При рассмотрении закономерностей пространственной дифференциации геосистем они выступают как трехмерные системы, обладающие вертикальной и горизонтальной структурой.
Однако, существует еще один аспект изучения геосистем – временной. Поэтому геосистемы выступают как пространственно-временные, то есть четырехмерные образования.
В отечественной географической науке, еще начиная с трудов М.В. Ломоносова, а затем В.В. Докучаева, присутствовал временной аспект исследований с целью изучения генезиса и развития объектов.
Историко-генетический анализ ландшафтной структуры был поставлен уже в 20-е годы первыми представителями отечественного ландшафтоведения Л.С. Бергом, Г.Ф. Морозовым, Б.Б. Полыновым и др. Они рассматривали ландшафт как сложную материальную систему, находящуюся в состоянии постоянного развития. По мнению Л.С. Берга «Понять данный ландшафт можно лишь тогда, когда известно, как он произошел и во что со временем превратится». Б.Б. Полынов, изучая ландшафты Монголии и Среднего Дона, пришел к выводу, что эти ландшафты имеют и древние корни, и зарождающиеся элементы.
Все природные геосистемы – категории исторические. Их становление, развитие, перерождение происходит в определенные отрезки времени в истории Земли. Особенно важен историко-генетический подход в региональных ландшафтных исследованиях, т.к. природа геосистем высокого таксономического ранга обычно имеет довольно длительную и сложную историю развития, и современная структура часто несет информацию о прошлом этих систем.
Исследования исторического развития ландшафтов показывают, что природные и природно-антропогенные системы развиваются под действием внешних и внутренних факторов (причин).
Внешние причины ландшафтных смен многообразны: изменение солнечной активности, изменение общей циркуляции атмосферы, тектонические (приводящие к изменению рельефа), перемещение полюсов Земли, воздействие соседних ПТК. Под влиянием какого-либо одного из этих факторов происходит изменение свойств одного из компонентов – климата, геолого-геоморфологических условий. В результате действия закона взаимообусловленности изменяется весь комплекс.
Палеогеографические исследования показывают, что только на протяжении четвертичного периода, за последний миллион лет, неоднократно менялся климат то в сторону похолодания, то в сторону потепления. В результате менялся и характер ландшафтов: в эпохи оледенений – ландшафты покровных ледников, тундр, тундростепей, тайги; в эпохи межледниковий, а особенно в эпоху голоцена больше распространялись лесные ландшафты, в том числе широколиственные. Наряду с климатическим фактором неотектонический фактор следует признать одним из ведущих в становлении и развитии современных ландшафтов. С ним связано заложение многих черт дифференциации ПТК, усиления неоднородности ландшафтной структуры.
Не менее важное значение для эволюционного развития геосистем имеет фактор саморазвития (спонтанный). Саморазвитие – это развитие под влиянием внутренних причин, без влияния внешних факторов. Любая система, даже независимо от внешней среды, саморазвивается (как и любой живой организм – от рождения до смерти).
Движущей силой саморазвития, согласно принципам диалектического материализма, являются внутренние противоречия, заложенные в самой системе. Сущность процесса саморазвития еще в 50-е годы XX века показал В.Н. Сукачев. Он отмечал, что между компонентами биогеоценоза существуют противоречия, которые служат источником его развития как целого, например, противоречия между растительностью и средой: растительность как наиболее активный компонент самоизменяется и вносит изменения в окружающую среду, создаются новые условия. Растительность теперь приспосабливается к изменившимся условиям, между растительностью и другими компонентами стремится установиться новое равновесие, затем снова нарушающееся самой растительностью. Нарушение равновесия и есть движущая сила развития, а растительность – это мотор, приводящий в движение эту силу.
Классическим примером спонтанного развития служит зарастание озер в лесной зоне, превращение их сначала в низинное, затем в переходное болото, наконец, формирование верхового сфагнового болота с атмосферным питанием, возникновение на нем грядово-мочажинных комплексов и озер с торфянистыми берегами. Вначале на дне озера идет накапливание ила и сапропелей, затем низинного торфа (осокового, тростникового), в дальнейшем в результате потери связи поверхности болота с грунтовыми водами и образования верхового болота происходит накопление сфагновых торфов.
К спонтанной динамике относятся многолетние сукцессии, возникающие на гарях в еловой тайге. Гарь сначала захватывается быстрорастущими и светолюбивыми березой и осиной, через некоторое время под их пологом появляется ель, формируется смешанное елово-березовое насаждение; достигнув верхнего полога, ель создает густое затенение и окончательно вытесняет березу с осиной.
Идея спонтанного развития лежит в основе гипотезы С.И. Коржинского о наступлении хвойной тайги на широколиственные леса, широколиственных лесов на степь. Еще один пример саморазвития – переход пойм, на которых идет накопление аллювия, в надпойменные террасы.
Наилучшим примером спонтанного развития является сама ландшафтная оболочка, за 4 млрд. лет прошедшая большой путь поступательного развития от абиотической стадии до биотической. Воздушная среда из бедной кислородом превратилась в богатую кислородом (за счет развития растительности). По мере развития органического мира постепенно сформировались почвы, в свою очередь способствовавшие увеличению видового разнообразия. Продуктом жизнедеятельности организмов являются целые пласты полезных ископаемых (уголь, нефть, торф, джеспилиты).
В процессе эволюции геосистем переплетается влияние изменяющихся внешних факторов и саморазвития, их трудно разделить. При этом спонтанное развитие происходит главным образом за счет биоты, в то время как развитие геосистем под влиянием факторов внешней среды происходит главным образом за счет климатического и геолого-геоморфологического компонентов.
Таким образом, под эволюцией ландшафтных геосистем понимается направленное развитие, сопровождающееся качественными изменениями природных компонентов и морфологической структуры.