Напряженность жизни в биосфере выражается в росте и размножении организмов, которое происходит по закону геометрической прогрессии (при сравнении двух поколений число потомков превышает число предков). Эта закономерность размножения была использована Ч. Дарвином в учении о естественном отборе. Он писал: "Не существует ни одного исключения из правила, по которому любое органическое существо естественно размножается в столь быстрой прогрессии, что, не подвергайся оно истреблению, потомство одной пары скоро бы заняло всю Землю".
Смена поколений за единицу времени дает представление о скорости размножения. Наиболее высокая скорость размножения характерна для бактерий: в сутки у них сменяется до 60 - 65 поколений, т.е. каждое поколение образуется по истечение 20 - 24 мин. Медленнее всего размножаются крупные многоклеточные животные и растения. Зная скорость размножения организмов и их размеры, можно вычислить время заселения организмами всей поверхности Земли при отсутствии преград для их размножения. К таким преградам следует отнести следующие: неприемлемые термодинамические условия, недостаток источников питания, изменения внешней среды в результате деятельности самих организмов, борьба за существование как один из факторов эволюционного процесса.
Без учета преград для размножения время заселения Земли дрожжевыми клетками составляет несколько часов, некоторыми бактериями - 1,25-1,8 сут., отдельными видами насекомых - 203 - 392 сут., некоторыми цветковыми растениями - 11 лет, рыбами - 4-12 лет,
81
птицами (курами) - 15 - 18 лет, млекопитающими: крысами - 8 лет, индийскими слонами - более 1000 лет.
В настоящее время описано около 2 млн видов организмов, из них на долю растений приходится около 500 тыс. видов, а на долю животных - 1,5 млн видов. Полагают, что их в 5 -10 раз больше, чем описано. Органический мир суши более разнообразен, чем органический мир водной среды. Масса живого вещества поверхности континентов в 800 раз превосходит биомассу Мирового океана. На поверхности континентов растения по массе резко преобладают над животными.
В Мировом океане наблюдается обратное соотношение. Свыше 90 % биомассы морей приходится на долю животных.
Каждый вид имеет определенную продолжительность жизни (10 - 30 млн лет). Отсюда следует, что из сотен миллионов видов, живших на Земле, 95% уже исчезли.
Биосфера представляет собой сложную систему, все части которой взаимодействуют друг с другом, в результате возникает круговорот веществ. Эта система открытая и может существовать только в условиях притока энергии от Солнца. Биосфера является саморегулирующейся системой, способной компенсировать малые возмущения. Здесь выполняется принцип Ле Шателъе-Брауна: при действии на систему сил, выводящих ее из состояния устойчивого равновесия, в ней возникает движение, при котором эффект этого воздействия ослабляется. Для устойчивости биосферы необходимо разнообразие ее частей (закон Эшби У.Р.). Некоторые крупные возмущения биосфера гасить не в силах, например, при:
- распаде экосистем, который приводит к опустыниванию;
- появлении неустойчивых систем типа агроценозов (сельского хозяйства) и городских комплексов, которые не могут существовать самостоятельно и поддерживаются деятельностью людей;
- росте концентрации двуокиси углерода СО2 в атмосфере.
Наряду с биологическим круговоротом в биосфере протекает и круговорот воды, источником энергии для которого служит излучение Солнца. В этом круговороте активно участвуют и живые организмы. Особенно велика роль транспирирующих растений, на создание единицы продукции которых требуется в сотни раз больше транспирируемой влаги.
В пределах ландшафтов круговорот воды заключается в испарении ее с поверхности почвы, водоемов и растений, концентрировании облаков и выпадении осадков. В пределах всей планеты этот круговорот выражается в водообмене океаны-материки. Вода, испаряемая с поверхности океана, переносится ветрами на материки, выпадает над ними и с речным и подземным стоком вновь возвращается в океан. Круговорот воды - главный агент механической работы в биосфере, тогда как биологический круговорот обусловлен в основном химическими процессами, которые сопровождаются
82
превращением химической энергии. Та работа, которая совершается на Земле водами, - разрушение, растворение и т. п. - производится или при участии живых организмов, или за счет продуктов их жизнедеятельности. Перемещение воды осуществляет в биосфере процессы эрозии, транспорта, перераспределения, осаждения и накопления механических и химических осадков на суше и в океане.
Солнечная энергия вызывает также планетарные перемещения воздушных масс в результате их неравномерного нагревания. Возникают грандиозные процессы атмосферной циркуляции, которые носят ритмический, сезонный характер.
Все эти планетарные процессы на Земле тесно переплетены, образуя общий, глобальный, круговорот вещества, перераспределяющий энергию, поступающую от Солнца. Он осуществляется через систему более мелких, локальных, круговоротов. К этим циклам подключаются тектонические процессы, обусловленные вулканической деятельностью и движением океанических плит в земной коре. В результате на Земле поддерживается большой геологический круговорот веществ.
Любой малый биологический круговорот вещества характеризуется многократным включением атомов в тела живых организмов и выходом их в непосредственно окружающую среду, откуда они вновь могут быть использованы организмами. Скорости этих включений и время удержания атомов в составе биомассы для каждой конкретной экосистемы различны.
Скорость биологических круговоротов на суше составляет годы и десятки лет, а в водных экосистемах - несколько дней или недель.
Биологический круговорот суши и биологический круговорот гидросферы объединяют круговороты отдельных ландшафтов посредством водного стока и атмосферных перемещений. Особенно большую роль циркуляция атмосферы и воды играет в объединении всех материков и океанов в единый круговорот биосферы.
Большой геологический круговорот вовлекает осадочные породы в глубь земной коры, надолго выключая содержащиеся в них элементы из системы биологического круговорота. В ходе геологической истории метаморфизированные осадочные породы, вновь оказавшись на поверхности Земли, постепенно разрушаются деятельностью живых организмов, воды и воздуха и снова включаются в биосферный круговорот.
Биосфера выступает как огромная, чрезвычайно сложная экосистема, работающая в стационарном режиме на основе тонкой регуляции всех составляющих ее частей и процессов.
Стабильность биосферы основывается на высоком разнообразии живых организмов, отдельные группы которых выполняют различные функции в поддержании общего потока вещества и
83
распределении энергии, на теснейшем переплетении и взаимосвязи биогенных и абиогенных процессов, на согласованности циклов отдельных элементов и уравновешивании емкости отдельных резервуаров. В биосфере действуют сложные системы обратных связей и зависимостей.
Как показывают исследования, по крайней мере последние 600 млн лет, начиная с кембрия, характер основных круговоротов на Земле существенно не менялся. Осуществлялись фундаментальные геохимические процессы, характерные и для современной эпохи: накопление кислорода, связывание инертного азота, осаждение кальция, образование кремнистых сланцев, отложение железных и марганцевых руд и сульфидных минералов, накопление фосфора и т.д. Менялись лишь скорости этих процессов. По-видимому, не менялся существенно и общий поток атомов, вовлекаемых в живые организмы. Есть основание считать, что масса живого вещества оставалась приблизительно постоянной, начиная с карбона, т.е. биосфера с тех пор поддерживает себя в определенном режиме круговоротов. Стабильное состояние биосферы обусловлено в первую очередь деятельностью самого живого вещества, обеспечивающей определенную скорость фиксации солнечной энергии и биогенной миграции атомов. Таким образом, жизнь на Земле сама стабилизирует условия своего существования, что дает ей возможность развиваться бесконечно долго.
Однако стабильность биосферы имеет определенные пределы и нарушение ее регуляторных возможностей чревато серьезными последствиями.
Выступая как важнейший агент связывания и перераспределения на поверхности Земли космической энергии, живое вещество выполняет тем самым функцию космического значения.
Однако в настоящее время на Земле появилась новая сила, по мощности воздействия на поверхностные оболочки планеты почти не уступающая суммарному действию живых организмов. Эта сила - человечество с его социальными законами развития и мощной техникой, позволяющей влиять на вековой ход биосферных процессов. Современное человечество использует не только огромные энергетические ресурсы биосферы, но и небиосферные источники энергии (например, атомной), ускоряя геохимические преобразования природы. Некоторые процессы, вызванные технической деятельностью человека, направлены противоположно по отношению к естественному ходу их в биосфере (рассеивание металлов руд, углерода и других биогенных элементов, торможение минерализации и гумификации, освобождение законсервированного углерода и его окисление, нарушение крупномасштабных процессов в атмосфере, влияющих на климат, и т.п.).
В. И. Вернадский считал возможным говорить даже об автотрофной роли человечества, понимая под этим возрастающие масштабы
84
искусственного синтеза органических материалов, различных полимеров и других веществ, часто даже не имеющих аналогов в живой природе.
Современная деятельность человека во многом нанесла непредвиденный ущерб окружающей среде, что в конечном итоге угрожает дальнейшему развитию самого человечества. Эти изменения на данном этапе еще не являются непоправимыми. Поэтому одна из основных задач современной экологии - это изучение регулятор-ных процессов в биосфере, создание научного фундамента ее рационального использования. Основные законы функционирования биосферы уже вырисовываются, но предстоит еще многое сделать объединенными усилиями экологов всех стран мира.
85