Текст книги "Таинственные явления природы и Вселенной"

Автор книги: Сергей Минаков

сообщить о нарушении

Текущая страница: 2 (всего у книги 26 страниц) [доступный отрывок для чтения: 10 страниц]

Даже гормоны, так сказать, просто биоактивные вещества (то есть не только сложные биологические образования) видоспецифичны. Здесь, конечно, есть зазор, есть различие по степени. Например, инсулин – единственное эффективное средство против диабета – отличается сравнительно малой видоспецифичностью, поэтому для лечения диабетиков можно использовать этот белок, выделенный из поджелудочных желез крупного рогатого скота. А вот гормон роста – соматотропин – видоспецифичен. Для лечения карликового роста у человека нужен именно человеческий соматотропин, который выделяется из гипофиза умерших людей (да, да, другого способа пока не нашли).

Кто-то заметит: есть сложные организмы, их структурная идентичность сложна, и, естественно, их структурная специфичность весьма требовательна. Но есть простые организмы, есть даже простейшие. Как же в этом случае? Казалось бы, у низших организмов отвращение к «чужому порядку» должно быть меньше. Действительно, у рыб и амфибий удаются пересадки органов между особями разных видов, и бычий соматотропин может стимулировать рост форели. Однако все это искусственно создаваемые экспериментатором положения. А значит, не вполне «нормальное», неестественное течение жизни. В конце концов, сказано же: если зайца бить, он и спички научится зажигать. Вопрос только в том, будет ли это несчастное затравленное существо все еще зайцем? Можно сказать так: заяц, погибающий в зубах у волка, гораздо больше заяц, более истинный, «правильный», чем заяц, который умеет зажигать спички! Животные, питаясь другими животными или растениями, начинают с разрушения чужой упорядоченности. Пища в их желудках и кишечниках расщепляется до простых химических соединений, и по строению, например, аминокислот глицина или фенилаланина невозможно сказать, получены ли они из белков бычьего мяса, гороха или же синтезированы искусственно умным химиком в очках. Из этих элементарных кирпичиков жизни организмы строят лишь им присущие структуры. Каждый организм характерен именно неповторимой, присущей только ему комбинацией белковых молекул. А уже на этой базе возникает комплекс всех признаков организма – на уровне клеток, тканей и органов.

У растений это выражено еще более резко. Вода, набор питательных солей, углекислый газ и свет – при этом наборе одинаковых факторов из одного семени вырастает роза, из другого – крапива, а из третьего – елка (и совсем не «елка Чернова» – помните?). Всякий раз – определенное растение с присущим ему набором свойств. Со своей упорядоченностью.

Итак, организмы берут извне не упорядоченность, а энергию. За счет этой энергии они строят свою специфичную упорядоченность «по роду их» – так, кажется, сказано в Писании, пренебрегая чужой. Из куриного яйца – однородной массы желтка и белка – возникает цыпленок с головой, ногами, крыльями. И эта простая вещь, это чудо называется жизнью.

Биосфера

По мысли академика В. И. Вернадского, развитие человеческого мышления и все возрастающее его воздействие на окружающую среду – через технику и технологии – следует рассматривать как природное явление, как неизбежное следствие того, что называют «цефализацией» – то есть «оразумливанием» земной биоты. Эти процессы привели к формированию техносферы – создаваемой самим человеком среды его обитания. Взаимоотношения биосферы и техносферы, в связи с грозящим Земле экологическим кризисом, являются сейчас объектом пристального внимания самых разных специалистов.

Итак, биосферой мы будем называть всю населяющую Землю биоту (то есть совокупность всех микроорганизмов, грибов, растений и животных) и среду ее обитания, включая почвенный покров и содержащие признаки жизни слои атмосферы. Накануне появления человека биосфера по своим основным параметрам вряд ли существенно отличалась от нынешнего ее состояния. Более того, ее основные характеристики, такие как общая масса живого вещества (порядка 2,4 × 1018 г), элементарный состав биомассы, содержание кислорода в атмосфере, количество достигающей Земли солнечной энергии и прочие условия – сохранялись неизменными на протяжении сотен миллионов лет. Система была стабильной. Но появился человек разумный, и многое изменилось.

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».

Если численность популяции, по каким-либо причинам, снизилась ниже известного критического уровня, такая популяция деградирует и исчезает. Только условие L > 1 позволяет популяции сохранять свою численность выше критического уровня при усилении давления извне и достигать оптимального значения при ослаблении такого давления. В случае же L = 1 ослабление давления среды не будет сопровождаться ростом численности популяции, а любое усиление негативного воздействия будет приводить к уже некомпенсируемому уменьшению ее численности и, в конце концов, к вырождению.

Начиная с 2006 года, по неизвестной науке причине на Земле резко сокращается популяция медоносных пчел. Если темпы сокращения популяции не изменятся, к 2035 году пчелы исчезнут с лица Земли. Это грозит утратой не только меда, но и большинства фруктов, овощей, ягод и орехов. Опыление этих растений полностью зависит от активности пчел: одна пчелиная семья опыляет за день до 3 млн цветков.

Из популяций различных видов складываются экосистемы. Любую экосистему можно определить как систему самовоспроизводящихся популяций, занимающих единый ареал обитания. Есть две важнейшие характеристики экосистемы: количество слагающих экосистему видов N и средняя численность особей в представляющих эти виды популяциях ni (i = 1, 2, …, N).

Основных функций, которые выполняет любая экосистема, также две. Первая – обеспечение прироста численности популяций (то самое «давление жизни»), или общей биомассы экосистемы V (это называют продуктивностью данной экосистемы). Вторая функция – кондиционирование, или очистка среды обитания от побочных продуктов. Очевидно, чем больше скорость утилизации отходов, тем лучше условия для прироста биомассы, то есть тем сильнее будет давление жизни.

Оптимальным, по крайней мере для замкнутых экосистем на определенных постоянных территориях, будет условие, когда, так сказать, «мощность очистки» среды экосистемы превосходит ее продуктивность, что соответствует поддержанию экосистемы в состоянии «максимальной чистоты».

Оптимальное изменение (эволюция) популяций может идти двумя путями: путем расширения ареала обитания данной экосистемы (экстенсивный путь ее развития) и путем увеличения ее мощности очистки (интенсивный путь). Важно, что уменьшение продуктивности экосистемы нельзя считать приемлемым: снижение биологической массы может осуществляться лишь ценой понижения давления жизни слагающих экосистему популяций, что, мы знаем уже, чревато их деградацией и гибелью.

Так как в реальных ситуациях ареал обитания любой экосистемы всегда ограничен, то с течением времени на смену ее экстенсивному развитию, или экспансии, неизбежно должен прийти интенсивный путь.

Экосистемы, в свою очередь, соединяются в биоценозы. Биоценоз – это самоорганизующаяся система, состоящая из нескольких экосистем. Биоценоз достигает стабильности и замкнутости, когда скорость прироста биомассы в каждой экосистеме и популяции равна скорости образования побочных продуктов в режиме их реутилизации, то есть когда система успевает их переработать.

Для биоценозов стабильность наступает в том случае, когда среднее время удвоения биомассы в них совпадает со средним временем жизни особей в его популяциях. Это же справедливо и для всей биосферы, представляющей собой саморегулирующуюся и самостабилизирующуюся совокупность всех населяющих Землю биоценозов.

Надежность функционирования биосферы обеспечивается надежностью выполнения функций продуктивности и функций кондиционирования (очистки пространства жизни, как мы помним). Поэтому общая надежность может быть определена как произведение показателей надежности выполнения обеих функций.

Теперь вернемся снова к отдельным популяциям, составляющим экосистемы. Экосистемы, как и экологические ниши, для разных организмов чаще всего перекрываются, но не полностью совпадают. Для биосферы в целом характерна иерархия, иерархическая структура, так что обитатели верхних ярусов жизни, как правило, венчают собой или объединяют по несколько экосистем, представленных обитателями нижних ярусов.

Законы, управляющие динамикой популяций разных организмов, едины, независимо от того, какую функцию они выполняют в биосфере и на каком уровне организации (и ярусе жизни) они находятся. Обусловлено это тем, что, независимо от видовой принадлежности, ни один организм не в состоянии выполнять обе основные функции в своей экосистеме – и производство биомассы, и утилизацию побочных продуктов своей жизнедеятельности.

Благодаря наличию в любой экосистеме обратных связей, уменьшение численности некоторой данной популяции (если оно не ниже критического) неизбежно будет приводить к такому изменению статуса экосистемы, при котором условия обитания этой популяции опять сдвинутся в «благоприятную» сторону, что приведет к увеличению ее численности, за чем последует ее уменьшение, затем – опять увеличение и т. д. В реальной ситуации это будет проявляться как своеобразные «волны жизни». Кстати, простейшей моделью таких волн может служить система «хищник-жертва». Поэтому в любой стабильной экосистеме численность любой популяции будет всегда колебаться около некоторого постоянного значения, не выходя за определенные максимальные и минимальные пределы.

В более общем виде эту закономерность можно сформулировать как принцип, согласно которому совокупность или биомасса особей, выполняющих в данной экосистеме данную трофическую (то есть связанную с жизнедеятельностью организмов) функцию, никогда не может превзойти некоторое критическое значение без разрушения этой экосистемы. Принцип этот, как мы увидим ниже, особенно ярко выявился на примере эволюции человека.

Получается, что для любой стабильной экосистемы, биоценоза или биосферы биомасса организмов, выполняющих определенную трофическую функцию, всегда ограничена сверху некоторой критической величиной. Взаимоотношения организмов, выполняющих в данной экосистеме одну и ту же трофическую функцию, могут повлиять на их видовое разнообразие, на замену одних видов другими (за счет эволюционного процесса или миграции извне), но не в состоянии привести к увеличению их суммарной биомассы сверх некоторого предела без разрушения этой экосистемы, биоценоза или биосферы в целом.

Иначе говоря, для любой экосистемы всегда существуют два предельно допустимых максимальных уровня численности любой популяции: нижний, соответствующий максимальному видовому разнообразию организмов, выполняющих данную трофическую функцию, и верхний, соответствующий монополизации этой функции каким-либо видом. Однако, в силу того, что не существует двух разных видов, которые были бы идентичными во всех эколого-трофических отношениях, для всех биоценозов и биосферы в целом справедливо следующее правило. Первому случаю будет соответствовать максимальная стабильность, или надежность экосистемы. Второй случай, когда данная функция монополизируется представителями какого-либо одного вида, будет неизбежно сопровождаться уменьшением надежности экосистемы – уменьшением пространства режимов, где данная экосистема может стабильно функционировать.

Тогда выходит, что в достаточно развитой и достаточно обширной (то есть характеризующейся большим числом степеней свободы) биосистеме (биоценозе или биосфере) можно выделить два наиболее общих направления эволюции составляющих ее популяций и видов живого.

Первое направление: все большая специализация внутри данной экологической ниши, точнее – внутри данной экосистемы, что обогащает ее трофическими аналогами и делает тем самым более стабильной, более надежно обеспечивающей условия, необходимые для процветания данной экосистемы. Этот путь эволюции чаще всего имеет адаптивный или даже регрессивный характер, так как может быть связан с упрощением организации. В любой эволюционирующей экосистеме такое обогащение трофическими аналогами может идти до определенного предела.

Второе направление – это расширение среды обитания, вовлечение в свою экосистему все больше соподчиненных экосистем. Благодаря этому увеличивается количество потенциальных источников жизнеобеспечения и возможность более эффективной нейтрализации побочных продуктов жизнедеятельности представителей таких видов. Это направление эволюции обычно связано с повышением уровня организации живых организмов. Это – путь биологического прогресса.

В условиях реальной жизни на Земле биологическая эволюция использовала обе возможности: и формирование узкоспециализированных видов, и путь биологического прогресса, связанный со все большим расширением ареала обитания. Наиболее крупным достижением биологической эволюции, шедшей по второму пути, было… догадайтесь с одного раза. Конечно, это было возникновение человека!

В 1958 году по инициативе Мао Цзэдуна в рамках «Большого скачка» была организована кампания по борьбе с вредителями полей. В течение 3 мес. были истреблены 2 млрд воробьев и одновременно резко увеличена плотность посевов. В результате уже через год урожаи резко уменьшились. В стране начался Великий китайский голод, от которого погибло, по разным подсчетам, от 15 до 30 млн человек. Популяцию воробьев пришлось срочно восстанавливать, в том числе за счет импорта этих птиц из СССР и Канады.