Биотическая регуляция окружающей среды

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. Эти ограничения объясняют наблюдаемые морфологическое постоянство и дискретность как современных, так и древних видов. Управление окружающей средой виды, организованные в сообщества (элементарные экосистемы), осуществляют через биогеохимический круговорот биогенов - элементов, необходимых для жизни, т.е. синтез органики из неорганических элементов и затем разложение органики на первичные элементы или включающие их вещества. 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. Идеи биотической регуляции окружающей среды прослеживаются в работах В.И.Вернадского, американского биохимика А.Лотки, но наиболее четко эту идею высказал Н.В.Тимофеев-Ресовский, который в 1968 г. писал: «...биосфера Земли - гигантская живая фабрика, преобразующая энергию и вещество на поверхности нашей планеты - формирует и равновесный состав атмосферы, и состав растворов в природных водах, а через атмосферу - энергетику нашей планеты. Она же влияет на климат. Вспомним огромную роль в круговороте влаги на земном шаре испарения воды, осуществляемого растительным покровом. Следовательно, биосфера Земли формирует все окружение человека. И небрежное отношение к ней, подрыв ее правильной работы будет означать не только подрыв пищевых ресурсов людей и целого ряда нужного людям промышленного сырья, но и подрыв газового и водного окружения людей. В конечном счете люди без биосферы или с плохо работающей биосферой не смогут вообще существовать на Земле». Он же отмечал структуризацию биосферы планеты и называл первичные ячейки этой структуры - сообщества организмов, элементарными ячейками биологического круговорота. 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 экосистемыили 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. Теория биотической регуляции по-иному рассматривает основные экологические проблемы человечества. Если до сих пор главной экологической проблемой считается загрязнение окружающей среды, обусловленное неправильным формированием хозяйства, которое оказалось слишком грязным и вело к локальным, региональным и глобальным изменениям окружающей среды, то теперь ясно, что главная причина экологических проблем и изменений окружающей среды - нарушение механизма регуляции окружающей среды биотой в результате разрушения естественных экосистем и замены их искусственными антропогенными системами. 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. Для решения экологических проблем необходима смена ценностей модернизма, которые не соответствуют современному этапу развития - этапу столкновения мирового сообщества с природой, так как идеология модернизма направлена на рост по всем направлениям и не накладывает запретов на разрушение природы. 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.

К.С. Лосев

Лит.: Горшков В.Г. Физические и биологические основы устойчивости жизни. М.: ВИНИТИ. 1995 ХХУIII, 472 с.; Gorshkov V.,G., Gorshkov V.V., Makarieva A.M. Biotic regulation of the environment. Key issue of global change. Chichester: Springer-Praxis. 2000. 368 p.

Ключевые слова: БИОТИЧЕСКАЯ РЕГУЛЯЦИЯ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ, BIOTIC REGULATION OF ENVIRONMENT