Geum.ru

Высшее профессиональное образование т. Я. Дубнищева концепции современного естествознания

Вид материалаДокументы

Содержание


14.4. Самоорганизация в формировании климата
Подобный материал:
1   ...   45   46   47   48   49   50   51   52   53
14.3. Связи между организмами в экосистеме

Биосфера — совокупность всех живых организмов вместе со средой обитания. Эту среду составляют вода, нижняя часть атмосферы и верхняя часть земной коры, населенная микроорганизмами. Живые организмы и среда непрерывно взаимодействуют и

568

находятся в тесном единстве, образуя целостную систему. Как самая глобальная система на Земле биосфера состоит из ряда подсистем. Вернадский впервые в своих лекциях в Сорбонне в 1923 — 24 гг. указал на геологические функции живого вещества, разработал представление о совокупности всего органического мира как единого целого. Эти лекции вдохновили двух молодых людей — Тейяра де Шардена и Ле Руа — на раздумья о месте и назначении человека в природе. Фактором, объединяющим все уровни организации живого в единое целое — биосферу, — является биотический обмен веществ.

Биосфера — единство живого и минеральных элементов, вовлеченных в сферу жизни. Она — иерархически построенное единство, включающее разные уровни жизни: особь, популяция, биоценоз. В процессе исторического развития сложились различные группы организмов — сообщества, взаимодействующие со своей средой обитания. Крупнейшие наземные сообщества, тесно связанные с определенными природными зонами и поясами, называются биомами. Растения и животные существуют в тесной зависимости от окружающей неживой природы и от других организмов, испытывают на себе их воздействие и приспосабливаются к ним. Биоценоз, или сообщество, — это совокупность растений или животных, населяющих участок среды обитания. Биогеоценоз, или экосистема, — это совокупность сообщества и среды его обитания. Биоценоз — живая часть биогеоценоза — состоит из популяций организмов разных видов, в них сосуществуют популяции видов с разной историей (как и наблюдаемые звезды, каждая из которых имеет свой возраст и свою историю).

Жизнь распределена по земной поверхности крайне неравномерно и в различных природных условиях принимает вид относительно независимых комплексов — биогеоценозов (или экосистем). Каждый из уровней относительно независим от других, давая возможность эволюционировать всей макросистеме. Биогеоценозы могут включать в разных биомах представителей от многих сотен до многих тысяч видов живых организмов.

Экология — особый раздел биологии, который занимается изучением взаимоотношений совместно живущих организмов и их зависимости от внешней среды. Этот термин предложил немецкий биолог-эволюционист Э.Геккель (1866). В буквальном смысле этот термин означает науку о «доме», «месте обитания». Но эта наука стала активно развиваться только через столетие. В зависимости от уровня организации живого различают аутоэкологию, которая изучает взаимодействие отдельных видов со средой, и синэкологию, изучающую сообщества.

Принцип устойчивости — один из главных в экологии. Многокомпонентные системы не всегда отличаются от малокомпонентных по степени устойчивости, вероятно, устойчивость эко-

569

системы определяется не числом видов, а их экологическими особенностями. Для понимания функциональной структуры биосферы важны экологические ниши, определяющие положение вида в цепях питания. Строится пирамида питания, состоящая из нескольких трофических уровней. Низший уровень занимают автотроф-ные организмы, получающие питание из косного вещества. Это — в большинстве своем растения. Выше располагаются гетеротрофные организмы, питающиеся биомассой растений (травоядные). Затем — гетеротрофы более высокого порядка, питающиеся травоядными животными и т.д. (см. рис. 14.3). Эта пирамида связана с круговоротом веществ в биосфере. Круг замыкают бактерии и грибы, способные разлагать органические вещества. Пирамида более устойчива, если трофических уровней больше. Но чем больше трофических уровней, тем выше потери энергии в системе. Было установлено, что два вида, занимающих одну нишу, не могут существовать неограниченно долго в одном месте.

Различные виды организмов образуют друг с другом связи, многие из которых жизненно необходимы, а источником энергии для них служит излучение Солнца. Каждый биоценоз является трансформатором солнечной энергии в свою собственную. Сложная структура экосистем — необходимая предпосылка поддержания устойчивости. Вернадский выделил несколько условий существенности взаимосвязей в экосистемах: а) каждый организм может существовать только при условии постоянной связи с внешней средой (в том числе и с неживой природой, и с другими организмами); б) жизнь изменила нашу планету, при этом организмы все шире распространились по ней, стимулируя перераспределение энергии и веществ; в) размеры популяции растут до тех пор, пока среда может поддерживать их дальнейшее увеличение, после чего наступит равновесие; численность популяции всегда почти равновесна, колеблется около равновесного значения.

Принцип равновесия для живых систем играет огромную роль. Общее равновесие в биосфере поддерживает множество равновесий между разными ее компонентами. Равновесие в живой природе динамично, это колебания около точки устойчивости. Если они не изменяются, говорят о гомеостазе. Гомеоста-тический механизм поддерживает в живом организме параметры внутренней среды таковыми, чтобы препятствовать воздействиям внешней среды, например температура, кровяное давление, частота пульса поддерживаются такими механизмами. Естественные биоценозы могут сохраняться долгое время, а могут изменяться, например заболачивается озеро, образуется торфяник, на месте болота вырастает лес. Таким образом развиваются не только организмы и виды, но и экосистемы. Постоянное взаимодействие всех компонентов биогеоценоза может стать причиной его изменения, а толчком к этому может служить небольшое изменение.

570

Экологические сукцессии (от лат. successio — преемственность) — закономерные изменения биоценоза, связанные с его эволюцией. В результате ряда процессов биоценоз приобретает новые возможности для увеличения разнообразия. Экологи называют сукцессию переходом биоценоза из стадии развития и стабилизации в состояние климакса. Биоценоз развивается по схеме развития своих компонент (рис. 14.6). Численность разных компонентов периодически чередуется.

Пример: песчаная дюна — трава — сухой дубовый лес — влажный лес из дуба — климаксовый лес из бука и клена. Относительная независимость биоценозов, связи между которыми ограничиваются посредниками из неживых компонентов биосферы — минеральными солями, газами атмосферы, водой, обеспечивает устойчивость всей биосферы и ее способность к эволюции.

При этом оказалось, что при развитии систем в направлении повышения устойчивости увеличивается разнообразие. Раньше казалось, что менее сложные виды дают дорогу более сложным и становятся ненужными, но это неверно. Снижение разнообразия, имеющее место в современных условиях, стало опасным для устойчивости биосферы.




571


Распространенность видов в биоценозах закономерна — чем меньше масса организма (и выделяемая им теплота), тем больше численность особей, причем наибольшим распространением отличается сравнительно небольшое число видов (рис. 14.7). В растительности высокотравной степи Оклахомы Э.Райс (1952) отме-



тил, что 84 % трав составляли 9 видов, а на долю остальных 20 видов приходилось только 16 %. При изменении условий жизни первыми начинают вымирать специализированные к данным условиям виды, а виды с более широким спектром возможностей выживают.

14.4. Самоорганизация в формировании климата

Понятие климата возникло еще в Древней Греции (от греч. klima — наклон). Термин был введен древнегреческим астрономом Гиппархом. Люди уже тогда понимали, что погодные условия зависят от наклона земной поверхности к солнечным лучам. До XIX в. считалось, что климат определяется высотой Солнца над горизонтом. В соответствии с этим выделяли несколько климатических поясов (12 или 36), границы которых проходили почти параллельно экватору, но средние погодные условия в этих поясах все равно отличались. А.Гумбольдт (1845) определил, что «климат — специфическое свойство атмосферы, которое зависит от непрерывного совместного действия подвижной поверх-

572

ности моря, изборожденной течениями противоположных температур, излучающей тепло сушей, которая определяет громадное разнообразие в отношении своей орографии, окраски и состояния покрова». К климату относится то, что не может быть выражено в терминах погоды.

Погода — это совокупность значений метеорологических параметров в любой момент времени в данной точке пространства. Существует предел предсказуемости погоды в 2 — 3 недели.

Под климатом понимают усредненные во времени характеристики, сейчас обычно за это время выбирают 100 лет. Оказалось, что столетние средние данные одинаково устойчивы для всей планеты, поэтому сам климат считается глобальной характеристикой. Вековые изменения приписывают изменению климата. На протяжении человеческой жизни (в среднем 75 лет) климат почти не меняется, поэтому погода рассматривается как нечто колеблющееся около постоянной синусоиды времен года, и заметить изменчивость климата удалось только науке. Климатическая система включает компоненты, находящиеся между собой в сильной взаимной зависимости: океан, атмосферу, поверхность суши, биосферу. И для описания климата Земли нужно знать совокупность статистических характеристик всех компонент системы. Период метеонаблюдений порядка 100—150 лет, а спутниковые виды наблюдений еще более недавние. Проследить за историей климата Земли можно только по очень ограниченному числу показателей или косвенных признаков.

Для человечества существенна зависимость от климата. И хотя в XXI в. возможно преодолеть последствия таких аномалий, зависимость от климата не ослабевает. Да и человеческая деятельность стала оказывать влияние на климат. Так, климат вблизи созданных водоемов уже отличен от климата окружающих мест, меняется газовый и аэрозольный состав атмосферы, все меньше остается лесов, появляются пустынные или заболоченные территории. Рост населения земли и развитие цивилизации требуют увеличения потребления энергии, сырья, продовольствия, расширения пахотных земель и т.д., что способно существенно повлиять на изменение климата на больших пространствах. Наука климатология призвана использовать знания о климате и его изменениях при планировании и управлении хозяйственной деятельностью, но пока она не способна однозначно оценить последствия суммарного воздействия на климат факторов естественного и антропогенного происхождения.

В 1967 г. была начата подготовка международной научной Программы исследования глобальных атмосферных процессов при поддержке ООН. Она должна была обеспечить долгосрочные прогнозы погоды на 3 — 5 дней и на средние сроки (2 — 3 недели). К началу 80-х гг. была принята Всемирная климатическая программа, которая предусматривала три состав-

573

ляющих: сбор данных о климате и использование этих данных на практике, исследование влияния климата на деятельность человека; изучение изменений климата под влиянием природных и антропогенных факторов. Несмотря на важность изучения климата только в середине XX в. наука начала переходить от описания климата к объяснению его.

Для климата важна величина солнечной энергии, приходящаяся на единицу поверхности Земли за сутки. Световая мощность, попадающая на единичную площадку, или освещенность, пропорциональна косинусу угла между направлением на источник света и нормалью к площадке и обратно пропорциональна квадрату расстояния— солнечная постоянная; а — среднее расстояние до Солнца. Расстояние до Солнца в течение года меняется в пределах 3,3 %, т. е. разница в освещенности Земли примерно 7 %. Угол наклона площадки к Солнцу меняется каждый час, день, год и зависит от широты местности. Из-за большой теплоемкости земной поверхности, особенно покрытых водой участков, остывание за ночь не очень велико, и солнечная энергия, поступающая за сутки, — важнейшая характеристика климата данной широты. Тепловые характеристики — важные параметры климатической системы. Отражательные свойства поверхности фиксируются таким параметром, как альбедо поверхности; важны тепловые свойства поверхности, теплообмен атмосферы с подстилающей поверхностью суши и океана, уровень океана, положение ледников и т.д. Математические модели общей циркуляции атмосферы позволяют восстановить режим климатической системы с учетом этих факторов в различные времена года. Использование численных экспериментов с разными типами моделей циркуляции атмосферы позволяет усовершенствовать модели климата и уточнить картину изменений климата.

Знание эволюции климата важно для понимания процессов его изменения. Основную информацию дают геологические и палеонтологические данные, дополняемые данными археологии и истории, относящимися к последнему периоду истории Земли. Для эпохи голоцена используют сведения из архивов и летописей. По данным палеонтологии восстановили вид поверхности суши, ее ландшафта, растительности, орографии, температуры поверхности океана. Для количественных характеристик климата прошлого используют методы геохимии. Изотопный анализ позволил выделить в истории Земли несколько крупных ледниковых эпох; последний был около 650 млн лет назад. Были периодические похолодания и потепления, менялся состав атмосферы. Более надежные данные о климате есть лишь за последние 2 млн лет, когда формировалась биосфера (четвертичный период). Тогда температура Земли была порядка 15 °С и колебалась при переходе от ледниковых эпох к межледниковым в пределах 5—10 °С. За этот период были и длительные оледенения (по 70 — 120 тыс. лет), и более

574

короткие межледниковые периоды (по 15 — 20 тыс. лет). Данные термины вовсе не означают, что Земля была в этот период полностью покрыта льдом или свободна от него.

Методами спектрального анализа различных косвенных климатических показателей были выделены три периодичности колебаний климата. Период в 100 тыс. лет связан с таким же периодом колебания эксцентриситета орбиты Земли, период в 40—43 тыс. лет — с периодическими изменениями наклона экватора к плоскости орбиты, а период в 19 — 23 тыс. лет — с прецессией орбиты. Таким образом, отмеченная периодичность связана с изменениями приходящей на Землю солнечной энергии, вызванными колебаниями орбиты нашей планеты. Начало истории цивилизации приходится на последний межледниковый период, начавшийся около 10—15 тыс. лет назад, — голоцен. За этот период климат неоднократно менялся. Около 7 — 8 тыс. лет назад, когда наступило потепление после ледникового периода, растаял сначала скандинавский ледяной покров, затем — льды в Северной Америке, а 4,5 тыс. лет назад — лабрадорские льды. Отступила на север граница зоны вечной мерзлоты. Озеро Чад имело размеры Каспийского моря, а уровень воды в нем превышал уровень воды Каспия на 40 м. Около 4 тыс. лет назад стало холоднее и суше, и многие субтропические зоны стали превращаться в пустыни (в Сахаре, Аравии, в долине Инда). Ряд цивилизаций переместились на возвышенности и долины рек Тигра, Евфрата и др. Потепление отмечалось в VIII —XII вв., потом в XIV—XIX вв. — похолодание, а сейчас — потепление. Деятельность человека вносит все большие коррективы в ход этих процессов.

Излучение Солнца во время своего образования было на 30 % слабее нынешнего, и потом светимость Солнца стала возрастать пропорционально времени. Этот так называемый парадокс молодого Солнца должен быть сказаться на климате планет: если бы атмосфера 4 млрд лет назад была такой, как сейчас, то она находилась бы в замороженном состоянии еще 2 млрд лет назад. Но данные по изучению осадочных пород этого не подтверждают. По крайней мере, 3,8 млрд лет назад на Земле уже были океаны, поэтому должна была измениться и земная атмосфера. Планеты земной группы, вероятно, когда-то были похожи друг на друга. Они состояли почти из одинаковых пород, имели сходные по составу атмосферы и были достаточно большими, чтобы удержать воду на поверхности. Разница в климате возникла из-за разного круговорота углекислого газа при обмене им между корой и атмосферой. Как и водяной пар, углекислый газ — газ парниковый, так как он, пропуская солнечный свет, поглощает теплоту планеты и переизлучает часть ее к поверхности. Расчеты, проведенные на ЭВМ, показывают, что умеренный климат Земли обязан своим происхождением особенностям механизма газового обмена: при

575

остывании планеты количество углекислого газа в атмосфере увеличивается, и наоборот. Марс потерял способность возвращать газ в атмосферу, потому он «заморожен», Венера, наоборот, не имеет механизма выведения углекислого газа из атмосферы, а Меркурий вообще не способен удержать атмосферу, и Солнце определяет температуру его поверхности.

Климат менялся вместе с эволюцией планет. Предполагают, что в отдаленном прошлом был значительный парниковый эффект, и аммиак (эффективный поглотитель инфракрасного излучения) мог бы создать более теплый климат на Земле, если бы составлял сотые доли процента воздуха. Но под действием света аммиак разлагается на азот и водород — газы, не создающие парникового эффекта, и он должен был все время выделяться из недр планеты для сохранения теплоты. Углекислый газ не так быстро разрушается светом, его достаточно много на Земле (хотя в атмосфере его давление всего 30 Па, но наличие его в карбонатных породах достаточно для создания давления и в 6 • 106 Па). Если бы в первоначальной атмосфере Земли его было даже несколько тысяч Паскалей, то создаваемого им парникового эффекта было бы достаточно для того, чтобы вода не замерзала. По оценкам М. Хартра, снижение содержания С02 в атмосфере происходит со скоростью, компенсирующей возрастание светимости Солнца. Сравнивая аналогичные расчеты для разных расстояний от Солнца, он получил, что при расстоянии от Солнца меньше 1 а. е. на 5 % атмосфера нагрелась бы настолько, что океаны испарились бы в результате разгоняющегося парникового эффекта, а на расстояниях, больших на 1 %, — разгоняющего оледенения, т.е. только в узкой полоске расстояний между 0,95 и 1,01 а. е. Земля смогла избежать этой катастрофы климата.

Этот режим саморегуляции, или отрицательной обратной связи, обеспечил нашей планете устойчивость климата. Вряд ли появление жизни на Земле в таком узком кольце Солнечной системы — это случайность. Скорее всего, содержание С02 менялось в соответствии с изменением температуры поверхности Земли. Эта обратная связь могла обеспечиваться карбонатно-силикатным геохимическим циклом, который способен отвечать за 80 % обмена С02 между планетой и ее атмосферой на временных интервалах более 0,5 млн лет.

Началом цикла карбонатного метаболизма можно считать растворение атмосферного углекислого газа в водяных капельках и образование угольной кислоты. Дождевые осадки разрушали горные породы, состоявшие из соединений кальция, кремния и кислорода. Угольная кислота вступала в реакцию с породами на поверхности, высвобождая ионы кальция и бикарбоната, которые поступали в грунтовые воды, а затем в океан, где оседали в скелетах и раковинах планктона и других организ-

576

мов, состоящих из карбоната кальция (СаС03). Останки этих организмов откладывались на океанском дне, формируя осадочные породы. Дно моря расширялось, через много тысяч лет эти породы приблизились к краям континентов. Дно подтягивало их под берег, они попадали в земные недра, где на них действовали давление и температура. Карбонат кальция соединился с кремнием, образуя силикатные породы и выделяя углекислый газ. Газ вновь попадал в атмосферу через извержения вулканов и сре-динно-океанические хребты. Цикл завершился (см. рис. 10.3, б).

Изменения температуры земной поверхности влияют на количество С02 в атмосфере и величину парникового эффекта. Пусть по какой-то причине на Земле стало прохладнее. Тогда меньше воды испарится из океана, меньше выпадет дождей, уменьшится эрозия почвы, вызванная осадками. Для С02 уменьшится скорость покидания атмосферы, а скорость регенерации в процессе карбонатного метаболизма и поступления в атмосферу останется на прежнем уровне. Будет накапливаться С02, усилится парниковый эффект и восстановится более теплый климат. Если по какой-то причине на Земле произойдет потепление, обратная связь сработает в другую сторону, и равновесие установится. Предположим, что все океаны вымерзли, дожди прекратились, содержание С02 в атмосфере возросло. При современной скорости выделения его давление в 105 Па создается за 20 млн лет, такого количества углекислого газа хватит на поднятие средней температуры до +50 °С. Значит, льды растают, и восстановится нормальный для жизни климат.

В круговороте углекислого газа большую роль играют организмы, определяющие изменения климата. Около 20 % С02, не участвующего в карбонатно-силикатном обмене, выводится из атмосферы фотосинтезирующими растениями. При гниении растений и окислении в почве накапливается С02, и его оказывается в почве больше, чем было 400 млн лет назад до появления растений. Поэтому превращение силикатных материалов в осадочные карбонатные породы происходит быстрее. По расчетам исчезновение растений повысило бы температуру на 10 °С за счет отрицательной обратной связи силикатно-карбонатного цикла.

Во многих геохимических процессах, в том числе в круговороте азота, углерода и серы, ключевую роль играют бактерии. Если бы эти процессы прекратились, то почва, атмосфера и вода стали бы непригодны ни для каких форм жизни, поэтому эти примитивные одноклеточные организмы можно назвать организаторами жизни на Земле. Увеличение температуры и возросший парниковый эффект создали бы на Земле климат, который был в середине мелового периода 100 тыс. лет назад: теплый и подходящий для некоторых форм жизни (включая и динозавров). По расчетам только водяной пар, дающий сейчас наибольший вклад в парниковый эффект, не мог бы обеспечить стабильные тепловые условия на планете при меняющейся светимости Солнца.

577

Если бы подобные процессы существовали на Марсе, они не смогли бы удержать климат в достаточно узких пределах. В атмосфере Марса углекислый газ создает давление только в 600 Па, что позволяет обеспечить парниковый эффект на уровне 6 °С. Фотографии, полученные станциями «Маринер» и «Викинг», подтвердили, что поверхность Марса покрыта каналами, которые могли образоваться при выходе на поверхность глубинных вод, когда на Марсе было теплее. Геологи не определили, насколько когда-то температура Марса была выше. Может быть, тогда было больше (раз в 100) углекислого газа, обеспечивающего парниковый эффект. Но Марс меньше Земли по массе почти в 10 раз, и круговорот СО2 должен быть слабее. Оценки возраста каналов по количеству покрывающих их метеоритных кратеров показывают, что он старше 3,8 млрд лет. Замедление процесса круговорота С02 произошло из-за механизма возврата газа в атмосферу, поскольку на Марсе, вероятно, не была столь выражена тектоника плит. Вулканическая лава покрывала карбонатные остатки, они погружались на глубины, где под действием давления высвобождался газообразный С02, и по оценкам, так могло продолжаться примерно 1 млрд лет. Видимо, Марс из-за меньших размеров охлаждался быстрее, чем Земля: у него было меньше внутренней теплоты, которую он из-за большего отношения площади поверхности к объему скорее терял, его недра охлаждались, теряя способность высвобождать углекислый газ из пород. Углекислый газ из атмосферы постепенно накапливался в грунте, планета становилась все тоньше, меняя климат, и сейчас Марс имеет воду только в замороженном виде.

На Венере почти нет воды. Одни ученые считают, что ее там было не больше, чем нужно для образования гидратированных минералов, так как Венера образовалась из слишком горячей части туманности; другие — что воды было почти столько, сколько и у Земли, но она, попав в верхние слои атмосферы, распалась под действием солнечного света, а водород улетучился в космическое пространство.

Концепцию разгоняющегося парникового эффекта предложил Хойл (1955). Сейчас считается более подходящей теория влажного парника, так как при давлении 105 Па и водяного пара, и углекислого газа водяной пар занял бы 50 % объема, и большая часть его покинула бы атмосферу. Воздух в такой атмосфере охлаждался бы медленно, на высотах около 100 км образовалась бы холодная ловушка (слой, где низкая температура и высокое давление создают минимум точки насыщения). В ней и происходила бы фотодиссоциация воды, а из-за расположения ее на большой высоте водород ускользал бы в Космос. Для сравнения: у Земли такая ловушка расположена на высоте между 9 и 16 км (вблизи границы тропосферы и стратосферы), поэтому наш водяной пар успевает сконденсироваться, стратосфера оказывается сухой, не позволяя улетучиться водороду. Так к своему сухому и горячему состоянию пришла атмосфера Венеры. Если там и были океаны, они постепенно бы испарились, прекратилось образование карбонатов, С02 стал накапливаться в атмосфере. Газообразные соединения серы хорошо растворяются в воде. Сначала их

578

было мало, но затем они стали накапливаться и образовывать облака из серной кислоты, из которых сейчас состоит атмосфера Венеры. К ней приходит солнечного света почти вдвое больше, чем к Земле, но ее кислотные облака отражают до 80 % света, и она получает теплоты и света от Солнца меньше, чем Земля. При отсутствии парникового эффекта Венера была бы не намного теплее Марса и холоднее Земли.

Светимость Солнца растет примерно на 1 % в 100 млн лет, т.е. через 1 млрд лет на Земле могут возникнуть условия, угрожающие существованию жизни и сохранению воды на ней. Многие из механизмов отрицательной обратной связи, которые способствовали стабилизации климата на ней в течение 4,5 млрд лет, могли бы действовать и на другой планете, расположенной дальше от Солнца в расширенном современными расчетами коридоре до 1,5 а. е., или на Марсе, будь он побольше сам и будь побольше его атмосфера. Итак, уже найдена полоса условий существования жизни для обнаруженных у какой-то звезды планет. Поверхность Земли пока представляется нам «космической чашкой Петри», где жизнь может зародиться и эволюционировать к достаточно сложным формам.