Чем обусловлена устойчивость биосферы
Устойчивость биосферы
Список литературы 11
Биосфера (от греч. βιος — жизнь и σφαῖρα — сфера, шар) — оболочка Земли, заселённая живыми организмами, находящаяся под их воздействием и занятая продуктами их жизнедеятельности; «пленка жизни»; глобальная экосистема Земли.
Термин «биосфера» был введён в биологии Жаном-Батистом Ламарком в начале XIX в., а в геологии предложен австрийским геологом Эдуардом Зюссом в 1875 году.
Целостное учение о биосфере создал русский биогеохимик и философ В.И. Вернадский. Он впервые отвёл живым организмам роль главнейшей преобразующей силы планеты Земля, учитывая их деятельность не только в настоящее время, но и в прошлом.
Биосфера — сфера жизни на планете Земля, включает нижний слой атмосферы, верхний слой литосферы, гидросферу и совокупность обитающих здесь живых организмов (биоту).
Устойчивость биосферы, то есть ее способность возвращаться в исходное состояние после любых возмущающих воздействий, очень велика. Биосфера существует уже около 3,8 миллиарда лет (Солнце и планеты — около 4,6 миллиарда), и за это время ее эволюция не прерывалась. Это следует из того, что все живые организмы, от вирусов до человека, имеют один и тот же генетический код, записанный в молекуле ДНК, а их белки построены из 20 аминокислот, одинаковых у всех организмов. И как бы ни были велики возмущающие воздействия, а некоторые из них можно отнести к разряду глобальных катастроф, приводивших к исчезновению многих видов, в биосфере всегда находились внутренние резервы для восстановления и дальнейшего развития.
Только за последние 570 миллионов лет отмечено шесть крупных катастроф.
В результате одной из них число семейств морских животных уменьшилось более чем на 40 процентов.
Крупнейшая катастрофа на границе пермского и триасового периодов (240 миллионов лет назад) привела к вымиранию около 70 процентов видов, а катастрофа на границе мелового и третичного периодов (67 миллионов лет назад) — к вымиранию почти половины видов (тогда-то и вымерли динозавры).
Причины таких катаклизмов могли быть различны: похолодание климата, большие вулканические извержения с обширными излияниями лавы, отступления океана, удары крупных метеоритов — биота все равно развивалась, приспосабливаясь к окружающей среде и одновременно оказывая на последнюю мощное преобразующее влияние.
Образование атмосферного кислорода и увеличение его концентрации, кстати, тоже оказалось катастрофичным для некоторых видов — они вымерли, в то же время развитие других видов ускорилось.
Биота прошла огромный путь эволюции от простейших организмов до животных и растений и достигла видового разнообразия, которое исследователи оценивают как 2-10 миллионов видов животных, растений и микроорганизмов, каждый из которых занял свою экологическую нишу.
Состояние биоты определяется в основном физико-химическими характеристиками окружающей среды.
За 4 миллиарда лет концентрация СО2 в атмосфере уменьшилась в 100-1000 раз (из-за ослабления вулканизма, в результате расхода радиоактивных элементов в недрах Земли), что отрицательно повлияло на питание растений. В то же время накопление кислорода в атмосфере резко ускорило развитие биоты, но не было на пользу тем самым анаэробным (бескислородным) организмам, в результате жизнедеятельности которых появился кислород. Они были почти полностью вытеснены вновь возникшими аэробными организмами.
Есть предположение, что за время существования биосферы исчезло несколько миллиардов видов, тогда как сейчас существуют несколько миллионов.
Но зато организмы, которые сумели пережить изменение условий, давали начало новым видам. Именно приспособление к изменяющимся условиям окружающей среды создало многочисленные и отлично приспособленные виды, то есть двигало эволюцию, как это впервые показал Дарвин.
Имеются данные о том, что становлению человека как вида способствовали тяжелые условия окружающей среды, в которых жили наши предки.
Когда он научился поддерживать благоприятные условия своего существования, его эволюция как биологического вида прекратилась, сменившись эволюцией общества.
Итак, в процессе эволюции биоты были периоды устойчивого развития и периоды катастроф. Рассмотрим, что происходит с биосферой в настоящее время.
Концепция биотической регуляции и равновесия биосферы
Биотическая регуляция окружающей среды – biotic regulation of environment – формирование, регулирование и стабилизация биотой окружающей среды для ее оптимизации в интересах жизни. В рамках концепции биотической регуляции главным свойством жизни является способность видов организмов к выполнению работы по поддержанию пригодных для жизни условий окружающей среды. Жизнь основана на биохимических реакциях синтеза и разложения, преобразующих неорганические вещества в органические и обратно. Мощность биохимических потоков синтеза и разложения в естественной биоте такова, что отсутствие связи между синтезом и разложением привело бы окружающую среду (биосферу) в состояние, не пригодное для жизни в течение десятков лет.
Для сохранения пригодной для жизни окружающей среды, казалось бы, что синтез и разложение должны быть полностью скомпенсированы. Так считают многие исследователи.
Но это было бы эквивалентно отсутствию жизни. В таком случае все изменения окружающей среды происходили бы за счет потоков из земных недр и их депонирования в осадочные породы. Эти не связанные друг с другом потоки не могут быть замкнутыми, поэтому, учитывая их более низкую скорость по сравнению со скоростью биохимических потоков, окружающая среда могла бы стать непригодной для жизни за время порядка ста тысяч лет.
На самом деле биохимические потоки синтеза и разложения скоррелированы не в результате замкнутости их круговорота, а определяются порогом чувствительности биоты по отношению к изменениям характеристик окружающей среды.
Т. е. круговорот биогенов разомкнут, так как на него воздействует множество факторов.
И только когда разомкнутость превышает порог чувствительности биоты, последняя начинает работу по снижению разомкнутости до порога чувствительности.
Корреляция между синтезом и разложением включается только тогда, когда изменения окружающей среды превышают этот порог. Изменения окружающей среды могут вызываться как абиотическими, так и биотическими процессами.
Таким образом, существование жизни в окружающей среде возможно только при наличии управления этой самой средой. Невозможность существования жизни без биотической регуляции окружающей среды следует также из физической неустойчивости существующего климата Земли, содержащей жидкую гидросферу.
Парниковый эффект, поддерживающий среднеглобальную приземную температуру выше точки замерзания воды, определяется в основном парами воды и облачностью.
Согласно физическим законам, пары воды и облачность находятся в равновесии с жидкой гидросферой.
Это равновесие зависит от приземной температуры. С ее ростом на каждые 100С концентрация паров воды в атмосфере увеличивается вдвое, что приводит к росту парникового эффекта и повышению приземной температуры.
Поэтому существующее равновесное состояние климата колеблется между состояниями полного испарения и полного оледенения. Устойчивое поддержание среднеглобальной приземной температуры в течение последнего миллиарда лет в пределах 7-240С может быть объяснено только биологическим управлением глобального круговорота воды.
Сложное взаимодействие с окружающей средой приводит к необходимости образования сообществ видов, скоррелированно взаимодействующих между собой и окружающей их средой (элементарных ячеек биохимического круговорота), и экологических систем из определенного набора сообществ. Такая скоррелированность в рамках сообщества видов подобна скоррелированности клеток и органов внутри многоклеточного организма.
Только те виды, которые обеспечивают необходимую работу по поддержанию окружающей среды, могут образовывать сообщества и составлять земную биоту.
Виды земной биоты должны сохранять неизменной свою генетическую программу и не могут адаптироваться к любым флуктуациям внешних условий.
Они должны обладать механизмом стабилизации генетической программы.
Действительно, по палеонтологическим данным продолжительность существования видов составляет в среднем от 3 до 7 млн лет, т.е. соответствует геологическим временам.
Все виды биоты должны при этом быть жизнеспособны и согласованно взаимодействовать с другими видами сообщества, обеспечивая управление окружающей средой.
Основными биогенами служат кислород, углерод, азот и фосфор. В силу ограниченности в окружающей среде доступных биоте биогенов (например, углерода в виде углекислого газа), круговорот биогенов замкнут с высокой степенью точности, обычно равной или ниже порога чувствительности биоты (для углерода эта величина измеряется сотыми процента).
При внешнем возмущении биота его размыкает для возвращения окружающей среды к прежнему состоянию.
Примеров формирования, регулирования и стабилизации окружающей среды много.
Геологическая наука показала, что земная кора в значительной степени сформирована непосредственно биотой или при ее косвенном участии. Хорошо известно, что кислородная атмосфера в основном сформирована биотой.
Почва является прямым продуктом деятельности живых организмов. В современном Мировом океане концентрация основных биогенов находится в том же соотношении, что и при синтезе органического вещества.
Несколько позже идею биотической регуляции выдвинул английский ученый Дж. Лавлок, назвав ее «гипотеза Гея», но научно обосновал реальные механизмы регуляции окружающей среды биотой российский биофизик В.Г. Горшков.
Он же показал, что биосфера (глобальная экосистема), как любая система, имеет предел «прочности», предел внешнего воздействия на нее, превышение которого ведет к нарушению устойчивости системы. Этот предел называют несущей емкостью экосистемы или несущей хозяйственной емкостью экосистемы, и ее можно определять как для глобальной экосистемы (биосферы), так и для экосистемы любого меньшего масштаба, а также для любой территории.
В результате человечество вышло за пределы несущей емкости глобальной экосистемы, нарушило замыкание биогеохимического круговорота, резко снизило способность экосистем управлять окружающей средой и удалять загрязнения.
Поэтому решение экологических проблем возможно только на пути возвращения человечества в пределы несущей емкости глобальной экосистемы, а борьба с загрязнением и ресурсосбережение остаются важной, но второстепенной задачей.
Теория биотической регуляции окружающей среды объединяет «биологическую» экологию и экологию как науку о взаимоотношениях природы и общества.
Она также является естественнонаучной базой для общественных наук. На международном уровне растет понимание роли биоты в формировании и регулировании окружающей среды.
В частности, в документе, подготовленном в преддверии Международной конференции «Вызовы изменяющейся Земли» (Амстердам, июль 2001 г.), посвященной обсуждению результатов и перспектив крупнейших программ исследований Земли, сказано: «Земля представляет собой систему, в которой сама жизнь помогает контролировать ее состояние. Биологические процессы сильно взаимодействуют с физическими и химическими процессами в формировании свойств окружающей среды, но биология играет гораздо более важную роль в поддержании пределов обитаемости окружающей среды, чем это предполагалось ранее».
За большой период существования биосферы сложилось определенное равновесие ее составных частей, поддерживающее общий энергетический уровень всей системы.
Саморегуляция проявляется в стремлении восстановить нарушаемое взаимодействие компонентов или резкие изменения их количественных показателей. Биологический круговорот непрерывен и бесконечен, он является неотъемлемой частью развития природы и результатом деятельности солнечной энергии. Устойчивость этих процессов — характерная черта биосферы.
Однако хозяйственная деятельность человека, усиливающаяся и принимающая разнообразные формы под влиянием научно-технического прогресса, все более существенно воздействует на биосферу путем изменения ее отдельных компонентов.
Еще на заре своего существования человек использовал природные ресурсы, хотя это действие было стихийным и, главное, незначительным по размерам.
Впоследствии с развитием общества, науки и техники воздействие на природу становилось все более ощутимым.
Постепенно естественную растительность, животный мир стали рассматривать как важнейшее природное сырье для отдельных отраслей промышленности, источник пищи для людей и корма для домашних животных.
С развитием земледелия распахивали большие территории, вырубали леса, расширяли сельхозугодья. Растительный покров суши с доисторических времен сократился на 60—65%. Сейчас во всем мире леса занимают около 27 %, луга и пастбища — 17 %, а пашня — 11 % суши (по данным ФАО). Резко возросло потребление биомассы в виде сырья для промышленности и продуктов питания. Так, в современных агробиоценозах от 40 до 80% биопродукции (зерно, солома, стебли, корнеплоды и т. д.) полностью отчуждается. Значительное количество биомассы вывозят из леса и перерабатывают на заводах и фабриках в строительную, химическую и другую продукцию.
Растительный покров является мощным противоэрозионным фактором. Он создает шероховатость поверхности почвы, растения надежно скрепляют ее корнями, защищают наземными частями от разрушения стоком воды и дождевыми каплями. Культурные травянистые растения задерживают 10—11% осадков, а древесная растительность своими кронами — до 30 %. Защитное значение растительного покрова состоит также в улучшении структуры и водопроницаемости почвы в результате разложения корневых остатков. Большая водорегулирующая роль принадлежит лесной подстилке и ежегодному отпаду травянистых растений, образующих степной войлок, особенно хорошо заметный на лугах и в степных заповедниках.
Вырубка лесов и распашка степей изменяют гидро-климатический режим на больших территориях. На безлесных участках усиливается поверхностный сток, особенно на горных склонах и холмистых местностях. Это влечет за собой смыв верхнего слоя почвы и потерю ее плодородия, развитие разрушительных селевых потоков в горах. Лишенные растительности песчаные равнины в аридной зоне тотчас подвергаются дефляции, превращаясь в движущиеся барханы и причиняя огромный ущерб народному хозяйству. К этому же приводит неосмотрительная распашка песчаных земель, а также легких карбонатных почв и в местностях с умеренным климатом, следствием чего являются развивающиеся здесь пыльные бури.
Научная концепция биотической регуляции окружающей среды может быть сформулирована в виде следующих основных положений:
Устойчивость биосферы
Понятие устойчивости
Устойчивость — это способность экосистемы непрерывно поддерживать определенный круговорот веществ и сохранять в основных чертах свою структуру, характер связей между элементами и их функционирование в пределах естественного колебания параметров. Устойчивость проявляется важными для экосистемы признаками — самоподдержанием и саморегулированием. Самоподдержание — это процесс, в ходе которого экосистема достаточно долго сохраняет свою устойчивость. Оно проявляется в системах, обладающих высоким уровнем сложности, с большим количеством элементов, связи между которыми устойчиво поддерживают круговорот веществ. Саморегуляция — это свойство экосистемы в процессе функционирования сохранять на определенном уровне свое типичное состояние, режим, характеристики связей между компонентами.
Способность экосистемы к самоподдержанию и саморегулированию, в результате чего сохраняется ее устойчивость и стабильность, называется гомеостазом или динамическим равновесием системы.
Любая естественная экосистема, сложившаяся исторически, сохраняется в относительно постоянном виде достаточно длительное время. В этом проявляется ее устойчивость. При этом устойчивость обладает некоторой степенью толерантности (выносливости), позволяющей экосистеме самосохраняться при небольших изменениях, происходящих в окружающей среде и самой экосистеме. По устойчивости экосистемы делятся на два типа: резистентные, то есть способные сохраняться в устойчивом состоянии под нагрузкой, и упругие, способные быстро восстанавливаться, если по каким-то причинам были нарушены.
Механизмы устойчивости биосферы
Устойчивость — это способность биосферы сохранять в основных чертах свою структуру и характер связей между элементами системы, несмотря на внешние воздействия. Условия, обеспечивающие такое состояние системы, называют механизмом устойчивости. Назовем основные механизмы устойчивости биосферы.
1. Одним из механизмов устойчивости биосферы является неизменное положение Земли в космосе в течение длительного промежутка времени (не менее 4 млрд лет), определяющее постоянство поступления солнечной энергии (солнечная постоянная). Солнечная постоянная определяет, в свою очередь, земные константы живого вещества: массу (около 1013 т), запасенную в химических связях энергию (около 1018 ккал), средний химический состав биогенных элементов (кислорода, водорода, углерода, азота).
2. Наиболее важным для сохранения устойчивости биосферы является цикличность ее функционирования (от греч. kyklos — «кругооборот») — то есть многократное использование биогенных веществ, которое лежит в основе биологического круговорота. Водород, кислород, углерод, азот, фосфор и другие биогенные элементы совершают в экосистеме постоянные и многократные миграции между телами живых организмов и физической средой.
Циклическое использование ограниченных по запасам веществ делает их практически неисчерпаемыми. На этом основана бесконечность жизни экосистемы и ее устойчивое существование, иначе она очень быстро исчезла бы, израсходовав все доступные ресурсы.
Наряду с образованием органических веществ и аккумуляцией энергии в круговороте, то есть постоянным притоком веществ и необходимой энергии, устойчивость экосистемы обеспечивает постоянно идущий отток (выход) из экосистемы преобразованной энергии и избыточных продуктов обмена, разрушение сложных органических соединений и их превращение в простые минеральные вещества (воду, углекислый газ, аммиак, различные соли и пр.). Чтобы биосфера могла существовать, процессы создания и разрушения органических веществ в ней должны постоянно поддерживаться в равновесном состоянии.
Например, известно, что в результате жизнедеятельности организмов большие количества углерода поглощаются из атмосферы и накапливаются в биосфере в форме залежей карбонатных пород (известняков, доломитов), углей и других горючих ископаемых. В то же время большие количества углекислого газа и частично углеводороды снова возвращаются в атмосферу в ходе вулканических и магматических процессов. Поэтому нарушения баланса углерода в биосфере не наблюдается.
4. Многочисленные исследования по выявлению закономерностей существования экосистемы показали, что в поддержании устойчивости системы особенно большое значение имеют избыточность информации и обратная связь (петля управления). Избыточность информации в биосфере как глобальной экосистеме свидетельствует о некотором сдвиге в сторону или созидания, или разрушения ее показателей. То и другое нарушает устойчивость экосистемы. С помощью обратной связи система осуществляет управление многими процессами, происходящими в ней.
5. В биологическом круговороте между живой и неживой частями экосистемы осуществляется направленный поток энергии и химических веществ (миграция атомов). Этот процесс совершается не в самой биосфере, а в ее конкретных компонентах — биогеоценозах. Все биогеоценозы, имеющиеся в биосфере, связаны постоянным обменом веществ между собой и с окружающей средой. Взаимодействие между биогеоценозами как структурными компонентами биосферы способствует поддержанию ее устойчивости. Оно осуществляется за счет перемещения и многообразного функционирования живого, а также слияния геохимических круговоротов отдельных биогеоценозов, в результате чего сохраняется один общий биологический круговорот веществ и поток энергии.
6. Как условие сохранения устойчивости экосистемы большое значение имеет ее сложность. Чем более сложной является ее структура и чем выше степень упорядоченности, тем более устойчивой она оказывается. Устойчивость глобальной экосистемы находится в прямой зависимости от того, насколько велико количество компонентов, способных поддержать ее функционирование. Поэтому от многообразия природных комплексов живых организмов (биогеоценозов), распространившихся по всей поверхности Земли («растекание» жизни), зависит устойчивость биосферы.
Функциональное разнообразие компонентов экосистемы, то есть ее сложность, обеспечивает ее устойчивость и стабильность.
Для устойчивого существования биосферы необходимы сбалансированные отношения между различными биогеоценозами, обеспечивающими разнообразное потребление и возврат минеральных ресурсов в абиотическую среду. В случае выпадения из системы каких-либо природных сообществ или замены их качественно иными (например, в наше время — агроценозами), динамическое равновесие в биосфере может нарушиться.
Устойчивое состояние экосистемы «биосфера» обеспечивается колоссальным разнообразием природных экосистем, биологических видов и других структурных форм живого вещества.
7. Антропогенное воздействие также влияет на устойчивость биосферы. По вине человека многие биогеоценозы и водные экосистемы сейчас теряют устойчивость, так как его длительность приобрела разрушающий, деградирующий природу характер. Следует надеяться, что, опираясь на свой разум, знание законов природы, человек сможет поддержать устойчивость биосферы как глобальной экосистемы.
Основы устойчивости биосферы
Устойчивость экосистем и биосферы в целом зависит от многих факторов, суть наиболее важных из них состоит в следующем:
1. Биосфера использует внешние источники энергии – солнечную энергию и энергию разогрева земных недр для упорядочения ее организации, не вызывая загрязнения ОС. Постоянное использование определенного количества энергии и ее рассеивание в виде тепла создало эволюционно сложившийся тепловой баланс в биосфере. Сквозной поток энергии, проходя через трофические уровни экосистемы, постоянно гасится (правило 10% Линдемана).
Если автотрофные растения, с которых начинается трансформация солнечной энергии в живое вещество, преобразуют ее из рассеянного состояния в концентрированное, синтезируя органическое вещество, то человек, напротив, забирая органическое вещество, в том числе и из запасников природы, сжигает его, переводя сосредоточенную в нем энергию из концентрированного состояния в рассеянное. Причем при ведении работ по добыче энергетических ресурсов человек разрушает биологические характеристики почв, происходит гибель или деградация растительного покрова, загрязняются водные объекты и атмосфера, формируются отвалы пород, что приводит к подъему уровня грунтовых вод и появлению в окружающей местности контурного кольца из озер, болот и т.д.
2. Биосфера использует вещества (преимущественно легкие биогенные элементы) в основном в форме круговоротов. Биогеохимические циклы элементов отработаны эволюционно и не приводят к накоплению вредных отходов.
Вмешивание человека в отдельные круговороты изложено в предыдущем разделе. Общий же вывод следующий. Человек использует вещество крайне неэффективно, при этом образуется огромное количество отходов, многие из них переводятся из пассивной формы, в которой они находились в природной среде, в активную, токсичную форму. Сравнительный анализ круговоротов веществ в природе и в хозяйственной деятельности подтверждает исключительно экономное использование вещества в природе: 98–99% вещества находится в круговороте и лишь 1–2% выходит из круговорота, при этом создавая геологический запас. Человек же копирует природные круговороты с точностью до наоборот: лишь 1–2% первичного сырья используется в круговоротах, 98–99% уходит в отходы.
3. В биосфере существует огромное многообразие видов и биологических сообществ. Конкурентные и хищнические отношения между видами способствуют установлению между ними равновесия. При этом практически отсутствуют доминирующие виды с чрезмерной численностью, что обеспечивает защиту биосферы от сильной опасности со стороны внутренних факторов. Видовое разнообразие – это фактор повышения устойчивости экосистем к воздействию внешних факторов. Генофонд дикой природы – бесценный дар, возможности которого пока использованы в ничтожно малой степени.
Исчезновение любого из видов – это не только безвозвратная потеря природного генофонда, но и снижение устойчивости отдельных экосистем и биосферы в целом, как огромной и чрезвычайно сложной экосистемы. Путь человечества, к сожалению, отмечен гибелью многих представителей флоры и фауны.
4. Практически все закономерности, характерные для живого вещества, имеют адаптивное значение. Биосистемы вынуждены приспосабливаться к непрерывно изменяющимся условиям жизни. Эти значения имеют разную шкалу времени – от эволюционной до сиюминутной. В вечно меняющейся среде жизни каждый вид организма адаптирован по-своему. Это выражается правилом экологической индивидуальности: двух идентичной видов не существует. Экологическая специфичность видов подчеркивается так называемой аксиомой адаптированности: каждый вид адаптирован к строго определенной специфичной для него совокупности условий. Расширяя хозяйственную деятельность, человек в короткие сроки меняет параметры экологических факторов, и многие виды не успевают приспособиться к таким быстрым изменениям.
5. Саморегуляция, или поддержание численности популяции, зависит от совокупности экологических факторов. Каждая популяция, взаимодействуя с природой как целостная система, словно бы предчувствует возможные последствия происходящего и вырабатывает формы поведения, способные если не предотвратить надвигающийся кризис, то, во всяком случае, смягчить его последствия популяции в целом. Правило популяционного максимума: численность естественных популяций ограничена истощением пищевых ресурсов и условий размножения, недостаточностью этих ресурсов и слишком коротким периодом ускорения роста популяции. В этом смысле очень характерно поведение леммингов – группы мелких млекопитающих, живущих в лесах и тундрах Евразии и Северной Америки. В некоторые годы они сильно размножаются в огромных количествах и предпринимают далекие миграции. В ходе этих миграций массовое самоубийство леммингов предотвращает возможность перенаселения и обеспечивает сохранение популяции в своей экологической нише. «Феномен леммингов» – плохо понимаемая нами реакция популяции на угрозу ее возможной гибели. Естественно, это крайняя форма стабилизации численности популяции. Однако любая популяция обладает строго определенной генетической, фенотической, половозрастной и др. структурой. Она не может состоять из меньшего числа индивидов, чем это необходимо для обеспечения ее устойчивости к факторам внешней среды. Выход за пределы минимума чреват для популяции гибелью: она уже не будет в состоянии самовосстановиться.
Человек способствовал нарушению популяционной стабильности. Растет количество сопутствующих человеку видов (крыс, тараканов и т.д.), а численность многих других популяции, напротив, сокращается, причем иногда в катастрофических размерах, что ставит вид под угрозу полного уничтожения.