3.7. Основные экологические концепции

Выделяют следующие основные кон­цептуальные положения экологии (Со­ловьев, 1982):

морфолого-структурная концепция (видовое разнообразие, вертикальная ярусность и горизонтальная неоднород­ность биоценозов, соотношение жиз­ненных форм, ценотический состав);

функционально-ценотическая кон­цепция (средообразующая деятельность популяций, их взаимодействие в биоце­нозе, взаимодействие компонентов в экосистеме);

продуктивно-энергетическая кон­цепция (пищевые цепи, экологические пирамиды, пищевые сети, образуемые пищевыми цепями, пересекающимися в разных своих звеньях, поток энергии и энтропии по пищевым сетям, накопле­ние и преобразование свободной энер­гии, формирование первичной и вто­ричной продукции);

информационно-кибернетическая концепция (потоки информации и гоме-остаз популяции, биоценоза и экосисте­мы, управляющие воздействия на них);

биогеохимическая концепция (кру­говорот веществ в экосистеме, мигра­ция химических элементов по пищевым сетям и компонентам экосистемы, а также обмен между экосистемами);

социально-экономическая концеп­ция (эксплуатация экосистем, благо­приятные и неблагоприятные послед­ствия для общества);

сукцессионно-динамическая кон­цепция (сукцессия биоценоза и экосис­темы эндогенная и экзогенная, эколо­гическая ординация и физиономичес­кая классификация биоценозов);

эволюционная концепция (возник­новение и историческое развитие эко­систем, палеоэкология); -••

хорологическая концепция (про­странственная структура видов, распре-

57

деление экосистем различного ранга в зависимости от климатических, зональ­но-поясных, ландшафтных и регио­нальных особенностей географической среды).

На этой основе обеспечивается все­стороннее рассмотрение экосистем в морфологическом и «анатомическом», физиологическом, временном и про­странственном аспектах.

Глава 4 биосфера

4.1. Учение в. И. Вернадского о биосфере

История понятия «биосфера». Впер­вые к понятию «биосфера» (без упот­ребления самого термина) еще в начале XIX в. подошел Ж. Б. Ламарк, в чьих ра­ботах можно найти немало глубоких геохимических идей, пусть и архаично изложенных. Позднее (1863 г.) француз­ский исследователь Э. Реклю применил термин «биосфера» для обозначения об­ласти распространения жизни на зем­ной поверхности. В 1875т. крупный ав­стрийский геолог Э. Зюсс назвал био­сферой особую оболочку Земли, вклю­чающую совокупность всех организмов, противопоставив ее другим земным оболочкам (атмосфере, гидросфере, ли­тосфере). Начиная с работ Зюсса, био­сфера трактуется как совокупность на­селяющих Землю организмов.

Однако связанное с термином «био­сфера» законченное учение было созда­но не Ламарком, Реклю и Зюссом, а на­шим выдающимся соотечественником Владимиром Ивановичем Вернадским. Основные его идеи в данной области сложились в начале XX в. Он излагал их в лекциях в Париже. В 1926г. идеи В. И. Вернадского о биосфере были сформулированы в книге «Биосфера», состоящей из двух очерков —«Биосфе­ра и космос» и «Область жизни». По­зднее различные стороны биосферного учения В. И. Вернадский рассматривал в статьях и в большой монографии «Хи­мическое строение биосферы Земли и ее окружения» (она была опубликована только через 20 лет после смерти уче­ного).

58

«Поле существования жизни». Преж­де всего В. И. Вернадский определил пространство, охватываемое биосферой Земли: это вся гидросфера до макси­мальных глубин океанов, верхняя часть литосферы материков до глубины 2...3 км (на таких глубинах в подземных водах еще встречаются живые микроор­ганизмы) и нижняя часть атмосферы, по крайней мере до верхней границы тропосферы. Он ввел в науку интеграль­ное понятие «живое вещество» и стал называть биосферой область существо­вания на Земле «живого вещества», представляющего собой сложную сово­купность микроорганизмов, водорос­лей, грибов, растений и животных. По существу, речь идет о единой термоди­намической оболочке (пространстве), в которой сосредоточена жизнь и осуще­ствляется постоянное взаимодействие всего живого с неорганическими усло­виями среды.

Согласно современным представле­ниям «поле существования жизни» (осо­бенно активной) ограничено по вертика­ли высотой около 6 км над уровнем моря, до которой сохраняются положи­тельные температуры в атмосфере и мо­гут жить хлорофиллоносные растения-продуценты (6,2 км в Гималаях). Выше, в эоловой зоне, обитают лишь пауки, но-гохвостки и некоторые клещи, питаю­щиеся растительной пыльцой, спорами растений, микроорганизмами. Еще выше живые организмы попадают толь­ко случайно. Микроорганизмы здесь мо­гут сохранять жизнь в виде дрор.

Нижний предел существования ак­тивной жизни традиционно ограничи­вают дном океана (около 11 км) и изо-

термой 100 °С в литосфере (по данным сверхглубокого бурения на Кольском полуострове, около 6 км, фактически жизнь встречается в литосфере до глу­бины З...4км). Таким образом, верти­кальная мощность биосферы в океани­ческой области Земли достигает немно­гим более 17 км, в сухопутной — поряд­ка 12км.

Если исходить из предположения, что пределы возможности жизни огра­ничиваются точками температуры, при которой вода превращается в пар, а бел­ки сворачиваются, то теоретически гра­ницы распространения биосферы на­много шире по сравнению с общепри­нятыми в литературе.

Так, в перегретой воде, обнаружен-

ной в литосфере на глубине 10,5 км, а в «черных курильницах» (получили на­звание из-за темного цвета извергаю­щихся вод) на дне океана глубиной 3 км организмы существуют при температуре 250 "С. Теоретически пределом проник­новения жизни в литосферу может быть глубина 25 км с критической температу­рой 460 "С, при которой под любым дав­лением вода превращается в пар, и жизнь, по существу, невозможна (Рей-мерс, 1994). Общее представление о протяженности биосферы и соотноше­нии ее поверхностей дает рисунок 4.1.

Естественно, границы биосферы не были и не могут оставаться постоянны­ми во времени, поскольку жизнь (глав­ный «мотор биосферы») постоянно из-

Рис. 4.1. Вертикальная зональность биосферы и соотношение поверхностей, занятых основными структур­ными единицами (Рамад, 1981)

59

меняется. Причем изменяются не толь­ко количественные, но и качественные характеристики живого вещества.

Живое вещество. Главная идея В. И. Вернадского заключается в том, что высшая фаза развития материи на Земле— жизнь — определяет и подчи­няет себе другие планетарные процес­сы. По этому поводу он писал, что мож­но без преувеличения утверждать, что химическое состояние наружной коры нашей планеты, биосферы, всецело на­ходится под влиянием жизни, опреде­ляется живыми организмами.

По подсчетам ученых, живое вещество биосферы образует 1800 тыс. видов, об­щий объем которых составляет 2488 км^!, или 2423 млрд т. Эта масса живого ве­щества сосредоточена в 1400 тыс. км³, т. е. в объеме биосферы. Биомасса рас­тений (фитомасса) в 2,5 тыс. раз превы­шает общую массу животных (зоомас-су), причем видовая дифференциация животных в 6 раз больше видовой диф­ференциации растений.

Если равномерно распределить все живые организмы на поверхности Зем­ли, то они образуют пленку толщиной 5 мм. Несмотря на это, роль живого ве­щества в истории Земли не меньше роли геологических процессов.

Вся масса живого вещества, которое было на Земле хотя бы в течение 1 млрд лет, уже превышает массу земной коры. Действительно, биомасса Земли (в су­хом веществе), по новейшим данным, составляет 2,44-10'^гт, т.е. 0,00001% земной коры (2 • 10^|9т), ежегодная про­дукция живого вещества близка к 2,32-10" т. Полагая, что последний миллиард лет продукция была близка к современной, можно рассчитать ее сум­марное количество: 2 • 10" • 10^Ч = = 2- 10²⁰т, т. е. в 10 раз больше массы земной коры(Сытникидр., 1987).

Количественной характеристикой живого вещества является суммарное количество биомассы. В. И. Вернадс­кий, проведя анализ и расчеты, пришел к выводу, что количество биомассы со­ставляет от 10^годо 10¹¹ г, или 1000... 10 000 трлн т. Ему же принадлежат и следующие интересные расчеты. Ока­залось, что хотя вся поверхность Земли составляет несколько меньше 0,0001 % поверхности Солнца, зеленая площадь

60

ее трансформационного аппарата, т. е. поверхность листьев деревьев, стеблей трав и зеленых водорослей, дает числа совершенно иного порядка — в различ­ные периоды года она колеблется от 0,86 до 4,20 % поверхности Солнца, чем и объясняется большая суммарная энергия биосферы. В последние годы аналогичные подсчеты с применением новейшей аппаратуры провел красно­ярский биофизик И. И. Гительзон и подтвердил порядок цифр, более полу­века назад определенный В. И.Вернад­ским.

И. И. Гительзон тщательно исследо­вал энергетический баланс различных планет Солнечной системы и особенно количество тепловой и электромагнит­ной энергии, получаемой Землей от Солнца. По его оценкам, она оказалась равной 170 • 10¹² кВт. Он рассмотрел биосферу как область превращения этой космической энергии, выяснил закономерности распространения жи-' вого вещества в биосфере, изучил ко­личественные закономерности размно­жения различных таксономических групп организмов и геохимическую энергию живого вещества. Значитель­ное место в работах В. И. Вернадского по биосфере отведено зеленому живо­му веществу растений, поскольку толь­ко оно автотрофно и способно аккуму­лировать лучистую энергию Солнца, образуя с ее помощью первичные орга­нические соединения. Причем зеленое вещество улавливает в целом лишь 0,02...0,03 % солнечной энергии, по­ступающей на поверхность Земли.

Следует также упомянуть выводы ес­тествоиспытателя о том, что значитель­ная часть энергии живого вещества идет на образование в биосфере новых вадоз-ных (неизвестных вне ее) минералов, а часть захороняется в виде органическо­го вещества, образуя в конечном счете залежи бурого и каменного угля, горю­чих сланцев, нефти и газа. «Мы имеем здесь дело, — писал В. И. Вернад-. ский, — с новым процессом—с мед­ленным проникновением внутрь плане­ты лучистой энергии Солнца, достиг­шей поверхности Земли. Этим путем живое вещество меняет биосферу и зем­ную кору. Оно непрерывно оставляет в ней часть прошедших через него хими-

живой и неживой природой, глобаль­ные циклы движения воды, диоксида углерода, кислорода, других биогенных элементов. Цикличность биосферных процессов свидетельствует об их повто­ряемости, воспроизводимости, устой­чивости. Познать эти циклы, предуга­дать возможные их последствия — серь­езная экологическая задача.

И ранее было известно, что живые организмы участвуют в круговороте многих химических элементов, в обра­зовании органогенных горных пород и минералов, но на участие живого веще­ства в круговороте всех химических эле­ментов указал лишь автор учения о био­сфере. Проявление жизни глубочайшим образом меняет течение всех химичес­ких реакций в земной коре, изменяет историю почти всех химических эле­ментов; каждый из них проходит в об­щей цепи превращений через биогеохи­мическое звено.

Атмосфера

Литосфера

Гидросфера

Масштабы биогеохимической рабо­ты живого вещества таковы, что в тече­ние сравнительно краткого момента времени через живые организмы может пройти все вещество биосферы (рис. 4.2). Живое вещество совершенно изменяет химию моря. Могуществен­ной в геохимическом отношении фор­мой живого вещества является подзем­ная жизнь на глубине более Зкм, свя­занная с водой и горючими полезными

Рис. 4.2. Упрошенная схема круговорота водяного

пара, кислорода и диоксида углерода (Клауд,

Джибор, 1972)

62

ископаемыми органического происхож­дения.

Живое вещество изменялось в тече­ние всех геологических эпох и периодов. Следовательно, как отмечал В. И. Вер­надский, современное живое вещество генетически связано с живым веще­ством всех прошлых геологических эпох, а современная биосфера является развитием былых биосфер. В то же вре­мя в рамках значительных геологичес­ких отрезков времени количество живо­го вещества не подвержено заметным изменениям. Эта закономерность была сформулирована В. И. Вернадским как константность количества живого веще­ства биосферы (для данного геологичес­кого периода).

Труды В. И. Вернадского стали осно­вой множества новых наук и научных направлений: геохимии, биогеохимии, космохимии, радиохимии, гидрохимии. Ученый создал нечто большее, чем но­вые науки, — он способствовал форми­рованию нового взгляда на природу в целом. Сосредоточившись на понятии живого вещества и вечности жизни, Вернадский разработал учение о био­сфере. Был достигнут новый синтез представлений о мире, о его единстве и всеобщей связи явлений. Работы Вер­надского стали одной из важнейших ос­нов для решения проблем окружающей природной среды. Труды ученого обога­щают наши представления о смысле че­ловеческой жизни, о высоте человечес­ких чувств, о ценности внутреннего мира человека, его свободной мысли.

Биосфера (от гр. Ыоз— жизнь + + зр11а1га — шар) — нижняя часть атмос­феры, вся гидросфера, верхняя часть литосферы, являющиеся областью су­ществования и функционирования жи­вого вещества или затронутые жизнеде­ятельностью живых организмов (в том числе в историческом прошлом); актив­ная оболочка Земли, в которой совокуп­ная деятельность живых организмов проявляется как геохимический фактрр планетарного масштаба. В пределах этой глобальной экосистемы взаимо­действуют живое и косное вещества планеты.

Состав биосферы. Важнейшие ком­поненты биосферы: живое вещество (растения, животные и микроорганиз-

мы); биогенное вещество (органические и органе-минеральные продукты, со­зданные живыми организмами на про­тяжении геологической истории, — ка­менный уголь, нефть, торф к др.); кос­ное вещество (атмосфера, горные поро­ды неорганического происхождения, информация, вода); биокосное веще­ство (продукт синтеза живого и неживо­го, т. е. осадочные породы, почвы, илы).

У В. А. Ковды находим более широ­кое толкование компонентного состава биосферы. По его мнению, это потоки космической энергии, электромагнит­ные и гравитационные поля, космичес­кое вещество, поступающие на Землю; биомасса живой растительности, спо­собной путем фотосинтеза и роста фик­сировать и преобразовывать космичес­кую энергию в химическую потенци­альную энергию и хранить ее в виде органических соединений; почвенный покров, обеспечивающий существова­ние растительности; биомасса живущих на почве и в почве консументов (живот­ных, простейших, микроорганизмов), потребляющих фитомассу и доводящих ее до полной минерализации; водная оболочка (гидросфера); атмосфера; ли­тосфера (оболочка биогенных осадоч­ных пород) (Ковда, 1985).

Представление о биосфере как о це­лом, состоящем лишь из совокупности биогеоценозов, является ошибочным.

Границы распространения биосферы определяются возможностью проникно­вения жизни в геосферные оболочки — атмосферу, гидросферу и литосферу.

Атмосфера —воздушная оболоч­ка Земли — представляет собой смесь газов (молекулярного азота — около 78%, кислорода —21, аргона —0,93, диоксида углерода — 0,03, других га­зов—менее 0,005 % по объему), содер­жит также взвешенные коллоидные примеси (пыль, капельки, кристаллы и пр.). В вертикальном направлении ат­мосферу разделяют на несколько основ­ных слоев: тропосфера (до 9...17 км), стратосфера (до 50...55), мезосфера (до 80...85), термосфера (до 100км). По фи­зико-химическим процессам выделяют­ся озоносфера, защищающая живое от жесткого ультрафиолетового излучения Солнца (10...50 км), нейтросфера (от Земли до 70...80 км), ионосфера (выше

70...80 км), хемосфсра (от стратосферы до нижней части термосферы). По кине-тическим процессам выделяются экзо-сфера (выше 600... 1000 км) и земная ко­рона (выше 2000 км), по составу — гомо-сфера (до 90...100 км) и гетеросфера (выше 90...100 км). Сфера жизни охваты­вает первый слой атмосферы (тропосфе­ру) и частично заходит в стратосферу.

Гидросфера —водная оболочка — покрывает две трети поверхности пла­неты. Под гидросферой понимают ос­новные воды на земной поверхности в жидком и твердом агрегатном состояни­ях. Объем воды гидросферы не исчер­пывается тем ее количеством, которое сосредоточено в океанах и морях. Более 40 % воды заключено в недрах литосфе­ры; небольшая, но активно участвую­щая во влагообмене часть находится в атмосфере. Объем гидросферы равен 1370,3 млн км¹, химический состав при­ближается к среднему составу морской воды. По данным академика А. П. Ви­ноградова, общая масса воды около 1,4 • 10 ^1В т, из которых 98 % находится в океанах и морях, 1,65 — во льдах и толь­ко 0,35 % приходится на пресные воды.

Литосфера — твердая оболочка Земли, сложенная горными породами и их производными вулканического про­исхождения, осадочными биогенными соединениями, продуктами выветрива­ния. Между литосферой, гидросферой и атмосферой происходит взаимообмен веществом и энергией, который прояв­ляется, в частности, в тектонических движениях, включая землетрясения и вулканизм.

Главная структурная черта географи­ческой (геосферной) оболочки—ее ярусность. Выделяют два яруса—вне­шний, где основной источник энер­гии — Солнце, и внутренний, где источ­ником энергии являются радиоактив­ный распад и иные геохимические про­цессы. Характерная особенность геогра­фической оболочки Земли — крайняя неоднородность, контрастность слагаю­щих ее сфер. Слой непосредственного взаимодействия между рассмотренны­ми сферами, в результате которого фор­мируются природные ландшафты на суше и в океанах, называют ландшафт­ной сферой.

Ландшафтная сфера составляет цен-

63

тральную часть географической оболоч­ки. В ней происходит трансформация солнечной энергии в различные виды земной энергии и наиболее активно проявляется органическая жизнь. Са­мое существенное воздействие на гид­росферу и атмосферу оказывает через фотосинтез та часть географической оболочки, где содержится растительный покров — фитогеосфера.

Земля, как уже говорилось, — уни­кальная планета Солнечной системы, где органический мир образует биосфе­ру, процессы в которой имеют решаю­щее значение в миграции, концентра­ции, рассеивании и распределении хи­мических элементов. Организмы высту­пают здесь как геологическая сила, оказывающая постоянное воздействие на географическую оболочку.

Как системное целое биосфера в со­ответствии с принципом эмерджентно-сти (наличием особых свойств, не при­сущих ее подсистемам) — не простая механическая сумма составляющих ее

экосистем. Она представляет собой ме-гаобъект системного объединения всех подсистем с возникновением новых, значительно более сложных и разнооб­разных форм взаимосвязи и взаимодей­ствия между живым и косным веще­ствами. Данные формообразования за­висят от ведущих средообразуюших факторов и называются подсферами (аэробиосфера, гидробиосфера, геоби­осфера). В свою очередь, дифференци­руются и подсферы: аэробиосфера — на тропобиосферу и альтобиосферу, гид­робиосфера — на фотосферу, дисфотос-феру и афтосферу.

Структурообразующие факторы здесь помимо физической среды — энергетика (свет и тепло), особые ус­ловия формирования и эволюции жиз­ни (эволюционные направления про­никновения биоты на сушу, в ее глуби­ны, надземные пространства, бездны океана), несомненно, различны. Об­щая иерархия экосистем биосферы представлена на рисунке 4,3.

64

Рис. 4.3. Иерархия экосистем биосферы (Реймерс, 1994)

Иерархия природных систем био­сферы — это ряд функционально сопод­чиненных экосистемных образований различного уровня организации (от низшего до высшего). Знание иерархии соподчинения экосистем —обязатель­ное условие познания причинно-след­ственной взаимосвязи и взаимозависи­мости экологических процессов и явле­ний, происходящих в природе, для организации и целенаправленного осу­ществления научно обоснованного при­родопользования. Приведенная схема включает только иерархию природных систем. Между тем существуют и преоб­разованные антропогенной деятельнос­тью пространства селитебных террито­рий, энергетических и промышленных объектов, транспортных систем и дру­гих антропогенных образований с есте­ственными экосистемами. Это тоже фактор эволюции биосферы на совре­менном этапе ее функционирования.