Механизм устойчивости биосферы

на тему:

Механизм устойчивости биосферы

Биосфера - система величайшей степени надежности. В.И.Вернадский, создатель учения о биосфере, писал "Биосфера в основных чертах неизменна в течение всего геологического времена, с археозоя, по крайней мере, полтора миллиарда лет... В геохимическом аспекте, входя как часть в мало меняющуюся, колеблющуюся около неизменного среднего состояния биосферы, жизнь, взятая как целое, представляется устойчивой и неизменной в геологическом времени" (1928).

Эта глубокая экологическая и философская мысль, высказанная в начале прошлого века, неоднократно становилась объектом дискуссии и нападок. Особенно негативную реакцию она вызывала у сторонников идеологии глобальных экологических кризисов, говорящей о необратимом разрушении и деградации биосферы под влиянием социального фактора.

Однако, объективных данных о каком-то сокращении видового разнообразия и массы биосферы не получено поныне.

В разных участках биосферы развитие жизни лимитируется разными веществами. Можно сказать, что в пустыне жизнь ограничена недостаточным количеством водорода и кислорода в форме воды. В открытом океане лимитирующим фактором часто служит железо, обычно присутствующее в форме труднодоступной для организмов гидроокиси. В иных средах, например в почвах влажных районов, в озерах, окраинных морях, лимитирующим фактором чаще всего является фосфор.

Значение живого в строении земной коры медленно вошло в сознание ученых и еще до сих пор обычно не оценивается во всем его объеме.

Только в 1875 г. один из крупнейших геологов прошлого века, профессор Венского университета Э. Зюсс, ввел в науку представление о биосфере, как об особой оболочке земной коры, охваченной жизнью. Он закончил этим медленно проникавшее в научное сознание представление о всюдности жизни и о непрерывности ее проявления на земной поверхности.

Введя новое понятие об особой земной оболочке, которая обусловлена жизнью, Э. Зюсс высказал в действительности новое очень большое эмпирическое обобщение, всех последствий которого он не предвидел. Это обобщение только теперь начинает выясняться, благодаря новым научным достижениям, в его время неизвестным.

Биосфера составляет верхнюю оболочку, или геосферу, одной из больших концентрических областей нашей планеты - земной коры.

Физические и химические свойства нашей планеты меняются закономерно в зависимости от их удаленности от центра. В концентрических отрезках они идентичны, что может быть установлено исследованием.

Можно различить две формы в этой структуре: с одной стороны, большие концентрические области планеты - концентры, с другой - более дробные подразделения, называемые земными оболочками, или геосферами.

По-видимому, вещество этих областей отделено друг от друга и если переходит из одной области в другую, то этот переход совершается чрезвычайно медленно или временами и не является фактом ее текущей истории.

Каждая область представляет, по-видимому, замкнутую, независимую от другой механическую систему.

Земля сотни миллионов лет, если не миллиарды их, находится, в общем, в одних и тех же термодинамических условиях. Неизбежно думать, что в ней за это время установились устойчивые неизменные равновесия вещества и энергии, там, где не было внешнего (для механических систем ее составляющих) притока действенной энергии.

Надо думать, что в замкнутых областях Земли мы имеем механические системы тем более совершенного равновесия, чем меньше к ним приток сторонней энергии.

Таких областей, по крайней мере, три: 1) ядро планеты, 2) промежуточный слой, называемый иногда "сима" (по Зюссу) и 3) земная кора.

МЕХАНИЗМЫ УСТОЙЧИВОСТИ БИОСФЕРЫ

Все виды устойчивости (гомеостаза), наблюдаемые в живых организмах и экосистемах, не являются статическими, а достигаются за счет непрерывно протекающих процессов, активно препятствующих любой тенденции к нарушению этого постоянства. Устойчивость всего живого есть непрерывная борьба за существование. Ключ к загадке, которую представляет для человека органический мир, писал К. А. Тимирязев, заключается в одном слове: это слово – смерть.

Смерть, рано или поздно пресекающая все уродливое, все бесполезное, все несогласное с окружающими условиями, и есть причина красоты и гармонии органического мира. И если эта вечная борьба, это бесконечное истребление невольно вселяют в душу ужас, то мы не должны забывать, что:

...у гробового входа

Младая будет жизнь играть

И равнодушная природа

Красою вечною сиять.

А. Пушкин

Ключевое положение в понимании законов развития окружающего мира приобретает теория открытых систем (синергетика).

СИНЕРГЕТИКА БИОСФЕРЫ

Законы развития косной и живой материи описываются двумя противоположными теориями – это классическая термодинамика и эволюционное учение Ч. Дарвина. Обе теории отражают единую физическую реальность, но соответствуют различным ее проявлениям.

Согласно второму началу термодинамики, если подобно Ньютону рассматривать Вселенную как Мировую машину (закрытую систему), запас полезной энергии, приводящей мировую машину в движение, рано или поздно будет исчерпан. Если запас полезной энергии в системе тает, то ее способность поддерживать организованные структуры ослабевает. Высокоорганизованные структуры распадаются на менее организованные, которые в большей мере наделены случайными элементами. Мера внутренней неупорядоченности системы – энтропия – растет. Второе начало термодинамики предсказывает все более однородное будущее окружающего мира.

Теория эволюции органического мира рассматривает биосферу как открытую систему, находящуюся в неравновесном состоянии и обменивающуюся веществом, энергией и информацией с окружающей средой. Временной ход развития биосферы отнюдь не приводит к понижению уровня организации и обеднению разнообразия форм организмов и образуемых ими сообществ; развитие живой материи идет от низших форм к высшим.

Обоснование совместимости второго начала термодинамики со способностью открытых систем к самоорганизации – одно из крупнейших достижений современной физики. Теория термодинамики открытых систем переживает бурное развитие. Эту область исследований назвали синергетикой (от греч. “sinergos” – совместный, согласованно действующий).

Выдающаяся роль в развитии синергетики принадлежит И.Р. Пригожину, который противопоставляет закономерности развития замкнутых детерминированных систем и открытых неустойчивых неравновесных, в которых малый сигнал на входе может вызвать сколь угодно сильный отклик на выходе. По Пригожину замкнутые системы составляют лишь малую долю физической Вселенной. Большинство же систем, в том числе все географические и экологические системы, открыты. Они обмениваются веществом, энергией и информацией с окружающей средой. Открытый характер большинства систем наводит на мысль, что реальность отнюдь не является ареной, на которой господствует порядок: главенствующую роль в окружающем нас мире играют неустойчивость и неравновесность.

Пригожин отмечает, что открытые системы непрерывно флуктуируют. Иногда отдельная флуктуация или их комбинация может стать (в результате положительной обратной связи) настолько сильной, что существовавшая прежде организация не выдерживает и разрушается. В этот переломный момент, в точке бифуркации, принципиально невозможно предсказать, в каком направлении будет происходить дальнейшее развитие: станет ли состояние системы хаотическим или она перейдет на новый, более высокий уровень организации. Пригожин подчеркивает u1074 возможность спонтанного возник-новения порядка и организованности из беспорядка и хаоса в результате процесса самоорганизации.

Строение живой материи существенно отличается от строения мертвой не только чрезвычайно сложной структурой, но и способностью отбирать из окружающей среды полезную энергию в количестве, необходимом для самосохранения и саморазвития, что достигается путем создания таких элементов материи, которые способны:

– черпать свободную энергию из окружающего пространства в процессе зарождения, развития и жизни;

– стремительно размножаться в питательной среде, вычерпывая ее свободную энергию для парирования роста энтропии;

– образовывать новые элементы живой материи, используя питательную среду для дополнительного парирования роста энтропии;

– в питательной среде сохранять информацию о структуре живых элементов, об их наследственности за счет использования свободной энергии окружающей среды.

Рассмотренные положения позволяют по-новому оценить механизмы устойчивости биосферы. Очевидно, что при существующих космических и земных предпосылках живое вещество биосферы способно продолжать свое “давление” на внешние оболочки Земли и потенциал этого давления отнюдь не ослабевает. Антропогенный фактор, вызывающий деструкцию биосферы, следует рассматривать как флуктуацию, вызванную популяционным взрывом, который по законам регулирования неизбежно будет элиминирован. Система общество – природа, следуя теории Пригожина, достигнув точки бифуркации, должна будет перестроиться. Однако распад старой системы отнюдь не будет означать ее хаотического состояния. Бифуркация – это импульс к развитию биосферы по новому, неведомому пути. Какое место займет в нем человеческое общество – это предмет специальных исследований. О судьбе биосферы можно не беспокоиться, она продолжит свое развитие.

Рассмотрим движущие силы, которые поддерживают биосферу в устойчивом состоянии, – это биоразнообразие, динамика популяций, реализация разных жизненных стратегий организмов и занимаемых ими экологических ниш, сукцессии сообществ, соблюдение принципа экологической эквивалентности.

БИОРАЗНООБРАЗИЕ

Внешние оболочки Земли – литосфера, гидросфера и атмосфера обозначают наиболее существенные черты лика нашей планеты. Но там, – по словам А. Гумбольдта, – где миросозерцание стремится подняться до более возвышенной точки зрения, эта картина была бы лишена своей наиболее очаровательной прелести, если бы она не представила нам и сферу органической жизни в разных степенях ее типичного развития. Жизнь на Земле отличается огромным разнообразием как систематического состава флоры и фауны, так и сообществ живых организмов.

Конвенция ООН (Рио-де-Жанейро, 1992 г.) провозгласила непреходящую ценность биологического разнообразия, отметив его большое значение для функционирования систем, поддерживающих как жизнь в биосфере, так и устойчивое развитие общества.

В процессе разработки концепции биологического разнообразия сложилось представление о базовых единицах: альфа-разнообразии – разнообразии видов; бета-разнообразии – разнообразии сообществ; гамма-разнообразии – разнообразии видов и сообществ в пределах ландшафтов.

Расхождение признаков (дивергенция) в ходе микро- и макро-эволюционных процессов определило своеобразие биот биогеографических регионов разного ранга. В ходе естественного исторического развития под влиянием физико-географических факторов складывались биомы природных зон на суше и в Мировом океане.

Общее представление о количестве видов и их распределении по основным систематическим группам дает таблица 1.

Обратим внимание на особенности соотношения числа видов растений и животных в современном органическом мире. Численность видов животных примерно в четыре раза больше числа видов растений; насекомые составляют 75% от числа видов животных. На суше растет 92% всех видов растений, и живет 93% всех видов животных.

На суше биомасса растений составляет 2400 . 109 т (99,2%); животных 20 . 109 т (0,8 %). Это соотношение отражает фундаментальный экологический закон и показывает ведущую роль растительности в организации и распределении биоценозов. Гумбольдт пишет: “Хотя характер различных местностей земного шара определяется одновременно всеми внешними явлениями, хотя очертания гор, физиономия флоры и фауны, синева неба, строение облаков и прозрачность воздуха влияют на общее впечатление, тем не менее, нельзя отрицать, что главное, определяющее это впечатление, обусловливается растительным покровом”.

Количество видов живых организмов в биосфере.

Таблица 1.

На формирование биот большое влияние оказали четвертичные оледенения Северного полушария. Похолодание климата в меньшей степени затронуло тропические широты. Поэтому здесь располагаются наиболее древние и богатые по составу биоты материков.

ДИНАМИКА ПОПУЛЯЦИЙ

Сохранность того или иного вида в сообществе основана на постоянной борьбе жизни и смерти. Популяция вида жизнестойка, если существует равномерный поток особей, протекающий через все возрастные классы данной популяции от рождения до биологической старости. Если смертность будет превышать численность приходящих на смену старым молодых видов, популяция деградирует; если количество молодых видов будет превышать смертность – популяция будет распространяться и вытеснять другие виды.

Во всех организмах заложена потенция размножения, выражающаяся геометрической прогрессией, графическим изображением которой является показательная кривая (экспонента).

Устойчивость биосферы основана на постоянной экспансии живого вещества, борьбе за существование и вытекающем из нее естественном отборе, охватывающем не только отдельные организмы, но и целые популяции, сообщества, а в конечном счете биогеоценотический покров всей Земли. При ухудшении биотических и абиотических условий среды в популяции могут сохраниться только те особи, которые генетически лучше приспособлены к суровому природному окружению. Иными словами, начинает действовать классический механизм естественного отбора по Дарвину.

Неограниченный экспоненциальный рост популяции подобен взрыву, он приводит к истощению и полному разрушению ресурсов среды. В основе существования любой популяции лежит конфликт между свойственной организму тенденцией увеличивать свою численность и разнообразными ограничениями, которые препятствуют такому увеличению. Если система не получает постоянной подпитки необходимыми ресурсами извне, устойчивое состояние может быть достигнуто только при условии равных значений рождаемости и смертности особей.

Существуют приспособления, благодаря которым потери популяции сокращаются, когда ее численность и ресурсы среды входят в конфликт. Например, как только вид становится редким, хищничество по отношению к нему может уменьшиться. Хищники могут просто забыть способ поиска подобных жертв и не считать u1080 их пищей. Многие организмы (растения, членистоногие и др.) переносят неблагоприятный период в форме покоящихся диаспор. Последние могут оставаться в почве до тех пор, пока условия среды не станут благоприятными, тогда из них вновь появляются и размножаются активные особи. Так пустынные эфемеры в виде семян переживают неблагоприятные сезоны или, если это потребуется, даже периоды неблагоприятных лет.

ЖИЗНЕННЫЕ СТРАТЕГИИ

К механизмам устойчивости сообществ относится также и то, что популяции представлены видами с различной жизненной стратегией, т. е. с особыми приспособлениями, обеспечивающими им возможность обитать совместно с другими организмами и занимать определенную экологическую нишу в соответствующем биоценозе.

Л.Г. Раменский первым предложил различать среди видов, образующих растительные сообщества три фитоценотипа: 1) виоленты –“львы” – сильные конкуренты, способные захватывать место и удерживать его за собой благодаря энергии жизнедеятельности и полноте использования среды; 2) патиенты –“верблюды” – виды, способные довольствоваться незначительным количеством ресурсов и быть устойчивыми к суровым условиям среды; 3) эксплеренты – “шакалы” – слабые конкуренты, способные временами взрывообразно резко повышать свое участие в ценозах, но доминирующие непродолжительное время.

Американские экологи выделяют два типа жизненных стратегий. K-стратеги - это крупные многолетние организмы, обладающие сложной организацией и высокой специализацией, требующие устойчивых условий существования; их жизненная энергия расходуется главным образом на прирост биомассы, а не на размножение. По классификации Раменского это по преимуществу “львы”. r- стратеги, напротив, организмы с непродолжительным периодом жизни, они предпочитают нестабильные местообитания и характеризуются высокой репродуктивной способностью. По классификации Раменского это “шакалы”.

Высокая специализация К-стратегов делает их менее конкурентоспособными в быстро меняющихся кризисных ситуациях. Наблюдается устойчивая тенденция замещения К-стратегов (деревьев, образующих лесную растительность) формациями травянистой растительности – преимущественно r-стратегами.

Весь ход эволюции на протяжении кайнозоя, когда благодатный теплый и влажный климат сменялся в умеренных широтах холодным и сухим, а в тропических широтах жарким и сухим, шел по пути замены крупных многолетних жизненных форм на мелкие малолетние и однолетние: “львы“ уступали место “шакалам”.

Когда говорят о важности проблемы сохранения биоразнообразия, обычно имеют ввиду влияние последнего на устойчивость биосферы, полагая, что чем выше показатель разнообразия, тем устойчивее сообщества. На самом деле сложность биотических взаимоотношений скорее является причиной уязвимости сообществ. Зачастую, заботясь о сохранении биоразнообразия, людям приходится помогать “львам” выживать в конкурентной борьбе с “шакалами”.

Может статься, что сохранение биоразнообразия проблема скорее этическая, чем решающая задачи охраны биосферы в более широком аспекте.

РЕАЛИЗАЦИЯ ЭКОЛОГИЧЕСКИХ НИШ

Экологическая ниша – основной структурный элемент биогеоценоза. Каждая видовая популяция в сообществе реализует определенную экологическую нишу, границы которой контролируются условиями среды во времени, пространстве и в градиентах абиогенных факторов. Отсюда следует, что новый вид не может образоваться, если нет свободной ниши или если образующийся вид не может ее “отобрать” у какого-нибудь другого вида, участвующего в экосистеме. Вхождение новых видов в экосистему осуществляется главным образом путем открытия новых ниш, что создает тенденцию к структурному усложнению биогеоценоза, которое можно отождествить с морфологическим прогрессом организмов.

Все многообразие связей, которые используются при создании экологических ниш может, может быть сведено к четырем фундаментальным типам: 1) трофические (по питанию), 2) топические (по местоположению), 3) форические (по переносу, например, между растением и его опылителем), 4) фабрические (по материалу, используемому животными для обустройства гнезд, укрытий и т.п.).

Эта система является исчерпывающей и позволяет описать любые типы взаимоотношений между экологическими нишами.

Экологические ниши выступают в качестве наиболее дробных подразделений местообитания всего сообщества.

Функциональную структуру сообщества, образованную сочетанием экологических ниш, можно уподобить генотипу организма, в котором записана программа, управляющая развитием системы. Экологические ниши, связанные с отдельным деревом (липой), по А. Г. Воронову:

I – ниша корней: 1 – микориза, 2 – личинка хруща потребителя корней;

II – ниша ствола: 3 – жук-короед;

III – ниша листьев и цветов: 4 – гусеница шелкопряда, питающаяся листвой дерева, 5 – жук- листоед, 6 – пчела опылитель цветов;

IV – ниша ветвей: 7 – гнездо дрозда, свитое на ветви липы;

V – ниша опушек: 8 – олени потребители веточного корма;

VI – ниша припочвенного слоя: 9 – лесная мышь потребитель семян липы

в целом.

Пока набор ниш воспроизводится постоянно, структура сообщества сохраняется в прежнем виде. Изменение этого набора означает отклонение от прежней нормы развития системы. Если это изменение фиксируется и впоследствии стабильно воспроизводится, можно говорить о переходе системы в новое состояние.

Следует выразить сомнение по поводу гипотезы о том, что стабильность сообщества – это результат наличия большого числа экологических ниш и взаимно приспособленных друг к другу видов.

Представление о том, что сложность ведет к стабильности более привлекательно, чем верно. На самом деле увеличение числа видов и сложности взаимоотношений, скорее, является причиной уязвимости сообществ. Этот эффект особенно ярко проявляется при антропогенном воздействии на древние сложные по составу и структуре сообщества, например, дождевых тропических лесов или коралловых рифов. Сложные сообщества оказываются более уязвимыми в условиях, когда их среда резко нарушается; они могут развиваться только в стабильных условиях.

Заключение

К началу 21 века мир подошел к серьезному кризису. Биосферных причин кризис не имеет – ресурсы биосферы и Земли в целом могут обеспечить дальнейший прогресс и процветания. Тем не менее, темпы научно-технического прогресса замедлились, активизировались многие негативные социальные процессы. Распад СССР явился лишь первым шагом развития деструктивных процессов в обществе. Основа их – исчерпание социальных ресурсов и наработанных обществом решений по взаимоотношению между людьми, между природой и обществом. Для преодоления кризисных явлений есть один путь – трансформация общества на принципах формируемого учения о ноосфере. Одним из направлений ноосферного развития автору статьи видится инвентаризация скрытых биосферно-ноосферных решений, хранящихся в неком глобальном депозитарии. Любое из решений, любая редкая биологическая и социальная конструкция могут быть размножены в кратчайший срок по экспоненциальному закону.

Подведем итоги. Одна из основ устойчивости биосферы - наличие резервов и запасных решений в отношении любой задачи, которые ставит перед живыми организмами природная среда. Резервы и запасные ходы имеют место на всех уровнях организации от молекулярного до биосферного. Совокупность этих запасных решений предлагается назвать "биосферным депозитом". Биосферный депозит – совокупность редких (скрытых) биологических систем и решений, практически не влияющих на структуру и функционирование в данное конкретное время, но при определенных условиях могущих быть востребованными и быстро размноженными по экспоненциальному закону.

Резюме

Одна из основ устойчивости биосферы - наличие резервов и запасных решений в отношении любой задачи, которые ставит перед живыми организмами природная среда. Резервы и запасные ходы имеют место на всех уровнях организации от молекулярного до биосферного. Совокупность этих запасных решений предлагается назвать "биосферным депозитом". Биосферный депозит – совокупность редких (скрытых) биологических систем и решений, практически не влияющих на структуру и функционирование биосферы в данное конкретное время, но при определенных условиях могущих быть востребованными и быстро размноженными по экспоненциальному закону.

На генном уровне депозитом являются рецессивные мутации и спящие гены. На уровне организмов депозитом можно считать совокупность редких для данного вида адаптивных решений. На уровне экологических систем под депозитом можно понимать скрытые виды, численность которых достаточна для самоподдержания, но недостаточна для устойчивой регистрации методами полевой экологии. Предлагаемая гипотеза состоит в следующем. Когда произошел исторический переход от биосферы к ноосфере, и соответственно, от биологической к социальной форме движения материи, эволюция отрабатывала запасной вариант – переход к психофизической сфере. Последние решения оказались эволюционно неперспективными, и перешли в состояние биосферного депозита. На уровне физиологических решений этот депозит дает себя знать в виде “таинственных явлений человеческой психики”. На уровне биологического разнообразия он проявляется в виде редких сообщений о “снежном человеке”.

Литература

1. Вернадский В.И. Эволюция видов и живое вещество. Природа, 1928, №3, - перепечатка – Природа, 1978, №2, с.36 – 46.

2. Вернадский В.И. Размышления натуралиста., М., Наука, 1975, 175 с.

3. Вернадский В.И. Биосфера и ноосфера. М., Рольф, 2002.

4. Сапунов В.Б. Критерии экологического благополучия. Ноология, экология ноосферы, здоровье и образ жизни. С-Пб, Наука, 1996, с.80 - 85

5. Сапунов В.Б. Глобальные основы устойчивости биосферы. Фундаментальные проблемы естествознания, С-Пб, РАН, 1998а, с. 187 - 188.