Биологическая регуляция геохимической среды

Биологическая регуляция геохимической среды

Эволюция биосферы свидетельствует, что при любом воздействии  на биосферу - природном или антропогенном - ее гомеостаз обеспечивается за счет сохранения биологического разнообразия. Отсюда очевидно, что экологические  условия есть продукт взаимодействия биоты и окружающей среды, и лишь правильная оценка этого взаимодействия позволяет разработать достоверные  методологические подходы к сохранению или даже к улучшению экологической  обстановки в случае ее нарушения  на всех экосистемных уровнях, вплоть до глобального.

Согласно первой концепции - традиционной - окружающая среда пригодна для  жизни в силу уникальных условий  на поверхности Земли, а естественная биота приспосабливается к любой  окружающей среде благодаря главному свойству жизни - способности к эволюции и непрерывной адаптации к  меняющимся условиям среды. При этом любые виды организмов, способные  адаптироваться к окружаюшей среде  и производить наибольшее количество потомков, могут составлять земную биоту.

Согласно традиционной концепции  изменение окружающей среды под  воздействием человека - это определенный этап естественного эволюционного  процесса - превращения биосферы в  новую глобальную биосистему, а природное  биоразнообразие - генетический ресурс человека, который следует сохранять  лишь в заповедниках, зоопарках и  генных банках. При этом безостановочный  экономический рост возможен лишь за счет непрерывного расширения использования  ресурсов биосферы.

Во второй концепции основная роль отводится биотической регуляции  окружающей среды. Биота Земли рассматривается  как единственный механизм пригодных  для жизни условий окружающей среды в локальных и глобальных масштабах. В случае прекращения  регулирующего воздействия биоты  физически неустойчивая окружающая среда быстро перейдет (примерно за 10 тыс. лет) в устойчивое состояние, как на Марсе или Венере, где  жизнь невозможна.

В этой концепции главным свойством  жизни считается способность  видов к поддержанию тех условий  окружающей среды, которые пригодны для существования биоты на любом  экосистемном уровне, а не способность  к непрерывной адаптации к  изменяющимся условиям среды. Биотическая  регуляция окружающей среды возможна в результате скореллированного  взаимодействия между организмами  и средой, которая подобна скореллированности клеток и органов внутри многоклеточного  организма. Работу по обеспечению поддержания  окружающей среды выполняют виды с оптимальной, а не с максимальной численностью. Именно они образуют сообщества и составляют земную биоту, обеспечивая стационарность численности  особей, регулярность популяционных  колебаний видов и предотвращают  популяционные взрывы, разрушающие  сообщества. Переход любого вида к  максимальному количеству потомков, относится к генетическому отклонению от нормы, и они немедленно вытесняются  из популяции. Механизм отбора в этом случае - конкурентное взаимодействие однородных сообществ.

При переходе окружающей среды в  новое состояние (например, изменение  восстановительной атмосферы на окислительную) обязательно происходит существенная перестройка биоты. Но перестройка осуществляется без  потери биотой способности предотвращать  переход среды в состояние, непригодное  для существования любой биоты. Это связано с тем, что существует несколько условий окружающей среды, пригодных для жизни, а эволюционирующая биота способна перебирать все приемлемые для жизни условия.

Жизнь на Земле существует около 4 млрд. лет, причем альтернативность вышеописанных  концепций сохраняется на протяжении всего этого периода. Но за этот период изменился диапазон условий, пригодных  для жизни, от локальных до глобальных масштабов. Это значит, что жизнь  все это время изменяла окружающую среду в благоприятном для  себя направлении, т. е. биотическая  регуляция среды имела место  с самого момента возникновения  жизни.

Существование биотической регуляции  окружающей среды доказывается рядом  факторов, важнейшими из которых являются следующие.

1. Выбросы неорганического углерода  из земных недр в атмосферу  с огромной точностью соответствуют  содержанию органического углерода  в осадочных породах, что обеспечивает  практически постоянное содержание  неорганического углерода в атмосфере  в течение сотен миллионов  лет.

2. Концентрация биогенных элементов  (C, N, P, O2) в океане сформирована  и поддерживается биотой, о чем  свидетельствует отношение C/N/P/O2, совпадающее с таковым при  синтезе органического вещества.

3. Круговорот воды на суше  также определяется биотой, так  как 2/3 осадков связано с испарением  воды на суше, в котором доминирующая  роль принадлежит биоте.

4. Незатронутая деятельностью человека  биота океана поглощает избыток  диоксида углерода, выбрасываемого  в атмосферу человеком, т. е.  действует в соответствии с  отрицательными обратными связями,  в то время как измененная  человеком биота суши утратила  эту способность.

5. Биотой океана поддерживается  концентрация диоксида углерода  в океане в три раза меньше, чем если бы ее воздействие  отсутствовало, так как потеря  органического углерода океаном  в атмосферу компенсируется поступлением  в океан органического углерода.

Биотическая регуляция исключает  адаптацию, и наоборот. Адаптационные  процессы связываются со способностью выживания организмов в определенных условиях, а если условия не меняются - нет и адаптации. При отсутствии адаптации биоты к искаженным условиям среды, разрушение биотической  регуляции обратимо. После прекращения  антропогенного возмущения происходит восстановление аборигенных сообществ, содержащих правильную информацию о нормальных условиях среды и способах их регуляции путем уже описанных выше сукцессионных процессов.

Таким образом, биотическая регуляция  окружающей среды - это механизм управления окружающей средой, основанный на отобранных в процессе эволюции видах, содержащих необходимую для управления средой генетическую информацию. Возможность  выживания человечества состоит  в восстановлении естественной биоты  на территориях, достаточных для  сохранения ее способности к регуляции  окружающей среды в глобальных масштабах. Главной экологической задачей  человечества должно считаться сохранение и восстановление естественной биоты  суши на Земле, которое должно сопровождаться полным прекращением дальнейшего освоения естественной биоты океана.

Человек, став мощным геологическим  фактором, оказывает глобальное воздействие  на биосферу. Биосфера, со своей стороны, через свои экологические законы, которые он вынужден соблюдать, чтобы  выжить, в том числе и закон  биотической регуляции окружающей среды, воздействует на человека. Создаются  условия, очень напоминающие сопряженную  эволюцию, или коэволюцию в системе  «человек - биосфера». Продуктом такой  коэволюции может стать так называемая «ноосфера», т. е. сфера разума.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Круговорот  углерода

Круговорот углерода, циркуляция углерода в биосфере - представляет собою сложную цепь событий. Наиболее важными звеньями ее являются усвоение углекислого газа из воздуха зелеными растениями в процессе фотосинтеза и возвращение углекислого газа в атмосферу при дыхании, а также при разложении тел животных, питающихся растениями.

 
Вся земная жизнь основана на углероде. Каждая молекула живого организма построена  на основе углеродного скелета. Атомы  углерода постоянно мигрируют из одной части биосферы (узкой оболочки Земли, где существует жизнь) в другую. На примере круговорота углерода в природе можно проследить в динамике картину жизни на нашей планете.Основные запасы углерода на Земле находятся в виде содержащегося в атмосфере и растворенного в Мировом океане диоксида углерода, то есть углекислого газа (CO₂). Рассмотрим сначала молекулы углекислого газа, находящиеся в атмосфере. Растения поглощают эти молекулы, затем в процессе фотосинтеза атом углерода превращается в разнообразные органические соединения и таким образом включается в структуру растений. Далее возможно несколько вариантов:

- Углерод может оставаться в растениях, пока растения не погибнут. Тогда их молекулы пойдут в пищуредуцентам (организмам, которые питаются мертвым органическим веществом и при этом разрушают его до простых неорганических соединений), таким как грибы и термиты. В конце концов углерод вернется в атмосферу в качестве CO₂;

- Растения могут быть съедены травоядными животными. В этом случае углерод либо вернется в атмосферу (в процессе дыхания животных и при их разложении после смерти), либо травоядные животные будут съедены плотоядными (и тогда углерод опять же вернется в атмосферу теми же путями);

- Растения могут погибнуть и оказаться под землей. Тогда в конечном итоге они превратятся в ископаемое топливо — например, в уголь.

В случае же растворения исходной молекулы CO₂ в морской воде также возможно несколько вариантов:

- Углекислый газ может просто вернуться в атмосферу (этот вид взаимного газообмена между Мировым океаном и атмосферой происходит постоянно);

- Углерод может войти в ткани морских растений или животных. Тогда он будет постепенно накапливаться в виде отложений на дне Мирового океана и в конце концов превратится в известняк или из отложений вновь перейдет в морскую воду.

Если углерод вошел в состав осадочных отложений или ископаемого  топлива, он изымается из атмосферы. На протяжении существования Земли  изъятый таким образом углерод  замещался углекислым газом, попадавшим в атмосферу при вулканических извержениях и других геотермальных процессах. В современных условиях к этим природным факторам добавляются также выбросы при сжигании человеком ископаемого топлива. В связи с влиянием CO₂ на парниковый эффект исследование круговорота углерода стало важной задачей для ученых, занимающихся изучением атмосферы.

Составной частью этих поисков является установление количества CO₂, находящегося в тканях растений (например, в только что посаженном лесу) — ученые называют это стоком углерода. Поскольку правительства разных стран пытаются достичь международного соглашения по ограничению выбросов CO₂, вопрос сбалансированного соотношения стоков и выбросов углерода в отдельных государствах стал главным яблоком раздора для промышленных стран. Однако ученые сомневаются, что накопление углекислого газа в атмосфере можно остановить одними лесопосадками.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Изменения в экосистеме,протекающие  в процессе ее развития

Экосистемой называют совокупность продуцентов, консументов  и детритофагов, взаимодействующих  друг с другом и с окружающей их средой посредством обмена веществом, энергией и информацией таким  образом, что эта единая система  сохраняет устойчивость в течение  продолжительного времени.

Тенденции изменения  основных характеристик экосистем

Биоэнергетика развития экосистемы.

Аутогенная сукцессия при заселении  новых территорий (возникших в  результате извержения вулканов, строительства  новых водохранилищ) обычно начинается с несбалансированного сообщества. Метаболизм в таком сообществе характеризуется  тем, что валовая продукция (P) либо больше, либо меньше дыхания (R), в зависимости от того: является ли сукцессия автотрофной (P > R) или гетеротрофной (P < R); и процесс направлен в сторону более сбалансированного состояния, когда P = R. Иными словами, в зрелой, или климаксной, экосистеме наблюдается тенденция к равновесию между связанной энергией и энергией, затрачиваемой на поддержание биомассы (то есть суммарным дыханием сообщества). Таким образом, отношение P/R является функциональным показателем относительной зрелости экосистемы. 
Пока P больше R, в системе будут накапливаться органическое вещество и биомасса (B), в результате чего отношение B/P будет увеличиваться. Отношение биомассы к продукции возрастает в течение сукцессии до тех пор, пока не произойдет стабилизация экосистемы, в которой на единицу доступного потока энергии будет приходиться максимум биомассы и симбиотических связей между организмами (или высокое содержание информации). Итак, B/P → max в климаксных системах. Как следствие этого, чистая продукция сообщества велика на ранних стадиях и мала в зрелой системе.

 
Круговорот  биогенных элементов.

 Важной тенденции в развитии  сукцессии являются увеличение времени оборота и повышение способности к сохранению и регенерации веществ. Все это приводит к замыканию или «уплотнению» биогеохимических циклов основных биогенных элементов, таких, как азот, фосфор и кальций. 
Индекс возобновления (CI), равный отношению регенерированной части (то есть используемой неоднократно) на входе к выходу, устойчиво возрастает по мере созревания системы. Биогены удерживаются более долгое время и используются повторно, при этом необходимость их притока уменьшается. Таким образом, в процессе развития экосистемы возрастает запас и степень возобновления биогенных элементов, в результате необходимый уровень поступления этих элементов на вход для поддержания единицы биомассы снижается. 
 
В ходе сукцессии происходит смена источника азота с нитрата на аммоний. При переходе с нитрата на аммоний уменьшается количество энергии, расходуемое на регенерацию азота, и возрастает, следовательно, эффективность использования энергии. 
 
Изменение видовой структуры экосистемы.

Характерная черта большинства  сукцессионных серий – это  более или менее непрерывная смена видового состава экосистемы во времени, называемая часто «флористической» и «фаунистической» эстафетой. 
На вырубке или заброшенной пашне в определенной последовательности появляются сначала травянистые растения, далее – в результате налета семян – всходы деревьев и кустарников, причем обычно сначала развиваются светолюбивые и относительно быстрорастущие лиственные породы, и лишь по прошествии определенного времени под пологом лиственных начинают расти хвойные. Пример такой сукцессии – смена березы елью, ели – сосною, осины – дубом и т.п. 
Наиболее резко меняется видовой состав сообщества при смене доминирующих жизненных форм растений (травы – кустарники – сосны – лиственные породы). Не один вид растений или животных не может процветать на протяжении всей сукцессии. Максимумы разных видов приходятся на разные точки временной шкалы. 
 
При сукцессии изменяется качественный состав видов. На ранних стадиях сукцессии, когда плотность населения мала, преобладает r-отбор, то есть успешно вселяются виды с высокой скоростью размножения и роста, так называемые r-стратеги, для которых характерен экспоненциальный рост их численности. При равновесной плотности, характерной для поздних стадий сукцессии, давление отбора благоприятствует К-стратегам, то есть видам с низким потенциалом роста, но более высокой способностью к выживанию в условиях конкуренции, и r-стратеги в широких масштабах замещаются К-стратегами. 
Происходящий при сукцессии переход от количества продукции к качеству сопровождается генетическими изменениями, охватывающими всю биоту, которые проявляются в увеличении размеров организмов и в усложнении и удлинении их жизненных циклов. Мелкие организмы обладают селективным преимуществом в среде, богатой биогенами и компонентами минерального питания. Однако по мере развития экосистемы неорганические биогенные элементы оказываются все более и более связанными в биомассе, так что селективное преимущество переходит к более крупным организмам, способность к запасанию веществ у которых выше и жизненные циклы сложней. Благодаря этим свойствам они адаптированы к использованию сезонных или периодических поступлений биогенов или других ресурсов. 
 
По мере развития сукцессии возрастает видовое богатство сообщества как компонент разнообразия и возрастает выравненность как компонент разнообразия. Характер изменения видового разнообразия – непрерывный рост или прохождение пика в промежуточной стадии – зависит от соотношения двух процессов, а именно от возрастания числа потенциальных ниш в результате увеличения биомассы, стратифицированности и других последствий биологической организации, и от противоположных эффектов увеличения размеров организмов и конкурентного исключения среди хорошо адаптированных долго живущих доминантов, которые снижают видовое разнообразие. 
 
Возрастание стабильности систем.