1.5. Глобальная экосистема

Структурно-функциональная организация экосферы (глобальной экосистемы) – это сложнейший и малоизученный (!) вопрос. С одной стороны, накоплен огромный фактический материал и сделаны значительные научные обобщения в области географии, геологии, геохимии, геоэкологии, физики и химии Земли и т. д., но с другой – функциональное устройство грандиозной самоуправляющейся, самоорганизующейся и самовоспроизводящейся единой системы (глобальной экосистемы), которая поддерживает жизнь на Земле несколько миллиардов лет, по-прежнему остается загадкой.

Если нет готовых ответов, то можно сформулировать вопросы.

- Случайна или закономерна организация экосферы? Живые организмы только приспосабливаются к абиотическим условиям или способны и сами влиять на эти условия в глобальном масштабе? Насколько «живое вещество» способно контролировать функции глобальной экосистемы?

- Существует ли вообще глобальная экосистема, управляемая по принципу обратной связи? Если да, то какие компоненты и элементы ответственны за регулирование климата, поддержание постоянства состава атмосферы и вод океана и т. п.? Где слабые звенья этой системы (что нельзя «трогать», а что можно)? Как и на какие компоненты и элементы системы нужно воздействовать, чтобы добиться желаемого результата?

- В каком масштабе времени функционирует глобальная экосистема? Как много времени требуется для того, чтобы «сработал» механизм обратной связи – годы, века, миллионы лет? В этом контексте – должен ли масштаб времени быть одинаковым для различных процессов и функций системы? Если нет, то как подразделить управляемые процессы по «времени срабатывания» механизма обратной связи?

Следует еще раз обратить внимание на фантастическую сложность проблемы изучения структурно-функциональной организации биосферы и глобальной экосистемы.

Ниже приводятся две наиболее известные в конце ХХ века теоретические разработки, посвященные этой проблеме, которые получили в литературе названия «Гипотеза Геи» английского эколога Джеймса Лавлока и «Теория биотической регуляции окружающей среды» российского эколога и физика В.Г. Горшкова.

Гипотеза живой Земли Дж. Лавлока

ДОВОДЫ «ЗА» И «ПРОТИВ». ГИПОТЕЗА ГЕИ (из Т. Миллера, 1993)

«В начале 70-х годов британский химик и изобретатель Дж. Лавлок и американский биолог Л. Моргулис выдвинули идею, ...что биосфера – огромный, сложный живой организм, своего рода суперорганизм...

Данная научная идея ... получила название гипотезы Геи. Мысль о том, что Земля – живой организм не нова. Древние греки знали об этом из мифологических текстов. Таким образом, гипотеза Лавлока и Моргулис является современной версией античной мифологической интуиции. Вы можете подумать, что эта более научная версия античной гипотезы укрепит идею о том, что мы обязаны защищать Землю. Напротив, Лавлок, осмеявший большинство экологов и защитников природы, использовал свою гипотезу, чтобы подорвать многие экологические и природосберегающие начинания. ... Лавлок утверждает, что Земля – Гея – как и всякий другой организм, имеет определенные жизненно необходимые органы – болота, океанское побережье, тропические леса, которые сохранят её от разрушения и деградации. Однако Лавлок не видит ни глубоководных океанов, ни лугов, ни бореальных лесов, ни рек, ни озер, ни других объектов, составляющих остальную часть Геи. Лавлок также утверждает, что большинство видов не имеют никакого отношения к длительному существованию Геи. Он обращает внимание на то, что по крайней мере 99% видов, когда-либо живших на Земле, к настоящему времени вымерли и их место заняли другие виды, чье существование поддерживает Гея. ... В 1987 году Лавлок признал, что его оригинальная гипотеза, будто Земля является суперорганизмом,... далека от истины. В настоящее время он полагает, что Земля – это гомеостатичная система, а не настоящий живой организм. Теперь споры ведутся по поводу степени влияния биосферы на физические и химические процессы Земли. Вы верите, что Биосфера – это живой организм?» [7].

ГИПОТЕЗА ГЕИ (из Ю. Одума, 1986 г.)

«Отдельные организмы не только сами приспосабливаются к окружающей абиотической среде, но и своей совместной деятельностью в экосистемах приспосабливают окружающую среду к своим биологическим потребностям. Таким образом, сообщества организмов, а также их среда обитания развиваются как единое целое. Тот факт, что химия атмосферы и буферные свойства физической среды Земли резко отличаются от условий на любой другой планете Солнечной системы, привел к созданию гипотезы Геи, согласно которой организмы, особенно микроорганизмы, вместе с абиотической средой образуют сложную систему регуляции, поддерживающую на Земле условия, благоприятные для жизни.

Объяснения

Всем известно, что абиотическая среда («физические факторы») контролирует деятельность организмов, однако не все понимают, что организмы в свою очередь влияют на абиотическую среду и контролируют её самыми разнообразными способами. Организмы постоянно изменяют физические и химические свойства самых разнообразных веществ, отдавая в окружающую среду новые соединения и источники энергии.

Так, состав морской воды и донных илов моря в значительной мере определяется деятельностью морских организмов. Растения (и микроорганизмы), обитающие на песчаной дюне, постепенно образуют на ней почву, совершенно отличную от исходного субстрата. Яркий пример того, как организмы изменяют абиотическую среду, - коралловый атолл в южной части Тихого океана. Из простого «сырья», предоставляемого морем, животные (кораллы) и другие организмы строят целые острова. Живые организмы контролируют даже состав нашей атмосферы!

Это распространение биологического контроля за окружающей средой на глобальный уровень стало основой гипотезы Геи (Гея – древнегреческая богиня Земли), созданной Джеймсом Лавлоком. Физик, изобретатель и инженер Дж. Лавлок и микробиолог Л. Маргулис изложили гипотезу Геи в целом ряде статей. Они пришли к выводу, что состав атмосферы Земли с её уникально высоким содержанием кислорода и низким содержанием двуокиси углерода, а также умеренные температурные условия и условия кислотности на поверхности Земли нельзя объяснить, если не учитывать, что основную роль здесь сыграла деятельность ранних форм жизни.

Эта деятельность продолжилась координированной активностью растений и микроорганизмов, сглаживающей колебания физических факторов, которые проявились бы в отсутствии хорошо организованных живых систем. Например, аммиак, выделяемый организмами, поддерживает в почвах и донных осадках рH, благоприятный для жизнедеятельности самых разнообразных организмов. Без этого продукта жизнедеятельности организмов значение рH в почве могло бы стать таким низким, что лишь немногие виды организмов оказались бы способными выжить в таких условиях.

В таблице 1.4 сравнивается состав атмосферы современной Земли с гипотетической атмосферой, которая имелась бы на безжизненной Земле, и с атмосферой Марса, где если и есть жизнь, то совершенно ясно, что она не контролирует физическую среду. Иными словами, представление о том, что сначала в результате чисто случайного взаимодействия физических сил на Земле возникла атмосфера, благоприятная для поддержания жизни, а затем уже появилась и сама жизнь, приспосабливающаяся к этим условиям, неверно.

Таблица 1.4.

Сравнение состава атмосферы и температурных условий на Марсе, Венере, Земле и гипотетической Земле без жизни. (По Lovelock, 1979).

Показатели	Марс	Венера	Земля без жизни	Земля
Содержание газов в атмосфере, % : СО2 ........................................... N2 .............................................. О2 ..............................................	95 2,7 0,13	98 1,9 Следы	98 1,9 Следы	0,03 79,0 21,0
Температура поверхности, 0С	- 53	+ 477	+ 290	13,0

Вероятнее всего, что именно организмы играли основную роль в развитии и регуляции геохимической среды, благоприятной для них. Лавлок и Моргулис рассматривают сложную сеть микроорганизмов «коричневого пояса» как тонкую регулирующую систему, функционирующую по принципу хемостата и несколько напоминающую систему кондиционирования в небоскребе. Эта регулирующая система (Гея) делает Землю сложной, но единой кибернетической системой. Все это весьма гипотетично» [9].