НА ПУТИ К СИСТЕМНОМУ ПОНИМАНИЮ БИОСФЕРЫ

Учение Вернадского: жизнь, управляющая химическими процессами окружающей среды. - Глобальный "суперорганизм" Лавлока. - Вклад Тимофеева-Ресовского. - "Человек изменяет биосферу быстрее, чем ее понимает". - 80-е годы: фундаментальный прорыв российских ученых. - Благоприятные условия для жизни на Земле - счастливое совпадение или закономерность? - Две космические альтернативы земному климату. - Биота как фактор поддержания выделенных условий окружающей среды.

Подобно яблочному червю, подтачивающему изнутри облюбованный им плод, человек строит свою цивилизацию внутри биосферы и за счет частичного ее разрушения. При этом он практически только недавно приступил к изучению этой сложнейшей системы, хотя первые попытки универсального, целостного подхода к ней восходят еще к А.Гумбольдту (1799г.).

Именно Гумбольдт противопоставил мозаике независимо существующих видов, предложенной К.Линнеем, представление о взаимодействии организмов между собой и с ландшафтом и заложил основы биогеографии, где климат выступает как определяющее звено ландшафта [Заварзин, 2001].

В отличие от Гумбольдта Ч.Дарвин объяснил линнеевское множество видов историей их происхождения на основе изменчивости, наследственности и естественного отбора вследствие внутривидовой конкуренции отдельных особей, и это был колоссальный шаг вперед в понимании природы эволюционных механизмов.

Однако никто из первооткрывателей не властен распоряжаться дальнейшей судьбой своего учения. И в рамках последующего развития дарвинской теории в биологии на долгие десятилетия возобладал так называемый редукционистский подход (объяснения общего через частное на основе обобщения накопленного эмпирического материала), создавший инерцию "дробления" биоты и сфокусировавший внимание ученых на эволюционной судьбе отдельного вида и единичной особи. Возведенная в абсолют эта тенденция серьезно замедлила развитие взглядов на биосферу как на единую систему со всеми закономерностями целого. И в результате на рубеже XIX-XX веков лишь немногие умы отваживались подойти к исследованию биосферы именно с таких позиций.

Едва ли не первый из них - российский микробиолог С.Н.Виноградский, вошедший в историю науки своим открытием азотфиксирующих бактерий и бактериального хемосинтеза, то есть способности живых существ использовать другие источники энергии помимо фотосинтеза, и заложивший тем самым основы современных представлений о роли микроорганизмов в природном круговороте вещества и энергии.

Выступая в 1896 году с популярной лекцией о достижениях модной тогда бактериологии перед членами российской императорской фамилии, Виноградский впервые сформулировал представление о Земле как целостном организме, единство которого обеспечивается работой микробов-катализаторов. При этом, как справедливо замечает Г.А.Заварзин, слово "организм" было употреблено им вместо понятия "система", поскольку в те времена биологи употребляли его только в связи с линнеевской систематикой [Заварзин, 2001].

И все же начало учения о биосфере по справедливости связывается с именем В.И.Вернадского (1863-1945 гг.), выдвинувшего в своих в трудах идею о том, что управление концентрацией химических веществ в окружающей среде осуществляется самой жизнью. Организм, по Вернадскому, "составляет неразрывную часть земной коры, есть ее продолжение, часть ее химического механизма. <...> Жизнь меняет для вещества, для всех входящих и строящих его химических элементов условия их химического равновесия" [Вернадский,1987].

Следует упомянуть в этой связи и имя современника Вернадского американца А.Лотки, также стоявшего у истоков учения о биосфере. Будучи пионером в области исследований цикла биогенов, он выпустил в 1925 году книгу "Элементы физической биологии" [ Lotka, 1925], где впервые были предложены математические модели роста популяций. Это знаменовало собой не только важный шаг в проникновении точных методов в экологические исследования, но, по сути, и рождение новой науки - теоретической экологии.

Вернадский умер в год окончания Второй мировой войны, а его идеи, к сожалению, не встретили при жизни должной оценки современников. И потребовалось еще не одно десятилетие, прежде чем взгляд на биосферу как на целостную систему стал утверждаться в представлениях и умах ученых. К таковым в первую очередь надлежит отнести замечательного российского биолога Н.В.Тимофеева-Ресовского.

Прославившийся в предвоенное десятилетие работами в области радиационной генетики Тимофеев-Ресовский в последние годы жизни сосредоточился на вопросах глобальной экологии и своим пониманием целого ряда только еще вырисовывавшихся проблем во многом предвосхитил достижения нашего времени. Так, выступая в 1968 году на заседании Обнинского отделения географического общества с докладом "Биосфера и человечество", он сравнил биосферу с гигантской живой фабрикой, преобразующей энергию и вещество на поверхности планеты и формирующей равновесный состав атмосферы и растворов природных вод, а через атмосферу - и всю энергетику нашей планеты, включая климат.

"Вспомним, - говорилось в докладе, - огромную роль в круговороте влаги на земном шаре испарения воды растительностью, растительным покровом Земли. Следовательно, биосфера Земли формирует все окружение человека (выделено нами - авт.). 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" (цит. по [Тюрюканов, Федоров, 1996]).

Доклад этот в виде статьи под тем же названием был опубликован в сборнике научных трудов Обнинского отдела Географического общества, но, в силу специфики издания, был прочитан лишь немногими, а по-настоящему оценить новаторские идеи ученого сумели, быть может, единицы. В общем, выступление прошло почти незамеченным - удел многих российских первопроходцев, - как, впрочем, "не замечала" в те годы опального ученого и Академия наук СССР.

Примерно в это же время, в конце 1970-х годов, своим независимым путем пришел к идее целостной саморегулирующейся биосферы и англичанин Дж. Лавлок, чья экстравагантная, на первый взгляд, гипотеза, получила название "Гея" (жизнь) [ Loveloсk,1982].

В ней обосновывалось дерзкое по тем временам предположение о том, что гомеостаз планетарной окружающей среды поддерживается земной биотой, которая, по версии автора, напоминает глобально скоррелированный суперорганизм, регулирующий температуру и химический состав почвы, воды и воздуха в оптимальном для жизни режиме. Но объяснить механизм этого регулирования на основе известных физических и биологических законов Лавлок, к сожалению, не сумел, хотя в принципе, в самой постановке вопроса, был, в общем, прав. А обрушившаяся вскоре жесткая критика, показавшая неизбежность распада этого "суперорганизма" под влиянием случайных флуктуаций, ведущих к деградации жестко скоррелированных систем, фактически свела на нет одно из центральных положений его концепции, оставив ей место лишь в истории научной мысли.

И тут самое время еще раз вернуться к Тимофееву-Ресовскому, сумевшему еще до Лавлока наметить решение и этой проблемы, обратив внимание на ту структурную единицу, в рамках которой осуществляется процесс преобразования вещества и энергии. Это - биогеоценозы, элементарные, как он их называл, ячейки биохимической работы в биосфере.

Введенное в 1940 году В.Н.Сукачевым понятие биогеоценоза подразумевает некоторое ограниченное природное пространство (на суше это может быть небольшой участок ландшафта - например, вершина холма или дерево и почва под ним, соответствующая проекции его кроны), включающее в себя биотические и абиотические компоненты среды, объединенные обменом вещества и общим потоком энергии. И вот как оценивал в 1968 году место и роль биогеоценозов Тимофеев-Ресовский:

"...Земля наша всюду и всегда населена более или менее сложными комплексами многих видов живых организмов, сложными сообществами или, как биологи называют их, - биогеоценозами. <...> Биогеоценозы являются элементарными структурными подразделениями биосферы и в то же время - элементарной единицей биологического круговорота, т.е. протекающей в биосфере биогеохимической работы" [Тюрюканов, Федоров, 1996].

Нетрудно заметить, сколь разнится подобный подход со взглядами Лавлока. Ведь если работа по поддержанию биогеохимического круговорота осуществляется не биотой вообще, не неким цементирующим ее "суперорганизмом", а отдельными биотическими сообществами и их популяциями, то, следовательно, остается место для их конкуренции и естественного отбора, то есть для нормального, "дарвинского" эволюционного процесса. Причем "работающего" не только на уровне биологического вида, но и на более высоких уровнях организации жизни, как биогеоценозы, сообщества организмов и их популяции.

* * *

К началу 1980-х годов фокус интересов мирового научного сообщества все больше смещается с проблемы загрязнения окружающей среды к процессам разрушения естественных экосистем, которые даже экономисты начинают называть фундаментом жизни. Вместе с тем все яснее осознается необходимость изучения биосферы Земли как единой целостной системы.

К этому, впрочем, подталкивает и сама экологическая ситуация на планете. Продолжается сокращение площади естественных экосистем суши со скоростью 0,5-1% в год. Растет концентрация парниковых газов (их ежегодный прирост по отношению к общей концентрации поднялся с десятых долей процента в 1972 г. до первых процентов в 1995 г.). Ширятся масштабы уничтожения лесов, в особенности тропических (13 млн. га ежегодно), и вместе с тем неуклонно расширяется зона пустынь и засушливых земель, охвативших уже не менее 40% суши.

Впервые за всю его историю замаячила перед человечеством перспектива дефицита пресной воды (по прогнозам экспертов к 2030 году от него будут страдать двое из троих жителей планеты). А наряду с этим совсем нежеланная вода угрожает затопить целые острова и большие прибрежные территории - подъем уровня Мирового океана, равный сегодня 1-2 мм в год, по тем же прогнозам должен вырасти к 2030 году до 7 мм [Лосев и др., 1993; Арский и др., 1997; Global environment outlook..., 1999].

Человек изменяет биосферу быстрее, чем ее понимает, говорится в опубликованной в журнал "Science" статье "Воздействие человека на мировые экосистемы", принадлежащей перу виднейших американских экологов [ Vitousek et al., 1997]. И поэтому необходимо удвоить усилия в изучении биосферы как глобальной экосистемы - пока еще есть возможность взять под контроль процессы ее дестабилизации, грозящие погрести под собой и само дестабилизирующее ее человечество.

В истории научной мысли известно немало примеров, когда объективно назревшая потребность приводила к рождению теории, как бы подводящей фундамент под разрозненно существовавшие идеи и горы накопленного, но слабо связанного эмпирического материала. И в этом смысле принципиально новый подход, найденный в середине 1980-х годов группой российских экологов, позволивший связать воедино понимание биосферных процессов, роль и место в них земной биоты и того разрушительного потенциала, что несет с собой хозяйственная деятельность человека, принадлежит, на наш взгляд, к явлениям именно такого порядка.

Этот научный прорыв был осуществлен усилиями петербургского биофизика В.Г.Горшкова вместе с группой его учеников и единомышленников, а разработанная им теория получила название теории биотической регуляции окружающей среды [Горшков, 1995; английское издание: Gorshkov, 1994]. А одной из посылок, легших в основание этой теории, явилась необычайная, труднообъяснимая устойчивость биоты, продемонстрированная ею за миллиарды лет своего существования.

В самом деле, отчего за этот космический по масштабам срок, при всех геологических и климатических пертурбациях, которые претерпела наша планета, ни разу не пресеклась столь, казалось бы, уязвимая эстафета жизни - "невероятно слабый, задуваемый и колеблемый всеми ветрами вселенной неустойчивый огонек" (Л.Ительсон)? Отчего из всех катаклизмов - столкновений Земли с астероидами, похолоданий климата и оледенений, грандиозных вулканических извержений и подвижек земной коры - биота всегда в конечном счете выходила победителем? И что, вообще, удерживает жизнь на той, образно говоря, "тонкой корочке", что отделяет ее от расплавленных земных недр и вечного холода межпланетных пространств с их смертоносным космическим излучением?

Обязана ли она своим существованием лишь счастливому стечению физических условий, как то обычно принято думать, и, в частности, исключительно удачному расположению околосолнечной земной орбиты, или последнее - только фон для осуществления других, уже не случайно развертывающихся на планете процессов?

В поисках ответа на эти и подобные им вопросы Горшков пришел к выводу, что единственным объяснением устойчивости приемлемых для жизни физико-химических параметров может служить сама земная биота, формирующая необходимую для своего существования окружающую среду и поддерживающая ее в некотором оптимальном для себя интервале. И что жизнь, таким образом, есть не только следствие, но и причина комплекса благоприятных для нее внешних условий.

В самом деле, существование жизни на Земле возможно в относительно узких температурных границах, при которых вода находится в жидкой фазе. Даже несколько градусов ниже точки замерзания - уже экстремальная температура для огромного большинства видов, и только некоторая часть теплокровных из числа птиц и млекопитающих способна какое-то время (но не круглый год) ее переносить. Все же остальные либо гибнут, либо впадают в состояние анабиоза. А при температуре, близкой к кипению, жизнеспособность сохраняют лишь некоторые термофильные бактерии горячих источников. Оптимальный же для основной массы земных существ температурный интервал расположен где-то между +10 и +20 градусами Цельсия.

И, как показывают радиоизотопные исследования осадочных отложений и горных пород, именно в этом интервале удерживалась средняя приземная температура нашей планеты на протяжении последних 600 миллионов лет, опускаясь до +10RС в ледниковые периоды и поднимаясь до +20RС во время максимального потепления. А современная среднеглобальная температура в +15RС сохраняется уже много столетий с колебаниями, не превышающими десятых долей градуса.

Чем же вызвана эта поразительная температурно-климатическая устойчивость?

Прежде всего, конечно, постоянством достигающего Земли светового солнечного излучения, связанного с положением ее орбиты. При этом Землей захватывается лишь малая часть излучаемой Солнцем энергии - 10,5·106 кДж/м² в год. Но около 40% от этого количества сразу же отражается облаками, атмосферной пылью и оледенелыми или заснеженными участками земной поверхности безо всякого теплового эффекта. Еще 15% поглощаются атмосферой, в частности, ее озоновым слоем, и превращаются в тепло или расходуются на испарение воды. И только 45%, достигнув поверхности Земли, поглощается растениями либо нагревают ее верхние, "подстилающие" слои, которые, в свою очередь, начинают излучать тепло.

Это вторичное инфракрасное излучение частично уходит в космическое пространство, а частично задерживается земной атмосферой, точнее, входящими в ее состав парниковыми газами, и, возвращаясь обратно, способствует дальнейшему разогреву планеты - так называемый парниковый эффект. Причем этим эффектом Земля обязана лишь ничтожной части всей своей газовой атмосферы - это водяной пар (менее 0,3%), углекислый газ (0,03%) и все остальные парниковые газы (метан, закись азота и др.), общая концентрация которых не превышает 3·10^-4%.

Условием же поддержания теплового равновесия планеты является паритет суммарной мощности отраженного излучения (первичного, солнечного, и вторичного, инфракрасного) и мощности излучения, получаемого ею извне. При этом если сумма энергий отраженного светового и теплового излучения Земли будет меньше энергии падающего на нее солнечного света, ее поверхность начнет разогреваться, а мощность инфракрасного излучения, соответственно, расти. Но поскольку по мере повышения его температуры оно будет смещаться во все более коротковолновую область спектра, где нет парникового барьера, тепловое равновесие в конце концов окажется восстановленным, но уже на новом уровне.

Таково в самом общем виде соотношение основных абиотических факторов, влияющих на приземную температуру. Однако достаточно ли этого для поддержания ее постоянства на протяжении миллионов и даже миллиардов лет? Ведь, как свидетельствуют геологические данные, средняя приземная температура не выходила за пределы от +5RС до +50RС и в более древние геологические эпохи, то есть на протяжении всех 3,85 млрд лет, в которые прослеживается присутствие жизни на Земле.

А между тем физически такое благоприятствующее ей состояние ничем не выделено, и внешние по отношению к биосфере процессы в космосе или в земных недрах давно уже, по идее, могли бы привести земную среду к непригодному для жизни порогу устойчивости, как это хорошо видно на примере наших ближайших соседей по Солнечной системе.

Один из вариантов такого развития событий демонстрирует нам Марс с его оледеневшей и смерзшейся поверхностью и температурой близкой к -100RС. Другой - Венера, разогретая под действием парникового эффекта до +400RС с ее полностью испарившимися морями и океанами.

Именно два этих закономерных, но несовместимых с жизнью состояния и можно считать устойчивыми, то есть физически выделенными, причем не видно никаких внешних причин, которые помешали бы трансформации земных параметров в ту либо другую сторону. И, как показывают расчеты, на это могло бы потребоваться всего несколько миллионов лет. А, например, в архее Земля, по-видимому, была достаточно близка к порогу перехода к горячей и белой планете [ Gorshkov, Makaryeva, 2000].

И если ничего подобного все же не происходит, то единственным удовлетворительным тому объяснением может служить сам факт присутствия жизни на Земле - живой биоты, выполняющей роль механизма по поддержанию пригодных для себя физико-химических условий.

Используя энергию солнечного излучения, биота организует процессы преобразования и стабилизации окружающей среды на основе динамически замкнутых круговоротов веществ. И эти организованные ею потоки обеспечивают, или, во всяком случае, обеспечивали до сих пор, компенсацию всех имевших когда-либо место дестабилизирующих внешних воздействий. А сам этот механизм получил название биотической регуляции и стабилизации окружающей среды.

[к оглавлению]

Поиск по сайту: