Таинственные явления природы и Вселенной - Сергей Минаков

Еще до конца XXI века нерациональная разработка месторождений приведет к тому, что практически все запасы полезных ископаемых планеты будут истощены.

Биосферу в целом можно подразделить на косные и живые компоненты. Косные компоненты — это химические соединения и физические тела, не входящие в данный момент времени в состав живых организмов. Это, прежде всего, газы, находящиеся в свободном состоянии (в атмосфере) или растворенные в водных бассейнах, вода в виде водяного пара, рек, озер, морей, океанов и ледников, различные неорганические и органические соединения, растворенные в этой воде и накапливающиеся в донных отложениях и почве, еще не претерпевшие полной деструкции отмершие компоненты живых организмов (листья, сучья, сброшенная при линьке шерсть и т. п.) и трупы самих этих организмов (от вирусов и бактерий до слонов и баобабов). По самой приблизительной оценке косные компоненты составляют более 99 %, а живые — менее 1 % общей массы биосферы. Косные компоненты распределены по всей биосфере относительно равномерно. Значительное количество их включено в постоянный биологический круговорот, то есть периодически входит в состав живого. Химические соединения, выходящие из биологического круговорота и слагающие, например, мощные осадочные породы, не включают в понятие биосфера.

В отличие от косных компонентов, живые компоненты биосферы четко структурированы. Элементарными структурами биосферы являются биоценозы (так в науке называются биосистемы), слагаемые, в свою очередь, взаимодействующими популяциями, состоящими из отдельных индивидуумов.

По примерным данным, около 1 % всей биомассы Земли приходится на микроорганизмы и животных (2,3 × 1016 г) и около 99 % — на зеленые растения (2,4 × 1018 г). Только 0,13 % биоты обитает в океанах, а остальные 99,87 % — на континентах.

В настоящее время на Земле известно около 100 тыс. видов микроорганизмов (бактерии, простейшие, грибы и водоросли), 150 тыс. видов высших растений и 1 млн видов животных, из которых более 800 тыс. приходится на членистоногих. В отдельные биоценозы входят десятки и сотни взаимодействующих друг с другом видов, представленных популяциями, состоящими из сотен (для животных), тысяч (для растений) и миллионов (для микроорганизмов) особей. Жизнедеятельность этих последних и обусловливает, в конечном счете, стабильность характеристик биосферы и ее элементный состав.

80 % всех добываемых природных богатств потребляется 20 % населения планеты. Причем бо’льшая часть ресурсов добывается в развивающихся странах, а ровно половина малоимущих всего мира живет в богатых ресурсами странах.

Круговорот живого

Биосфера не остается неизменной. Она ведь живая! Она изменяется, находится в движении, ее составляющие обмениваются между собой веществом и энергией. Особенностью биосферы, ее элементного состава является постоянный круговорот, то есть переход из косного в живое и обратно. Различные химические элементы, захваченные в период становления биосферы вихрем этого круговорота, иногда медленно вырываются из него, устремляясь в космическое пространство (молекулы газов) или выделяясь в виде водонерастворимых соединений, слагающих осадочные породы (известняки, сланцы), а также в виде залежей угля, нефти и некоторых рудных месторождений. Столь же медленно им на смену в биосферу включаются новые атомы, извлекаемые хемотрофами из основных пород. Многократное «пропускание» через биологические компоненты одних и тех же атомов вещества — один из основных законов функционирования биосферы. Но общее количество вещества, находящегося в «обороте», ограничено. Именно это, как считают ученые, налагает основные ограничения на изменения количества живого вещества на нашей планете, определяя его постоянство.

По мнению известного Гарвардского биолога Уилсона ежегодно с лица Земли исчезает около 30 000 видов живых организмов. К концу этого столетия Земля лишится около половины своего теперешнего биоразнообразия.

Круговорот атомов в биосфере определяется тремя основными факторами: метаболизмом организмов, их размножением и их отмиранием. Во время становления биосферы, когда биомасса живого вещества возрастала, стремясь к своему пределу (на котором находится и по сей день), размножение, в общем, преобладало над гибелью и сопровождалось ростом дифференциации организмов по их трофическим функциям, то есть увеличением количества видов. Этот период характеризовался вовлечением все большего количества атомов косного вещества в биологический круговорот. Однако по мере формирования биосферы, наряду с продолжающимися сменами ее видового состава и формированием все новых вариантов биоценозов, общая масса биоты возрастала все медленнее и наконец стабилизировалась на современном уровне. Произошло это не менее 2–3 млрд лет тому назад.

Чем было обусловлено окончание этого процесса? Был ли достигнут предел возможности использования солнечной энергии или предел доступности первичных источников атомов? Или это — гигантское равновесие химических реакций, когда количество вновь синтезируемого продукта сравнивается с количеством разрушающегося? Или — результат насыщения «емкости» жизненного пространства? Как бы то ни было, можно полагать, что стабилизация количества биомассы на Земле была тесно связана с ускорением образования новых видов, то есть с ускорением процесса эволюции.

Эволюционирующими единицами являются не отдельные индивиды. Это слишком малые части живого целого, они ничего не решают. Действующими агентами биоэволюции являются популяции. Они образуют так называемые информационные системы 2-го рода.

Каждый живой организм представляет собой информационную систему 1-го рода. Такая система состоит из генетической информации и кодируемых ею операторов — цитоплазматических и соматических компонентов организма. Популяции живых организмов составлены из множества информационных систем — организмов, связанных общностью происхождения и вписанных в тот или иной биоценоз, составляющий, вместе с окружающей средой, их экологическую нишу. Популяции организмов одного и того же вида могут быть включены не только в идентичные, но также в различающиеся биоценозы — в этом проявляется полипотентность присущей им генетической информации.

Каждую популяцию, из каких бы организмов она ни состояла, можно охарактеризовать двумя параметрами: средним временем удвоения количества ее особей в условиях конкретной экологической ниши и средней продолжительностью жизни этих особей в данных условиях. Если взять отношение этих показателей, получится важный параметр, который отражает надежность популяции как биосистемы в определенных условиях. Обозначим его L. Если этот параметр больше единицы (то есть время удвоения больше времени жизни особей в популяции), то, благодаря размножению организмов, происходит возрастание численности популяции. Если параметр надежности равен 1, будем иметь простое их воспроизведение, и численность популяции сохраняется на некотором постоянном уровне. А вот если этот параметр оказывается меньшим единицы — дело плохо, преобладает отмирание, и численность популяции уменьшается.

Кстати, при L = 1 дела популяции тоже не так уж хороши. Состояние системы, представленной популяцией таких организмов, становится нестабильным. А это значит, что любые флуктуации среды обитания, в том числе сдвиги внутри экосистемы, могут «качнуть» популяцию в сторону вымирания, и этот сдвиг, скорее всего, будет фатальным и приведет систему к гибели. Существует давно сформулированная теорема, согласно которой при L = 1 популяция обречена на гибель по чисто внутренним причинам. С течением времени численность такой популяции все более флуктуирует, и, когда она приблизится к нулю, популяция исчезнет. Конечно, время гибели популяции при L = 1 сильно зависит от ее исходной численности, но результат остается неизменным: даже при сколь угодно большой исходной численности популяции, если время стремится к бесконечности, вероятность ее выживания, к сожалению, будет стремиться к нулю. Уменьшение времени жизни особей в популяции ускорит наступление ее гибели. Поэтому понятно, что стабильность или надежность популяции определяется неравенством L > 1, и тем она выше, чем больше величина параметра L.

Конечно, утверждение, что при L = 1 популяция обречена, теоретическое. В самом деле, если бы это было строго-настрого так, живые существа уже давно исчезли бы! Условие L > 1 означает, что численность особей в популяции возрастает в геометрической прогрессии. Но на самом деле этого не происходит. Численность природных популяций в среднем стабильна. Скорее, дело идет о воздействии, о своеобразном «давлении жизни». Отношение L > 1 отражает ту «силу жизненного противостояния», с которой система организмов сопротивляется разрушительному воздействию на нее различных внешних «помех».