Современное состояние биосферы и экологическая политика
Шрифт:
По подсчетам В. И. Вернадского, количество свободного кислорода в биосфере, равное 1,5 1021 г, есть число того же порядка, как и количество существующего и с ним неразрывно связанного живого вещества, исчисляемого в 1020– 1021 г. В каждый момент на Земле существует около 1020 и более граммов живого вещества, которое постоянно разрушается и создается – главным образом, не ростом, а размножением. Поколения создаются в промежутки от десятков минут до сотен лет. Ими обновляется вещество, охваченное жизнью. То, которое находится в каждую минуту в наличии, составляет ничтожную долю созданного в году, т. к. колоссальные количества создаются и разрушаются даже в течение суток (Вернадский, 2003, с. 76).
И если справедлив первый биогеохимический принцип, т. е. непрерывное стремление живого вещества к экспансии, к максимальному проявлению жизни, то столь же должен быть справедлив и выраженный второй биогеохимический принцип
Таким образом, первый биогеохимический принцип свидетельствует об экстенсивном захвате вещества для метаболизма, а второй – об интенсивной стороне того же процесса, в историческом геологическом аспекте. Иначе говоря, количество жизни остается неизменным, а качество ее непрерывно повышается. Чисто схематически этот процесс можно было бы попытаться описать так.
Допустим, есть всего одна бактерия, она в соответствии с геометрической прогрессией размножения чисто теоретически, не имея ограничивающего давления других организмов, выйдет на свою стационарную константу размножения и сразу освоит всю поверхность планеты, ограничиваясь только ее физическими параметрами; второй организм, создавая с первым систему биосферы, отнюдь не расширит лог ареал, а охватит его же, довольствуясь вдвое меньшим физическим пространством для жизни. Третий – займет в нем же свою нишу, разделив физическое пространство на три. И так продолжается при дальнейшей дифференциации живого вещества биосферы. Биомасса растет, появляется, например, лес или гигантские водоросли, или крупные животные, они вовлекают все более разнообразные виды атомов вещества в круговорот жизни. Но количество охваченных атомов остается постоянным, как и количество жизни по отношению к массе планеты. А внутренняя емкость пространства, вероятно, увеличивается, или оно структурируется. Точно также справедлива и обратная мыслительная операции. Из сегодняшней развитой биосферы будем отнимать, в каком угодно порядке: по одному виду, или по классу или по экологической нише, или но иному признаку. Что будет происходить с объемом биосферы? Он будет оставаться постоянным, другие организмы будут заполнять объем, пока смогут выполнять функции биосферы. Отнимем какой-то последний организм, – и она погибнет сразу, целиком, как и наш организм и как любой другой.
В. И. Вернадский через понимание функций и их историческое движение, выраженное в первом и втором биогеохимических принципах, нашел стандарт биосферы. Если живое вещество его поддерживает, то он действует, и наоборот. В последнем случае нет и биосферы.
8.3. Законы экологии и их следствия
Огромное биоразнообразие флоры и фауны, которое сохраняется на протяжении многих веков было бы немыслимо без его подчинения законам экологии. Как известно, законом называют наличие внутренней причинно-устойчивой связи между явлениями или свойствами различных объектов, отражающей отношения между объектами. Если изменение одних процессов или явлений (причина) вызывает вполне определенное изменение других (следствие), то это означает проявление действия закона. Какие же законы присущи для биосистем?
Закон больших чисел: при очень большом числе случайных явлений средний их результат практически перестает быть случайным и может быть предсказан с большой точностью. Каждый индивид в популяции имеет свою стратегию поведения, но объединенные в стаю, они, несмотря на кажущуюся хаотичность, действуют согласованно.
Принцип Ле Шателье – Брауна: при действии на систему сил, вызывающих нарушение равновесия, система переходит в такое состояние, в котором эффект внешнего воздействия ослабляется. Способность экосистем и биосферы в целом к сохранению своего устойчивого состояния является косвенным доказательством подчинения их этому принципу. В настоящее время предложено новое определение биоты и биосферы (Горшков и др., 1990): «под биотой следует понимать такие естественные сообщества живых организмов, которые способны подчиняться принципу Ле Шателье и компенсировать все возникающие возмущения окружающей среды.
Под биосферой следует понимать такое состояние биоты, окружающей ее взаимодействующей с ней внешней среды, в которой антропогенное возмущение находится ниже порога нарушения принципа Ле Шателье». Закон минимума Ю. Либиха: жизненные возможности организма лимитируют экологические факторы, количество и качество которых близки к необходимому организму или экосистеме минимуму. Присутствие или процветание тех или иных видов в экосистеме зависит от комплекса факторов. По каждому фактору имеются пределы толерантности, выход за которые делает существование вида невозможным. Из огромного количества лимитирующим можно считать такой фактор, по которому для достижения положительного эффекта требуется его наличие в минимальном количестве. Например, общая ниша для рыбостракофилов (горчак) может быть оптимальной для его существования, но отсутствие двухстворчатых моллюсков делает процесс размножения для этой рыбы невозможным. Вид в данных условиях существовать не будет.
Закон 10 % Р. Линдемана: средняя эффективность переноса энергии между трофическими уровнями составляет 6-15 %, а в среднем 10 %. Этот закон вытекает из законов термодинамики, когда все виды энергии превращаются биосистемами в теплоту, а на прирост биомассы идет от общей ее величины меньшая часть. Так, для гидробионтов использование ассимилированной пищи на рост составляет примерно 10–25 %.
Закон обеднения разнородного вещества в островных его сгущениях: индивидуальная система, работающая в среде с уровнем организации более низким, чем уровень самой системы, обречена, т. к., постепенно теряя свою структуру, система через некоторое время растворяется в окружающей среде. Любые сложные биотические сообщества, сохраненные на незначительных пространствах, обречены на постоянную деградацию. Этот закон имеет некоторое отношение и к выбору стратегии введения сельского хозяйства. Известно, что биоценозы, которые возникают на землях сельхозпользования, называются агроценозами.
Какие отличительные признаки этих ценозов?
Первое – низкое их биоразнообразие.
Второе – неспособность основных культур противостоять многим болезням и вредителям.
Третье – доминирование монокультур.
Стоит только человеку на время прекратить борьбу с нежелательными (сорными) видами растений, как окультуренные земли быстро зарастают разнотравьем и выходят из оборота, т. е. растворяются в окружающей среде. Лучший вариант введения сельского хозяйства – это формирования агроэкосистем, т. е. сознательно спланированных человеком территорий, на которых сбалансировано получение сельскохозяйственной продукции и возврат ее составляющих на поля (Кормилицын и др., 1997). В правильно спланированные агроэкосистемы, кроме пашен, входят пастбища или луга и животноводческие комплексы.
Закон обратимости биосферы: биосфера после прекращения воздействия на ее компоненты антропогенных факторов обязательно стремится восстановить свое первоначальное биоразнообразие. Этот закон является следствием вышеприведенного закона об обеднении разнородного вещества.
Закон природной зональности: в пределах обширных территорий (зон) природные условия сохраняют многие черты. Однако они заметно изменяются от зоны к зоне. Или, экосистемы различных биоклиматических поясов, как правило, имеют существенно разные почвенные профили.
Имеется еще ряд важных законов (энтропии, квантитативной компенсации и др.), которые способствуют формированию устойчивого состояния биосферы.
И все же, изменяя природу, человек создает новые экологические ниши, которые заселяются наиболее пластичными видами. Тогда, в каком направлении следует ожидать изменения биоты биосферы? Ведь известно, что отдельные организмы приспосабливаются к изменившимся условиям очень быстро, в то время как другие, не успевшие приспособиться, – вымирают.
Например, в Канаде, в районе озера Онтарио 70 лет действуют металлургические предприятия, нанесшие огромный вред окружающей среде. На сотнях квадратных километров вокруг этих предприятий оказалась уничтоженной всякая растительность в результате выброса в атмосферу большого количества двуокиси серы и накопления в почве тяжелых металлов. И все же, в созданной человеком пустыне неожиданно появилась и стала размножаться трава щучка, которой ранее здесь не было. Это растение приобрело способность выдерживать воздействие двуокиси серы, меди, никеля, кобальта, серебра, а также и свинца, цинка, кадмия, которых здесь нет. Аналогичные устойчивости к тяжелым металлам обнаружены у обитающих в почве некоторых водорослей.
Одному из авторов в свое время представилась возможность наблюдать значительные изменения в травостое фитоценозов, расположенных в районе воздействия Селенгинского бумажного комбината (1979–1980), который находится в устье реки Селенги, впадающей в озеро Байкал.
Все подобные случаи заслуживают пристального внимания и тщательного изучения. Они наглядно демонстрируют способность живого приспосабливаться в результате естественного отбора к самым неблагоприятным внешним условиям и занимать свободные экологические ниши. Быстрота возникновения таких приспособлений наглядно показывает, сколь стремительно может протекать эволюционный процесс тогда, когда последствия человеческой деятельности стали важным фактором изменения окружающей среды.
Правило обязательности заполнения экологических ниш. Согласно этому правилу, пустующие экологические ниши всегда бывают заполнены. Экологическая ниша как функциональное место вида в экосистеме позволяет форме, способной выработать приспособительные особенности, заполнить эту нишу, но иногда для этого требуется значительное время. Бывают ситуации, что эти ниши заполняются видами самым неожиданным образом (Кормилицын и др., 1997). Это надо учитывать при проведении тех или иных мероприятий, связанных с эксплуатацией видового состава экосистем. Следует напомнить, что термин «экологическая ниша» введен в 1928 г. Дж. Гриннелом, хотя без добавления слова «экологическая» был применен в том же смысле уже годом ранее Элтоном, подчеркивавшим, что ниша животного – «это значит место в живом окружении, его отношение к пище и врагам». В настоящее время под термином «ниша» понимается место вида в природе, включающее его положение в пространстве и времени существования, его функциональную роль в природе и положение относительно абиотических условий существования (Тупикин, 2002). Под этим термином можно понимать и весь комплекс абиотических и биотических условий среды, позволяющий на данном пространстве и в данное время наилучшим образом обеспечивать виду его существование.
8.4. Генетика и эволюция биосферы
Общепризнанно, что теория Ч. Дарвина о происхождении видов эволюционным путем совершила переворот в мировоззрении не только ученых, но и многих миллионов людей. Это был сильнейший удар метафизическому взгляду на природу, который показал, что весь современный облик биоты является продуктом процесса развития, длившегося миллионы лет. Можно однозначно утверждать, что Ч. Дарвин впервые установил изменяемость видов и преемственность между ними.
Второе научное событие XIX в. – это установление и обоснование Г. Менделем дискретной природы факторов наследственности. И наконец, открытие Ф. Мишером нуклеина – вещества, из которого, как теперь известно, построены гены. После этих прорывов в познании природы биологических явлений наука достигла такого совершенства, что способна не только объяснить механизмы видообразования растений и животных, но и управлять этими процессами. К настоящему времени накопленный научный материал свидетельствует в пользу теории эволюции. Материальной ее основой является генная система организмов, которая способна изменяться путем мутаций в ответ на перемены во внешней среде.
Можно утверждать, что нет более точного и краткого определения жизни, чем то, которое дал Ф. Энгельс. Современная наука внесла в это определение важные поправки и уточнения, не изменяя, однако, основного ее содержания. Именно обмен веществ, как указывал Ф. Энгельс, является необходимым условием поддержания жизни. Это принципиальное различие в развитии живых и неживых тел. Обмен веществ есть протекающий сам по себе процесс, присущий, прирожденный своему носителю – белку, без которого не может быть жизни. В этом заключается генетическая основа развития живых тел.