Биогеохимические функции живого вещества в биосфере

Основой энергетической функции являются окислительно-восстанови­тельные реакции живого вещества, играющие важную роль в истории мно­гих элементов с переменной валентностью (азота, меди, селена, урана, ко­бальта, ванадия, молибдена и др.), которые при ее изменении резко меняют свое поведение в биосфере.

Исключительно важна концентрационная функция живых организмов, обеспечиваемая накоплением организмами в своих телах многих химичес­ких элементов. Концентрация химических элементов живым веществом может проявляться в двух принципиально различных формах:

• в виде морфологически оформленных минеральных образований;

• в виде органоминеральных соединений.

Наиболее наглядным примером концентрации элементов служат камен­ные и бурые угли, а также торф, образовавшиеся из остатков растений и явля­ющиеся накопителями углерода. Так, в углях по сравнению со средним в зем­ной коре (2, 3-10 " ² %) содержание углерода повышено в 1 000раз. Концентра­ционная функция живого вещества проявляется и в накоплении в биосфере кальция (например, из карбонатов и известняков сложены целые горные хребты и т.д.). Содержание урана в гуано океанского побережья Перу в 10 тыс. раз превышает его концентрацию в морской воде. Известны живые организмы (диатомовые водоросли, кремнистые губки и др.) — концентраторы кремния, деятельности которых обязаны мощные отложения этого элемента. Аканта-рии строят скелет своего организма из весьма дефицитного элемента в морс­кой воде — стронция. Еще более редкий в морской среде элемент — вана­дий — входит (до 15%) в состав крови асцидий. В Новой Зеландии обнаружен кустарник, высушенные листья которого содержат до 1 % никеля.

Концентраторами йода служат морские водоросли, фосфора — позвоноч­ные животные и железа, марганца и серы — особые бактерии. Причем физиологические особенности растений, в частности водорослей, позволяют концентрировать химические элементы при их весьма низких (менее 10 мг/л) исходных концентрациях. Для бактерий предельные концентрации хими­ческих элементов еще ниже.

Особое влияние на геохимию элементов оказывают микроорганизмы с разным видом воздействия на различные соединения. Так, если бактерии рода Thiobacillus окисляют сульфиды разнообразных металлов, переводя их в растворимое состояние, то бактерии рода Ferrobacillus способны перево­дить, например, ионы Fe²⁺ в осаждаемые ионы Fe³" ¹".

Транспортная функция обусловливает перемещение химических элемен­тов на суше снизу вверх и из океана — на континенты. Например, только питание наземных организмов морской пищей компенсирует (возвращает) на сушу соизмеримую часть тех масс химических элементов, которые реки уносят в море.

Средообразующая функция биосферы заключается в преобразовании фи­зико-химических параметров среды в результате жизнедеятельности живых организмов. Другими словами, на основе процессов фото- и хемосинтеза происходит воздействие организмов на среду. Это объясняется тем, что при жизнедеятельности растений выделяется сильный окислитель — кислород и сильный восстановитель — органические вещества.

Кроме этого, живые организмы вследствие превращения атомов и мо­лекул в положительно и отрицательно заряженные ионы, изменяют величи­ну ионизации атмо- и гидросферы (степень которой определяется отношени­ем общего числа ионов к числу нейтральных частиц).

Ионизация происходит по многим причинам (поглощение электромаг­нитного излучения — фотоионизация, нагревание тела — термическая иони­зация, воздействие электрического поля и т.д.), в том числе и под влиянием растительности, повышающей концентрацию полезных для организма че­ловека легких ионов. Например, в лесном воздухе степень ионизации кис­лорода обычно в 2-3 раза выше, чем над морем, в 5-10 раз выше, чем над лугом, и примерно в 150 раз выше, чем в воздухе жилых помещений.

Наивысшей ионизирующей способностью обладают акация белая, дуб черешчатый и красный, ель обыкновенная, лиственница сибирская, сосна обыкновенная, можжевельник и ряд других растений. Однако некоторые растения снижают количество легких ионов и повышают число тяжелых: тис ягодный, табак душистый, черемуха, гвоздика садовая, шалфей блестя­щий, магнолия, мимоза, аралия и эвкалипт.

Живое вещество оказывает определяющее влияние на состав атмосфе­ры и природных вод Земли главным образом путем выделения во внешнюю среду биогенного вещества. Так, кислая реакция вод чаще всего связана с растворением в них углекислого газа или гуминовых кислот. Процесс фото­синтеза в поверхностных частях водоемов вызывает уменьшение содержа­ния углекислого газа и увеличение рН. При «цветении» пресноводных бас­сейнов рН воды повышается водорослями и цианобактериями до значений 9-10 и больше. Процессы разложения органики происходят во всей водяной толще, а это приводит к противоположным результатам — увеличению со­держания углекислого газа в воде и к понижению рН (гниющие водоросли могут понизить рН морской воды до значения 6, 4).

В донных осадках водоемов физико-химические условия среды опреде­ляются прежде всего наличием органического вещества: при его присут­ствии — обстановка восстановительная, отсутствии — окислительная. В ча­стности, восстановительная обстановка создается в застойных условиях при разложении отмершей органики сульфатвосстанавливающими бактериями с образованием сероводорода. Данный процесс протекает там, где есть вла­га, сульфат-ионы (SO4²") и скапливается органическое вещество.

Причем организмы в процессе своей жизнедеятельности создают не­однородность (механическую или химическую) среды своего обитания. На­пример, животные, строя свои норы в грунте, сильно изменяют его свой­ства. Так, благодаря рыхлению почвы дождевыми червями объем воздуха в ней увеличивается в 2, 5 раза. Изменяют механические свойства почвы и корни высших растений (особенно древесных): они ее скрепляют и предох­раняют от эрозии. В результате смыв почвы в лесах происходит в 6 раз ме­нее интенсивно, чем в степях. Аналогичным же образом действуют грибы и нитчатые цианобактерии: они создают подобие сети, предохраняющей почву от эрозии. Так, в горных породах Таджикистана в 1 г почвы иногда со­держится свыше 100 м нитчатых цианобактерий.

Из всех представителей живого вещества Земли наиболее значимыми по своему средообразующему влиянию на биосферу являются микроорганизмы. Многие из них способны активно изменять внешнюю среду в соответствии со своими жизненными потребностями. Например, в чрезмерно кислой для мик­роорганизмов среде они выделяют нейтральные продукты, а в щелочной уси­ленно образуют кислоты. При этом важную роль играют сульфатвосстанав-ливающие и тионовые бактерии: первые превращают сульфат-ион в сероводо­род, а вторые осуществляют обратную реакцию — окисляют сероводород до серной кислоты (известно, что если сероводород не удаляется из среды, то происходит ее самоотравление). Многие газы порождены жизнью. Напри­мер, продуктом фотосинтеза зеленых растений является свободный кислород атмосферы, а продуктом дыхания всех организмов — углекислый газ.

К биохимической функции относятся такие явления, как рост, размноже­ние и перемещение живых организмов, имеющие важное геологическое зна­чение, так как приводят к быстрому распространению живых организмов — «давлению жизни».

Согласно мировоззрению В.И. Вернадского функции живого вещества в биосфере (биогеохимические функции) остаются неизменными в течение все­го геологического времени, и ни одна из них не появилась вновь. Они непре­рывно существуют одновременно. Важно осознать, что нет организма, ко­торый один мог бы исполнять все эти биогеохимические функции. Исклю­чено также и то, чтобы в ходе геологического времени происходила смена организмов, замещающих друг друга в исполнении какой-либо одной биоге­охимической функции, без изменения ее самой. Только со времени появле­ния в биосфере цивилизованного человечества один организм оказался спо­собным одновременно вызывать разнообразные химические процессы, дос­тигая этого разумом и техникой, а не физиологической работой своего орга­низма. Поэтому хотя человечество составной частью и входит в биосферу, в изучении ее эволюции мы выделяем Человека как объект, наиболее значи­тельно преобразующий среду своего существования.

Открытия, сделанные В.И. Вернадским, позволили ему поставить и ис­кать ответ на вопрос: к чему ведет столкновение не согласующихся между собой двух основных сил планеты — механизма саморегулирования и са­моразвития биосферы, с одной стороны, и стремительно прогрессирую­щего нарушения природных равновесий технически вооруженным челове­чеством, с другой.

Получив функциональное могущество, а значит, и некоторую власть над природой, человечество сразу отошло от сложившихся тысячелетиями принципов эволюции (предполагающих взаимосвязанное последовательное развитие). В результате практически любая деятельность человека оказыва­ет пока в целом негативное воздействие на биосферу. Интеллект человека стал инструментом агрессии над биосферой и при минимуме энергетичес­ких затрат обеспечил стабильное поступление продуктов потребления в че­ловеческое общество.

Экологические кризисы (под которыми понимают напряженное состоя­ние взаимоотношений между человечеством и биосферой, характеризующееся несоответствием развития производительных сил и производственных от­ношений ресурсо-экологическим возможностям) всегда сопровождали че­ловеческое общество, что объясняется несоответствием (превышением) ис­пользуемых им техники и технологий возможностям биосферы (рис. 1.9).

Первый экологический кризис был связан с совершенствованием орудий и методов охоты (рис. 1.10). Перед первобытным обществом всегда стояла задача увеличения объемов потребляемых продуктов питания, которые до­бывались охотой на крупных видов животных (древних мамонтов, слонов, бизонов, носорогов, медведей, гигантских ленивцев и др.).

Рис. 1.10. Схема, иллюстрирующая совпадение по времени исчезновения некоторых крупнейших представителей животного мира плейстоцена и заселение мест их обитания охотниками палеолита

Основные периоды пути человека, отмеченные гибелью животных (лет): 1-й — до 40 ООО лет (до современности); 2-й — от 20 ООО до 13 ООО; 3-й — от 13 ООО до 11 ООО; 4-й - от 11 ООО до 10 500; 5-й - от 10 500 до 8 000; 6-й -от 8 000 до 2 000; 7-й — от 1 000 до 400; -> — переселение человека.

Были придуманы ловушки-ямы и методы загона в них животных всем племенем. В результате такого усовершенствования техники и методов охо­ты количество добываемых животных, а следовательно, и объем пищи, воз­росли, и первобытное общество могло резко увеличить число своих членов. Но через некоторое время подобный интенсивный отлов животных привел к резкому сокращению их поголовья. Это был первый экологический кризис, обусловленный перепотреблением человеческим обществом природных ре­сурсов.

В биосфере среди живых объектов, не обладающих человеческим разу­мом, такое изменение в соотношении «хищник-жертва» описывается урав­нением Лотки-Вольтерра и приводит к последующему сокращению числен­ности хищника (рис. 1.11). Например, после дождливого лета на обильном

травяном корме резко увеличивается количество зайцев. Но и число лис, охотившихся на зайцев, за счет размножения тоже резко растет. В результа­те отлова лисами зайцев происходит уменьшение их популяции, что приво­дит к снижению численности популяции лис.

Но в человеческом обществе этого не происходит. Истребив большую часть популяции крупных диких животных, человечество изобретает новые орудия (копье, лук, силки и т.д.) и методы охоты на мелкую дичь (оленей, коз, кабанов, птиц и др.). В итоге достигается отложение кризиса перепо­требления и гибели человеческого общества (рис. 1.12).

Обилие мелкой дичи, эффективных орудий и методов охоты на нее при­водит к увеличению объемов получаемой пищи, а следовательно, и к даль-

нейшему росту численности человеческого общества. Последнее обстоятель­ство вынуждает к последующему усилению охотничьей деятельности, что обусловливает сокращение популяции уже более мелких диких животных. И вновь в результате своей деятельности человеческое общество предстает перед экологическим кризисом (исчерпанием объектов живого мира), грозя­щим ему гибелью. Но этого вновь не происходит.

Чтобы выжить, человечество придумывает новые методы увеличения объемов потребляемой пищи: на этот раз — одомашнивание диких живот­ных, пастбищное животноводство и расширение сферы собирательства ди­корастущих ягод, плодов и съедобных растений. И снова достигаются пре­одоление имеющегося экологического кризиса и рост численности челове­ческого общества. Для обеспечения пищей растущего общества увеличива­ют рост поголовья домашних животных, а это ведет к расширению террито­рий пастбищ. Для этого сводится часть прилегающих природных лесов (и одновременно уменьшаются объемы собираемой из них пищи), а также по­вышается нагрузка на имеющиеся пастбища. В результате происходит их деградация и опустынивание (по такому сценарию могло происходить опус­тынивание территории нынешней Сахары). И опять человечество предстает перед грозящей ему экологической катастрофой.

Кардинальное решение проблемы обеспечения продовольствием человечество находит в переходе к агрокультурным технологиям, т.е. в про­ведении сельскохозяйственных работ. Это отодвигает глобальный экологи­ческий кризис перепотребления природных ресурсов до нашего времени, хотя региональные катастрофы возникали периодически. Например, применение поливных технологий в древности с первоначальным расцветом шумерской, ассирийской, вавилонской и других империй Двуречья привело к засолению сельскохозяйственных территорий и снижению их урожайности. Сведение лесов для увеличения сельскохозяйственных площадей, одновременно с их опустыниванием, уже стало влиять на региональный климат планеты.

Темпы общемировых потерь живого вещества в ходе современной хо­зяйственной деятельности человечества оцениваются (млрд т/год):

• сведение лесов — 4, 4;

• избыточная пастьба — 0, 7;

• почвенная эрозия — 0, 45;

• окисление гумуса на возделываемых землях — 0, 3;

• дефляция аридных земель — 0, 06.

Суммарно потери составляют более 5-6 млрд т/год. По своей численно­сти человечество превышает сравнимые по размерам и питанию животных на пять порядков. Только домашние животные, живущие около человека, не ограничены в своей численности. В настоящее время наряду с имевшимися экологическими кризисами перепотребления в биосфере (когда еже­дневно на Земле исчезает один вид биоты) появился и новый — катастрофи­ческое геохимическое загрязнение планеты.

Никита Николаевич Моисеев (1917-2000)

Современное видение этой грандиозной коллизии, разворачивающейся в среде нашего обитания, позволило академику Н.Н. Моисееву наметить гло­бальные пути целенаправленной и совместной эволюции биосферы и чело­вечества, получившей название коэволюции. По теории коэволюции, несов­падение скоростей природного эволюционного процесса и социально-эконо­мического развития человечества при неуправляемой форме взаимоотноше­ний приводит к деградации биосферы, поскольку антропогенный фактор ока­зывается слишком мощным в направленности эволюции, обусловливающим не столько изменение видов, сколько их исчезновение. Эволюция природы идет медленно (тысячелетиями), а социальное развитие человечества проис­ходит гораздо быстрее (веками и даже десятилетиями). Выход заключается в регулируемом, сознательно ограниченном воздействии человечества на природу, в целенаправленном построении ноосферы. При этом общество, развиваясь по специфическим законам, должно лимитировать свой экстен­сивный рост и техногенное давление с учетом обеспечения условно-есте­ственного хода эволюции биосферы.

В этой связи важно использование понятия баланса экологических ком­понентов— количественное сочетание экологических компонентов (энер­гии, газов, воды, субстратов, растений-продуцентов, животных-консумен-тов и организмов-редуцентов), обеспечивающих экологическое (естествен­ное, природное) равновесие, что позволяет формироваться и поддерживать­ся экосистеме соответствующего типа. Например, для роста леса необходи­мы определенные климатические условия, состав атмосферы, водный ре­жим, почвы, животный мир и состав микроорганизмов, возвращающих об­разовавшееся органическое вещество в минеральное состояние. Но все эти компоненты, составляющие для леса среду жизни, тесно связаны с произра­стающим лесом, качественные и количественные характеристики которого в значительной степени определяют местные климатические условия, со­став атмосферы, водный режим, характер почв, животный мир и состав мик­роорганизмов. Изменение любого из компонентов (например, при антропо­генном воздействии) ведет к перемене их баланса.

Контрольные вопросы к разделу 1

1. Объясните смысл понятия «живое вещество» планеты.

2. Дайте определение понятия «биосфера».

3. Перечислите и раскройте основные биогеохимические функции живого вещества.

4. Сформулируйте главный закон развития человечества и биосферы.

5. Раскройте механизм кризиса перепотребления природных ресурсов.

6. Объясните сущность коэволюции человечества и биосферы.

7. Перечислите основные эры формирования биосферы.

8. Расклассифицируйте факторы воздействия окружающей среды на жи­вое вещество.

9. Какое влияние оказывает человек на живое вещество нашей планеты?

10. Перечислите главные оболочки Земли, основные их составляющие и па­раметры.

11. Что такое биокосное вещество?

12. Раскройте механизм концентрации металлов в почвах.

13. Перечислите объекты в биосфере, служащие аккумуляторами солнеч­ной энергии, и опишите механизм ее аккумуляции.

14. Охарактеризуйте взаимосвязь между климатической зональностью и почвами, корами выветривания и илами.

15. Охарактеризуйте состав биосферы.