Теория биотической регуляции состояния окружающей среды Земли
Жизнь существует на Земле на протяжении 3, 85 млрд. лет. Все это время средняя приземная температура Земли не выходила за пределы +5 — +50°С и Последние шестьсот млн. лет оставалась в пределах + 10 — +20°С. Это состояние климата ничем физически не выделено. Каков флуктуационный «шум» климатической системы? Флуктуации температуры на 0, 1 С связаны с изменением потока солнечного излучения на 0, 1% Два термодинамически устойчивых состояния Земли
Живое вещество (совокупность всех организмов на Земле) составляет ничтожно малую часть от массы Земли, однако влияние живого вещества на процессы преобразования Земли огромно. Мощность солнечной энергии, затрачиваемой на транспирацию растениями, в 300 (по некоторым оценкам 100) раз превосходит мощность энергопотребления всего человечества. Низкоэнергетические сигналы, вызывающие высокоэнергетические реакции, очень распространены в природе. Например, каждый год миллионы людей и животных гибнут от различных инфекций в результате заражения микроскопическими паразитами, которые составляют малую долю от общего потока энергии в экосистеме (0, 01 – 0, 1 %).
В действительности, ни один живой организм в свободном состоянии на Земле не находится. Все эти организмы неразрывно и непрерывно связаны — прежде всего питанием и дыханием — с окружающей их материально-энергетической средой. Вне ее в природных условиях они существовать не могут. В. И. Вернадский
Термин «Биосфера» ввёл в 1875 г. австрийский геолог Э. Зюсс. Общее учение о биосфере создано в 20— 30 х гг. ХХ в. В. И. Вернадским, развившим идеи В. В. Докучаева о взаимодействующих в природе разнокачественных объектах и явлениях (факторах почвообразования) и самостоятельных природных объектах гетерогенной структуры и состава (почвы, природные зоны). Биосфера включает не только область жизни, но и другие структуры Земли, генетически связанные с живым веществом. Биосфера служит не просто источником ресурсов для человека и приемником отходов его производства и жизнедеятельности это также фундамент жизни, который сам обеспечивает стабильность окружающей среды.
биогеохимические функции живого вещества (по В. И. Вернадскому): • газовые (миграция газов и их превращения); • концентрационные (аккумуляция живыми организмами химических элементов из внешней среды); • окислительно восстановительные (химические превращения веществ, содержащих атомы с переменной валентностью соединений железа, марганца, микроэлементов и т. д. ); • биохимические и биогеохимические функции, связанные с деятельностью человека (техногенез, форма созидания и превращения вещества в биосфере, стимулирующая ее переход в новое состояние – ноосферу).
Роль биоты в химическом разложении горных пород. Благодаря живому веществу биотический круговорот пополняется минералами, высвобождаемыми из литосферы. Например, плесневый грибок в лабораторных условиях за неделю высвобождает из базальта 3% содержащегося в нем кремния, 11% алюминия, 59% магния, 64% железа. Бактерии, сине зеленые водоросли оказывают на горные породы сильнейшее химическое воздействие растворами целого комплекса кислот угольной, азотной, серной и разнообразных органических. Разлагая с их помощью те или иные минералы, организмы избирательно извлекают и включают в биотический круговорот такие важнейшие питательные элементы, как кальций, калий, натрий, фосфор, кремний, микроэлементы, включая тяжелые металлы (например ртуть). Способность концентрировать элементы из разбавленных растворов это характерная особенность живого вещества. Наиболее активными концентраторами многих элементов являются микроорганизмы. Например, в продуктах жизнедеятельности некоторых из них по сравнению с природной средой содержание марганца увеличено в 1 200 000 раз, железа в 65 000, ванадия в 420 000, серебра в 240 000 раз и т. д.
Теория биотической регуляции В. Г. Горшкова и К. С. Лосева Биотическая регуляция окружающей среды означает, что поведение альбедо, парникового эффекта и всех других, важных для жизни характеристик климата Земли, на которые жизнь может воздействовать, находится под контролем глобальной биоты. Создание этой теории было бы невозможно без термодинамической теории устойчивости Н. Н. Семенова и К. К. Ребане и теории коэволюции (В. И. Вернадский, Н. Ф. Реймерс, Н. Н. Моисеев). • Горшков В. Г. (1995) Физические и биологические основы устойчивости жизни. Москва: ВИНИТИ, 470 с.
Две возможные реакции живых организмов на меняющиеся условия среды: адаптация биоты к меняющейся среде биотическая регуляция окружающей среды • адаптация к меняющейся среде особи каждого вида приспосабливаются к изменяющимся условиям окружающей среды, так что эти изменившиеся условия становятся оптимальными для приспособившихся к ним организмов • биотическая регуляция окружающей среды при всех случайных флуктуациях среды жизнь (сообщества организмов) возвращает среду к оптимальному стоянию, не позволяя среде значительно отклоняться от оптимума, желательного для конкретной экосистемы.
Примеры адаптации • Естественные луга, например, встречаются в узкой прибрежной полосе рек и берегов морей. Многие виды, жившие в этих областях, теперь живут на полях и лугах, созданных людьми. Численность этих видов увеличилась на много порядков в сравнении c естественной. Таковы полевые жаворонки и чибисы в сельской местности, вороны (в естественной природе встречающиеся чрезвычайно редко), голуби, стрижи в городах. Воробьи развили огромную численность вблизи жилья людей и вообще исчезли в естественных условиях. • У некоторых видов изменяется естественное распределение особей: например, даурская лиственница — в сообществах в результате постоянных антропогенных пожаров отсутствуют деревья с тонкой корой.
Растения создают прикорневые запасы воды (по результатам нейтронной томографии) Корневые волоски майорана под электронным микроскопом (фото Power and Syred). Слой почвы, прилегающий вплотную к корням и имеющий в толщину всего несколько миллиметров, содержит на 30% больше влаги, чем остальная почва вокруг. Корни растений чрезвычайно сильно влияют на собственное микроокружение. Тончайшие корневые волоски всасывают из почвы воду и минералы и выделяют органические вещества, которые привлекают грибов и бактерий. Микроорганизмы образуют с корневой системой сложнейшее сообщество, довольно сильно влияющее на состояние почвы. Наиболее вероятное предположение: это происходит благодаря гелеобразной массе, которая складывается из выделяемой корнями в почву органики. Эта субстанция может впитать воды в 10 тыс. раз больше её собственной сухой массы. В результате растение создаёт себе водный запас на экстренный случай.
Эти две реакции не могут быть совместимыми Какой из двух стратегий биота нашей планеты в целом следует в действительности, может быть установлено только на основании однозначно интерпретируемого эмпирического материала. Выше было показано, что многие данные об устойчивости климата и глобальном круговороте веществ свидетельствуют в пользу биотической регуляции окружающей среды.
Механизмы биотической регуляции окружающей среды • 1. Выбросы неорганического углерода из земных недр в атмосферу компенсируются с огромной точностью депонированием (запасанием) органического углерода в осадочных породах, так что запасы неорганического углерода в атмосфере сохраняют порядок величины в течение сотен миллионов лет. • 2. Отношения биогенов в океане C/N/P/O (отношения Редфилда) совпадают с отношениями при синтезе органического вещества. Это указывает на то, что концентрации этих биогенных элементов в океане сформированы и поддерживаются биотой.
Механизмы биотической регуляции окружающей среды 3. Круговорот воды на суше определяется биотой суши. Речной сток в океан равен осадкам, приносимым с океана. Речной сток в три раза меньше осадков на суше. Следовательно, 2/3 осадков определяются испарением воды на суше, в котором доминирующая роль принадлежит биоте (транспирация с поверхности листа).
Механизмы биотической регуляции окружающей среды 4. Современные данные по распределению радиоуглерода (изотоп С 14) в океане и изменению концентрации кислорода в атмосфере указывают на то, что невозмущенная биота океана поглощает избытки углекислого газа, выбрасываемые в атмосферу, человеком, т. е. функционирует в соответствии с отрицательными обратными связями, в то время как сильно возмущенная человеком биота суши утратила эту способность.
Механизмы биотической регуляции окружающей среды 5. Концентрация углекислого газа в атмосфере совпадает с концентрацией растворенного СО 2 в поверхностном слое океана и в три раза меньше, чем в его глубинах. Это обеспечивается биотическим насосом: диффузионный поток неорганического углерода из глубин океана к поверхности компенсируется синтезом органического углерода у поверхности и его погружением в глубины океана, где он разлагается. В результате биотой океана поддерживается концентрация углекислого газа в атмосфере в три раза меньшая, чем она была бы в отсутствие биоты.
Таким образом, потоки вещества за счет синтеза и разложения органических веществ естественной биотой совпадают с точностью до одной сотой процента, что делает окружающую среду устойчивой в геологическом масштабе времени. Естественные процессы в биосфере могут очень быстро изменять свойства окружающей среды. Эта скорость в десятки раз превосходит современные скорости антропогенного воздействия на окружающую среду и в десять тысяч раз – средние скорости геофизических процессов.
Компенсация изменений окружающей среды может производиться только невозмущенной или слабовозмущенной биотой. В процессе миллионов лет эволюции были отобраны только те виды, а также сообщества видов, которые способны обеспечить поддержание химического состава биосферы и контролировать до 7 8 значащих цифр в потоках синтеза и разложения органических веществ. Массы химических веществ, вовлеченных в биогеохимические круговороты, и скорости их изменений можно охарактеризовать массами и скоростями изменения органического и неорганического углерода, т. к. массообмен остальных элементов связан с ними стехиометрическими соотношениями.
Антропогенное возмущение естественной биоты характеризуется сегодня следующими цифрами В настоящее время суммарное годовое энергетическое потребление цивилизации составляет 13 1012 Вт в год, тогда как в начале ХХ века оно составляло примерно 1 1012 Вт/год. Площадь разрушенных экосистем суши составляет 63%, а в начале века – 20%, Суммарная биомасса человека, культурных растений и домашних животных, достигла 20% биомассы всех естественных видов, обитающих на суше, тогда как в начале века она не превышала 2%. Культурные растения и домашние животные, а также интенсивно эксплуатируемые леса не способны к биотической регуляции качеств окружающей среды, так как не несут в себе соответствующей генетической информации.
Для возникновения и внедрения новых технологий в системе цивилизации сейчас требуется в среднем 10 лет, то для формирования природных технологий (новых видов) биосфере в среднем необходимо 10000 лет. Различие в три порядка в скоростях адаптационных процессов природных и социальных систем не оставляет шансов для приспособления естественной биоты к изменениям, вызываемым антропогенным влиянием.
Равновесие в экосистемах обеспечивается избыточностью организмов, выполняющих одинаковые функции. Например, если в сообществе имеется несколько видов растений, каждое из которых развивается в своем температурном диапазоне, то скорость фотосинтеза экосистемы в течение длительного времени может оставаться почти неизменной.
Экваториальный дождевой лес может содержать более 5000 видов растений (для сравнения в лесах таёжной зоны — редко более 200 видов) Обычно устойчивость связывали и связывают с биоразнообразием видов в экосистеме (альфаразнообразие), то есть, чем выше биоразнообразие, чем сложнее организация сообществ, чем сложнее пищевые сети, тем выше устойчивость экосистем. На данный момент с повышением биоразнообразия обычно связывают повышение сложности, силы связей между компонентами экосистемы, стабильность потоков вещества и энергии между компонентами Чем выше биоразнообразие, тем большее число сообществ может существовать, тем большее число разнообразных реакций (с точки зрения биогеохимии) может осуществляться, обеспечивая компенсацию возмущений и те самым, существование биосферы в целом
Относительные доли потребления органических веществ на суше организмами разных размеров.
Энергетические соотношения в экосистемах (экологические эффективности) • Соотношения B/R (биомасса к дыханию) • и P/R (продуктивность к дыханию). Первое соотношение (B/R) показывает необходимое количество энергии, затрачиваемой на поддержание существующей биомассы. В случае, если сообщество находится в критических условиях, данное соотношение уменьшается, так как необходимо затратить больше энергии на поддержание той же биомассы. Обычно в таких ситуациях биомасса также уменьшается. Второе соотношение, величина (P/R), характеризует эффективность затрачиваемой энергии (дыхания) на производство биомассы (продуктивность). Такое соотношение можно наблюдать в популяции мелких млекопитающих (к примеру, грызунов).
Соотношения A/I (ассимилированная энергия к поступившей) и P/A (продуктивность к ассимилированной энергии) • Первое (A/I) называется эффективностью ассимиляции, • а второе (P/A) — эффективностью роста тканей. Эффективность ассимиляции обычно варьирует от 1 4 % для растений и до 20 60 % для животных, для которых всё определяется качеством пищи: травоядные обычно усваивают не более 10 15 % поступившей энергии (но этот показатель может достигать и 80 % при поедании семян и плодов). Хищники, наоборот, могут ассимилировать до 60 90 %. Эффективность роста тканей в большой степени зависит также и от коэффициента P/R и изменяется в довольно больших пределах. Поэтому, как и P/R, эффективность роста тканей обычно достигает максимальных значений в популяциях малых организмов, в условиях, где не требуется больших затрат на поддержание гомеостаза.
Соотношение P/B (суммарная продуктивность сообщества к его биомассе) является важной характеристикой зрелости сообщества. Коэффициент P/B безразмерен и может рассчитываться как продукция за определённый промежуток времени к средней за этот промежуток биомассе, или в конкретный момент времени как продуктивность в этот момент к существующей биомассе. Это соотношение обычно намного больше единицы в молодых сообществах, но с ростом числа видов и приближением к климаксному сообществу этот коэффициент стремится к единице.
График изменения соотношения P/B в экосистемах (по А. К. Бродскому, 2002)
Главным ограничителем дальнейшего количественного развития человечества являются ресурсы биосферы, а основным критерием экологического благополучия (или неблагополучия) – уровень потребления ресурсов биосферы на душу населения.
достижение цивилизацией внешних границ развития Социальны е системы Экономичес кие системы Природные системы
• Различие в три порядка в скоростях адаптационных процессов природных и социальных систем не оставляет шансов для приспособления естественной биоты к изменениям, вызываемым антропогенным влиянием. Если для возникновения и внедрения новых технологий в системе цивилизации сейчас требуется в среднем 10 лет, то для формирования природных технологий (новых видов) биосфере в среднем необходимо 104 лет.
климатический предел устойчивости биосферы • Климатический предел устойчивости биосферы определяется уже пережитыми биосферой флуктуациями климата (флуктуации температуры на 0, 1 о С связаны с изменением потока солнечного излучения на 0, 1 % ). Современное энергопотребление человечества составляет 1013 Вт, следовательно, в принципе допустимо увеличение энергопотребления по сравнению с современным уровнем примерно в 10 раз. Это климатический предел устойчивости биосферы.
биологический предел устойчивости биосферы • На фотосинтез расходуется 1014 Вт солнечного излучения, что находится на пределе мощности потребления биоты, не изменяющих естественные температурные флуктуации, то есть мощность биосферы достигла максимальной мощности, совместимой с устойчивостью климата. Человечество может потреблять для своих нужд не более полной мощности всей биосферы – не более 1014 Вт, то есть примерно на порядок больше, чем сегодня. Таков биологический предел устойчивости биосферы.
экологический порог устойчивости • Но оба указанных предела имеют приписываемое им значение лишь в условиях сохранения биосферы, поддерживающей благоприятные условия окружающей среды. Поэтому реально существующим для развития человеческой цивилизации порогом устойчивости является экологический порог, который связан с поддержанием устойчивости окружающей среды.
• Человек самое могущественное существо способное изменять функционирование экосистем. Человеческий мозг до сих пор опирался в основном на положительную обратную связь, управляя природой и властвуя над ней. Это привело к развитию техники и росту эксплуатации ресурсов. Но этот процесс в конце концов приведет к снижению качества человеческой жизни и разрушению окружающей среды, если не будут найдены пути адекватного управления социоприродного развития цивилизации с помощью отрицательной обратной связи.
• При применении термодинамики к биологическим системам необходимо учитывать особенности организации живых систем: 1) биологические системы открыты для потоков вещества и энергии; 2) процессы в живых системах в конечном счете имеют необратимый характер; 3) живые системы далеки от равновесия; 4) биологические системы гетерофазны и структурированны.
Резистентная и упругая устойчивость (по Ю. Одуму, 1986) Резистентная устойчивость (от латинского сопротивляемость) – это способность системы сопротивляться нарушениям, поддерживая неизменными свою структуру и функции. Упругая устойчивость – это способность системы быстро восстанавливаться после нарушения структуры и функций.
• Человек относится к гетеротрофам; несмотря на все совершенст во техники, он нуждается в ресурсах жизнеобеспечения, т. е. воздухе, воде, пище, различных видах энергии. Существование человека возможно только при сохранении регулирующих механиз мов, которые позволяют биосфере приспособиться к некоторым антропогенным воздействиям. Стремясь снизить уровень загрязнения окружающей его среды, человек должен в равной степени стре миться к сохранению механизмов саморегуляции, поддерживающих естественные системы жизнеобеспечения планеты, т. е. к сохранению установившегося в природе экологического равновесия. Последнее не всегда достигается только снижением уровня загрязнения и экономным использованием природных ресурсов
Скачать презентацию Теория биотической регуляции состояния окружающей среды Земли
Теория биот.регуляции.ppt