство жизни. Без огромного многообразия почвенных организмов процесс образования почвы был бы совершенно немыслимым. В почве мёртвая органическая субстанция снова разлагается на свои составные части. Так, двуокись углерода, вода, соединения азота и другие соли вновь предоставляются в распоряжение растений как питательные вещества. Здесь происходит также множество синтетических процессов (строительства и перестройки), без которых было бы немыслимо, например, образование гумуса.
Великий естествоиспытатель Чарльз Дарвин (1809—1882 гг.) открыл, что самый обыкновенный дождевой червь (в мире много видов дождевых червей) несёт главную ответственность за образование плодотворной пахотной земли и, тем самым, является непременным для существования человека. В учебнике «Экосистемы» автора Франка А. Клётцли говорится об этом:
«На гектар и год 1—20 тонн почвы проходят через тела дождевых червей. В лиственных лесах таким образом верхний слой почвы глубиной до 50 сантиметров перерабатывается раз в 200—300 лет, в степи верхние слои глубиной до 30 см — раз в 100—150 лет» (Frank A. Klötzli, Ökosysteme («Экосистемы»), 1989 г., с. 253).
Почвенная фауна и флора состоит из червей всякого рода, пауков, микронасекомых, водорослей, грибов и бактерий. В слоях почвы постоянно идёт их обмен веществ с минеральными, органическими и газообразными частями литосферы.
Почвенные организмы ответственны за большинство процессов перехода и преобразования из оживлённой в неодушевлённую материю и обратно. Этот обмен веществ есть одна из существенных основ жизни.
Минеральные месторождения, сформированные длившимися миллионы лет геохимическими процессами, принадлежат к невозобновляемым ресурсам. К ним надо причислять также месторождения ископаемого топлива, такого как торф, уголь, нефть и природный газ. Понятие «невозобновляемое», правда, не полностью точно, потому что названное так сырьё имеет органическое происхождение, и его возникновение продолжается. Но эти процессы длятся так долго, что они не будут регенерироваться в относительную краткосрочность человеческой истории. Об этом пишут Штефан Касторф и Ханс-Иоахим Шелнхубер в книге «Изменение климата»:
«Год за годом сожжённое количество соответствует приблизительно тому, что сформировалось во время возникновения месторождений нефти и угля примерно в один миллион лет» (Stefan Rahmstorf, Hans Joachim Schellnhuber, Der Klimawandel («Изменение климата»), cc. 33—34).
Ввиду значения сырья из природной окружающей среды для человеческой жизни, выражение «невозобновляемое» поэтому вполне рационально.
Гидросфера
Гидросфера охватывает надземные и подземные воды планеты. «Синий цвет» Земли, который можно наблюдать из космоса, проистекает от воды. Океаны покрывают более семи десятых земной поверхности. Но гидросфера охватывает также грунтовые воды, просачивающиеся воды почв, воду внутри минералов, внутренние воды, а также материковый и паковый лёд.
Совокупное количество воды на Земле оценивается в 1,4 млрд кубических километров. 97 процентов из них выпадают на долю солёной воды океанов, 2 процента связаны в форме льда — и только примерно 0,7 процента находятся на суше как пресная вода.
Особенность Земли состоит в температурах на её поверхности, позволяющих воде переходы между твёрдым, жидким и газообразным агрегатными состояниями. Всем биологическим процессам на Земле нужна жидкая вода. Авторы Ханс Кнодель и Ульрих Кулл писали об этом:
«Почти все процессы в клетках организмов протекают в водяной среде. Во всех живых существах вода является материальной главной составной частью (в большинстве случаев более 70 %) и многие организмы живут исключительно в воде» (Hans Knodel, Ulrich Kuli, Ökologie und Umweltschutz («Экология и защита окружающей среды»), 1981, с. 4).
В океанах и внутренних водах (реки, озёра и т. д.) гидросфера даёт большому числу организмов среду обитания. Эти организмы относятся к важнейшим поставщикам протеинов в пищевых цепочках (рыбы, ракообразные и др.). В больших глубинных и грунтовых водоёмах накапливается пресная вода, «кровь» флоры и фауны Земли.
Первостепенное значение воды для жизни вытекает из ряда особых свойств («аномалий»). В сравнении с подобными молекулами, такими как сероводород, следовало бы ожидать для воды температуры плавления в примерно минус 150 градусов Цельсия и точки кипения в 80 градусов Цельсия. Но вода имеет намного более высокую точку плавления в ноль градусов и превращается в пар только при 100 градусах Цельсия. Это решающая предпосылка для существования озёр и рек.
Кроме того, в отличие от других веществ, вода не загустевает при падении температуры. Свою наибольшую густоту она имеет уже при четырёх градусах Цельсия — поэтому более лёгкий лёд плывёт на жидкой воде и водяные организмы могут выживать под ним. В конечном счёте ёмкость воды как аккумулятор тепла намного выше, чем ёмкость других молекул соответствующей величины. Водяные молекулы могут быть разной структуры, и эти структуры взаимообратимы. Поэтому вода есть идеальный растворитель для всех биохимических жизненных процессов. Кроме того, она может стабилизировать другие молекулы, например, жизненно важные протеины или наследственную субстанцию ДНК.
Гидросфера Земли — не однородное пространство, но многократно расчленённая динамическая система из водяных резервуаров. Система приводится в движение Солнцем. Его излучение приводит к таянию поверхностей ледников, снега и льда и к испарению воды из океанов, озёр и рек, из почвы и организмов. В атмосфере водяной пар распределяется над Землёй, пока не охлаждается вновь и не поступает обратно к поверхности Земли как осадки (роса, дождь, снег, град). Одна из важнейших экологических функций водяной системы, приводимой в движение солнцем, лежит в том, что из огромных резервуаров солёной воды океанов снова возникает пресная вода.
Гидросфера имеет особое значение для формирования климата. Поскольку вода имеет высокую ёмкость теплоаккумуляции, океаны и озера уравнивающим образом действуют на свои климатические пространства.
Атмосфера
Газообразная оболочка Земли называется атмосферой. Она охватывает некоторые горизонтально лежащие друг над другом слои.
Слои воздуха относятся к существенным жизненным основам растений, животных и человека. В самом низком, близком к почве слое, тропосфере, концентрируются 90 процентов всего воздуха и почти весь водяной пар атмосферы. Около полюсов её вертикальное распространение достигает около восьми, а вокруг экватора около 18 километров. Только в нижней области тропосферы имеется достаточно кислорода для жизни более развитых животных и человека.
Названная «воздухом» атмосфера Земли состоит из азота (78,1 %), из кислорода (20,9 %) и инертного газа аргона (0,9 %). Остальные 0,1 % распределяются на большое количество «микрогазов». Двуокись углерода (доля которой в воздухе в настоящее время — 0,04 %) является самым известным и важнейшим микрогазом, не в последнюю очередь потому, что она, несмотря на малую процентную долю,— один из важнейших природных парниковых газов. Парниковые газы обеспечивают то, что температуры на поверхности Земли благоприятны для жизни.
В тропосфере происходят все метеорологические события с ветрами и формациями облаков. Так как тропосфера нагревается прежде всего Землёй, она быстро охлаждается в своих внешних слоях (примерно на 6,5 градуса на километр высоты). Поэтому там бывают температуры до минус 55 градусов Цельсия.
Выше тропосферы лежит стратосфера. Там находится необходимый для земной жизни слой озона. Его молекула (O3) состоит из трёх атомов кислорода. Он способен к глубокой абсорбции богатой энергией ультрафиолетовой радиации (УФ-В, УФ-С) Солнца. Если слой озона не повреждён, то неотфильтрованной через него до поверхности Земли проходит только более бедная энергией радиация УФ-А.
За стратосферой на высоте примерно 50 километров следует мезосфера, в которой температуры понижаются до минус 90 градусов Цельсия. Тут находятся последние внешние позиции земной жизни в виде крайне нечувствительных спор бактерий.
Мезосфера, вместе с холодными регионами тропосферы, исполняет важную функцию для всей биосферы: тут водяной пар атмосферы замораживается в ледяные кристаллы, которые падают обратно на Землю. Иначе водяной пар уходил бы дальше в космос и распадался. В этом случае Земля давно бы уже не имела воды, и жизнь бы вымерла.
Флора и фауна
Живое содержание биосферы — это организмы, многие виды растений и животных, включая человека. Они формируют системные общности жизни (биоценозы) и живут в конкретных пространствах жизни (биотопах), каждое с собственной идентичностью. Виды находятся в тесной взаимодействующей связи друг с другом, как и с неодушевлёнными компонентами биосферы. Они формируют экосистему.
В обычной экологической науке упрощённо различают три главных функциональных группы организмов экосистемы: производители, потребители и деструэнты. Это распределение целесообразно, но не абсолютно, ведь во всех трёх главных группах принципиально производят, потребляют и разлагают. При таком распределении речь идёт лишь о том, которая из этих трёх сторон природных функций является соответственной характерной чертой.
К производителям принадлежат все зелёные растения, водоросли и некоторые бактерии. Более точно можно обозначить их как биологических первичных производителей или «биотрансформаторов» для органического первичного производства. Они — единственные организмы, способные производить сахар (глюкозу) из двуокиси углерода и воды при помощи солнечного света, т. е. преобразовывать неорганическую материю в органические питательные вещества. Эта биохимическая реакция называется фотосинтезом.
Фотосинтез зависит от солнечного света. Некоторые определённые пигменты краски, такие как хлорофилл зелёных растений, могут абсорбировать свет. По своей сути фотосинтез является инициируемой Солнцем системой трансформации: солнечная энергия тут сперва превращается в электрическую, затем в химическую энергию (богатые энергией соединения), при помощи которых строятся сахар, и, соответственно, углеводы.
В растениях полученный сахар является универсальным исходным веществом для получения энергии в живых существах и для производства более комплексных органических веществ, за счёт которых живут все животные. Кроме того, при фотосинтезе возникает свободный кислород, который отдаётся в атмосферу, где представляет необходимую для жизни дышащих живых существ основу, а также основное вещество озонового слоя.
Если брать глобально, то в год фотосинтезом строится около 175 млрд тонн органического материала: 120 млрд тонн на суше и 55 млрд тонн в океанах.
С 1979 г. были исследованы также экосистемы морского дна, в 2012 г. открыта экосистема на рекордной глубине 5000 метров. Тут преобразование неорганической материи в органические питательные вещества происходит не фотосинтезом, но хемосинтезом. Поставщиками энергии являются нагретая вулканизмом вода и серосодержащие соединения.
Вторая большая группа, потребители, сама не может выполнять первичное производство. Им нужно питаться органической субстанцией, чтобы получить энергию и жизненно важные соединения для своего обмена веществ. К этой группе принадлежат все животные, и также человек. При этом можно различать растительноядные от плотоядных и всеядных живых существ. Первые как первичные потребители являются прямыми пользователями первичной растительной продукции и сами служат плотоядным животным (второстепенным потребителям) питанием. Многие виды животных, и также человек, могут разнообразно питаться («всеядные»).
Группа деструэнтов (разлагателей) в конце концов разбирает органическую субстанцию отмерших живых существ на более простые вещества. Тут возможно различать две главных группы: отходоядные и агенты минерализации. К первой группе принадлежат многие мелкие животные почвенных слоёв, например, черви, насекомые, мелкие ракообразные. Они берут на себя задачу предварительного дробления органической субстанции. Так как питательная ценность их питания довольно мала, они имеют большой обмен веществ. Важнейшие агенты минерализации — грибы и бактерии. Они используют органические остатки, разлагают их в гумус и, в конечном счёте, в воду, двуокись углерода и минеральные соли. Планете, таким образом, не суждено задыхаться в уйме накопленной мёртвой биомассы.
Растения используют для своего фотосинтеза только примерно 1—3 процентов попадающей к ним солнечной энергии. Из всего количества изготовленной органической субстанции (валовая первичная продукция) часть потребляется для энергетического самообеспечения растений. Остающийся избыток (чистая первичная продукция) служит реальному растительному приросту и находится в распоряжении потребителей как питание.
Произведённый растениями органический прирост и хранимая в нём энергия посредством повторённого «есть и наесться» распределяются на разные уровни потребителей. Как правило, один вид питается за счёт целой цепочки других видов. Тем самым в одной экосистеме типично формируется комплексная сеть питательных цепей.
Принятое человеком и животным питание никогда полностью не используется. В ходе каждой трансформации энергии часть превращается в тепловую энергию, которая или используется для сохранения температуры тела, или выходит в окружающую среду как тепло. Тем самым на каждом уровне уменьшается отданное с пищей количество энергии. Производство мяса является особенно энергетически расточительным, потому что полезные животные сами потребляют большую часть переработанной биомассы.
Обеспечение течения энергии в экосистеме из-за продолжающейся потери тепла может сохраняться только постоянным поступлением энергии в виде солнечного излучения. Вещественные составные части пробегают по сетям питания в форме многообразных соединений — и посредством секреции или минерализации вновь выходят в неодушевлённую область биосферы. Там они снова в распоряжении организмов как исходные вещества органического синтеза.
К существенным системным качествам биосферы относится «биологическое равновесие». В общем восприятии его часто неправильно понимают в метафизическом смысле как тенденцию живых систем к пребыванию в старом состоянии, к избеганию или предотвращению изменений. Но «равновесие» экосистем по своей сути существует как высокодинамичный процесс чередования относительных неравновесий. Экологическая неравновесность является основой экологического равновесия и наоборот. Этот процесс достигает стабильности прежде всего развитием и приспособлением его видов к изменяющимся обстоятельствам. Об этом пишут биологи Ниль А. Кэмпбел и Джейн Б. Рис:
«Имеется всё больше познаний о том, что многие жизненные общности не находятся в состоянии статичного равновесия, но что постоянные помехи и вызванные тем динамические процессы являются нормальными.» (Neil А. Campbell und Jane В. Reece, Biologie («Биология»), 8 обновлённое издание, Pearson Studium, Мюнхен, 2011 г., с. 1631).
Это не что иное, как экологическая манифестация диалектически-материалистического понятия, что движение или изменение есть форма бытия материи. Высоко-динамичная стабильность экосистемы основывается прежде всего на саморегуляции состава её видов, элементы которой стоят и во взаимной конкуренции друг с другом, как и в зависимости друг от друга. Как общее правило, можно сказать, имеет силу: чем богаче видами биоценоз, тем больше может выдерживать экосистема.
Уменьшенное многообразие видов может отрицательно действовать на системные качества жизненного пространства, в особенности на его стабильность и силу сопротивления другим вредным влияниям. Если экосистема достигает определённого пункта потери равновесия, она может перейти к состоянию меньшей комплексности. Также, таким образом деградированные стадии первично комплексных экосистем могут остаться относительно стабильными ещё долгое время. Примером этого является средиземноморская «лесная чаща» (такие типы ландшафта, как маквис, гарига), которая обширно заменил первичные смешанные дубовые леса средиземного пространства, исчезнувшие вследствие вырубки и слишком сильного использования в качестве пастбищ. Но регенерация первичной системы, также устранением всех мешающих факторов, часто возможна только за длительный период — или даже невозможна. Это касается некоторых форм дождевого леса или верховых болот.
Живые существа — это не только функциональные элементы экосистем, но и источник питания, генный резервуар, показатели окружающей среды и много другого. Не в последнюю очередь они также есть живое вдохновение для духа и культуры человека. Поэтому многообразие видов Земли является одним из жизненно необходимых ресурсов человечества и существенным знаком качества биосферы.