11. Немного о конструкции биосферы

Синтез и разрушение органики

Прежде всего напомним, как вся Природа устроена. Часть организмов производят органическую продукцию, и производят ее очень много. Как уже говорилось, в лесах одной только Бразилии урожай зеленой массы достигает 1,5 тысяч тонн на гектар в год. Остальные организмы потребляют эту продукцию достаточно интенсивно, так что она почти не накапливается.

Потребителей разделяют обычно на две группы: консументы и редуценты. О продуцентах и консументах мы уже говорили, обсуждая необходимость автотрофности человека, здесь же чуть больше вспомним о редуцентах. Именно к н им попадает остаточный незначительный объем продукции, пройдя цепи консументов. Их задача – перевести эту оставшуюся органику в неорганические соединения, пригодные для потребления продуцентами (продуценты органику не потребляют, а только изготавливают). Стало быть, вся масса изготовленного органического вещества должна быть снова переведена в неорганическое, и, в конечном счете, это проделывают редуценты.

Кто же такие редуценты, производящие столь гигантскую работу? Мы о них уже говорили. Это микроорганизмы  бактерии, грибы, простейшие. Именно на них опираются планетарные круговороты веществ. Если можно так выразиться, они осуществляют жизнеобеспечение биосферы. Особенность этих организмов еще и в том, что многие из них, например цианобактерии, могут производить органическое вещество. Всего 3 млрд. лет назад вся биосфера состояла из крошечных анаэробных (могущих жить в бескислородный среде) организмов, которые осуществляли и круговорот веществ, и поток энергии в ней. Затем появились первые фотосинтезирующие организмы (кстати, тоже микроорганизмы), и началось накопление кислорода в атмосфере планеты. С этого началась эволюция организмов и усложнение жизненных форм, появились первые многоклеточные.

Это нужно помнить, ибо и сейчас еще на нашей Земле имеются эти древнейшие организмы, могущие и вырабатывать органическое вещество, и разлагать его до неорганического. Что бы ни произошло на планете, биосфера сократится до своего первобытного состояния, но уцелеет.

Закономерности соотношений жизненных форм

Вернемся к накоплению кислорода и появлению современного соотношения кислорода и углекислого газа в атмосфере. Это животрепещущий вопрос современности, от него во многом зависит существование человека. Ученые считают, что именно накопление кислорода в атмосфере, а также уменьшение концентрации углекислого газа и сделало возможным эволюцию и, вследствие ее, появление высших форм жизни. Когда это соотношение изменялось, тогда резко возрастало количество углекислого газа, а за ним значительно увеличивалась продукция органики. В такие времена консументы с редуцентами оказывались не способными справиться с ней. Избыточно накапливающееся органическое вещество – это уже нарушение природного энергетического цикла в биосфере. Сбой же в ее функционировании приводит к потере стабильности и гибели наиболее сложных форм жизни. Как следствие такой дестабилизации увеличивались накопления органических соединений. Такое случалось в истории нашей планеты не так уж редко. Увеличение углекислоты и сильное потепление климата было в карбонском периоде, затем повторялось в пермском, в юрском, меловом. Так в недрах появились запасы угля и нефти. В промежутках на планете сохранялось подвижное равновесие в соотношении кислорода и углекислого газа, и круговороты вещества в биосфере выполнялись. Случалось неоднократно и изменение соотношения газов в сторону увеличения кислорода и снижения углекислоты. Такое нарушение равновесия углекислоты и кислорода в конце мелового периода стоило жизни динозаврам и высшим растениям того времени. Ведь с увеличением доли кислорода в атмосфере на планете резко похолодало.

За последние 8090 лет концентрация углекислого газа стала расти, и это опять создает серьезную проблему. Что же может произойти? Вначале должно случиться потепление климата. Затем возникнут катастрофы, связанные с таянием льдов, но впоследствии, при дальнейшем изменении этого соотношения, биосфера может вернуться к давнему своему состоянию избытка углекислого газа и недостатка кислорода. Тогда она потеряет высшие формы жизни. Она может вернуться даже к очень давнему своему состоянию, которое было 34 млрд. лет назад, и наземная жизнь была представлена только анаэробами. Как видите, биосфера не погибнет, а только видоизменится, и у нее останутся возможности произвести со временем новые высшие формы жизни, при наступлении благоприятного соотношения кислорода и углекислого газа.

Кстати, Земля начала формироваться около 4,5 млрд. лет назад, но в 3,8 млрд. лет назад она, видимо, обладала уже мощной биосферой и громадной массой живого вещества. По утверждению В. И. Вернадского эта масса с тех пор остается примерно постоянной. То есть на протяжении всей истории планеты, ее биосфера обладает практически постоянной биомассой.

Простейшее объяснение этого, кажущегося невероятным, факта содержится в структуре биосферы. Развиваясь, она создает все более сложные конструкции живого вещества, но по массе они остаются ничтожны. Как известно, суммарная биомасса только на суше составляет примерно 10¹³ тонн, а биомасса почвенных микроорганизмов при этом оказывается примерно 10⁹ тонн. Это уже три четверти биомассы суши. Так что даже самое грубое рассмотрение соотношений уровней организации живого в биосфере планеты дает по массе тот же результат: биосфера нынешняя, в основном, тоже состоит из простых одноклеточных организмов.

Отчего так хорошо сохраняется планетарная масса живого? Оттого, что существует “давление жизни”. Каждая популяция стремится полностью занять свое местообитание и по возможности его расширить. Вид, в свою очередь, заполняет весь свой ареал и тоже стремится его расширить. Для этого у живого есть мощный потенциал – способность размножаться в геометрической прогрессии. В первичной биосфере потенциал размножения большинства жизненных форм реализовался с небольшим числом помех. Планета была свободна, и поэтому биомасса нарастала очень быстро. Можно предположить, что произошел своеобразный «взрыв» появившейся жизни. Если это было так, то формирование первичной биосферы в исторические времена проследить невозможно. Оно случилось на очень небольшом отрезке времени. В дальнейшем же этот планетарный объем был заполнен жизнью – сформировалась биосфера. Далее и до нашего времени происходят изменения только в ее структуре. Развиваются все более сложные по строению живые объекты. Их суммарная масса сравнительно мала, так что суммарные изменения биомассы живого на планете мало заметны. Ведь ее основу по-прежнему составляют те же объекты, что и у первичной биосферы.

Основа живучести биосферы

У моего читателя может возникнуть справедливое недоверие. Ведь если человек своей деятельностью захочет уничтожить биосферу (или по незнанию слишком сильно на нее подействует), то что же ему помешает сделать это? Для прояснения вопроса нужно разобраться в двух вещах:

а) кому легче сохраниться на поверхности планеты  человеку или микроорганизмам;

б) смогут ли мельчайшие организмы поддерживать кругообороты веществ и потоки энергии в биосфере?

Это позволит ответить на вопросы: останется ли на планете биосфера хоть в каком-либо виде после очень сильного воздействия на нее, и сможет ли этот «остаток» функционировать и развиваться?

Отвечая на первый вопрос, напомним, какие условия может выдержать человек и высшие формы жизни, сравнимы ли они с возможностями выживания у микроорганизмов? Комфортная температура для человека колеблется между 18 и 22 градусами тепла Он может летать в космосе, но для этого в камере пилота поддерживаются все те же комфортные условия. Летает всего несколько человек, на которых в это время работает значительная часть общечеловеческого производства. Когда же речь заходит о вариантах атомной войны, то сразу говорят о гибели биосферы, ибо экран из пыли, поднятой с поверхности планеты, может погрузить Землю в «постъядерную» зиму на долгое время. Однако в такой зиме биосфера не погибнет, а просто лишится высших форм жизни. Микроорганизмы, их споры, споры грибов могут достаточно продолжительно выдерживать не только холод «ядерной» зимы, но и космический холод. Жизнедеятельность многих из них не нуждается в кислороде. Не погибают они и при температурах много ниже  100⁰ С.

Если мы станем рассчитывать ПДК для микроорганизмов практически на любые вредные вещества, то легко убедимся, что устойчивость их к этим веществам гораздо больше, чем у высших организмов. Кроме того, эти крошки, обладая гигантской скоростью размножения, легко образуют штаммы, невосприимчивые к воздействию вредных веществ. Таким образом, они сохраняют свои популяции и даже обучаются использовать все новые вещества для своей жизнедеятельности.

Доктор биологических наук В. М. Курачев указал на еще одну причину повышения выживаемости микроорганизмов в природной обстановке по сравнению с высшими формами жизни. Он предположил, что природа любого антропогенного воздействия (особенно на суше) имеет одну общую особенность – микроочаговую локализацию. Микроорганизмам с их малыми размерами тела, безусловно, проще найти очаг с относительно слабыми воздействиями, чем крупному организму.

Из сказанного не трудно прийти к выводу, что при экстремальных условиях на поверхности планеты легче сохраниться микроорганизмам, нежели высшим формам живого. Они могут переждать значительный по времени период неблагоприятных воздействий и восстановить свою жизнедеятельность и численность, возобновив функционирование биосферы на планете.

Теперь обсудим второй вопрос  о возможности функционирования биосферы, состоящей только из микроорганизмов. В настоящее время микроскопические организмы (бактерии, водоросли, грибы, простейшие) составляют ту массу организмов-редуцентов, которая и справляется со всей производимой на планете органикой. Казалось бы, для такой гигантской работы необходимо, чтобы микроорганизмы по массе на Земле превосходили все прочие формы жизни. Учет их численности и массы до сих пор остается одной из сложнейших проблем экологии, и до сих пор не существует достоверных данных. Однако некоторые сведения все-таки собраны. Бактерий в почвенном слое может быть до 500 кг на гектар, грибов  до 200 кг. Другие, более обобщенные данные для наземных экосистем: численность микроорганизмов достигает 10¹⁵ на квадратный метр, а их биомасса  до 100 г (сухого веса) на квадратный метр. Даже эти цифры говорят о том, что масса микроорганизмов на планете весьма велика, однако мало вероятно, чтобы они превосходили по суммарной массе все прочие формы жизни. Последнее парадоксально, потому что не ясно, как в этом случае им удается расщепить до минерального состояния всю органику, созданную продуцентами. Конечно, заметную помощь здесь оказывают консументы, уменьшая эту огромную массу, оставляя от нее только десять процентов на каждом следующем трофическом уровне. И все-таки конечный остаток органики перед минерализацией остается очень значительным.

Чтобы легче осознать происходящее, обратимся к «перевернутым» экологическим пирамидам в водных экосистемах. Там все наоборот: в основании находится не самая большая, а самая маленькая масса микроорганизмов-продуцентов, и на них ухитряется развиться огромная пирамида консументов. Если мы возьмем из океана пробу воды достаточно крупного объема, то там окажется множество организмов. Среди них будет несколько граммов различных микроорганизмов и одноклеточных водорослей, ничтожная масса простейших, чуть больше коловраток, щетинкочелюстных и рачков. Наверное, попадется несколько килограммов мелкой рыбы и, скажем, средняя по величине акула (с массой чуть более 50 кг). Так и оказалась, что самая большая масса попала в самый верх пирамиды. Создает же эту парадоксальную ситуацию интенсивность продукции перечисленными организмами. Если мы введем в такую водную пирамиду коэффициент времени, то все встанет на свое место, и продукция распределится закономерно. Ведь за год акула произведет на свет одного или двух детенышей, то есть создаст добавочную массу меньше собственного тела. За то же время бактерии и водоросли произведут массу продукции в сотни и даже тысячи таких акул. Мелкие рачки за год тоже дадут привес примерно в десятки акул. Вот и восстановилась наша нормальная пищевая пирамида, как только мы добавили сюда еще и время жизни экосистемы.

Можно дополнительно обратиться еще к одному экологическому правилу, которое объясняет относительно малые размеры суммарной массы микроорганизмов: чем меньше организм, тем выше его удельный обмен веществ. Это правило распространяется и на высших животных: скажем, у личинок относительный обмен веществ интенсивнее, чем у взрослых форм, у яиц – соответственно выше, чем у личинок. Именно поэтому у водорослей, бактерий, простейших  удельный метаболизм¹ (на грамм массы тела) много выше, чем у крупных форм, а стало быть, и работа их значительно интенсивнее. Все это убеждает нас в том, что ни численность, ни биомасса не могут служить точным показателем (или вообще показателем) того, что делают мелкие организмы, и какова скорость их деятельности.

На основании сказанного можно сделать вывод о том, что интенсивность деятельности позволит биосфере, состоящей из микроорганизмов, поддерживать огромные обороты вещества и потоки энергии на планете. Во всяком случае, не меньшие, чем они были в первичной биосфере 3  4 млрд. лет назад.

А также можно полагать, что сохранится способность к эволюции и постепенное усложнение организации жизненных форм. Неуклонно будут совершенствоваться колониальные одноклеточные, и появятся первые в этом цикле преобразований многоклеточные существа. Они станут специализироваться, накапливать наследственные задатки, увеличивать число форм. Опять на каком-то этапе сформируется нервная система, и начнет развиваться мозг. Всего каких-то 300400 млн лет может понадобиться для появления нового интеллекта. Он, по-видимому, будет устроен не так, как нынешний. Эволюция необратима и не повторит в точности предыдущий путь. Однако интеллект разовьется, осознает себя, и дай ему Бог уцелеть на планете, сохранившись вместе с ней.

Нужно помнить, что вовсе не обязательно случится ядерная война. Ничуть не безопаснее для человечества пренебрежение экологическими законами, малоосмысленное расширение промышленной деятельности с ее неминуемыми катастрофами. Накапливаясь, катастрофы своим следствием тоже будут иметь глобальную перестройку биосферы. Новые, появившиеся в результате этого характеристики живой оболочки тоже могут исключить существование в ней человека и всех высших животных и растений.