Биосфера и ее организованность. Экологические основы рационального использования биологических ресурсов

1. Биосфера и ее организованность

Живые организмы обогащают окружающую среду кислородом, регулируют количество углекислого газа, солей различных металлов и целого ряда других соединений — словом, поддерживают необходимый для жизни состав атмосферы, гидросферы и почвы. Во многом благодаря живым организмам биосфера обладает свойством саморегуляции — способностью к поддержанию на планете условий, созданных Творцом.

Огромная средообразующая роль живых организмов позволила ученым выдвинуть гипотезу о том, что атмосферный воздух и почва созданы самими живыми организмами за сотни миллионов лет эволюции. Согласно Писанию, и почва, и воздух уже присутствовали на Земле в день сотворения первых живых существ.

Академик Вернадский на основе сходства строения геологических пород, лежащих глубже кембрийских, с более поздними предположил, что жизнь в виде простых организмов присутствовала на планете "практически изначально". Ошибочность этих научных построений стала впоследствии очевидна геологам.

Несомненной заслугой В. И. Вернадского является твердая убежденность в том, что жизнь появляется только от живых организмов, но ученый, отвергая библейское учение о сотворении мира, полагал, что "жизнь вечна, как вечен космос", и попала на Землю с других планет. Фантастическая идея Вернадского не подтвердилась. Гипотеза эволюционного происхождения организмов планеты от простейших форм сегодня еще более противоречива, чем во времена Вернадского.

Энергетической основой существования жизни на Земле является Солнце, поэтому биосферу можно определить как пронизанную жизнью оболочку Земли, состав и структура которой формируется совместной деятельностью живых организмов и определяется постоянным притоком солнечной энергии.

Вернадский указывал на главное отличие биосферы от других оболочек планеты — проявление в ней геологической деятельности живых существ. По словам ученого, "все бытие земной коры, по крайней мере, по весу массы ее вещества, в своих существенных, с геохимической точки зрения, чертах обусловлено жизнью". Живые организмы Вернадский рассматривал как систему преобразования энергии солнечного света в энергию геохимических процессов.

В составе биосферы различают живое и неживое вещество — живые организмы и инертную материю. Основная масса живого вещества сосредоточена в зоне пересечения трех геологических оболочек планеты: атмосферы, гидросферы (океаны, моря, реки и пр.) и литосферы (поверхностный слой пород). К неживому веществу биосферы относится составная часть этих оболочек, связанная с живым веществом циркуляцией вещества и энергии.

В неживом компоненте биосферы различают: биогенное вещество, являющееся результатом жизнедеятельности организмов (нефть, каменный уголь, торф, природный газ, известняки биогенного происхождения и пр.); биокосное вещество, формирующееся совместно организмами и небиологическими процессами (почвы, илы, природная вода рек, озер и пр.); косное вещество, не являющееся продуктом жизнедеятельности организмов, но входящее в биологический круговорот (вода, атмосферный азот, соли металлов и пр.).

Границы биосферы можно определить лишь приблизительно. Хотя известны факты обнаружения бактерий и спор на высоте до 85 км, концентрация живого вещества на больших высотах столь ничтожна, что биосферу считают ограниченной на высоте 20-25 км озоновым слоем, защищающим живые существа от разрушительного воздействия жесткого излучения.

В гидросфере жизнь распространена повсюду. В Марианской впадине на глубине 11 км, где давление 1100 атм и температура 2,4°С, французский ученый Ж. Пикар наблюдал в иллюминатор голотурий, других беспозвоночных и даже рыб. Под толщей антарктического льда более 400 м обитают бактерии, диатомовые и синезеленые водоросли, фораминиферы, ракообразные. Бактерий обнаруживают под слоем морского ила в 1 км, в нефтяных скважинах на глубине до 1,7 км, в подземных водах на глубине 3,5 км. Глубины 2-3 км считаются нижней границей биосферы. Общая мощность биосферы, таким образом, в разных частях планеты изменяется от 12-15 до 30-35 км.

Атмосфера в основном состоит из азота и кислорода. В небольших количествах входят аргон (1%), углекислый газ (0,03%) и озон. От состояния атмосферы зависит жизнедеятельность как организмов суши, так и водных существ. Кислород используется в основном для дыхания и минерализации (окисления) отмирающего органического вещества. Углекислый газ необходим для фотосинтеза.

Гидросфера. Вода — один из самых необходимых компонентов биосферы. Около 90% воды находится в мировом океане, занимающем 70% поверхности нашей планеты и содержащем 1,3 млрд. км3 воды. Реки и озера включают всего 0,2 млн. км3 воды, а живые организмы — около 0,001 млн. км3. Существенное значение для жизнедеятельности организмов имеет концентрация в воде кислорода и углекислого газа. Содержание двуокиси углерода в воде в 660 раз больше, чем в воздухе. В морях и океанах различают пять типов сгущений жизни:
1. Шельфовые прибрежные. Эта зона богата кислородом, органикой и другими питательными веществами, поступающими с суши (например, с речной водой). Здесь на глубине до 100 м процветает планктон и его донный "напарник" бентос, перерабатывающий отмирающие организмы планктона.

Океанический планктон составляют два сообщества:
а) фитопланктон — водоросли (70% из них микроскопические диатомовые) и бактерии;
б) зоопланктон — первичные консументы фитопланктона (моллюски, рачки, простейшие, оболочники, различные беспозвоночные).

Жизнь зоопланктона протекает в постоянном движении, он то поднимается, то опускается на глубину до 1 км, избегая своих пожирателей (отсюда и название: греч. plankton блуждающий). Зоопланктон — основная пища усатых китов. Фитопланктон составляет всего 8% от массы зоопланктона, но, быстро размножаясь, продуцирует в 10 раз больше биомассы, чем вся остальная океаническая жизнь. Фитопланктон дает 50% кислорода (остальные 50% производят леса).
Организмы бентоса — крабы, головоногие и двустворчатые моллюски, черви, морские звезды и ежи, голотурии ("морские огурцы" или другое название — трепанги), фораминиферы (морские корненожки), водоросли и бактерии приспособлены к жизни почти без света. Перерабатывая органику и превращая ее в минеральные вещества, восходящими потоками доставляющиеся в верхние слои, бентос питает планктон. Чем богаче бентос, тем богаче планктон, и наоборот. За пределами шельфа количество обоих резко падает.

Планктон и бентос формируют в океане мощный слой известковых и кремнеземных илов, образующих осадочные породы. Карбонатные осадки способны превращаться в камень всего за несколько десятков лет.
2. Апвелинговые сгущения образованы на местах восходящих потоков, выносящих к поверхности продукцию бентоса. Известны Калифорнийский, Сомалийский, Бенгальский, Канарский и особенно Перуанский апвелинг, дающий около 20% мирового промысла рыбы.
3. Рифовые — известные всем коралловые рифы, изобилующие водорослями и моллюсками, иглокожими, сине-зелеными, кораллами и рыбой. Растут рифы необыкновенно быстро (до 20-30 см в год) не только за счет коралловых полипов, но и за счет жизнедеятельности моллюсков и иглокожих, концентрирующих кальций, а также зеленых и красных водорослей с известковым скелетом.
Основной продуцент рифовых экосистем — микроскопические фототрофные водоросли, поэтому рифы находятся на глубинах не более 50 м, им требуется прозрачная теплая вода с определенной соленостью. Рифы — одна из самых продуктивных систем биосферы, образующая ежегодно до 2 т/га биомассы.
4. Саргасовые сгущения — поля плавающих на поверхности бурых и багрянниковых водорослей с множеством воздушных пузырьков. Распространены в Саргасовом и Черном морях.
5. Абиссальные рифтовые придонные сгущения формируются на глубине до 3 км вокруг горячих источников на разломах океанической коры (рифтах).

В этих местах выносится из земных недр сероводород, ионы железа и марганца, соединения азота (аммиак, оксиды), питающие хемотрофные бактерии — продуценты, потребляемые более сложными организмами — моллюсками, крабами, раками, рыбами и огромными сидячими червеобразными животными рифтиями. Эти организмы не нуждаются в солнечном свете. В рифтовых зонах существа растут примерно в 500 раз быстрее и достигают внушительных размеров. Двустворчатые моллюски вырастают до 30 см в диаметре, бактерии — до 0,11 мм! Известны галапагосские рифтовые сгущения, а также у острова Пасхи.

В море преобладает разнообразие животных, а на суше — растений. Только покрытосеменные составляют 50% видов, а морские водоросли — всего 5%. Общая биомасса на суше представлена на 92% зелеными растениями, а в океане 94% составляют животные и микроорганизмы.

Биомасса планеты обновляется в среднем каждые 8 лет, растения суши — за 14 лет, океана — за 33 дня (фитопланктон — ежедневно). Вся вода проходит через живые организмы за 3 тыс. лет, кислород — за 2-5 тыс. лет, а углекислый газ атмосферы — всего за 6 лет. Существенно более длительны циклы углерода, азота и фосфора. Биологический круговорот не замкнут, около 10% вещества уходит в виде осадочных отложений и захоронений в литосферу.

Масса биосферы составляет всего 0,05% массы Земли, а ее объем — около 0,4%. Общая масса живого вещества составляет 0,01-0,02% от косного вещества биосферы, но роль живых организмов в геохимических процессах весьма значительна. Ежегодная продукция живого вещества составляет около 200 млрд. т сухого веса органики, в процессе фотосинтеза 70 млрд. т воды реагирует с 170 млрд. т углекислого газа. Ежегодно жизнедеятельность организмов вовлекает в биогенный круговорот 6 млрд. т азота, 2 млрд. т фосфора, железо, серу, магний, кальций, калий и др. элементы. Человечество, используя многочисленную технику, добывает около 100 млрд. т полезных ископаемых в год.

Жизнедеятельность организмов вносит существенный вклад в планетарный круговорот веществ, осуществляя его регуляцию, жизнь служит мощным геологическим фактором, стабилизирующим и преображающим биосферу.

2. Экологические основы рационального использования биологических ресурсов

В ответ на масштабное разрушение местообитаний мы можем наблюдать всплеск эволюционных изменений. Если численность особей фрагментированных популяций оказывается значительной, а смена поколений быстрой, антропогенное влияние может быть причиной убыстрения выработки новых приспособлений к сложившимся условиям и в результате к новому расцвету популяции. Эти процессы часто наблюдаются при распространении видов, подавляемых человеком. Отмечается появление резистентных к ядохимикатам насекомых вредителей сельского хозяйства, многих видов сорных растений, приближение некоторых видов животных к поселениям людей (зайцы, каменные куницы, некоторые виды птиц и др.) Отдельные виды легко приспосабливаются к новой для них среде, другие не могут и оказываются под угрозой исчезновения. Как отмечает Р.Левонтин (1981,с.242), "вид всегда остается позади, немного не достигая идеальной приспособленности; в конце концов, если вид отстает от изменений среды из-за недостаточной генетической изменчивости, на основе которой работает естественный отбор, вид элиминируется." Неустойчивость, несбалансированность многих антропогенных биоценозов, их неестественно высокий динамизм являются причинами выпадения аборигенных видов. Исследования показывают, что в результате утраты местообитаний, во-первых, исключается часть фауны, особенно редкие виды с пятнистым распределением и, во-вторых, увеличивается скорость вымирания оставшихся видов из-за уменьшения размеров популяции.

Степень устойчивости природных популяций к антропогенным воздействиям в значительной степени связана с сохранением и поддержанием ее структурированности. Антропогенные влияния затрагивают пространственную, генетическую, возрастную и половую структуры популяции. Все эти параметры находятся в сбалансированном состоянии лишь в больших по численности популяциях и занимающих значительные ареалы. Изменение возрастной структуры популяции сопровождается изменением ее генетической структуры. Если по каким-либо причинам смертность особей (особенно у животных) разного возраста будет различной, то это приведет к существенному изменению генетической структуры популяции. У многих видов животных определяется генетическое своеобразие разных генераций (Шварц,1980). В относительно стабильных условиях изменение генетической структуры популяции, связанное с динамикой ее возрастного состава, имеет характер колебаний около некоторой многолетней средней. При изменении условий среды возрастной отбор может явиться фактором быстрых эволюционных преобразований. Изменение роли различных возрастных групп в поддержании численности популяции определяется не только селективной смертностью, но и изменением в характере размножения. Сложная пространственная структура популяции лишь в особых случаях приводит к дифференциации популяции и к последующему формообразованию. Но в большинстве случаев она является мощным фактором эволюции единой популяции. Большинство межпопуляционных отличий имеет полигенную природу (Шварц,1980). При этом один и тот же признак может иметь различную генетическую основу, а совместное действие разных генов оказывает взаимно усиливающий эффект. Если действие генов суммируется (аддитивный эффект), то в результате объединения микропопуляций в единую систему, возникнут новые генотипы, обладающие более сильным фенотипическим выражением. В большинстве случаев происходит обогащение общего генофонда популяции, ее возможности более полного и быстрого приспособления к среде увеличиваются.

Определением минимальной численности, при которой популяция могла бы длительное время сохраняться и эволюционировать, занимаются многие исследователи (Сулей, 1983, Яблоков, 1987, Стойко, 1999). Для решения этой задачи имеет значение не общее число живущих особей, а число размножающихся особей, обеспечивающих устойчивое воспроизведение популяции. Это эффективная численность популяции (Ne), которая по подсчетам Яна Франклина (1983) составляет от 60 до 85% реального числа особей в локальной популяции. Минимальная численность популяции должна быть такой, чтобы никакая "волна жизни" (характерное явление для любых панмиктических популяций) не привела численность особей одного из полов к нулю или не сократила ее настолько, что существенно затруднится встреча партнеров по спариванию в природе. К сожалению, очевидно, в современных условиях такое положение для отдельных популяций, особенно малоподвижных видов, вполне реально.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1.    Афанасьев Ю.А., Фомин С.А. Мониторинг и методы контроля окружающей среды: учебное пособие. М.: Из-во МНЭПУ, 1998. Ч 1. 208 с.
2.    Одум Г. Основы экологии. - М.: Мир, 1975.
3.    Новиков Г.А. Основы общей экологии и охраны природы, Л.: Высшая школа, 1979.