Современное состояние биосферы и экологическая политика - Ю. Колесник

7.2. Большой и малый круговороты веществ в биосфере

Круговоротом веществ на Земле называются повторяющиеся процессы превращения и перемещения веществ в природе, имеющие более или менее выраженный циклический характер.

Поступление солнечной энергии привело к тому, что на Земле сформировались два круговорота веществ: большой (биосферный) и малый (внутриэкосистемный).

Первый круговорот имеет планетарный характер, а второй реализуется на биогеоценотическом уровне. Оба круговорота взаимосвязаны и представляют собой как бы единый процесс. Фактически, малый (биологический) круговорот веществ базируется на фоне большого – геологического. Суть биологического круговорота – создание и разрушение органического вещества. Химические элементы, в том числе все основные элементы протоплазмы, обычно циркулируют в биосфере по характерным путям из внешней среды в организмы и опять во внешнюю среду. Эти замкнутые пути называют биогеохимическими циклами. Движение необходимых для жизни элементов и неорганических соединений можно назвать круговоротом элементов питания.

Если иметь в виду биосферу в целом, то биогеохимические циклы можно подразделить на два основных типа:

1) круговорот газообразных веществ с резервным фондом в атмосфере и гидросфере;

2) осадочные циклы с резервным фондом в земной коре.

Резервный фонд – это большие массы медленно движущихся веществ в основном небиологического состава. Разделение био-геохимических циклов на круговороты газообразных веществ и осадочные циклы основано на том, что некоторые круговороты, например те, в которых участвуют углерод, азот, кислород и водород, благодаря наличию крупных атмосферных или океанических фондов довольно быстро восполняют их дефицит в других системах и компенсируют различные нарушения. Например, избыток СО2, накопившийся в каком-либо месте в связи с усилением окислительных процессов или горением ждет следующая «судьба»: он быстро рассеивается воздушными массами, активно используется растениями и поглощается океаном.

Круговороты газообразных веществ с их большим атмосферным фондом можно считать в глобальном масштабе хорошо забуференными, поскольку их способность приспосабливаться к изменениям велика. Но способность к саморегуляции при таком большом резервном фонде, каким является атмосфера, имеет свои пределы.

Осадочные циклы, в которых участвуют железо, фосфор и другие вещества, обычно гораздо менее подвержены самоконтролю и легче нарушаются в результате каких-либо местных преобразований. Это обусловлено малоподвижностью и малой активностью земной коры, в которой находятся эти вещества.

Важнейшей характеристикой круговорота служат его емкость и скорость. Если понимать под скоростью данного процесса величину продукции, т. е. скорость живого вещества, образующегося в единицу времени, то с геохимической точки зрения такое представление не является полным и достаточным.

По мнению А. Н. Тюрюканова, «„мерой биогеохимической активности организма следует считать массу химических элементов, перемещаемую им в биогеоценозе или биосфере за единицу времени. Следовательно, скорость круговорота элемента нужно определять временем, затрачиваемым организмами в биогеоценозе на биогенный перенос такого количества элемента, которое равно его содержанию в этих организмах в данное время» (1990, с. 45).

Принято (в наземных экосистемах) оценивать интенсивность биологического круговорота величиной, равной отношению массы подстилки к той части опада, которая формирует подстилку (Ковда, 1971, с. 7–52). Чем выше этот показатель, тем меньше интенсивность биологического круговорота в данной экосистеме[1].

Проведенные учеными оценки показали следующие результаты:

Заболоченные леса, кустарниковые тундры – индекс равен, в первом случае более 50, а втором – 20–50. Эти сообщества по критерию круговорота классифицируются как застойные;

Темнохвойные таежные леса, широколиственные – соответственно, 1017 и 3–4. Здесь круговороты сильно заторможены и задерживаются; Степи – индекс 1–1,5; субтропические леса – 0,7; влажные тропические леса – 0,1. Интенсивность круговорота, соответственно, активная, интенсивная и весьма интенсивная.

Значение для биосферы биогеохимических круговоротов веществ выявило ряд важных закономерностей, не полностью согласующихся с теорией Ч. Дарвина. Речь идет не о решающей роли естественного отбора в происхождении видов растений и животных. Общеизвестно, что в основе этой теории лежит принцип отбора организмов по признаку их приспособленности к среде. Учение о биосфере выдвигает новый – геохимический критерий отбора.

«В процессе эволюции органического мира происходит отбор организмов, способных внести наиболее весомый вклад в расширение емкости и увеличение скорости биогеохимического круговорота в биосфере» (Тюрюканов, 1990, с. 46).

Концепция, выдвинутая В. И. Вернадским, по своей значимости сопоставима с теорией Ч. Дарвина. Здесь справедливо следующее:

«Геохимическая функция живого базируется на двух взаимосвязанных противоположных процессах – поглощения и выделения веществ. В учении о биосфере, характеризуя активность живого вещества, Вернадский говорил о “давлении жизни”, о “всюдности жизни”, о “растекании живого вещества по планете”. Он не употребил антропоцентристское понятие “борьба за существование”, к которому прибегнул Дарвин» (Тюрюканов, 1990, с. 47).

Действительно, борьба за пищу, за источник питательных веществ – лишь один из моментов жизнедеятельности живого вещества, связанного с его способностью к поглощению. Другая, не менее важная функция живого, – выделительная. Это все так, ибо без этой функции невозможно было бы существование цепей разложения, минерализующих органическое вещество, содержащееся в продуктах выделения тех или иных организмов. Эти организмы заняты одной единственной стратегией – извлечь остатки энергии из неусвоенной пищи вышестоящих трофических уровней. Но в силу законов термодинамики (см. формулы 8 и 11) природа не создала новых способов извлечения энергии, подобных фотосинтезу и переизлучению его результатов другим трофическим уровням. Ядерная энергетика, процессы аннигиляции и другие ее варианты воспроизводства не в счет – т. к. к процессам жизни они не имеют прямого отношения.

Таким образом, ввиду колоссальной потери энергии на каждой ступени пищевой пирамиды она редко состоит более чем из пяти трофических уровней. Это запрет природы. Однако нельзя оставить без внимания и тот факт, что потоки вещества через живые системы являются необходимым и достаточным условием их существования.

Выдвинутые В. И. Вернадским два принципа роли биогеохимических функций являются основополагающими. Это касается той роли, которую играют на каждом трофическом уровне организмы.

Первый принцип состоит в следующем: биогенная миграция химических элементов в биосфере стремится к максимальному своему проявлению. «Всюдность жизни» – яркое подтверждение этому.

Второй принцип – эволюция видов, приводящая к созданию форм жизни, устойчивых в биосфере, должна сопровождаться усилением биогенной миграции атомов в биосфере.

Нам видится, что в этих принципах имеется один пробел. Дело в том, что миграция атомов через биосистемы является следствием, а не основой существования живого вещества. Следовательно, на каждом этапе видообразования видовых популяций, в первую очередь, ставился вопрос о энергообеспеченности их существования. Если бы этого не произошло, то их ожидала бы судьба многих вымерших представителей биоты.

Мы знаем ту роль, которую сыграло в изменении мировоззренческого осмысления бытия природы понятие «скорость». Если брать во внимание законы Ньютона, то эта величина определяется просто – путь, пройденный телом, необходимо разделить на время. Если объект движется с околосветовой скоростью, то в этом случае необходимо вносить поправки в соответствии с теорией Эйнштейна. Это законы физики – праматери всех наук. А живое вещество? Что здесь является скоростью, а что статичной величиной? По-видимому, для ответа на эти вопросы необходимо руководствоваться следующими положениями:

1) выясним размерность тех величин, которые используются в продукционных исследованиях;

2) результаты физических (и биологических) явлений, с которыми мы встречаемся в повседневной жизни и в научных исследованиях, измеряются в определенных единицах.

Речь идет о размерности природных величин. Например, если в уравнении левая часть некоторого равенства имеет размерность «метр», а правая – «м/с», то можно утверждать, что это равенство неверно. Каждая физическая величина размерности имеет свое обозначение. Например, размерность объема равна L3, скорости – LT-1, ускорения – LT-2 и т. д.