WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Шабанов Д. А., Кравченко М. А. Материалы для изучения курса общей экологии с основами средоведения и экологии человека. 2009-3

Научный журнал

 

2.13. (дополнение) Геохронологическая шкала

Для описания истории земной жизни необходимо иметь шкалу, позволяющую описывать соответствующие промежутки времени. Как изучают эту историю? По последовательности осадочных пород. Взаимная последовательность пород определяется похарактеру


их залегания и по составу содержащихся в них ископаемых. Многочисленные в прошлом группы организмов, которые оставляли хорошо сохраняющиеся остатки (раковины, зубы, чешуи и т.д.), приобретают большое значение для определения возраста пород и называются руководящими ископаемыми. Согласованная последовательность пород разного возраста и соответствующих ей промежутков истории Земли называется геохронологической шкалой (табл. 2.13.1).

Таблица 2.13.1 Геохронологическая шкала

 

Зоны

Эры

Периоды

Эпохи

Граница (млн. лет)

Фанерозой

Кайнозой KZ

Антропоген Q(A)

Голоцен

0

0,01

Плейстоцен

1,6

Неоген

N

Плиоцен

5,3

Миоцен

23,7

Палеоген

Олигоцен

33,7

Эоцен

57,8

Палеоцен

66,4

Мезозой MZ

Мел К

Поздняя

97,5

Ранняя

144

Юра J

Поздняя

163

Средняя

187

Ранняя

208

Триас

т

Поздняя

230

Средняя

240

Ранняя

245

Палеозой PZ

Пермь Р

Поздняя

Лопингская

Гваделупская

258

Ранняя

Предуральская

286

Карбон С

Поздняя

Пенсильванская

296

Средняя

320

Ранняя

Миссисипская

360

Девон D

Поздняя

374

Средняя

387

Ранняя

408

Силур S

Поздняя

420

Ранняя

438

Ордовик 0

Поздняя

448

Средняя

478

Ранняя

505

Кембрий Є

Поздняя

523

Средняя

540

Ранняя

570

Протерозой PR

Поздний (рифей)

Вендская V («Эдиакарская»)

650

Поздняя

1000

Средняя

1350

Ранняя

1650

Архей AR

Ранний (Карелии)

2500

Поздний

3000

Средний

Ранний

3400

4000 (?)

Катархей

4600


52

Глава 2. Биосферология

Геохронологическая шкала - результат работы многих поколений геологов. В первую очередь она отражает последовательность промежутков времени - относительный возраст. В XX веке к относительным датировкам добавились также абсолютные, основанные на оценке скорости распада радиоактивных элементов в изучаемых породах.

Следует обратить внимание, что относительная шкала точнее и информативнее абсолютной. Например, и акантостега (самое древнее известное четвероногое) и пандерихт (очень похожая на четвероногих рыба, которая, в то же время, не могла быть их предком) обитали в верхнем девоне. Возраст пандерихта - 378± 10 млн. лет, а акантостеги - 360± 10 млн. лет. Этих данных недостаточно, чтобы уверенно утверждать, что акантостега жила позже. Но если известно, что она найдена в более поздних (лежащих выше) слоях, этого достаточно, чтобы уверенно утверждать о том, что она моложе, даже если абсолютный возраст пород вовсе неизвестен.

2.14. (дополнение) Некоторые этапы истории земной жизни

Первое появление жизни при создании биосферы должно было произойти не в виде появления одного какого-либо организма, а в виде их совокупности, отвечающей геохимическим функциям жизни. В.И. Вернадский

Распространено мнение, что на каком-то этапе истории Земли возник «первый» организм, потомки которого съели все запасы органических веществ («первичный бульон») и дали начало всем формам жизни. Конечно, такие взгляды очень наивны. Для возникновения отдельного организма нужна была невероятная случайность. Жизнь возникла в результате постепенного усложнения геохимических циклов в результате отбора автокаталитических реакций, обеспечивавших их отдельные этапы. Еще до возникновения живых организмов в этих циклах происходило как образование, так и разрушение органических веществ. Это означало, что жизнь возникала не в форме отдельных организмов, а в форме обеспечивающих круговорот веществ экосистем.

Биохимические «новшества», возникшие на одном этапе геохимического круговорота, могли передаваться и на другие этапы. Так должны были распространиться способы запасания энергии, матричного синтеза биополимеров и, наконец, клеточной организации живых систем.

В современных экосистемах происходит круговорот, основой которого является образование органических веществ автотрофами и их разрушение гетеротрофами. Отходы жизнедеятельности каждой из этих групп организмовявляются ресурсами для другой группы. Их замечательное соответствие друг другу - следствие того, что такой круговорот старше самой жизни.

Самые древние остатки организмов, имеющие сложную структуру, найдены в Австралии, в формации Варравуна, имеющей возраст 3,5 млрд. лет, и в Южной Африке (формация Онфервахт, 3,4 млрд. лет; рис. 2.10.1). Это цианобактерии, весьма похожие на современные. Это сходство касалось даже биохимии. Так, в породах, образовавшихся 3,1 млрд. лет, найдены продукты распада хлорофилла и характерный исключительно для цианобактерии пигмент фикобилин.


2.14. (дополнение) Некоторые этапы истории земной жизни      53

Для протерозоя (а в некоторой степени и архея) характерны осадочные породы, которые называются строматолитами (буквально «каменными коврами»). Они имеют слоистую структуру и часто откладывались отдельными глыбами. Происхождение строматолитов долго оставалось неясным. Их образование прояснила находка современныхстроматолитообразователей в Заливе Акул (Шарк-Бей) в Австралии. Это изолированная отокеана лагуна сочень соленой водой. На мелководье расположены осадочные глыбы, поверхность которых покрыта циано-бактериальным матом. На его поверхности находятся цианобактерии, а под их слоем - очень разнообразные бактерии других групп, а также архебактерии. Чтобы показать эту двойственность, мат называют циано-бактериальным, показывая с помощью дефиса, что он состоит из цианобактерии и других бактерий.

Минеральные вещества, которые оседают на поверхность мата и образуются при его жизнедеятельности, откладываются слоями (примерно 0,3 мм в год) на ее основание.

Другой тип бактериальных экосистем известен на территории Украины. На Арабат-ской стрелке, косе в заливе Сиваш, расположены заливаемые водой и пересыхающие лиманы. На поверхности почвы в них расположен циано-бактериальный маттолщиной до нескольких сантиметров.

Живые организмы не только зависят от среды своего обитания, но и сами влияют на нее. Земля исходно имела атмосферу восстановительного характера, в которой были устойчивы окисленные газы (углекислый газ С02, водяной пар Н20, оксид серы S02) и газы-восстановители (угарный газ СО, водород Н2, сероводород H2S, аммиак 1\1Н3, метан СН4, циан HCN, хлороводород HCI и др.). В течение длительного периода истории Земли на ее поверхности могли образовываться легко окисляемые породы, такие, как графит (С), лазурит (Na2S), пирит (FeS2) и другие.

Первые организмы Земли, как автотрофы, так и гетеротрофы, были анаэробами (приспособленными кжизни вбескислородныхусловиях). Входе фотосинтеза автотро-фов выделялся свободный кислород (02), который был токсичным для анаэробныхор-ганизмов. Первоначально он быстро окислялся восстановителями, которые в избытке находились в среде. После того как кислород окислил основной запас восстановителей в среде, сложились относительно нейтральные условия. В результате бактериальные экосистемы приспособились к существованию в условиях избытка кислорода, и распространение получили аэробы (организмы, живущие в кислородных условиях). Поскольку фотосинтез происходил в воде, кислород мог окислять растворенные в ней вещества, способствуя их осаждению. Важнее всего, что при этом происходило окисление двухвалентного (хорошо растворимого) железа до трехвалентного, выпадавшего в осадок. Так образовывались джеспилиты - полосчатые железные руды, являющиеся важнейшим источником этого металла для современного человечества. Они состоят в основном из гематита (Fe203) и магнетита (Fe0xFe203).

С распространением фотосинтетиков-аэробов накопление кислорода в атмосфере продолжилось. Около 2 млрд. лет назад гравитационная дифференциация Земли привела ктому, что практически все не связанное в осадочных породах железо ушло в ядро нашей планеты. Прекращение поступления железа на поверхность Земли означало, что живые организмы могут окислить практически всю биосферу и накопить избыток кислорода в атмосфере. Этот перелом (происходивший 2,5-2 млрд. лет назад; рис. 2.10.1) называется кислородной революцией. Впрочем, не следует думать, что такая революця была одномоментным изменением. Она проходила через


54

Глава 2. Биосферология

длительное балансирование, когда в разных частях биосферы складывались кое-где окислительные, кое-где восстановительные условия.

Кислородная революция была важнейшим переломом в истории Земли. Поменялся не только состав атмосферы, но и состав пород, формирующихся на поверхности Земли. Следствием кислородной атмосферы стало образование озонового слоя в атмосфере - предпосылка для заселения суши.

И для прокариот, и для эукариотхарактерно образование сложных систем. У прокариот это бактериальные экосистемы из тесно связанных особей разных видов и даже царств (как эубактерий, так и архебактерий). Морфофункциональное различие клеток в них - следствие их независимой эволюции. У эукариот это многоклеточные организмы - клоны потомков одной клетки, различия между которыми обусловлены реализацией различных вариантов одной и той же наследственной программы. Для развития эукариотической многоклеточное™ требуется намного большая сложность управляющих клеточных систем.

В последние годы удалось убедительно доказать симбиогенетическую теорию происхождения эукариотической клетки. Каждая эукариотическая клетка содержит геномы различного происхождения: в клетках животных и грибов это геномы ядра и митохондрий, а в клетках растений -также и пластид. Небольшая кольцевая ДНК содержится (по многим данным) и в базальном тельце эукариотическихжгутиков.

Метод молекулярных часов (учета нейтральных, с точки зрения естественного отбора, и ненаправленных изменений последовательностей ДНК) свидетельствует, что эукариоты возникли тогда же, когда и прокариоты. Несмотря на это, очевидно, что в течение значительной части истории Земли на ней доминировали прокариоты. Первые клетки, соответствующие по размерам эукариотическим (так называемые акритархи) имеют возраст 3 млрд. лет, но их природа остается неясной. Почти несомненные остатки эукариот имеют возрастоколо 2 млрд. лет. Лишь после кислородной революции на большей части поверхности нашей планеты сложились благоприятные для эукариот условия. Эпоха их господства началась около 1 млрд. лет назад.

Вероятно, «главным» предком эукариотических клеток стали архебактерий, которые перешли к питанию путем заглатывания пищевых частиц. Изменение формы клетки, необходимое для такого заглатывания, обеспечивал цитоскелет, состоящий из актина и миозина. Наследственный аппараттакой клетки переместился вглубь от ее изменчивой поверхности, сохранив при этом свою связь с мембраной. Это послужило причиной возникновения ядерной оболочки с ядерными порами (связанной благодаря эндоплазматической сети с наружной мембраной клетки).

Бактерии, поглощенные клеткой-хозяином, могли продолжить свое существование внутри нее. Так, предками митохондрий стала группа фотосинтезирующихбактерий, приспособленных к жизни в кислородных условиях - пурпурные альфапротеобакте-рии. Внутри клетки-хозяина они утратили способность к фотосинтезу и приняли на себя окисление органических веществ. Благодаря им эукариотические клетки стали аэробными. Симбиозы с другими фотосинтезирующими клетками стали причиной приобретения растительными клетками пластид. Вероятно, жгутики эукариотических клеток произошли в результате симбиоза клеток-хозяев с бактериями, которые, как современные спирохеты, были способны к извивающимся движениям.

Современная фауна дает множество примеров существования проглоченных органелл и клеток в цитоплазме клеток хищника. «Выращивают» в себе проглоченные водоросли некоторые инфузории, радиолярии, кишечнополостные, плоские черви,


2.14. (дополнение) Некоторые этапы истории земной жизни     55

моллюски и представители других групп. Обитающие в кишечнике термитов жгутиконосцы вступают в тесный симбиоз со спирохетами, которые прикрепляются к их поверхности. У некоторых из такихсимбиогенных комплексов зарегистрировано даже сокращение генетического материала у симбионта и попадание его в зависимость от веществ, синтезируемых клеткой-хозяином. Похожие процессы происходили и при возникновении эукариотических клеток.

Первоначально наследственный аппарат эукариотических клеток был устроен примерно так же, как у прокариот (на этой стадии до сих пор находятся динофлагеляты, группа одноклеточных жгутиковых водорослей). Позже, в связи с необходимостью управления более крупной и сложной клеткой, изменилась организация хромосом, а ДНК оказалась связана с белками-гистонами. Прокариотическая организация сохранилась у геномов внутриклеточных симбионтов, однако часть их функций (у жгутиков - почти все) оказалась передана ядерному геному.

Различные группы эукариотических организмов возникали в результате различных актов симбиогенеза. В результате симбиогенеза эукариотической клетки с цианобактериями возникли красные водоросли. Зеленые водоросли возникли в результате симбиоза с бактериями-прохлорофитами. Эта недавно обнаруженная группа включает всего несколько современных видов, но зато находится в близком родстве схлоропластами зеленых водорослей и высших растений. Наконец, хлоропласты золотистых, диатомовых, бурых и криптомонадовых водорослей возникли вследствие двух последовательных симбиозов, о чем говорит наличие у них 4 мембран. Эндосим-бионтами их предков стали эукариоты, внутри которых находились симбиотические золотистые бактерии.

Развитие жизни привело к коренному преобразованию земной поверхности. Что мы увидим, оглядевшись вокруг себя за пределами человеческих поселений? Тот или иной ландшафт покрыт характерной для каждого региона растительностью. В подавляющем большинстве мест горные породы укутаны слоем почвы. Кое-где земную поверхность прорезают водотоки - ручьи и реки. Животные заметны гораздо менее растений, но, присмотревшись к растительности, мы почти наверняка увидим насекомых, а подняв глаза вверх, разглядим птиц на фоне голубого неба. Что в этой картине является следствием обитаемости нашей планеты? Все! Осваивая сушу, жизнь существенно изменила ее. Плащевой сток с континентов, при котором вода двигалась многими непостоянными руслами, был заменен русловым. Результатом действия живых организмов является почва. Она удерживает на поверхности суши воду и биогены в форме, оптимальной для их потребления организмами.

До заселения суши дождевая вода собиралась в потоки, которые размывали и выносили остатки горных пород. Рыхлые породы быстро сносились к океану, где ток воды резко замедлялся, и начиналось отложение осадков. В современном мире подобные условия возникают там, где реки, несущие воду с большим количеством частиц, впадают в море. Это приводит к формированию речных дельт - вдающихся в море участков «ни суши, ни моря». Примером такихландшафтов может быть дельта Дуная. Сейчастакие участки покрывает буйная растительность, которая стабилизирует в них временные русла. До появления сосудистой растительности этого эффекта не было, и приливно-отливные волны должны были все время преобразовывать такую переходную среду, облегчившую выход из воды на сушу. Суша же представляла собой подвергающиеся интенсивному выветриванию остатки твердых пород. Массовый выход на сушу явился результатом мутуализма (неразрывного взаимовыгодного


56


Глава 2. Биосферология


2.16. (дополнение) Поиски жизни в Солнечной системе


57



сотрудничества) растений и грибов - микориза обнаружена еще у риниофитов. Пройдя через промежуточную среду, растительность заселила континенты. Остатки растительных тканей послужили основой для формирования почвы. Почвенный покров закрыл от выветривания горные породы, а растения защитили почву от размывания. Сток с поверхности континентов стал русловым. Почва задерживает дождевую воду, а листовая поверхность увеличивает площадь для ее испарения (примерно в два раза превышая площадь поверхности суши). Водный обмен на континентах оказывается изменен, причем в благоприятном для организмов направлении.

2.15. (дополнение) Венера, Земля, Марс

Венера дает нам пример всепланетной

катастрофы.

Карл Саган

В ходе образования звездных систем та часть вещества, которая образует планеты, распределяется неравномерно. Ближе расположенные к звезде планеты состоят из более плотных веществ. По своему исходному составу и свойствам Земля близка к двум планетам-соседям - Венере и Марсу. В число планет земной группы входит и Меркурий, но эта небольшая планета расположена столь близко к Солнцу, что условия на ее поверхности не имеют ничего общего с земными.

Венера очень близка Земле по размеру, плотности и массе. Эта планета расположена ближе к Солнцу, чем Земля. Плотная углекислотная атмосфера обеспечивает сильнейший парниковый эффект. Температура на поверхности Венеры достигает 480°С, а давление - 90 атмосфер! Может ли существовать жизнь на Венере? На поверхности планеты существование сложной жизни на знакомой нам химической основе невозможно. Разве что можно представить себе бактериальную жизнь, существующую в облаках из серной кислоты на высоте 45-60 км над поверхностью, -там условия хоть как-то приемлемы.

Что же сделало планету, названную в честь богини любви, столь суровой? Обилие углекислого газа, вызвавшее парниковый эффект!

Марс очень похож на Землю внешне. К счастью, мы можем наблюдать его поверхность. Условия на Марсе не столь суровы, и на его поверхности работают несколько земных станций. В тоже время ясно, что Марсу (точнее, гипотетической марсианской жизни) тоже не повезло, хотя и не так сильно, как венерианской. Атмосферное давление на Марсе примерно в 100 раз слабее земного; атмосфера на 95,3% состоит из углекислоты, на 2,7% - из азота и на 1,6% - из аргона. Кислород присутствуеттолько в виде следов. Диаметр Марса примерно вдвое меньше земного (0,53), а притяжение на нем меньше в2,5 раза. Площадь поверхности Марса близка к площади поверхности земных континентов. Температура на этой планете колеблется в диапазоне примерно от+25° С до -125° С. С неба на поверхность Марса льется свет со значительной долей ультрафиолетового излучения, губительного для жизни. Продолжительность марсианских суток близка к земной: 24 ч. 39 мин. 35 с.

Многие поколения ученых искали следы жизни на Марсе. Рассматривание его поверхности в телескопы вызвало интересную оптическую иллюзию: отдельные пятна сливались в неверной оптике в полосы, и наблюдатели зарисовывали сеть каналов, которыми, якобы, был покрыт Марс. В конце XIX века многие верили, чтотрудолюби-


вые марсиане построили всепланетную сеть каналов для передачи воды из влажных полярных районов в засушливые экваториальные. Одним из первых, кто понял ошибочность этих фантазий, был соавтор дарвиновской эволюционной теории Альфред Рассел Уоллес. Его расчеты показали, что температура на поверхности планеты столь низка, а давление столь мало, что никакой текучей воды на ней быть не может. В XX веке на Марсе искали уже микроскопическую, а не разумную жизнь.

В существенной степени поиски жизни свелись к поиску воды. По принятым представлениям, когда-то на Марсе было достаточно тепло и влажно. Увы, размер Марса меньше земного, и от Солнца эта планета находится дальше. Начиная с какого-то момента, Марс начал катастрофически остывать. Вода, которая образовывала его океаны, сей час покоится в виде ледовых запасов, лежа щих под поверхностью планеты и прикрытых слоем породы и пыли. Доказательств этих взглядов немало, от геологических свидетельств (горных пород, которые могли образоваться только в жидкой воде) или последствий просачивания воды из-под поверхности, до следов существования древних океанов.

На поверхности Марса давно были замечены полосы, напоминавшие береговые линии. Астрономы сомневались в таком объяснении их происхождения, так как эти линии проходили со сменой высоты, - получалось, что в разных местах берег и урез воды были то выше,то ниже. Однако в последнее время получены простые объяснения, следствием каких геологических процессов стало изменение высот прежнего берега. Итак, на Марсе 2 миллиарда лет назад существовало два океана -Аравийский океан и Дейтеронилус. В это время в земных океанах существовали достаточно сложные экосистемы, образованные прокариотами. Сохранила ли марсианская геологическая («марсологическая») летопись следы жизни того времени? Для ответа на этот вопрос нужны более подробные исследования его поверхности.

Мы можем только порадоваться тому, что, располагаясь между «окоченевшим» Марсом и «горячечной» Венерой, наша родная Земля предоставляет для жизни вполне подходящие условия.

2.16. (дополнение) Поиски жизни в Солнечной системе

Рассказывают, что много лет назад знаменитый газетный издатель послал телеграмму известному астроному: СРОЧНО ТЕЛЕГРАФИРУЙТЕ ПЯТЬСОТ СЛОВ ЕСТЬ ЛИ ЖИЗНЬ НА МАРСЕ. Астроном с сознанием выполненного долга ответил: НИКОМУ НЕИЗВЕСТНО, НИКОМУ НЕИЗВЕСТНО, НИКОМУ НЕИЗВЕСТНО... и так 250 раз. Карл Саган

Главный кандидат в поиске внеземной жизни, конечно, Марс. В прошлом он очень напоминал Землю, и даже сейчас, вероятно, сохраняет условия, необходимые для существования простейших форм жизни. В метеорите, выбитом с поверхности Марса, нашли тельца, чрезвычайно напоминающие окаменевших бактерий. Некоторые изменения атмосферы Марса (например, регистрация в некоторых районах следовыхколичестваммиака)можнотрактоватъ как результатбио«марсо»химической активности живых организмов.


58

Глава 2. Биосферология

В 1976 году американские посадочные станции «Викинг-1» и «Викинг-2» провели на поверхности Марса эксперименты, которые должны были зарегистрировать следы жизни. Например, в ходе этих экспериментов проба грунта смачивалась бульоном (водой сорганическими соединениями) и нагревалась. Было зарегистрировано расщепление органических веществ бульона, но определить, были эти реакции проявлением активности микроорганизмов или абиотическим процессом, так и не удалось. Споры о жизни на Марсе продолжаются до сих пор...

Приковывает к себе внимание Титан, самый крупный спутник Сатурна (размер этого спутника больше, чем размер Плутона и Меркурия). Как показали результаты работы американской станции «Кассини» и спускаемого зонда «Гюйгенс», на поверхности Титана расположены моря и текут реки. В его плотной атмосфере (давление -1,5 земных) расположены облака, из которых идут дожди. Увы, Титан слишком холоден, чтобы вода находилась на нем в виде жидкости: реки на этом небесном теле образованы метаном и другими веществами, которые в земных условиях являются газами. Зато горная порода, в которой пробивают свой путь ручьи и реки Титана, - это водяной лед! Для оптимистов, которые мечтаютожизни на иной, чем водно-углеродная, основе, Титан дает богатую пищу для фантазии.

Очень интересна сточки зрения поиска жизни Европа, спутник Юпитера. Ее поверхность покрыта льдом, под которым, по всей видимости, находится океан жидкой воды! Это небесное тело немного меньшеЛуны и находится намного дальше от Солнца, но разогреву ее недр может способствовать воздействие находящегося рядом с ней гигантского Юпитера. Также может быть вода и на Энцеладе, одном из спутников Сатурна. Впрочем, вероятно, на этом небесном теле тепла для поддержания воды в жидком состоянии недостаточно.

Ио, еще один спутник Юпитера, представляет интерес с точки зрения своей геологии. Это небесное тело, будучи лишь ненамного крупнееЛуны,имеетметаллическое ядро и силикатную оболочку. Более того, на ее поверхности зарегистрированы следы геологических процессов, включая извержения вулканов! Ксожалению, запасы воды на Ио не найдены.

Наконец, определенный интерес с точки зрения поиска жизни представляет Юпитер - газовый гигант, самое большое тело в Солнечной системе, не считая самого Солнца. Его атмосфера состоит из водорода и гелия с примесью метана, воды и аммиака. В его центре, скорее всего, находится относительно небольшое твердое ядро, над которым располагается огромная толща атмосферы. Вероятно, на одном из слоев юпитерианской атмосферы находятся водно-ледяные облака. Может быть, в них способна существовать жизнь?

Большинство современных усилий по поиску жизни основывается на представлении, что внеземная жизнь будет похожа на земную. Например, сточки зрения химической основы жизни мылегко можем представить ее существование на основе водных растворов и органических соединений и фактически не можем налюбой другой основе. Существует даже такое понятие - «водно-углеродный шовинизм» - представление, что инопланетная жизнь должна иметь туже основу, что и земная. Возможны ли иные варианты? Ответа пока нет.

А если химическая основа жизни будет соответствовать земной, ее развитие пойдет так же, как на нашей планете, или как-то иначе? У современной науки нет устоявшихся представлений о том, насколько закономерно входе эволюции жизни должны появляться именно такие живые организмы, которые мы наблюдаем на Земле. Если


2.16. (дополнение) Поиски жизни в Солнечной системе       59

верно предположение о том, что многие ключевые этапы эволюции земной жизни проходились несколькими эволюционными ветвями одновременно, это может быть доказательством весьма закономерного характера эволюции. Доказательство такого утверждения выходит далеко за рамки школьной биологии, а здесь лишь можно указать, что, весьма вероятно, позвоночные выходили на сушу несколько раз; несколько раз входе эволюции возникали оперенные существа, способные к полету, - птицы; несколько раз могли возникать зародышевые оболочки или цветок покрытосеменных растений... Общность путей эволюции земных организмов является следствием их сходного «устройства» и одинаковых задач приспособления, которые им приходится решать входе своей эволюции.

А как будет развиваться жизнь на иных планетах, с условиями, которые несравнимы с земными? Об этом можно только высказывать догадки. Здесь можно рассмотреть толькоодин вариант инопланетной жизни, придуманный Карлом Саганом (известным ученым, исследовавшим инопланетную жизнь в NASA, американском космическом агентстве).

«На гигантской планете, вроде Юпитера, с атмосферой, богатой водородом, гелием, метаном, водяными парами и аммиаком,твердая поверхность недосягаема, однако существуют довольно плотные облачные слои, в которые органические молекулы могут падать с неба, будто манна небесная, как это получалось с продуктами наших лабораторных экспериментов. Есть на такой планете и характерная помеха для жизни: атмосфера турбулентна и в нижних своих слоях разогрета до очень высоких температур. Организмы должны остерегаться того, чтобы их не унесло вниз и не поджарило.

Дабы показать, что жизнь вовсе не исключена на таких совершенно отличных от Земли планетах, мы с коллегой по КорнеллуЭ.Э. Солпитером проделали некоторые вычисления. Конечно, мы не можем точно знать, на что будет похожа жизнь в подобном месте, однако нам хотелось рассмотреть, в рамках известных законов физики и химии, может ли мир такого типа в принципе быть обитаемым.

Один из способов сохранить жизнь в описанных условиях - произвести потомство, прежде чем изжариться, и надеяться, что конвекция вынесет некоторых твоих отпрысков в более высокие и холодные слои атмосферы. Такие организмы могут быть очень маленькими. Мы назвали ихсинкерами (отангл. sinker- грузило). Однако можнотакжестать и флоатером (отангл. float- плавать) -огромным водородным баллоном, который откачивает наружу гелий и другие более тяжелые газы, оставляя внутри себя только легчайший газ - водород; другой вариант-баллон с горячим воздухом, сохраняющий плавучесть за счет поддержания внутри себя высокой температуры, на что тратится энергия, получаемая с пищей. Как и в случае с привычными нам земными воздушными шарами, чем глубже погружается флоатер, тем больше становится подъемная сила, возвращающая его в верхние, более прохладные и безопасные области атмосферы. Флоатер можетпитаться образующимися ватмосфере органическими молекулами или вырабатывать их самостоятельно, используя солнечный свети воздух, подобно тому как это делают растения на Земле. Надо заметить, что чем больше будут размеры флоатера, тем жизнеспособнее он окажется. Мы с Солпитером представляли себе флоатеров поперечником в несколько


60


Глава 2. Биосферология


2.17. (дополнение) Антропный парадокс


61



километров - величиной с целый город, намного крупнее самых больших из когда-либо существовавших китов.

Флоатеры могут передвигаться в атмосфере, испуская струи воздуха, на манер реактивного самолета или ракеты. Мы воображали их скученными в огромные ленивые стада, которые простираются, насколько хватает глаз, с характерной защитной окраской, свидетельствующей, что они тоже сталкиваются с проблемами. Потому что в рассматриваемой среде существует по меньшей мере еще одна экологическая ниша - охота. Хантеры (от англ. hunter-охотник) -существа быстрые и подвижные. Они охотятся на флоатеров не только ради их органики, но и ради запасаемого ими чистого водорода. Пустотелые синкеры вполне могли эволюционировать в первых флоатеров, а самодвижущиеся флоатеры - в первых хантеров. Хантеров не может быть слишком много, поскольку в противном случае они поглотили бы всех флоатеров и погибли бы сами.

Физика и химия допускают существование таких форм жизни. Искусство наделяет их неким очарованием. Природа, конечно, не обязана следовать нашим умозрениям. Но если в Галактике существуют миллиарды обитаемых миров, то, возможно, среди них найдется несколько населенных синкерами, флоатерами ихантерами, которых мы выдумали, оставаясь в рамкахзаконов физики и химии» (К. Саган, 2005).

2.17. (дополнение) Антропный парадокс

Изучая особенности отношений человечества со средой своего обитания, мы принимаем наше существование как состоявшийся факт. Могло ли быть иначе? Тем не менее, согласно современным взглядам, существование человечества, как и жизни на Земле вообще - результат соединения целого ряда благоприятных предрасположений. Это:

  1. большая масса Земли, достаточная для удержания около нее мощного слоя атмосферы, но не такая большая, чтобы эта атмосфера сгущалась, как на планетах-гигантах;
  2. сильное магнитное поле, отклоняющее космические частицы больших энергий;
  3. наличие большого количества воды в трех различных агрегатных состояниях, что стабилизирует климат;
  4. оптимально подобранная орбита (если бы была на 5% меньше или на 1% больше, жизнь была бы невозможна);

-активнаялитосфера, обеспечивающая протекание БГХциклов;

- наличие исключительно крупного спутника -Луны, обеспечивающего приливы-

отливы и т.д.

Соотношение диаметров Земли и Луны - 4/1, в то время, как диаметр Юпитера превосходит диаметр Каллисто в 20 раз, Сатурн больше Титана по диаметру в 30 раз, Марс больше Фобоса и Деймоса в 200 и 400 раз. Вероятнее всего, Луна произошла вследствиетак называемого Большого удара. Выясняется, что для того, чтобы ударвы-рвал из Земли существенных размеров кусок, тело, наносящее этотудар, должно иметь строго определенные параметры и наносить удар под строго определенным углом.

Удивительная особенность системы Солнце-Земля-Луна заключается в том, что при взгляде с земной поверхности Солнце иЛуна кажутся небесными телами, которые


имеют одинаковый размер. Это следствие случайного (а точно ли «случайного»?) соответствия их действительных размеров и расстояния от них до нашей планеты.

Функции Луны: обеспечение приливов-отливов, обеспечивающее возникновение приливных зон, необходимых для выхода жизни на сушу. Ее приливная тяга замедлила вращение Земли с 4 до 24 частов в сутки, причем вращение поверхности замедлилось в большей степени, чем вращение металлического расплавленного ядра. Это привело ктому, что Земля обладаетмощным магнитным полем, защищающим живые организмы от космическихлучей. Турбулентные процессы вядре при во дятк периодическому повороту магнитного поля на 180°, что, видимо, сыграло существенную роль в смене и развитии биоты (и возникновении, в конце концов, человека).

Наконец, огромное количество удивительных совпадений, как кажется, можно обнаружить в соотношениях основных физических констант, характеризующих нашу Вселенную.

Для целого ряда космических постоянных удивительно часто встречающимся числом оказывается величина Iх 1040. Например, во столько раз сила гравитации меньше силы электрического взаимодействия, время Хаббла больше времени Комптона, а время Комптона - времени Планка. Примерно столько протонов в области Хаббла (наблюдаемой части Вселенной), а число всех частиц в типичной звезде примерно равно этому числу в степени 3/2. Важно, что изменение этих характеристик могло привести к существенному изменению Вселенной. Если бы гравитационная постоянная была чуть больше, Вселенная коллапсировала бы, а меньше- разлетелась. Если бы число протонов было бы не 1080, а, к примеру, 1086, Вселенную ожидал бы коллапс, а 1077 - не произошло бы образования галактик. Удачно подобрано соотношение числа протонов к числу электронов - примерно 109 (эта величина может служить также мерой энтропии Вселенной), ведь существование Вселенной возможно только в промежутке значений от 103 до 1011. Ограничение еще жестче - небольшие изменения энтропии Вселенной повлияли бы на имеющееся соотношение количества ядер водорода и гелия (и всех другихядер), что помешало бы созданию сложных систем, состоящих из разнородных атомов. Наблюдаемое соотношение протонов и электронов - результат соотношения между материей и антиматерией в момент образования Вселенной (электроны рассматриваются как следы аннигилляции протонов и антипротонов). Симметрии в образовании вещества и антивещества не было, вещества образовалось на миллионную долю больше, причем размер этого превышения был очень удачен сточки зрения создания мира с наблюдаемыми свойствами. Замечательно подобраны соотношения количества и веса нейтрино; важно, что разница масс протона и нейтрона близка к массе электрона. Удачное соотношение числа протонов и нейтронов рассматривается как результат «магии чисел» в соотношениях главных физических констант: постоянной Больцмана, скорости света и т.д. (изложено по П. Дэвису, 1985).

Вероятность случайного совпадения всех этих космологических параметров, обеспечивших существование пространства-времени, материи, атомов, галактик и звезд по современным представлениям вообще ничтожна (многие из таких обсуждаемых соответствий здесь не названы). Видимо, есть факторы, неучитываемые в обычных космогонических моделях. Не будут ли эти факторы проявлять себя и в

Глава 3. Биогеоценология и экология сообществ



будущем, как-то влияя на потенциальную пригодность Земли для существования на ней человечества?

Изложенные парадоксы привели к формированиютак называемого антропного парадокса (иные названия - принципа антропности, антропологического принципа), который известен в двух формах.

«Сильная» формулировка: «Свойства Вселенной таковы, каковы они должны быть для того, чтобы обеспечить существование человека». Альтернативный вариант: «Вотчеловек. Какой должна быть Вселенная?»

«Слабые» формулировки: «Мы являемся свидетелями процессов определенного типа потому, что другие процессы протекают без свидетелей»; «То, что мы ожидаем наблюдать, должно быть ограничено условиями, необходимыми для нашего существования как наблюдателей». Этот подход основан на неявном предположении о существовании других Вселенных, в которых не существует наблюдателей. Снимает ли предположение о существовании иных Вселенных парадоксальность бытия нашей Вселенной?

По аналогии с этими формулировками можно предложить «очень сильную» формулировку антропного парадокса: «Существование Вселенной, человечества и каждого человека—взаимосвязанные части одного процесса». На настоящем этапе доказать это утверждение невозможно. Оно вовсе не предусматривает (хотя и не исключает) апелляции к Богу. Как минимум, оно отражает тесную связь между собственным бытием и возможностью познания Вселенной, отраженной в психике каждого человека («Cog/to, ergosum», «Мыслю - значит существую» - Рене Декарт). Парадоксальность предложенной «очень сильной» формулировки не больше парадоксальности нашего бытия.


3.1. Экосистемы и биогеоценозы

В рамках экологии изучаются разныеуровни биосистем—от организмен-ного (или даже более низких) до биосферного. Но самым характерным для биологической науки о взаимодействиях является, конечно, экосистемный уровень. Мы уже говорили, что земная жизнь должна была возникнуть в виде отдельныхэкосистем. Именно в экосистемах происходит круговорот веществ и трансформация поступающей на нашу планету энергии, именно экосистемы создают ту совокупность экологических ниш, к которой приспосабливаются организмы. Наконец, при всей своей необычности, биосфера —тоже экосистема, только очень большая, охватывающая все поверхностные слои нашей планеты.

Первое, что нужно сделать, начиная разговор об экосистемах, — разобраться в терминах. К сожалению, и в этом разделе экологии существует определенная терминологическая путаница, связанная с наличием двух сходных по своему значению терминов: «экосистема» и «биогеоценоз» (рис. 3.1.1). Первое из этих понятий старше, его ввел в 1935 году американский эколог Артур Тенсли.

Экосистема - это «совокупность комплексов организмов с комплексом физических факторов, которые их окружают, то есть факторов местообитания в широком смысле» (А. Тенсли).

Развивая подход Тенсли, мы можем сказать, что экосистема—это совокупность живых организмов и среды их обитания, в рамках которой осуществляется круговорот веществ и преобразование потока энергии. Экосистема состоит из сообщества (живых компонентов) и местообитания (или биотопа, неживой части).

Понятие «биогеоценоз» введено выдающимся советским ботаником, экологом и лесоведом Владимиром Николаевичем Сукачевым. Для создания нового термина у Сукачева были определенные основания. С одной стороны, представление о биогеоценозе вытекало из исследований растительных



Биогеоценоз


Экосистема:


Рис. 3.1.1. Сравнение состава биогеоценоза и экосистемы


64


Глава 3. Биогеоценология и экология сообществ


3.2. Компоненты экосистем


65



сообществ, обладающих определенной протяженностью и целостностью. С другой — в советской биологии шла борьба с «иностранщиной», в категорию каковой попадала и американская экология. Сукачев воспользовался термином «биоценоз», который был предложен для описания взаимосвязанных совокупностей живых организмов еще в XIX веке, и разработал концепцию биогеоценоза.

«Биогеоценоз - это совокупность на известном протяжении однородных при-родных явлений (атмосферы, горной породы, растительности, животного мира и мира микроорганизмов, почвы и гидрологическихусловий), имеющая свою особую специфику взаимодействия этих слагающих ее компонентов и определенный тип обмена веществами и энергией между собой и другими явлениями природы и представляющая собой внутренне противоречивое единство, находящееся в постоянном движении, развитии» (В.Н. Сукачев, 1964).

Анализируя определение Сукачева, можно увидеть в нем отражение господствовавшей во время его жизни идеологии — диалектического материализма, прояввившееся в рассуждениях о «противоречивом единстве». Однако очевидно, что, в отличие от подхода Тенсли, Сукачев обращет особое внимание на взаимообусловленность и относительную однородность компонентов биогеоценоза.

Биогеоценоз состоит из биоценоза и геоценоза. Биоценоз, по Сукачеву, состоит из фитоценоза, зооценоза и микробоценоза, а геоценоз —из эдафотопа (компонентов, связанных с почвой и подстилающими породами) и климатопа (компонентов, связанных с атмосферой и гидросферой).

Существует две точки зрения на соотношение понятий «экосистема» и «биогеоценоз». Иногда их считают идентичными или весьма подобными (рис. 3.1.1). Однако правильнее считать понятие экосистемы более общим, внемасштабным, а биогеоценозом называть экосистемы определенного масштаба. Важная мысль, принадлежащая Сукачеву и его научной школе, состоит втом, что интегрирующим (соединяющим воедино) элементом биогеоценоза является его растительность — фитоценоз. Раз так, границы биогеоценозов следует проводить по границам фитоценозов.

«Биогеоценоз - это экосистема в границах фитоценоза» (Е.М. Лавренко, Н.В. Дылис, 1968).

Стоит ли столько внимания уделять обсуждению понятий? С нашей точки зрения, да. Чтобы изучать какой-то объект или явление, надо осознать его целостность, выделить его из хаоса случайных взаимосвязей. Удачный термин позволяет решить эту задачу.

Отрасль экологии, которая занимается изучением экосистем, лучше всего называть биогеоценологией, а тот ее раздел, который изучает собственно живые компоненты экосистем (биоценозы, сообщества), — экологией сообществ.

3.2. Компоненты экосистем

На какие компоненты можно разделить экосистему? С одной стороны, мы можем использовать те же подразделения, что и в составе биогеоценоза: биоценоз (фитоценоз + зооценоз + микробоценоз) + геоценоз (эдафотоп +


климатоп). В такой классификации основное внимание обращено на происхождение отдельных компонентов. А если в большей степени интересоваться функционированием экосистемы, можно выделить в ее составе следующие компоненты:

  1. используемые в биологическом кругообороте неорганические вещества (например, Н20, С02, NH4+ и т.д.);
  2. органическое вещество (детрит);
  3. среда (воздушная, водная, субстратная);
  4. продуценты (организмы, синтезирующие органическое вещество из неорганического);
  5. консументы (организмы, основная роль которых состоит в преобразовании органического вещества из одной формы в другую);
  6. редуценты (организмы, основная роль которых состоит в разрушении органического вещества до неорганического).

Итак, живые организмы подразделены на три функциональные группы — продуценты, консументы и редуценты. Эти группы соответствуют трем типам процессов, которые могут происходить с органическим веществом: его созданию, преобразованию и разрушению.

Несмотря на то, то такое разделение представляется достаточно привычным, корректно разграничить эти группы не так и легко. Для этого необходимо рассмотреть экологические роли, которые могут выполнять различные организмы. Для характеристики способов питания организмов и их экологических ролей используется целый ряд терминов.

По способу питания все живые организмы делятся на автотрофов и гете-ротрофов. Автотрофы (греч. autosсам, tropheпища, питание) способны сами синтезировать органические вещества из неорганических, используя внешние источники энергии. Гетеротрофы (греч. heteros—другой и trophe) питаются другими организмами или их остатками и получают энергию с «чужим» органическим веществом. В качестве отдельной группы иногда выделяют миксотрофов (греч. mixisсмешение и trophe) — организмы, соединяющие авто- и гетеротрофное питание. К ним относятся некоторые бактерии и водоросли. Впрочем, поскольку эти организмы все-таки способны синтезировать органику, миксотрофов можно рассматривать как подмножество автотрофов.

Два главных способа автотрофного питания — фотосинтез и хемосинтез. Фотосинтез (греч. photosсвет и synthesisсоединение) — образование органических веществ из неорганических благодаря энергии света. При фотосинтезе энергия света превращается в энергию химических связей глюкозы, синтезированной из неорганических веществ (СО и Н20). Хемосинтез (греч. chemeiaхимия, synthesisсоединение) — образование органических веществ из С02 за счет энергии окисления неорганических веществ. Так, серобактерии окисляют сероводород с образованием серы или серной кислоты, нитрифицирующие бактерии окисляют аммиак и т.д. В качестве окислителя бактерии-хемосинтетики могут использовать кислород и некоторые другие неорганические вещества.

По характеру получения пищи организмы можно разделить на две группы. Осмотрофы (греч. osmos—давление и trophe) — организмы, впитывающие питательные вещества через поверхность своего тела. Так питаются раз-


66


Глава 3. Биогеоценология и экология сообществ


3.4. Классификация биомов             67



Таблица 3.2.1 Основные жизненные формы многоклеточных эукариот и их представители


Таблица 3.3.1 Сравнение двух экосистем (Ю. Одум, 1986)



Тип питания

Автотрофы

Гетеротрофы

Осмотрофы

Растения

Грибы

Фаготрофы

-

Животные

нообразные бактерии, а также растения и грибы. Фаготрофы (греч. phagosпожирающий и trophe) — организмы, поедающие пищу в виде частиц. Этот способ питания характерен для самой разнообразной группы организмов — животных.

Используя приведенные термины, легко увидеть разницу в способе питания, характерном для многоклеточных эукариотических организмов (табл. 3.2.1). Впрочем, когда речь идет об одноклеточных и колониальных эукарио-тах, их классификация на основании такого простого принципа оказывается невозможной.

Разобравшись со способами питания, перейдем к экологическим ролям организмов. Ихтри. Продуценты (лат. producentisпроизводящий) производят органическое вещество из неорганического. Естественно, что эту роль выполняют автотрофы — способные к фотосинтезу растения и цианобактерии, а также бактерии-хемосинтетики. Хотя эта группа организмов выделяется на основании способности ее представителей синтезировать органические вещества, не следует забывать, что любой организм этой группы также и преобразует органику (например, когда строит собственное тело) и разрушает ее (извлекая из нее энергию).

Основная роль консументов (лат. consumeпотребляю) — преобразование органики. В отличие от них редуценты (лат. reducereвозвращать) выполняют функцию разрушения органических веществ до неорганических. Однако границу между консументами и редуцентами провести непросто. Каждый из гетеротрофов (и тигр, и опята на гниющем пне) и создает собственное органическое вещество, и «сжигает» часть органики, полученной с пищей. Может, между консументами и редуцентами нет принципиальной разницы? С точки зрения того, на что они тратят полученное органическое вещество, в общем-то нет. А с точки зрения его получения — есть. Одни организмы потребляют других, адругие—утилизируют запасы органики. Поэтому правильнее считать консументами фаготрофов (животных), а редуцентами —осмотрофов (грибы и гетеротрофные бактерии).

3.3. Примеры экосистем

Примерами экосистем могут быть пруд и луг (сравнение их однородных участков—в таблице 3.3.1), городи поле. Живые организмы и их среда как в пруду, так и на лугу неразделимы. Большая часть органики находится в почве или в твердой фазе.

В воде доминируют микропродуценты, а на суше— макропродуценты (большая часть организма состоит из транспортной и опорной тканей). Ор-

Экологические группы

ПРУД

Луг

Состав

Вес, г/м2

Состав

Вес, г/м2

Продуценты

Фитопланктон

5

Травы

500

Консументы автотрофного яруса

Зоопланктон

0,5

Насекомые

1

Консументы гетеротрофного яруса

Бентос

4

Почвенные беспозоночные

4

Пермеанты (крупные подвижные консументы)

Рыбы

15

Позвоночные

15

Редуценты

Бактерии и грибы

1-10

Бактерии и грибы

10-100

ганические остатки на суше труднее разрушаются, и поэтому накапливается большее количество детрита.

Особенностями экосистемы города являются очень интенсивный обмен энергии, большая потребность в поступлении разнородных веществ и энергии, мощный и разнородный поток отходов. Так, ежегодные энергетические затраты на поддержание в необходимом сотоянии квадратного метра лужайки перед домом такие же, как и на поддержание квадратного метра кукурузного поля. Площадь обеспечения города питанием должна превосходить площадь самого города в 30-100 раз и более, а эксплуатируемые им водосборные бассейны должны быть еще большими.

Экосистема поля относится к агроэкосистемам, которые занимают существенную часть площади планеты (растениеводство — примерно 10%, пастбища —еще 20%). Они характеризуются крайне нестабильными состояниями, которые поддерживаются вложением мышечной энергии (40% полей) или энергии ископаемого топлива (60%). Основными отличиями агросисем от естественных экосистем являются пониженное разнообразие, наличие искусственно созданных компонентов.

3.4. Классификация биомов

А какими бывают биогеоценозы? Всем известно, что биогеоценоз, продуценты в котором представлены в основном деревьями, называется лесом. Расположенные в засушливом климате биогеоценозы, в которых доминируют травы, в Евразии называют степью, в Северной Америке —прерией, в Южной Америке пампой, а в Южной Африке — вельдом. Для того, чтобы разобраться в разнообразии биогеоценозов, нужна определенная классификация. Таких классификаций довольно много, и здесь будет использована та, которая, вероятно, чаще других используется в международном научном сообществе. Единицей этой классификации является биом.

Биом — это крупный тип биогеоценозов, характеризующийся сходным характером растительности и занимающий определенные регионы планеты. Биомы


68


Глава 3. Биогеоценология и экология сообществ


3.4. Классификация биомов


69



регулируются макроклиматом и, в первую очередь, — количеством осадков и температурой (рис. 3.4.1).

Биомы обладают определенной целостностью. Например, между зонами листопадных лесов и степей расположена лесостепная зона, где «встречаются» биомы леса и степи. При существующем климате на территории лесостепи могут быть устойчивыми оба типа биогеоценозов. Лес требует большего количества воды, чем степь, но лесная почва эффективнее удерживает ее, чем степная. Там, где уже существует лес, в почве задерживается достаточно влаги для существования для леса. Там где располагается степь, — для развития леса воды оказывается недостаточно. При изменении влажности или температуры климата происходит постепенное изменение границы леса и степи. Засушливый лес сменяется степью, увлажненная степь порастает лесом. Тем не менее, остается широкая полоса, где мозаично чередуются два типа экосистем. Околоводные участки, балки, низменности оказываются облесенными, а участки с песчаной почвой, хорошо прогреваемые склоны — остепненными. Характерный тип растительности зависит от почвы и климата и влияет на них, а также определяет практически весь состав развивающегося в том или ином месте сообщества.

§300

200

Тайга

100

Тундра

Как отразить взаимоотношения разных типов сообществ друг относительно друга? Два основных метода — ординация (т.е. расположение в каком-то

пространстве в определенном порядке) и классификация (т.е. распределение по отделенным друг от друга группам — классам или таксонам). Ординация подчеркивает континуальность изменений свойств, классификация —дискретность разрывов. Возможна многоуровневая иерархическая классификация сообществ.

Основные биомы на Земле таковы.

Наземные биомы

Тундра. Биом холодного влажного климата, который характеризуется отрицательными среднегодовыми температурами, количеством осадков около 200-300 мм в год и, чаще всего, наличием слоя вечной мерзлоты. Выделяют арктическую, расположенную в высоких широтах, и альпийскую, расположенную в высокогорьях. Растительность—низкорослые многолетники: лишайники, мхи, травы и кустарники.

Тайга. Лесной биом холодного климата с долгой многоснежной зимой и количеством осадков, превышающим испарение. Основные лесообра-зующие породы —хвойные, видовое разнообразие деревьев невелико (1-2 доминирующих вида).

Листопадный лес. Лес умеренного пояса. Развивается в регионах сумеречно теплым летом и относительно мягкой зимой с морозами. Характерно равномерное распределение осадков, отсутствие засух, превышение осадков над испарением. Осенью по мере сокращения длины светового дня происходит листопад. Листопадные леса относительно богаты видами, характеризуются сложной вертикальной структурой (наличием нескольких ярусов).

Степь. Территория травянистой растительности в полузасушливой зоне умеренного климата. Самые многочисленныетравы—злаки и осоки, многие из которых образуют плотную дерновину. Потенциальное испарение превышает количество осадков. Характерны богатые органическим веществом почвы — степные черноземы. Синонимы — прерия, пампа, вельд.

Саванна. Тропические злаково-древесные сообщества, развивающиеся в областях сустойчивым чередованием сухого и влажного сезонов. Отдельные деревья или массивы кустарников разбросаны между открытыми травянистыми участками.

Пустыня. Достаточно разнообразная группа биомов, расположенная в областях с крайне засушливым климатом или, в случае арктической или альпийской пустыни, крайне низких температур. Известны песчаные, каменистые, глинистые, солончаковые и другие пустыни. Типично или среднегодовое количество осадков менее 25 мм, или условия, обеспечивающие очень быстрое испарение влаги.

Чапараль. Жестколистные кустарниковые заросли в средиземноморском климате с мягкой дождливой зимой и засушливым летом. Характеризуется значительным накоплением сухой древесины, приводящим к периодическим пожарам.

Сезонный тропический лес. Распространен в областях с жарким климатом и обилием осадков, в которых осадки распределены в течение года неравномерно, с наличием сухого сезона. Чрезвычайно богат видами.

Вечнозеленый дождевой лес. Самый богатый биом, расположенный в регионах с большим количеством осадков (>2000) и почти постоянной тем-


70


Глава 3. Биогеоценология и экология сообществ


3.5. Экологический баланс


71



Автотрофы

(растения, цианобактерии>

другие фототрофные

бактерии)

пературой (около 26°С). Вэтих лесах сосредоточено 4/5 всех видов растений Земли, преобладает древесная растительность.

Пресноводные биомы

Лентические(стоячие)воды. Лужи, старицы, естественные и искусственные пруды, озера и водохранилища. Условия жизни определяются в первую очередь глубиной (и освещенностью) и количеством биогенов. Обмен биогенами и газами между поверхностью и глубиной часто затруднен.

Лотические (текучие) воды. Ручьи, потоки и реки. Условия очень зависят от скорости течения. Способны перемещать значительные количества воды и других неорганических и органических веществ, тесно связаны с окружающими наземными системами.

Болота. Водоемы с большим количеством органики, разрушение которой замедляется из-за недостатка в воде кислорода; в основном характерны для умеренного и умеренно холодного климата.

Морские биомы

Пелагиаль. Открытый океан и морские глубины вдали от побережий. Продуценты (в первую очередь, фитопланктон) сосредоточены в относительно тонком приповерхностном слое воды, куда проникает свет. Характерно непрерывное опускание биогенов от поверхности в глубину.

Континентальный шельф. Прибрежная зона морей и океанов, доходящая примерно до глубины 200 м. Богатые видами и разнообразные морские сообщества. Самые разнообразные водные экосистемы характерны для коралловых рифов, также относящихся к континентальному шельфу. «Горячие пятна» биоразнообразия характерны и для больших глубин — например, для мест выхода в морскую воду вулканических газов («черные курильщики» и другие феномены).

Зоны апвеллинга. Относительно небольшие по площади зоны океана, где происходит подъем на поверхность глубинных вод, обогащенных биогенами. Оказывают исключительное влияние на продуктивность всего океана в целом.

Эстуарии. Зоны смешения речных и морских вод, образующиеся в морях напротив устьев больших рек. Характеризуются значительным количеством органики, которую выносят в море реки, и постоянными колебаниями солености.

3.5. Экологический баланс

И возникновение жизни на Земле, и ее поддержание — результат преобразования небольшой части солнечной энергии. Живые организмы могут существовать только используя текущий через них поток энергии. Какие процессы обеспечивают этот поток?

Главной группой организмов Земли можно считать фототрофов —бактерий и растений, способных к фотосинтезу. Они черпают необходимую им энергию прямиком из излучения Солнца и переводят в форму, доступную для других организмов. Для гетеротрофов (многих бактерий, грибов и животных) такой формой являются разнообразные органические соединения. Наша доля потока энергии, поступающей от Солнца, течет через нас с нашей пищей.


Сложнее механизмы, которыми обеспечивается существование хемо-трофов. Рассмотрим, например, биоценоз «черного курильщика» — места выхода из недр горячей воды, содержащей сероводород, на дне океана. Там, где содержащая сероводород вода из недр смешивается с океанской водой, содержащей кислород, обитают бактерии-хемотрофы, которые получают энергию благодаря окислению сероводорода. Они живут не только в воде, а и населяют тела крупных двухстворчатых моллюсков и червеобразных животных из типа Погонофоры — рифтий. Этими и другими животными питаются ракообразные и даже рыбы. Можно ли прийти к выводу, что такая экосистема существует независимо от потока солнечной энергии?

Конечно, нет. Экосистема «черного курильщика» использует растворенный в воде кислород, который является результатом фотосинтеза. Используя солнечную энергию, фототрофы создали разность окислительно-восстановительных потенциалов между кислородной атмосферой и недрами, которые носят восстановительный характер. Именно из этой разности химических потенциалов черпают энергию хемотрофы. Получается, что каким-то образом фототрофы «кормят» хемотрофов!

Сколь ни удивительна такая взаимосвязь между двумя группами организмов, самые привычныне взаимосвязи могут показаться еще удивительнее. Наша планета населена двумя группами живых существ, для каждой из которых ресурсами являются отходы или продукты жизнедеятельности другой группы. Речь идет об автотрофах в целом (включая фототрофов) и гетеротро-фах, которые соответствуют друг другу, как две половинки разбитой тарелки. Естественно, такое соответствие не может быть случайным: оно отражает важную закономерность в функционировании биосферы.

Органическое вещество

+

(кислород)

Энергия света

Энергия

органических

веществ

Гетеротрофы

(животные, грибы,

большинство бактерий),

а также автотрофы

С02 (улекис лый газ) + Н20 (вода)

Рис. 3.5.1. Экологический баланс в биосфере основан на равновесии между фотосинтезом и дыханием

Поскольку автотрофы и гетеротрофы неразрывно связаны, важнейшей характеристикой биосферы является соотношение между их основными функциями: созданием и разрушением органики (рис. 3.5.1). Это соотношение называется экологическим балансом (табл. 3.5.1). Конечно, показанные на рисунке отношения упрощены. Органические вещества создаются также в ходе хемосинтеза, а разрушаются при гликолизе (бескислородном расщеплении углеводов в тканях; это от его последствий болят мышцы после тяжелой нагрузки), брожении и горении. Кислород не выделяется, а иногда даже и по-


72                      Глава 3. Биогеоценология и экология сообществ


3.6. Продуктивность экосистем и ее измерение


73



Таблица 3.5.1 Составляющие экологического баланса

Приход органики

Расход органики

Фотосинтез

с3

Аэробное дыхание (с использованием кислорода)

с4

Анаэробное дыхание (с использованием других окислителей)

САМ

Брожение (перестройка молекулы субстрата)

Бактериальный

Горение - неорганический процесс

Хемосинтез

глощается при некоторых бактериальных типах хемосинтеза. При аэробном (кислородном) дыхании скорость разложения органики намного выше; два других пути расщепления органических веществ предусматривают работу целого комплекса функционально различных организмов-преобразователей.

Несмотря на упомянутые процессы, экологический баланс в биосфере с достаточной точностью можно передать через баланс двух самых мощных процессов, изменяющих количество органики — фотосинтеза и дыхания. Значит, в определенной мере этот баланс может быть выражен и через равновесие между кислородом и углекислотой в атмосфере.

Фундаментальное свойство биосферы — положительный итог баланса. Кислородная (то есть окислительная), а не восстановительная атмосфера на Земле —результат сдвига баланса в пользу преобладания фотосинтеза. Часть выделяющегося в ходе этого процесса кислорода тратится на окисление поступающих из недр Земли веществ-восстановителей, а также рассеивается в космическом пространстве. А что происходит с эквивалентной этому кислороду органикой? Она накапливается в экосистеме в виде детрита (от лат. deterereраздроблять) — органического вещества в процессе разложения. Компонентом детрита является гумус — один из продуктов распада органики. Гуминовые кислоты характеризуются переменным составом; в них входят ароматические кольца, азотсодержащие группы, углеводные остатки.

Судьба образованного детрита может быть различной. Часть его поглотят организмы-детритофаги, которые окислят его в ходе своего дыхания. Другая же часть детрита может попасть в условия, где он станет недоступным для дышащих кислородом организмов. Со временем такой детрит превратится в горючие ископаемые: торф, сланцы, уголь, и даже газ и нефть.

Благодаря тому, что в экологическом балансе фотосинтез преобладает над дыханием, в коре накопилось значительное количество органики, имеющей биогенное происхождение, а в атмосферу поступило соответствующее количество кислорода. Эквивалентный накопленной органике кислород расходовался на окисление разнообразных восстановителей, имевшихся на земной поверхности, а также рассеялся в космосе. Сказанное, кстати, означает, что человечество принципиально не может сжечь все запасы органических веществ, накопленные в земной коре— ему попросту не хватит для этого кислорода в атмосфере.

Условия для захоронения органики в разные периоды истории Земли были различными. К примеру, в карбоне (каменноугольном периоде) на


значительной части планеты располагались болота, на которых росли крупные плауны и хвощи. Падая в болотную жижу, деревья попадали в бескислородные условия и со временем превращались в уголь (один из ресурсов, за счет которых существует наша цивилизация). Случайно ли, что в это время существовали самые крупные наземные членистоногие — полуметровые в размахе крыльев стрекозы меганевры, а также достигавшие двух метров в длину многоножки артроплевры?

Размеры тела наземных членистоногих ограничиваются, кроме прочего, их органами дыхания —трахеями (у паукообразных — еще и легочными мешками). Чем крупнее членистоногое, тем сложнее ему подвести воздух по трахеям к каждой клетке. В условиях высокой концентрации кислорода в атмосфере решение этой задачи облегчалось, и членистоногие становились крупнее.

 



© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.