Биосферные риски - Владимир Живетин

Жизнь функционирует в пределах «квантов» биосферы, которые в 1935 году английский ученый Артур Дж. Тенсли назвал экосистемами. Размеры экосистемы колеблются в широком диапазоне: «от точки до оболочки». Глобальный геохимический круговорот веществ в биосфере не является замкнутым. Система воспроизводства отдельных циклов достигает 90÷98 %. В масштабах геологического времени неполная замкнутость биогеохимических циклов приводит к дифференциации элементов и накоплению их в атмосфере, гидросфере или метабиосфере Земли. Эти несколько процентов вещества, исключаемые из круговорота, составляют «выход в геологию». Жизнь на планете возможна, пока происходит обмен энергией и веществом между недрами и поверхностью. Приведем основные параметры динамики биосферы Земли:

– обновление биоэнергии осуществляется в среднем за 8 лет;

– вещество наземных растений (фитомасса суши) обновляется примерно за 14 лет;

– масса живого вещества в океане обновляется за 33 дня, а фитомасса – каждый день.

Рассмотрим другие свойства живого вещества.

Живое вещество биосферы характеризуется огромной свободной энергией (в термодинамическом смысле), в неживой природе с ним сравнимы лавовые потоки, но они недолговечны.

В живом веществе химические реакции идут в 100–1000 раз быстрее (за счет ферментов), чем в обычных земных условиях.

Слагающие живое вещество химические соединения (белки, ферменты и др.) устойчивы только в живых организмах.

Саморегулируемое произвольное движение – общий признак живого вещества, пассивное движение – это рост организмов, а активное – направленное перемещение (более характерно для животных). Стремление к максимальной экспансии присуще живому веществу так же, как свойственно теплоте переходить от горячего состояния к холодному. Например, если бы все споры гигантского гриба-дождевика (7,5 млрд. спор) пошли в дело, то уже во втором поколении объем дождевиков в 800 раз превысил бы размеры Земли.

Живое вещество имеет значительно большее морфологическое разнообразие, чем неживое. Известно более 2 млн. органических соединений, входящих в состав живого вещества. Природные соединения (минералы) неживого вещества составляют всего 2 тыс. видов. Кроме того, тела живого вещества всегда построены из веществ, находящихся во всех трех фазовых состояниях. Однако при всем многообразии состава живого вещества наблюдается биохимическое единство органического мира. Все живые организмы построены в основном из белков, содержащих одни и те же аминокислоты, осуществляют передачу наследственной информации по одному и тому же пути (ДНК, РНК → белок) и используют один и тот же генетический код. Человек не так уж сильно отличается от травы, растущей у него под ногами.

Живое вещество находится в биосфере в виде дисперсных тел – индивидуальных организмов, размеры которых представлены в большом диапазоне: от 20 нм до 100 м (1 нм = 10–9 м).

Живое вещество всегда представлено биоценозами (экосистемами).

Живое вещество подчиняется принципу Реди: «все живое от живого». При этом современное живое вещество генетически связано с живым веществом прошлых геологических эпох.

Воспроизводство живого вещества происходит путем его морфологических и биохимических изменений.

Жизнь в биосфере существует во внеклеточной и клеточной формах.

Внеклеточные организмы – вирусы (это понятие ввел Дм. Ивановский, 1892 г.) – лишены раздражимости и собственного аппарата синтеза белка, т. е. могут развиваться только в клетках других организмов. Вирус не питается в обычном смысле и не растет. Он вызывает такие болезни, как, например, грипп, корь, свинка, оспа, бешенство, гепатит, энцефалит и т. п., что уменьшает область допустимых состояний Ωдоп живого вещества. Вирус способствует естественному отбору наиболее приспособленных организмов.

Клеточные организмы делятся на прокариотов и эукариотов. Прокариоты (бактерии) не имеют клеточного ядра, у них отсутствует дифференциация соматического (телесного) и репродуктивного живого вещества. Основная роль бактерий – разложение органики и возвращение слагающих элементов в биологический круговорот.

Отметим, что жизнеспособные бактерии были найдены на Луне, куда их занесли с Земли космические аппараты. Один из видов – цианобактерии – экологический феномен, их находят даже в ядерных реакторах. Они являются фотоавтотрофами и, подобно растениям, выделяют кислород. Предположительно именно они создали кислородную атмосферу в докембрии (600 млн. лет назад), появившись еще 3,5 млрд. лет назад (архейская эра). Эти бактерии подготавливают бесплодный субстант для заселения разнообразным живым веществом, например, ногохвостками. Таким образом, самые примитивные на Земле организмы, прокариоты, обнаруживают удивительную приспособленность к невероятным условиям существования. Их значение состоит в следующем: из фиксируемого организмами, полученного естественным путем азота, около 90% – «заслуга» прокариотов и 10 % – результат воздействия молний.

Эукариоты морфологически очень разнообразны: от микроскопических грибов до человека. Клетка эукариота возникла от симбиотического слияния клеток различных прокариотов.

Основным создателем живого вещества является океан. Примерно 80 % массы живого вещества приходится на долю мелких фотосинтезирующих организмов – пикопланктона, вклад которых возрастает с глубиной. Другая жизнеспособная пленка в океане существует на дне океана. Это донная пленка – бентос. К бентосу относится 157 тысяч из 160 тысяч видов морских животных: бактерии, простейшие и многоклеточные живые организмы. На дне копится все, что не успели съесть раньше. Сгущение живого вещества наблюдается в прибрежной зоне, где сходятся планктонная и донная пленки жизни.

Способствуют сгущению живого вещества и тропические леса. Причем биомасса почвенных животных в 4 раза выше, чем биомасса наземных обитателей. Основу почвенной зоомассы составляют дождевые черви. Они пропускают через себя весь почвенный пласт толщиной 1 м за 200 лет. Их биомасса в 10 раз больше человеческой.

По абсолютному количеству биомассы суша во много раз превосходит океан, однако накопление биогенного вещества на континентах не происходит. Высшие растения предпочитают строить свой каркас из лигнина, а не из карбоната кальция, как морские организмы. В результате после отмирания растений их остатки обычно полностью разлагаются.

Все живые организмы существуют только в форме популяций, т. е. совокупности особей одного вида, населяющих определенное пространство, внутри которого осуществляется та или иная степень обмена генетической информацией (панмиксия). Каждая популяция имеет определенные свойства: соотношение особей разного возраста, соотношение полов, размещение в виде колоний, семей, стай, численность и амплитуда ее колебаний. Свойства (структура) популяций определяются экологической нишей данного вида, соответствием условий места обитания (биотопа).

Между живой и неживой природой существует тесная энергетическая связь. Любой живой организм зависит от параметров окружающей среды, химического состава пищи. С другой стороны, например, атмосферный кислород, почва, минеральные ископаемые имеют биогенное происхождение. При этом живая природа формирует неживую, которая определяет ее жизнь.

Это свойство вещества обусловлено его движением по замкнутому кругу. Солнечная энергия трансформируется в другие виды энергии и запасается в виде энергии химических связей. Выделяют большой круговорот вещества и энергии (геологический) и малый (биологический), который непосредственно влияет на человека. Биологический круговорот заключается в непрерывном обмене веществом и энергией между организмом и средой в процессах возникновения и разрушения организмов (рождения и смерти). Элементарной структурной единицей биосферы считается биогеоценоз (экосистема) – совокупность живых организмов и косных компонентов (слой атмосферы, солнечная энергия, почва и др.) в их динамическом взаимодействии (обмен веществом и энергией).

Особо отметим энергетические потоки. Сегодня дополнительная энергия (помимо той, которая создается солнечной радиацией), возникающая по воле человека, составляет 10 млрд. кВт. Это столько же, сколько несет тепловой поток из недр Земли, хотя и существенно меньше потока солнечной энергии, устремленной к Земле, равной 1,23×105 млрд. кВт. Чтобы не причинять вред биосфере, величина дополнительной энергии не должна превышать 0,1 % от солнечной [26], т. е. не должна быть больше 123 млрд. кВт, значит, Едоп ≤ 123 млрд. кВт. При существующих темпах производства и потребления энергии в мире верхний предел Едоп земной энергетики, обусловленной температурой земной поверхности, прогнозируется достигнуть через 200 лет.