Круговорот фосфора

Описываемый круговорот представляет собой пример очень простого незамкнутого цикла (рис.20).

Рис. 20. Круговорот фосфора

Фосфор совершает круговорот в наземных экосистемах в качестве важной и необходимой составной части цитоплазмы; биоредуценты минерализуют органические соединения фосфора из отмерших организмов в фосфаты, которые вновь потребляют корни растений. Громадные запасы фосфора, накопившиеся за прошлые геологические эпохи, содержат горные породы; в процессе разрушения эти породы отдают фосфаты наземным экосистемам; однако значительные количества фосфатов оказываются вовлеченными в круговорот воды, выщелачиваются и вовлекаются в море. Здесь они обогащают соленые воды, питают фитопланктон и связанные с ним пищевые цепи; затем вместе с отмершими остатками фосфаты погружаются в океанические глубины. Часть их, отлагающаяся в пределах досягаемости морских экосистем, используется ими, часть же теряется в глубинных отложениях. Частичный возврат фосфатов на землю возможен и с помощью морских птиц (имеется в виду гуано, огромные залежи которого на побережье Перу указывают на то, что некогда морские птицы играли большую роль в его накоплении, чем теперь) и благодаря рыболовству (рыбу используют в качестве удобрения под посевы риса).

Считают, что каждый год таким образом возвращается в круговорот 60 тыс. т фосфора, что далеко не компенсирует расход тех 2 млн.т фосфатов, которые ежегодно добываются из залежей к быстро выщелачиваются при использовании в качестве удобрений.

Рано или поздно положение может стать тревожным, так как “фосфор — это слабое звено в жизненной цепи, обеспечивающей существование человека”.

Круговорот серы

Находящаяся в почве сера представляет собой продукт разложения материнских горных пород, содержащих пириты (серный колчедан FeS) и халькопириты (медный колчедан СаFeS2), а также продукт разложения органических веществ растительного происхождения; животные органические вещества содержат очень мало серы.

Корни абсорбируют почвенную серу, которая входит в создаваемые растениями серные аминокислоты (цистин, цистеин, метионин).

После отмирания растений сера возвращается в почву. Это осуществляют многочисленные микроорганизмы; некоторые из них восстанавливают органическую серу в H2S и минеральную серу, между тем как другие окисляют эти продукты разложения в сульфаты. Последние поглощаются корнями растений, и таким образом обеспечивается продолжение круговорота.

Помимо серы органического происхождения, растения могут вводить в цикл значительные количества серы, переносимой воздушными массами и дождевой водой из промышленных районов (дымы). (Этот источник обеспечивает от 2,7 до 260 кг серы на 1 га в год).

Круговорот биогенных элементов

Нами сделан обзор круговорота химических элементов (углерода, азота, водорода, кислорода, фосфора, серы), которые, казалось бы, и формируют полностью живые организмы. Однако эти организмы не смогут жить, если не будут содержать в достаточном количестве некоторые катионы. Среди них в составе растений калий, кальций, магний (и иногда натрий) относятся к группе макроэлементов, так как они необходимы в больших количествах (выражающихся в сотых долях сухого вещества), между тем как железо, бор, цинк, медь, марганец, молибден и анион хлора, которые нужны лишь в малых количествах (выражающихся в миллионных долях сухого вещества.), относятся к микро- или олигоэлементам.

Абсолютная концентрация этих элементов в почве, а также их относительная концентрация (количество одних в отношении к другим), характеризующая явления антагонизма, играет важную роль в определении состава растительного покрова.

На суше главным источником биогенных катионов служит почва, которая получает их в процессе разрушения материнских пород, но нельзя пренебрегать и переносом их атмосферными осадками, если учесть развитие эпифитов, которые бывают иногда обильны. Катионы абсорбируются корнями, а затем распределяются по различным органам растений, но в наибольших количествах накапливаются в листве. Они входят, таким образом, в корм растительноядных и потребителей следующих порядков в цепи питания.

Минерализация экскрементов и трупов возвращает биогенные катионы в почву на уровень расположения корней; создается впечатление, что цикл способен продолжаться беспрерывно, хотя в лесах может происходить временное замедление, вызванное накоплением катионов в древесине и в особенности в коре деревьев.

В то же время во влажном климате цикл может быть глубоко противоречивым вследствие того, что почва выщелачивается дождями; дождевые воды переносят катионы в систему подземного стока; оттуда они попадают в поверхностный сток и, наконец, в море, порой в очень значительных количествах. Такое выщелачивание приводит, во-первых, к деградации коллоидального абсорбирующего комплекса, который уже недостаточно удерживает катионы, а во-вторых, к ослаблению корневой системы, вследствие чего вторичная абсорбция протекает не так быстро, как нужно. Выщелачивание — автокаталитический процесс: чем больше оно прогрессирует, тем больше деградируют почвенные коллоиды: в областях умеренного климата оно приводит к оподзоливанию, а в тропических — к латеритизации.

Почвы с деградировавшими коллоидами еще более выщелачиваются, а растительность на них все более и более оскудевает; такие условия не мешают, однако, этой скудной растительности быть в некоторых случаях пышной.

Наложение может стать особенно тяжелым в тропических местностях, где в силу интенсивного выщелачивания особенно трудно поддерживать природное равновесие; причины этого — ливневые дожди и низкая активность абсорбирующего почвенного комплекса (малое количество гумуса, каолинит). Монокультуры сахарного тростника, кофе, какао, кукурузы, арахиса и пр., переводимые с истощенных почв на более богатые, разрушают продуктивные лесные экосистемы и оставляют после себя экосистемы с очень низкой продуктивностью.

ДИНАМИКА И ЭВОЛЮЦИЯ БИОСФЕРЫ

Овладение закономерностями эволюции биосферы не только интересно теоретически, но и имеет определяющее практическое значение для человека, как биологического вида. Знание этих закономерностей, позволит человеку соотнести изменения, вносимые в эволюцию его собственной деятельностью, и оценить их последствия… Если эти изменения идут в разрез с естественной эволюцией биосферы, следует ожидать серьезных перемен в среде жизни на Земле, в том числе крупных природно-антропогенных аномалий.

Для перехода от геохимической эволюции к биогеохимической с возникновением живого вещества, коренным образом отличающегося от неживого (первое кирально асимметрично, второе симметрично), были необходимы уникальные и неповторимые условия ранней эволюции Земли, как планеты. И как только появились формы преджизни, а затем и праорганизмов, начал действовать принцип Реди — живое происходит только от живого, между живым и неживым веществом существует непроходимая граница, хотя и имеется постоянное взаимодействие. Это обобщение было сделано итальянским естествоиспытателем и врачом Ф.Реди, а В.И.Вернадский подчеркнул особое значение разницы между живым и неживым.

Если бы сложились локальные условия для возникновения жизни в наши дни (например в жерле потухающего вулкана) или она была бы привнесена из космоса, то либо она не смогла бы долго существовать, либо стала бы глобальным бедствием. В первом случае она была бы уничтожена ныне существующими организмами, во — втором — подавила бы их. Второй вариант очень мало вероятен: живое достаточно хорошо приспособлено к условиям Земли и поэтому обладает большей надежностью. В развитой биосфере повторное возникновение живого исключено. Отсюда особый смысл принципа Реди.

С начала формирования биосферы современного типа постепенно возрастало число видов организмов, увеличивалась их биомасса и продуктивность. Это увеличение шло до тех пор, пока упомянутые показатели не стали постоянными и характерными для эволюционного этапа развития планеты. Такое накопление и стабилизация могли произойти относительно быстро, например, возможно, что предельное число видов в ходе эволюционного процесса возникло всего за 70 млн лет.

Живое вещество аккумулировало солнечную энергию. Ее излишки были депонированы: выведены из круговорота веществ в виде биогенных горючих ископаемых, осадочных горных пород и тому подобного. С ходом эволюции биосферы увеличивалось функциональное разнообразие органических форм — видов живого, сообществ, биоценозов, экосистем, то есть ее информационная емкость. Увеличение шло до пределов действия правила константности числа видов, т.е. равновесия числа вымирающих и возникающих форм в рамках значительных отрезков эволюции биосферы и правила общего роста разнообразия. Значение живого вещества достигло максимума, биотические круговороты усложнились: вместо относительно единого глобального биосферного круговорота веществ на суше с ее в то время равномерной тропической растительностью и животным миром (а их останки находят даже в Антарктиде и на Крайнем Севере) и столь же единым круговоротом веществ в Мировом океане, образовалась многоступенчатая иерархия круговоротов в соответствии с иерархией экосистем планеты. Возник “обмен обменов веществ” крупных биотических систем, составляющих, в свою очередь, фундамент надежности всей структуры биосферы.

Эволюция биосферы шла по двойному сценарию: менялись внешние условия, а одновременно действовали механизмы саморазвития живого. Сложение этих двух процессов не было бесконфликтным. В истории биосферы случались резкие убыстрения развития, эволюционно относительно короткие периоды значительных перемен, которые принято называть эволюционными катастрофами. Наиболее древний эволюционно-экологический кризис привел к исчезновению около 650 млн лет назад многих одноклеточных водорослей. Большинство панцирных обитателей океана вымерло на рубеже 450 млн лет назад. На следующем этапе ускорения эволюции, около 230 млн лет назад, исчезли многие виды гигантских амфибий. Наконец, 65 млн лет назад по эволюционным меркам очень быстро вымерли гигантские рептилии и многие виды других групп организмов. Условно этот период называют эпохой вымирания динозавров.

Последняя из эволюционных смен привлекает наибольшее внимание ученых. Ее этап связывают с падением на Землю огромного метеорита-астероида, образовавшего самый большой метеоритный кратер на территори и современной Мексики. Предполагается, что результатом этого падения было длительное запыление атмосферы Земли и вследствие этого резкое похолодание на ней. Есть и другие гипотезы, в частности сближения Солнечной системы с крупным космическим телом — звездой Немезидой, что вызвало резкие изменения экологических условий на нашей планете.

Все эти гипотезы имеют право на существование, но мощное однократное воздействие может быть лишь пусковым механизмом, а не непосредственной причиной эволюционных перемен. В биосфере, как и в любой экосистеме, все связано со всем. Достаточно небольших изменений в среде жизни, чтобы по цепочке порой с заметным усилием и ускорением начали развиваться цепные природные реакции. Например, вид никогда не исчезает один. Он “тянет за собой” порядка 10 (в среднем от 7 до 11) других видов, уходящих с ним в небытие. А на смену им, согласно правилам дублирования, приходят другие виды. То же самое происходит с экосистемами. Возникает относительно кратковременное убыстрение эволюции, воспринимаемое как эволюционная катастрофа. Фактически она подготовлена как изменениями среды, так и ходом медленного саморазвития жизни. Реализация же изменений происходит относительно быстро как бы в ускоряющем потоке эволюционных перемен. В ходе этого убыстрения снимаются противоречия между изменившимися условиями жизни и ею самою. Это явление называют правилом катастрофического толчка: природная или природно-антропогенная катастрофа есть результат саморазвития всех природных систем и всегда приводит к существенным эволюционным перестройкам, которые прогрессивны для биосферы, так как адаптируют ее системы к новым условиям среды.

Совершенно не обязательно, чтобы эти условия катастрофически отличались от ранее существующих. Изменения могут быть внешне незначительными, но достаточно постоянными. В этом случае изменяется вся система биосферы, идет смена ее элементов подобно запасным частям механизма, но с той разницей, что эти запасные части “улучшенного” качества более соответствуют новым условиям существования. Исподволь готовящиеся перемены могут происходить относительно быстро. Аналогичные явления хорошо известны для развития организма: половое созревание, например, зримо проявляется за сравнительно короткий период времени: ”ломается” голос, выявляются вторичные половые признаки и т.п. Видимо, принцип прерывности и непрерывности справедлив не только для географических закономерностей, но и для процессов развития. После бурных перемен наступает сравнительно спокойный период, обычно длящийся больший промежуток времени, чем переходный этап. Характерно это и для эволюции.

Выше было показано, что биосфера слишком сложна, чтобы можно было даже рассчитать ее структуру в многолетней динамике. То же самое следует отметить и для эволюции. Несложный подсчет показывает, что если эволюция идет методом случайных переборов вариантов, как следует из классического дарвинизма, то для нее не хватает времени существования нашей планеты. На одну особь в эволюции человека с момента возникновения организмов, например, пришлось бы не менее 10⁸⁷⁶ вариантов переборов генетического кода, что конечно же, абсолютно нереально. Еще более ярок пример возникновения ферментативного аппарата у живых организмов. Вероятность его случайного возникновения оценивается числом 1: 10⁴⁰⁰⁰⁰. В рамках всего времени существования Галактики, куда входит Солнечная система, равного 2· 10¹⁰ лет и возможного числа единовременно обитающих организмов в 10⁵², к тому же размножающихся с огромной скоростью 1 раз в 2 часа (поскольку размножаются все особи одновременно, это около 10²²⁰⁰⁰ особей в год), общее число когда бы то ни было существовавших особей можно принять равным:

10^{52 .}  2· 10^{10  .} 10²²⁰⁰⁰  2· 10²²⁰⁶²