Виктор Данилов-Данильян, член-корреспондент РАН, ИгорьРейф
Человекзависит от окружающей среды, но и окружающая среда зависит от человека. Завремя своего существования человеческая цивилизация не создала, пожалуй, ниодной технологии, которая так или иначе не разрушала бы окружающую среду. К счастью,параллельно шёл и созидательный процесс наращивания научных знаний. Запоследнее столетие стараниями многих исследователей человек пришёл к пониманиюосновных законов природы, обеспечивающих устойчивость биосферы. Но осознали лимы до конца свою ответственность перед жизнью на Земле в целом?
От Гумбольдта до Вернадского
Подобнояблочному червю, подтачивающему изнутри облюбованный им плод, человек строитсвою цивилизацию внутри биосферы и за счёт частичного её разрушения. При этомон лишь недавно приступил к изучению этой сложнейшей системы, хотя первыепопытки целостного подхода к ней восходят ещё к знаменитому немецкомуестествоиспытателю Александру Гумбольдту (1769–1859), противопоставившемумозаике независимо существующих видов Карла Линнея представление о взаимодействииорганизмов между собой и с ландшафтом. В заложенных им основах биогеографииклимат выступает как определяющее звено ландшафта.
Темне менее взгляды Гумбольдта на живой мир и его ландшафтное окружение как наединую систему, неотрывную от климатических факторов, во второй половине XIX векауступили место истории происхождения (филогении) как единственно заслуживающемувнимания научному объяснению явлений природы. Именно историей происхождения впроцессе конкурентного естественного отбора отдельных особей сумел объяснитьЧарльз Дарвин линнеевское множество видов. При этом изумительная по своейлогичности идея Дарвина стала не только биологической теорией, но имировоззренческой концепцией. А в рамках её последующего развития в биологиивозобладал редукционистский подход, то есть объяснение общего через частное наоснове накопленного эмпирического материала. Этот подход сфокусировал вниманиеучёных на эволюционной судьбе отдельного вида и единичной особи, создаваяинерцию «дробления» биоты. И эта тенденция, будучи возведена в абсолют, серьёзнозамедлила развитие взглядов на биосферу как на единую систему.
Казалосьбы, системная концепция биосферы должна была возникнуть в недрах экологии, зарождавшейсяна рубеже XIX—XX веков. Однако в действительности всё сложилось иначе. И первыйсвоим независимым путём пришёл к современной трактовке этого понятия не биолог,а минералог, основатель геохимии, выдающийся российский учёный В. И. Вернадский(1863–1945). В опубликованных в 1926 году лекциях под общим названием «Биосфера»,три года спустя изданных на французском языке, он выдвинул идею целостного мира,в котором живая материя («плёнка жизни») объединена через системубиогеохимических циклов с атмосферой, гидро- и литосферой. Оболочку Земли, в которойпротекают биохимические процессы, он и предложил называть биосферой.
Вернадскийпоказал, что химическое состояние наружной коры нашей планеты находится всецелопод влиянием жизни и определяется живыми организмами. В его учении о биосферене только рассматривались основные свойства живого вещества и влияние на негокосной природы, но и впервые было раскрыто грандиозное обратное воздействиежизни на абиотическую среду и формирование в результате этого процессабиокосных природных субстанций, таких, например, как почва. Впервые вся живаяоболочка планеты предстала как единое, сложное, но в то же время и хрупкоеобразование. В итоговом обобщающем труде «Химическое строение биосферы Земли иеё окружения» Вернадский писал: «На нашей планете в биосфере существует не жизнь,от окружения независимая, а живое вещество, т. е. совокупность живых организмов,теснейшим образом связанная с окружающей её средой биосферы — мощнымгеологическим фактором от биосферы неотделимым»/>1.
Онтакже первым высказал мысль, что «благодаря эволюции видов, непрерывно идущей иникогда не прекращающейся, меняется резко отражение живого вещества наокружающей среде. Благодаря этому процесс эволюции — изменения — переносится вприродные биокосные и биогенные тела, играющие основную роль в биосфере, в почвы,в наземные и подземные воды (в моря, озёра, реки и т. д.), в угли, битумы, известняки,органогенные руды и т. п.»/>2.
Вместес тем, размышляя о путях эволюции биосферы и об особом месте, занимаемом в нейчеловеком, Вернадский пришёл к выводу о возможности управления биосферой силойчеловеческого разума — «научной мыслью и государственно организованной, еюнаправляемой техникой...». И в этом отношении он был человеком своей эпохи, связывавшимнадежды на будущее с безграничными, как тогда казалось, перспективаминаучно-технического прогресса: «Теоретически мы не видим предела еговозможностям...»/>3.
Век великих экологов
ИдеиВернадского, далеко опередившие время, могли бы долго ещё оставатьсяневостребованными, если бы не стремительно развивавшаяся в те же годы экология.Эта новая отрасль знания сосредоточила внимание учёных на структуре ифункционировании не отдельных организмов, а биологических комплексов. И хотяпервым понятие «экология» ввёл известный немецкий естествоиспытатель ЭрнстГеккель (1834–1919) для определения области биологии, изучающей взаимоотношенияорганизмов со средой, до начала 1900-х годов этот термин почти не использовался.
Существенныйвклад в становление новой науки внесли гидробиологи, что объяснимо: ведьобъектом их изучения были водные организмы, которые невозможно рассматривать вотрыве от окружающей их физической среды.
Однимиз первых в этом ряду был немецкий зоолог Карл Мёбиус (1825–1908). Изучаявоспроизводство моллюсков на устричных отмелях Северного моря, он обосновалпредставление о биоценозе — внутренне связанном сообществе организмов, населяющихтот или иной однородный участок морского дна. Он отметил эволюционносложившуюся жёсткую привязку отдельных видов не только друг к другу, но и кспецифическим условиям местной среды (биотопу). Впоследствии понятие биоценозабыло распространено на пресноводные и наземные сообщества — биоценоз пруда, озера;биоценоз берёзового леса и т. д.
Вначале XX века вклад в исследования надорганизменного уровня внесли биологисамых разных направлений — ботаники, зоологи, гидробиологи, лесоведы. Удалосьвыявить некоторые общие закономерности, характерные для развития самых разныхкомплексов организмов (сообществ, биоценозов) в ходе взаимодействия сокружающей средой. К таковым, например, относится процесс сукцессии —закономерной стадийности развития экосистем.
Открытиесукцессии — заслуга двух американских ботаников. Первый из них, Генри Коулс(1869–1939), занимался изучением растительности на побережье озера Мичиган, котороена протяжении длительного периода мелело и отступало от берега. При этом онпредположил, что возраст сообщества должен увеличиваться пропорциональноудалению от кромки воды, и, таким образом, смог реконструировать ход всегопроцесса. Самые молодые, только что образовавшиеся дюны были заселенымноголетними травами, укреплявшими своими корнями зыбучие пески. Затем на ихместе появлялись злаки, вслед за ними — кустарники. А уже потом, на болеестарых и закреплённых дюнах, начинали расти деревья, причём в определённойпоследовательности: сначала сосны, через поколение сменявшиеся дубами и клёнами,и, наконец, на наибольшем удалении от берега появлялись буковые деревья — самыетенелюбивые для этой климатической зоны.
/>
Изображение: «Наука и жизнь»
В1916 году последователь Коулса Фредерик Клементс (1874–1945) опубликовалклассический труд «Растительная сукцессия». Он показал способность биоценозовприспосабливаться и эволюционировать в ходе изменений окружающей среды. Причёмесли на начальных этапах разные сообщества одной и той же местности могутсильно отличаться друг от друга, то на более поздних стадиях они становятся всёболее и более схожими. В конце концов оказывается, что для каждой области сопределённым климатом и почвой характерно только одно зрелое, или такназываемое климаксовое, сообщество.
Аещё десять лет спустя, в 1927 году, в Англии вышла книга английского зоологаЧарльза Элтона «Экология животных». Она способствовала переключению вниманиязоологов с отдельного организма на популяцию в целом как на самостоятельнуюединицу. Автор книги побывал в двух арктических экспедициях, и его вниманиепривлекли колебания численности мелких грызунов, повторявшиеся с периодом втри-четыре года. А обработав многолетние данные о заготовке пушнины в СевернойАмерике, он пришёл к выводу, что зайцы и рыси также демонстрируют циклическиеколебания, хотя пики численности у них наблюдаются примерно раз в 10 лет. В этомставшем классическим труде впервые описана структура и распределение сообществживотных, а кроме того, введено понятие экологической ниши и сформулированоправило экологических пирамид — последовательного уменьшения численностиорганизмов по мере перехода от нижних трофических уровней к высшим (от растенийк травоядным животным, от травоядных к хищникам и т. д.).
В20–30-е годы ХХ века началось внедрение в экологию точных методов исследования,у истоков которых стояли американский биофизик Альфред Лотка (1880–1949) иитальянский математик Вито Вольтерра (1860–1940). В вышедшей в 1925 году книге«Элементы физической биологии» Лотка впервые предпринял попытку преобразованиябиологии в строго количественную науку. В частности, он разработалматематические модели и расчёты межвидовых взаимодействий (например, модель, описывающуюсопряжённую динамику численности хищника и жертвы), а также биогеохимическихциклов. А в 1926 году Вольтерра разработал математическую модель конкуренциидвух видов за один ресурс и показал невозможность их устойчивого длительногососуществования.
Теоретическиеисследования, которые выполнили Лотка и Вольтерра, привлекли внимание молодогосоветского биолога Георгия Францевича Гаузе (1910–1986). Он предложил свою, болеепонятную биологам модификацию уравнений, описывающих процессы межвидовойконкуренции. Экспериментальная проверка этих моделей на лабораторных культурахбактерий и простейших показала, что сосуществование видов возможно, если онизанимают разные экологические ниши. В противном случае один из конкурирующих зату же нишу видов неизбежно вытесняется другим (закон конкурентного исключения).Работы Гаузе вошли в опубликованную в 1934 году в США книгу «Борьба засуществование» (в России она увидела свет лишь семь десятилетий спустя) ивнесли весомый вклад в появление концепции экосистемы.
«Базовая единица» экологии
Честьвведения понятия «экосистема», а произошло это в 1935 году, по правупринадлежит английскому ботанику Артуру Тэнсли (1871–1955). Конечно, у негобыли свои достаточно авторитетные предшественники — в частности, американскийгидробиолог Эдвард Бёрдж (1851–1950), изучавший в начале ХХ века на материалеозёрных сообществ роль организмов в круговороте вещества и трансформацииэнергии, или его немецкий коллега Август Тинеманн (1882–1960), сформулировавшийв 1920-е годы такие важные для экологии понятия, как биомасса и биологическаяпродукция. Но всё же именно 1935 год принято считать годом рождения общейэкологии как самостоятельной науки. Основное достижение Тэнсли заключалось вуспешной попытке интегрировать биоценоз с биотопом на уровне новойфункциональной единицы — экосистемы. И если в других, ранее сформировавшихсянауках, таких как физика, химия или цитология, уже давно имелись свои базовыеединицы — атом, молекула, клетка, то теперь для экологии ею стала экосистема —ограниченный во времени и в пространстве единый природный комплекс, образованныйживыми организмами и средой их обитания, в котором живые и косные компонентысвязаны между собой обменом веществ и распределением потока энергии.
Ав 1942 году, независимо от Тэнсли, российский геоботаник В. Н. Сукачёв(1880–1967) на примере лесных сообществ разработал понятие о биогеоценозе.Будучи, в принципе, аналогом экосистемы, биогеоценоз характеризуетсяограниченной протяжённостью и однородностью природно-климатических условий. На сушеэто может быть небольшой участок ландшафта — например, приречный луг или деревои почва под ним, соответствующая проекции его кроны. И территориально ииерархически биогеоценозы могут рассматриваться как ячейки, или «клеточки», биосферы,которая, в свою очередь, является экосистемой наивысшего иерархического уровня.
Ведущуюроль в экосистемных исследованиях по-прежнему играли гидробиологи. Объект ихисследований — водные организмы, зачастую обитающие в замкнутых водоёмах (пруд,озеро), — отличался особенно зримым переплетением и взаимосвязьюфизико-химических и биологических процессов. Так, упоминавшийся уже лимнологЭдвард Бёрдж, изучая «дыхание озёр», с помощью строгих количественных методовустановил сезонную динамику содержания растворённого в воде кислорода, зависящуюне только от перемешивания водной массы и диффузии кислорода из воздуха, но иот жизнедеятельности организмов — производителей кислорода (планктонныхводорослей) и его потребителей (бактерий и животных). Впоследствии эти идеибыли развиты в трудах российских лимнологов Л. Л. Россолимо (1894–1977), Г. Г. Винберга(1905–1987) и других. Винберг разработал так называемый балансовыйэнергетический подход. Суть его состояла в том, чтобы на базе единствабиохимических процессов, протекающих в самых разных организмах, — например, фотосинтезавсех планктонных водорослей в пруду или всех растений в лесу — суммироватьрезультаты их активности по количеству образующегося при этом органическоговещества и выделяющегося кислорода. Появилась возможность не толькоколичественно оценивать биологическую продукцию лесной или водной экосистем, нои разрабатывать их математические модели, основанные на энергетическом подходе.
Тригода спустя аналогичные измерения были осуществлены и в США под руководствомДжорджа Хатчинсона (1903–1991), знаменитого не только собственными исследованиями— его «Курс лимнологии» (1957) и сегодня представляет самую полную в миресводку жизни озёр, — но и активной поддержкой талантливых молодых учёных. Средиего учеников следует в первую очередь назвать очень рано, к сожалению, умершегоРаймонда Линдемана (1915–1942), чья небольшая по объёму работа«Трофическо-динамические аспекты экологии», опубликованная в 1942 году, безпреувеличения, сделала эпоху в экологии. На неё и сегодня ссылаются экологи вовсех уголках Земли. Линдеман разработал общую схему трансформации энергии вэкосистеме и изложил основные методы расчёта её энергетического баланса. Он, в частности,теоретически показал, что при переходе с одного трофического уровня на другойколичество энергии уменьшается так, что организмам каждого последующего уровняоказывается доступна только небольшая, не более 10%, часть от той энергии, чтобыла в распоряжении организмов предыдущего уровня.
Сэтого момента экосистемные исследования становятся одним из магистральныхнаправлений в экологии.
«Переоткрытие» биосферы и гипотеза «Гея»
Шагза шагом, усилиями сотен учёных возводила экология недостающие конструкции иосваивала необжитое пространство того здания, своды и контуры которого очертилв своих трудах Вернадский. Однако до понимания биосферы как глобальнойэкосистемы пока ещё не поднималась и она. Идеи Вернадского, умершего в годокончания Второй мировой войны, остались во многом недооценены современниками, идаже его итоговый труд — своего рода научное завещание — «Химическое строениебиосферы Земли и её окружения» был опубликован лишь 15 лет спустя после егосмерти. Потребовалось ещё не одно десятилетие, прежде чем взгляд на биосферукак на единую, целостную систему стал утверждаться в представлениях и умахучёных.
Ктаковым в первую очередь надлежит отнести замечательного российского биолога Н.В. Тимофеева-Ресовского (1900–1981). В предвоенное десятилетие, в период жизнии работы в Германии, он прославился исследованиями в области радиационнойгенетики и выполненной совместно со своим аспирантом, будущим нобелевскимлауреатом М. Дельбрюком работой по определению размеров гена. В последние своигоды Тимофеев-Ресовский сосредоточился на вопросах глобальной экологии и вомногом предвосхитил понимание целого ряда только ещё вырисовывавшихся тогдапроблем.
Так,выступая в 1968 году с докладом «Биосфера и человечество» на заседанииотделения Географического общества г. Обнинска, где он поселился послеосвобождения из ГУЛАГа (в ту пору столичные и областные города были для негозакрыты), он сравнил биосферу с гигантской живой фабрикой, преобразующейэнергию и вещества на поверхности нашей планеты. Биосфера «формирует иравновесный состав атмосферы, и состав растворов в природных водах, а черезатмосферу — энергетику нашей планеты. Она же влияет на климат»/>4.
Докладэтот в виде статьи напечатан в сборнике научных трудов Обнинского отделенияГеографического общества, но в силу специфики этого периферийного изданияпрочитан был лишь немногими, а по-настоящему оценить новаторские идеи учёногосмогли, быть может, единицы. И, как это нередко бывало с российскимипервопроходцами, доклад и статья прошли почти незамеченными. Как, впрочем, не хотелазамечать в те годы опального учёного и Академия наук СССР. А ведь, по сути, Тимофеев-Ресовский,развивая идеи Вернадского, одним из первых высказал важную мысль о том, чтоуправление биосферой осуществляется самой жизнью.
Ксожалению, пребывание по ту сторону «железного занавеса» зачастую ставилороссийских учёных в весьма невыгодное положение, и высказанные Тимофеевым-Ресовскимидеи фактически остались вне поля зрения мировой научной мысли. Затонеобычайный интерес в широких научных кругах вызвала выдвинутая в 1970-х годаханглийским учёным Джеймсом Лавлоком (р. 1919) биосферная концепция Гея (поимени эллинской богини Земли).
Инженерпо образованию, Лавлок работал в НАСА, где занимался разработкой приборов пообнаружению жизни на других планетах (в связи с предстоящими полётамиавтоматических станций к Марсу и Венере). А ещё раньше, в студенческие годы, онсоздал уникальный газовый спектрофотометр для измерения сверхмалых концентрацийгазов в атмосфере. Впоследствии именно с помощью этого прибора удалосьобнаружить накопление хлорфторуглеродов, разрушающих озоновый слой Земли. Вотэта профессиональная деятельность и навела автора на мысль, что наличие жизнина планете можно в принципе обнаружить по составу её атмосферы, как наиболеечувствительной к любым биогеохимическим изменениям среды. Причём атмосфера«живых» планет, как предположил Лавлок, должна отличаться термодинамическойнеравновесностью, поддерживаемой благодаря активности жизни. В то время как у«неживых» планет состав атмосферы находится в равновесии с их среднимхимическим составом.
ОбразГеи, по Лавлоку, возникает при мысленном взгляде на нашу планету из космоса, котораяпредставляется как многоуровневая живая организация, как «суперорганизм», обладающийсаморегуляторными «геофизиологическими» свойствами и поддерживающий параметрыпланетной среды на благоприятном для жизни уровне. При этом эволюция земнойбиоты настолько тесно связана с эволюцией её физического окружения, что вместеони образуют единую саморазвивающуюся систему, отчасти напоминающую по своимсвойствам физиологию живого организма.
Особоевнимание в своих построениях Лавлок уделяет бактериальному сообществу Земли.Бактерии на протяжении примерно двух миллиардов лет были единственной формойжизни на Земле и, как катализаторы биогеохимических циклов, сформировалибиосферу. Они и сегодня остаются основой биогеохимической машины планеты. Но еслицарившее когда-то древнее бактериальное сообщество прокариот, покрывавшихповерхность Земли в виде тонкой плёнки, было в некотором роде монопольнойбиогеосферной силой, то в дальнейшем, в ходе эволюции, его автокаталитическиеединицы «перекочевали» в состав более сложных организмов. Они образовали вядерных клетках специализированные органеллы — митохондрии и хлоропласты.Управление «физиологическими» процессами Геи (процессами восстановления иокисления, соединения кислорода с углеродом и т. д.) осуществляется как прямыминаследниками безъядерных одноклеточных, например бактериями почвы, так и ихпотомками в ядерных клетках — митохондриями (окислители) и хлоропластами(восстановители). И этот каталитический гиперцикл, по терминологии нобелевскоголауреата Манфреда Эйгена, как бы связывает мельчайшие живые организмы спланетарной макросистемой в плане поддержания климатических и биогеохимическихпараметров её среды.
Нетруднозаметить черты явного сходства Геи с современной трактовкой биосферы в руслеидей Вернадского, о работах которого Лавлок узнал только в 1980-х годах (из-заотсутствия полноценных переводов «Биосферы» на английский язык, а также, по егособственному признанию, в силу «глухости» англоязычных авторов к другимязыкам). Однако есть и отличия. Во-первых, Гея, вообще говоря, не биосфера, а Земляв целом. Лавлок прибегает к образному сравнению Геи с поперечным срезом старогодерева, где живая часть (биосфера) — лишь тонкий слой камбия под корой, а основнаяпо массе неживая древесина — продукт многолетней деятельности этого слоя.Второе же — это нехарактерное для Вернадского скептическое отношение квозможности покорения человеком природы и подчинения её своим интересам.
Номожно ли вообще считать концепцию Геи, которую сам Лавлок предпочитает называтьгипотезой, в подлинном смысле слова научной? И есть ли в ней помимо грандиозныхпо смелости идей и философской подкладки более строгая научная составляющая?Некоторые из «геофизиологических» гипотез Лавлока получилинаучно-экспериментальное подтверждение. Так, в 1981 году он высказалпредположение, что глобальный климат стабилизируется путём саморегуляции цикладвуокиси углерода через биогенное усиление процесса выветривания горных пород.Результаты исследований Д. Шварцмана и Т. Фолька, опубликованные в 1989 году вжурнале «Nature», подтвердили, что микроорганизмы вместе с грибами и растениями,попадая на выветриваемую породу, способны в десятки и сотни раз ускорятьпроцесс химического выветривания. Растворённая в дождевых и грунтовых водахдвуокись углерода в форме бикарбонатных ионов выносится с речным стоком вМировой океан. Там неорганический углерод используется зоо- и фитопланктономдля построения скелетов этих организмов, а после их отмирания выводится изоборота и накапливается в осадочных меловых отложениях. Свой вклад в этотпроцесс вносят и океанические водоросли, связывающие в ходе фотосинтезаатмосферную двуокись углерода.
Можнопривести и другие примеры доказанных на сегодняшний день циклически замкнутыхпричинных цепочек, являющихся характерной чертой геофизиологии. Хуже, однако, обстоитдело с центральным постулатом Лавлока, с его идеей Геи как глобальноскореллированного суперорганизма, которая подверглась в своё время жёсткойкритике со стороны многих известных эволюционистов. Дело в том, что эволюциябиосферы в рамках концепции Геи интерпретируется как её индивидуальное развитие(эпигенез) и совершенствование саморегуляторных свойств. Однако с точки зрениятрадиционной науки такие жёстко скоррелированные системы высочайшей сложностисо временем неизбежно деградируют и распадаются. Живые организмы также отличаетвысочайшая сложность организации. Но для поддержания этой сложности иупорядоченности в природе используется механизм конкурентного взаимодействияособей, в результате которого в потомстве воспроизводятся только те из них, которыесохранили эту внутреннюю упорядоченность.
ОднакоГея существует в единственном числе и, следовательно, воспроизводиться она не может,как невозможен, по замечанию британского эколога Ричарда Докинза, естественныйотбор наиболее приспособленной из планет. А следовательно, не может идти речи ио сколько-нибудь длительном сохранении способности Геи к саморегулированию, еслитолько не мыслить за ней упорядочивающей воли Творца. Или же (по ироническомузамечанию канадского учёного Форда Дулитла) — комитета биологических видов, ежегоднособирающегося с целью договориться о климате и химическом составе планеты наследующий год. Противопоставить что-либо этой критике Лавлок не сумел, что витоге способствовало дискредитации идеи формирования благоприятной для жизнисреды средствами самой жизни.
Биосфера как «рынок» биотехнологий
ИдеиЛавлока оказали, бесспорно, революционизирующее влияние на умы, хотя сама егоконцепция была встречена академической наукой весьма скептически.
Дальнейшееразвитие проблема поддержания устойчивости жизни на Земле получила в трудахпредставителя российской экологической школы, петербургского биофизика В. Г. Горшкова.Его теория, окончательно оформившаяся к середине 1990-х годов, была названатеорией биотической регуляции окружающей среды. Причём предложенный им научныйподход в корне отличался от подхода Лавлока.
Преждевсего, исследуя механизмы биогеохимического кругооборота, Горшков как быпоменял местами причины и следствия, отведя центральное место круговоротувещества и энергии на уровне отдельно взятых биотических сообществ, и в первуюочередь — биогеоценозов, этих, по выражению Тимофеева-Ресовского, «элементарныхединиц» биосферы.
Какизвестно, каждое такое сообщество основано на тесном взаимодействии и тонкойсогласованности всех входящих в него видов — растений, грибов, микроорганизмов,мелких беспозвоночных, — встроенных в сложные трофические цепочки, по которымциркулируют энергия и необходимые для их жизнедеятельности химические вещества.Именно эта жёсткая скоррелированность видов внутри сообщества — при отсутствиимежвидовой конкуренции и почти полной замкнутости круговорота веществ —позволяет ему поддерживать паритет синтеза и разложения органического вещества,при котором практически не возникает отходов. А в случае того или иноговозмущения окружающей среды — температурно-климатических перепадов, вулканическихвыбросов, изменения концентрации биогенных веществ и т. д. — сообществореагирует такой перестройкой протекающих в нём обменных процессов, котораяпозволяет компенсировать неблагоприятные физико-химические изменения среды испособствует её возвращению в невозмущённое состояние (аналогично действиюпринципа Ле Шателье для термодинамически устойчивых неживых систем).
Хрупкое равновесие биосферы
Понятиепогоды уже давно стало в нашем сознании нарицательным, как синоним чего-тоненадёжного, неустойчивого, зыбкого. Увы, то же самое можно, в принципе, отнестии к земному климату, хотя люди только недавно начали это осознавать и задумыватьсянад тем, что же всё-таки обеспечивает климату относительную стабильность ипригодность для разнообразных форм жизни. В самом деле, как показываютрадиоизотопные исследования осадочных отложений и горных пород, средняяприземная температура нашей планеты на протяжении последних 600 млн летколебалась в интервале примерно 20°С, опускаясь в ледниковые периоды до +5°С иподнимаясь во время максимальных потеплений до +25°С. А современнаясреднеглобальная температура +15°С сохраняется уже много столетий с колебаниями,не превышающими десятых долей градуса. И это, между прочим, наиболееблагоприятная температура для подавляющего большинства наземных биологическихвидов.
Ночто же способствует поддержанию такой благоприятной для всего живоготемпературы на фоне всех тех катаклизмов — астероидных атак, грандиозныхоледенений, всплесков вулканической активности, подвижек и разломов земной корыи пр., — что перенесла за свою долгую историю Земля? И что мешает нашей планетеохладиться до минусовых температур, как у ближайшего соседа по солнечнойсистеме Марса с его оледеневшей и смёрзшейся поверхностью, или разогреться поддействием парникового эффекта до +400°С, как у Венеры с её полностьюиспарившейся влагой. Ведь с точки зрения существующих законов природы только дваэтих состояния и можно признать по-настоящему устойчивыми, или, как говорят, физическивыделенными.
Некоторыеиз причин лежат, так сказать, на поверхности и хорошо известны современнойнауке. Это, прежде всего, стабильность солнечного излучения и постоянстводостигающей Земли его световой энергии — порядка 1360 Дж/м. Это мощнаяокеаническая и воздушная прослойка, служащая аккумулятором тепла на планете.Это перемешивание воздушных масс в нижних слоях атмосферы и мощные океаническиетечения — от экватора к полюсам и обратно, сглаживающие температурныеэкстремумы на разных земных широтах, и т. д. И всё же для объяснения отмеченнойвыше температурно-климатической устойчивости этих чисто физических факторов, по-видимому,недостаточно. И учёные всё больше склоняются к мысли, что важнейшим гарантомжизни на Земле является сама жизнь, то есть населяющая её биота. И что именноживая биота препятствует деградации окружающей среды до непригодного для жизнисостояния, что в полной мере относится и к её климатической составляющей.
/>
Внаучно-популярной литературе неустойчивость температурно-климатического балансаЗемли нередко сравнивают с шариком, находящимся на вершине остроконечнойпирамиды, символизирующей благоприятные для жизни климатические параметры.Какое-то время шарик может удерживаться в этом шатком положении, но достаточнодаже незначительного внешнего воздействия, чтобы шарик, потеряв равновесие, скатилсяк основанию пирамиды. Вот это положение шарика у основания пирамиды и являетсядля него по-настоящему устойчивым, то есть физически выделенным. А есливырезать на вершине пирамиды ямку по форме шарика? Тогда мы создадим для негоещё одно физически выделенное положение, в котором он сможет находитьсянеопределённо долгое время. Нечто подобное имеет место и в случае с земнымклиматом. Только эту «ямку устойчивости» на вершине кривой создаёт для негосама биота, обеспечивающая ему уже не физически, а биотически выделеннуюстабильность.
(Поматериалам сайта Биотическая регуляция)
Так,при избытке в атмосферном воздухе углекислого газа усиливается органическийсинтез и малоактивные формы органического углерода «консервируются» в почвенномгумусе и торфяниках. Недостаток углекислого газа восполняется за счётразложения ранее созданных запасов органики. Собственно, в этом — в изменениисоотношения между синтезом органического вещества и его деструкцией — и состоитосновной инструмент воздействия биоты на окружающую среду на уровне какотдельных экосистем, так и биосферы в целом.
Однаковсё сказанное справедливо лишь в отношении полноценных, ненарушенных природныхсообществ. В искусственно сформированных сообществах, например агроценозах, гдеразомкнутость круговорота веществ достигает десятков процентов, растения не могутнормально развиваться без внесения в почву органических и минеральныхудобрений. А так называемые синантропные виды — воробьи, домовые мыши и др., приспособившиесяк существованию за счёт человека, уже неспособны вернуться к своемуестественному состоянию в силу изменённой генетической программы.
Природныевиды также подвержены наследственным мутациям. А это с неизбежностьюсказывается на способности включающего их сообщества к поддержанию замкнутогокруговорота веществ. Но такие мутантные сообщества в силу их экологическойнесостоятельности постепенно вытесняются из экосистемы, освобождая место своимболее успешным соседям. И хотя биосфера и здесь мыслится как единое целое, отпадаетнадобность в идее суперорганизма, а залогом сохранения стабильности окружающейсреды выступает естественный отбор, закрепляющий в потомстве видовой и генетическийсостав наиболее адекватных в экологическом плане сообществ.
Тоесть природа, по Горшкову, «наводит порядок», работая с бесконечным множествомнезависимых операционных единиц, минимизируя тем самым случайные флуктуации, угрожающиесуществованию любой сложно организованной системы. И в этом смысле биосферуможно сравнить со свободным рынком, где взамен товаров и промышленныхтехнологий конкурируют биотехнологии. Так что, видимо, неслучайно человечествов своём развитии пришло к тому же универсальному принципу оптимизациисверхсложных систем, что на протяжении миллионов лет был апробирован самойприродой.
Конечно,огромная роль биоты в формировании и обеспечении стабильности окружающей среды,особенно на локальном уровне, в общем, была известна и до Горшкова. Но он, в рамкахсвоей теории, глобализировал эту роль, придал ей новый статус, поместивприродные экосистемы в центр всей экологической проблематики. И тому естьнемало оснований.
Всенаслышаны о спорах, что ведутся сейчас вокруг проблемы климатическогопотепления и вклада в этот процесс антропогенного CO2, выделяющегося присжигании ископаемого органического топлива. Казалось бы, биота, реагируя наподобное возмущение окружающей среды в соответствии с приципом Ле Шателье, должнабыла бы поглощать избыточную двуокись углерода в атмосфере. Но этого, увы, не происходит.И, как показывает глобальный анализ землепользования, на освоенных человекомтерриториях количество органического углерода в нарушенных экосистемах не тольконе растёт, но, напротив, уменьшается, что приводит к его массивному выбросу ватмосферу. Причём скорость этой эмиссии сопоставима со скоростью выбросовископаемого углерода в результате сжигания ископаемого топлива. А исследованиепузырьков воздуха в ледяных кернах Антарктиды показывает, что рост концентрацииатмосферного CO2 начался задолго до широкомасштабного применения угля, нефти игаза и совпал с промышленной революцией конца XVIII столетия. То естьопять-таки причиной здесь послужила эмиссия углерода, вызванная интенсивнымосвоением новых земель и дальнейшим наступлением человека на девственнуюприроду. С этого момента и до конца XIX века сохранение устойчивости биосферыобеспечивалось главным образом экосистемами Мирового океана, компенсаторныйпотенциал которых достиг критической отметки к концу XIX века, после чегоначался процесс глобального изменения окружающей среды.
Насегодняшний день, как показывают расчёты, примерно половина неорганическогоуглерода, образующегося при сжигании ископаемого топлива, абсорбируется океаномв результате физико-химических процессов и ещё около 1/5 поглощается океанскойбиотой и сохранившимися экосистемами суши; остальное накапливается в атмосфере.Однако ещё более мощным источником эмиссии углерода служит освоенная человекомчасть суши. Считается, что вся эта эмиссия полностью поглощается ненарушеннымиили слабовозмущёнными экосистемами суши и Мирового океана. Таким образом, поступлениев биосферу углерода вследствие сжигания ископаемого топлива накладывается наэтот источник, который сохранится даже на фоне полного прекращенияиспользования угля и нефти. А в случае если человечеством будут полностьюосвоены природные экосистемы суши и океана, поток углерода в атмосферувозрастёт почти на порядок, так что даже отказ от использования органических видовтоплива не переломит катастрофической ситуации.
/>
Глобальныепотоки углерода и состояние биосферы.
Заштрихованныеобласти — освоенная человеком биота; незаштрихованные — неосвоенная, девственнаябиота. Цифры обозначают чистую первичную (растительную) продукцию в процентахот всей продукции биосферы. Цифры на стрелках — потоки углерода (гигатонн вгод). Изображение: «Наука и жизнь»
Сдругой стороны, как видно из той же диаграммы, для того чтобы приостановитьнакопление атмосферного CO2 при нынешних объёмах сжигания ископаемого топлива, тоесть законсервировать на какое-то время нынешнее состояние биосферы, человечествупонадобилось бы освободить под естественные экосистемы примерно 7% освоенных имтерриторий. Практически это было бы равносильно отказу от эксплуатации 40% вовлечённыхв хозяйственную деятельность лесов. Такова, по-видимому, цена того «тайм-аута»,который человечество могло бы взять у природы в обмен на время, необходимое длярешения демографической, энергетической и других экологически значимых проблем.
Теориябиотической регуляции не только представляет академический интерес, но имеетнепосредственное отношение к выбору стратегии устойчивого развития. И, преждевсего, она меняет приоритеты. Если до сих пор в центре внимания мировойобщественности находилась борьба с загрязнениями окружающей среды, то теперьпальма первенства должна быть отдана проблеме сохранения и возрожденияприродных экосистем, разрушенных человеком. Это диктуется не только егособственными интересами, но и заботой о выживании огромного большинстваобитающих на Земле видов.
Когдав конце 1920-х годов Вернадский пришёл к идее биосферы как единого, целостногообразования, формирующего облик нашей планеты, а вскоре за тем Тэнсли ввёлключевое для экологии понятие экосистемы, мир представлялся большинству людейоткрытым и почти безграничным, в котором человек может действовать как емузаблагорассудится, приспосабливая и перекраивая его под свои нужды. А то, чемзанимались учёные-экологи за стенами лабораторий, казалось бесконечно далёкимот повседневных людских забот и дел. И понадобился почти век, чтобы эта связьстала очевидной, а термины «биосфера» и «экосистема» вошли в наш обиход наравнес такими понятиями, как, например, субсидия или приватизация. И всё же путь доконца ещё не пройден. Потому что между осознанием зависимости человека отсовременной ему окружающей среды и пониманием всей опасности её деградации вперспективе на будущее (о чём предупреждают экологи) «дистанция огромногоразмера». Но пройти его необходимо — чтобы это будущее вообще состоялось.
Список литературы
/>1 Вернадский В. И. Химическое строение биосферы Земли и еёокружения. — М.: Наука, 1987, с. 269.
/>2 Вернадский В. И. Философские мысли натуралиста. — М.: Наука, 1988,с. 27.
/>3 Там же, с. 34
/>4 Тюрюканов А. Н., Фёдоров В. М. Н.В.Тимофеев-Ресовский: биосферныераздумья. — М.: РАЕН, 1996, с. 59–60.
«Наукаи жизнь» №3, 2010
Дляподготовки данной работы были использованы материалы с сайта elementy.ru/