Экологические системы

Наша планета - это бело-голубой шар. Такой красавицы больше нет во всей Солнечной системе. И этим Земля обязана биосфере.

Марс по красоте уступает Земле. Там нет такой густой атмосферы, обогащенной кислородом и азотом. Вода есть, но она в замерзшем состоянии. Атмосфера на 98% состоит из углекислого газа. Если и есть на Марсе биосфера, то она находится в малоактивном состоянии.

А это Венера - наша вторая соседка. Под ее мощнейшей углекислой атмосферой (около 98%) находится раскаленная до +400 градусов Цельсия поверхность. При такой температуре белковая жизнь невозможна. На Венере нет биосферы.

Это земной ландшафт. Он находится почти в центре Евразии. Огромное сводовое поднятие на заднем плане - гора Сохондо - на 2500м выше уровня мирового океана. Голубое земное небо, зеленая тайга и бурая тундра. Всюду живые организмы и их сообщества, всюду экосистемы.

Это юг Приморского края - Дальний Восток. Потрясающее буйство жизни. Сравните с ландшафтом Марса на нижнем фото. Здесь на участке в 1 га обитают сотни, а иногда и тысячи ыидов живых организмов, участвующих в биологическом круговороте вещества. 

Марсианская пустыня выглядит почти как земная с той лишь разницей, что здесь в воздухе почти нет кислорода, а температура в течение суток изменяется от +10 до - 100 градусов по Цельсию. Если здесь и есть живые организмы, то они обитают в толще грунта, или под мощными ледяными покровами.

На Марсе выпадает снег, но это совсем другой снег. При низких температурах, какие царят на Марсе зимой, углекислый газ превращается в углекислый снег. Водяной снег там тоже есть, но он мощными ветрами перемешивается с углекислым снегом, песком и пылью.

А на Венере много серы. Она здесь, видимо, и в твердом состоянии, и в жидком. В атмосфере сера находится в виде сернистого газа и сернистой кислоты. Вообще здесь жарко как в топке, где сжилают каменный уголь. А ведь это наша ближайшая соседка. Если мы уничтожим на Земле биосферу, то у нас станет почти также жарко, как на Венере, что-то около +200 градусов по Цельсию.

Один из марсианских ледников. Он движется, вероятно, даже плавится, и из его толщи на поверхность периодически поступает вода, которая тут же замерзает, образуя эти натеки. Может быть в таких местах живут марсианские микроорганизмы? Ведь живут же микробы в толще антарктического ледника на Земле.

Соотношение между большим и малым круговоротом химических веществ. Стрелками указаны потоки вещества и энергии. Биологический круговорот - это только часть большого планетарного круговорота вещества. Он тесно с ним связан и от него зависит. Кстати, геологический круговорот от биологического тоже зависит. Именно это в своих работах доказал В.И. Вернадский.

Круговорот ыещества (жирными линиями) и потоки энергии (тонкие линии) в биосфере (по Ф. Рамаду, 1981). S - энтропия.

Вот эти потоки вещества и энергии и должны изучать глобальная и ландшафтная экология. Биосфера - это биологический круговорот вещества.

На страничке помещены фото Земли, Марса и Венеры, позаимствованные на сайтах NASA .

Экология изначально возникла как наука о среде обитания живых организмов: растений, животных (в том числе и человека), грибов, бактерий и вирусов, о взаимоотношениях между организмами и средой их обитания и о взаимоотношениях организмов друг с другом. Так появились всевозможные частные экологические дисциплины: экология растений, экология животных, экология грибов и т.д. Эти частные экологические дисциплины формировались в рамках соответствующих разделов биологии - ботаники, зоологии, микологии и др. как подразделения этих наук. Общей экологии тогда просто еще не существовало, так как объект ее изучения не был определен вплоть до 30-х годов ХХ столетия. Что же это за объект?

По мере накопления знаний о взаимодействии живых организмов со средой обитания исследователи поняли, что на Земле существуют своеобразные системы, состоящие из живых организмов и неживого вещества. Для этих систем характерен высокий уровень организации, наличие прямых и обратных связей между компонентами (частями этих систем), способность систем к поддержанию своего состояния при всевозможных возмущениях. Эти системы были названы экологическими, или экосистемами. Так общая экология обрела свой специфический объект изучения - экосистему. 

Таким образом, общая экология - это наука об экосистемах, которые включают в себя живые организмы и неживое вещество, с которым эти организмы постоянно взаимодействуют. Живое и неживое вещество в экосистемах структурировано и охвачено бесчисленными превращениями или процессами, в ходе которых автотрофными и хемотрофными организмами захватываются из внешней среды атомы многих химических элементов (углерод, водород, кислород, сера, фосфор, калий, кальций, магний, железо, медь и др.) и энергия, которые затем используются организмами консументами и грибами, а потом, по мере гибели организмов продуцентов, грибов и консументов, переходят к организмам редуцентам, разлагающим мертвое органическое вещество и возвращающим составляющие это вещество атомы во внешнюю среду. При этом энергия химических связей организмов продуцентов и организмов хемосинтетиков частично используется консументами, грибами и редуцентами, а частично высвобождается во внешнюю среду в виде тепла, в виде образующихся при выделении в атмосферу растениями кислорода окислов, и в виде химических связей сложных органических веществ, накапливающихся в почве (гумус) и литосфере (торф, бурые и каменные угли).

Экосистемы всюду вокруг нас. Там, где есть жизнь, там есть и экосистемы. А жизнь на Земле повсюду: и в толще океана на дне самых глубоких морских желобов, и в атмосфере на высоте нескольких десятков километров, и в глубоких пещерах, куда никогда не проникает луч света, и на поверхности ледников в Антарктиде и в высокой Арктике. Следы жизни обнаружены в самых древних горных породах, которые сформировались около 3 миллиардов лет назад, - именно тогда жили на нашей Планете организмы, чьи следы запечатлены в этих породах. Эти организмы были чрезвычайно примитивными, они были одноклеточными или колониальными, в клетках их не было сформированного ядра, и размножались они простым делением клеток надвое. Эти организмы не имели скелета, даже наружный скелет - твердый панцирь клеток - у них отсутствовал. Именно поэтому в геологической летописи планеты сохранилось так мало следов той древнейшей жизни.

Эволюция живых организмов привела к появлению живых существ с обособленным клеточным ядром и внутриклеточными органоидами - рибосомами, митохондриями и др. Для них уже было характерно бесполое и половое размножение. Доказано, что миллиард лет назад такие организмы на нашей планете уже существовали, они населяли океан. Примерно 600-700 миллионов лет назад появились первые позвоночные животные. Это были рыбы, обитавшие в мировом океане и морях. Царство растений тогда было представлено многочисленными водорослями, как одноклеточными, так и многоклеточными, образовывавшими, как и теперь, настоящие подводные леса на мелководьях.

Примерно 500 миллионов лет назад живые организмы появились и на суше. До этого жизнь была только в морях и океанах. На суше эволюция живых существ проходила более быстрыми темпами. Из животных сушу сначала завоевали членистоногие. Из позвоночных животных первыми на сушу выбрались двоякодышащие рыбы, от которых произошли земноводные. Земноводные в свою очередь дали начало пресмыкающимся, от которых произошли птицы и в меловом периоде - около 70 миллионов лет назад - млекопитающие. Человек относится к классу млекопитающих, отряду приматов, семейству гоминид (человекообразных). Первые люди, согласно последним научным данным, обитали в Африке около 3 миллионов лет назад. Они ходили прямо на двух ногах и имели ступню, не отличающуюся от ступни современного человека, имели довольно развитые руки с отстоящим, как у современного человека, большим пальцем, могли издавать членораздельные звуки, пользовались огнем и изготавливали примитивные орудия, разбивая камни и кости.

По мере эволюции живых организмов интенсифицировался обмен веществ, совершенствовались механизмы размножения, усложнялось поведение животных, удлинялись пищевые цепи, благодаря которым, однажды захваченные живыми существами из внешней среды атомы химических элементов и энергия, все дольше не возвращались во внешнюю среду. Разумеется, при этом по мере эволюции изменялась и среда обитания живых организмов. В гидросфере и атмосфере накапливался свободный кислород, его содержание за последний миллиард лет в атмосфере выросло с 1% до 21%. При этом резко снизилось содержание в атмосфере Земли углекислого газа - до 0,3%. Ученые выяснили, что современный состав атмосферы Земли за миллиарды лет создан и поддерживается живыми организмами. Если на Земле не будет жизни, то состояние ее атмосферы довольно скоро, буквально за несколько сотен или тысяч лет вернется к своему бескислородному состоянию. Ведь ни на Венере, ни на Марсе свободного кислорода в атмосферах практически нет. Зато очень много углекислого газа. Вероятно, такой когда-то была и атмосфера нашей планеты.

Таким образом, эволюция жизни на Земле - проблема не только биологическая, но и экологическая. Сегодня это понимают многие ученые, в том числе и палеонтологи, изучающие жизнь в отдаленные геологические эпохи. Например, выход живых существ на сушу сдерживался тем, что в атмосфере Земли, вплоть до кембрийского периода, было очень мало кислорода. Из-за этого у планеты отсутствовал озоновый слой (верхний слой атмосферы, состоящий из трехатомных молекул кислорода и отдельных атомов кислорода), который поглощает жесткое космическое излучение. Дело в том, что кванты жесткого (коротковолнового) электромагнитного излучения обладают очень высокой энергией и, ударяя в органические молекулы, легко их разрушают, поглощаясь при этом и не достигая поверхности планеты. Слой воды толщиной 2-3м может поглощать кванты жесткого излучения не хуже озонового слоя. Именно поэтому на первых этапах эволюции жизнь так цепко держалась за мировой океан, не спеша выходить на сушу.

Как всякие материальные системы, экологические системы согласно принципу Ле-Шателье способны поддерживать свое состояние при резких неблагоприятных для них воздействиях внешних факторов или возмущениях. При всяком возмущении экосистема изменяется таким образом, что снижает эффект этого возмущения и, таким образом, сохраняет свой status quo. Поскольку компоненты экосистемы находятся друг с другом в постоянном взаимодействии - связаны друг с другом потоками вещества и энергии, - говоря о равновесии экосистемы, следует иметь в виду не статическое, а динамическое равновесие - равновесие в первую очередь, потоков вещества и энергии . Если экосистему вывести из состояния динамического равновесия, то она стремится вернуться к нему, используя при этом часть своей внутренней энергии и упорядоченности (структурной негэнтропии). Если резерва внутренней энергии и негэнтропии хватает, то система возвращается в состояние близкое к исходному, если нет, то она либо разрушается, либо переходит в новое состояние динамического равновесия, но на значительно более низком энергетическом и негэнтропийном уровне. При этом говорят, что экосистема деградировала. Примером такой деградации является, например, распашка и уничтожение естественной растительности на значительных пространствах в зоне сухой степи. Это воздействие резко снижает запасы влаги в почве, способствует ветровой эрозии плодородного слоя и экосистема переходит в новое состояние с очень низкой биологической продуктивностью. Степные экосистемы сменяются при этом экосистемами пустынь. Некоторые ученые экологи считают, что именно так на месте саванны в Северной Африке примерно 10 тыс. лет назад образовалась пустыня Сахара.

Для всякой экосистемы существуют пределы толерантности (устойчивости). Одни экосистемы более толерантны к воздействию внешних возмущающих факторов, другие менее. Пока что мы ничего не можем сказать о пределах толерантности естественных экосистем. Одни говорят, например, что экосистемы тундры очень неустойчивы и легко уязвимы. Другие, напротив, считают, что экосистемы тундры не менее устойчивы, чем экосистемы тайги и степи, что самыми неустойчивыми являются экосистемы влажных тропических лесов. Ясно одно. Проблема толерантности экологических систем должна быть решена в ближайшее время, иначе под мощным антропогенным воздействием окажутся как раз наиболее уязвимые экосистемы. Проблема эта очень сложна тем, что разные экосистемы оказываются в разной степени устойчивыми по отношению к разным воздействиям. Например, колея от трактора на склоне в зоне тайги через 50 лет зарастет и исчезнет, а вот такая же колея в зоне тундры через 50 лет превратится в овраг глубиной до 20-30 м и шириной до 10-20м.

Как я уже сказал выше, сначала появились частные экологические дисциплины, общая же экология формируется только сегодня. Разумеется, общая экология тесно связана с частными экологиями: экологией растений (геоботаникой), лесоведением, почвоведением, экологией животных, гидробиологией, экологией человека, биоценологией, ландшафтоведением и др. Однако, она не есть простая сумма этих частных наук. У экологии есть свой предмет исследования - экосистемы. Эта простая мысль сегодня, к сожалению, еще не получила общего признания, многие исследователи продолжают считать, что экология - это наука биологического цикла, то есть часть биологии. 

Несмотря на нерешенность своих самых фундаментальных проблем, экология сегодня переживает самый настоящий бум популярности. Причина этого в том, что человечество начало всерьез осознавать важность для себя экологических проблем. Ведь вопрос стоит однозначно - быть или не быть на Земле технократической цивилизации. Сегодня об экологии говорят даже те, кто в ней совершенно не разбирается. Происходит демагогизация и девальвация экологических идей - примерно то, что произошло в свое время в Советском Союзе с экономическим учением К.Маркса. Став догмой, это в общем-то верное для конца XIX века учение превратилось в тормоз экономического развития в нашей стране во второй половине XX.

Буквально на глазах у нас возникает своеобразная экологическая «попса», которая по степени «попсовости» заткнет за пояс тот марксизм-ленинизм, который забивали в головы в вузах моему поколению. Экология сегодня сильно политизирована, уже возникло несколько экологических партий в разных странах мира. А, как известно, в партиях науку не развивают, а превращают в догму. Я глубоко уверен в том, что с помощью экологических идей не следует решать политические проблемы, это может быть очень опасно - не менее опасно, чем само разрушение экосистем. Например, экологические идеи, учение о биосфере подталкивают политиков к глобализации. Глобализация экономики им кажется путем к управлению экологическими системами, биосферой, природными ресурсами. Это может быть и так, но в условиях разделенности человечества на множество стран, этносов, религий и культур глобализация ускорит центробежные процессы и приведет к новой мировой войне.

Баланс углекислого газа между атмосферой, океаном, почвой и живыми организмами поддерживается миллионами видов живых организмов. Если он нарушится, то содержание углекислоты в атмосфере резко возрастет, усилится так называемый парниковый эффект, и атмосфера Земли начнет разогреваться. Экосистемы Земли - это фабрики, которые поддерживают этот баланс. (Схема заимствована у Н.Ф.Реймерса)

Ко всем вопросам, затронутым выше, мы еще вернемся в следующих лекциях и рассмотрим их более подробно, а пока обратимся к истории экологии и экологических идей, ибо ничто так не учит, как учит история. Хотя мудрецы и говорят, что история учит одному, что она ничему не учит, но я не согласен с этим. История-то нас учит многому, но вот мы не хотим это воспринимать, упорно не хотим учиться у истории.