КЛИМАТИЧЕСКИЙ ОПТИМУМ И КОЛЕБАНИЯ ГЛОБАЛЬНОГО КЛИМАТА
А.С.Керженцев
Каждое межледниковье разделяются периодом аридизации, столь же губительным для биоты как ледник. Периоды климатического оптимума находятся между этими крайностями. Наступление ледника смещает природные зоны от полюсов к экватору, а наступление аридизации – от экватора к полюсам. При этом зоны тундр и гилей исчезают, а зоны степей, саванн, прерий, памп сохраняются при любых колебаниях климата.
Живое вещество биосферы распределилось по земной поверхности в соответствии с законом природной зональности по градиенту благоприятности условий для осуществления биохимических реакций и физиологических процессов. Биота существует в ограниченном гидротермическом поле, за пределами которого находится зона анабиоза, где жизнь пока невозможна. Критические для биоты температуры (+4 и +560С) подавляют биохимические реакции и физиологические процессы, а наилучшими являются температуры около 300С.
В наиболее благоприятных условиях экваториального пояса Земли сформировались самые продуктивные экосистемы – гилеи, а в высоких широтах – экосистемы тундр и полярных пустынь с минимальной продуктивностью. Минимальной продуктивностью обладают также экосистемы аридных пустынь. Остальные экосистемы распределились между этими крайностями в соответствии с границами конкретных диапазонов факторов среды по градиенту благоприятности климата для биоты.
Такой характер распределения экосистем в пространстве говорит о том, что жизнь могла появиться и успешно развиваться только в наиболее благоприятных условиях среды, которые сформировались в экваториальном поясе Земли. Более того, именно в этих благоприятных условиях могли проходить первые этапы эволюции жизни, начиная от прокариот, и кончая формированием первого биома дождевых тропических лесов - гилей.
В дальнейшем экспансия жизни, которую В.И.Вернадский сравнивал с давлением пара, стала переполнять ареал благоприятных условий и вытеснять периферийные экосистемы в тогдашнюю зону анабиоза. Расширение жизненного ареала происходило путем заселения периферийными видами приграничных территорий с менее благоприятными условиями путем «изобретения» новых жизненных форм, способных существовать в менее благоприятных условиях. Этому процессу способствовал колебательный (приливно-отливный) режим климатических изменений в сторону похолодания и потепления. В периоды отклонения климата от оптимального диапазона в более благоприятную для биоты сторону, в приграничной полосе зоны анабиоза создавались благоприятные условия для расширения жизненного ареала основного биома и биота осваивала новую территорию без сопротивления конкуренции.
В периоды отлива благоприятных климатических условий наиболее чувствительные виды выпадали из состава новых экосистем, а их место занимали мутанты, адаптированные к менее благоприятным условиям. В итоге этих превращений в приграничной полосе формировался новый биом с меньшей продуктивностью и биоразнообразием.
Следующий цикл «прилива» благоприятных изменений способствовал расширению уже однажды расширенного ареала путем захвата нового приграничного пространства с возникшими благоприятными условиями без сопротивления конкуренции. После отступления благоприятных условий формировался новый биом с еще меньшей продуктивностью и видовым разнообразием, поскольку освоение менее благоприятных условий требовало дополнительных энергетических затрат для формирования нового генома (Гамалей, 2010, 2015).
Наиболее трудным для экосистем этапом эволюции было заселение суровых условий сухостепного климата (степи, саванны, прерии, пампы), где невозможно существование древесной растительности. Сосудистые растения «изобрели» новый очень затратный апопласный тракт оттока фотосинтатов, который позволил создать биоморфы трав и избавил их от климатической зависимости (Гамалей, 1998-2015). Так постепенно, шаг за шагом преодолевая сопротивление среды, биота заселила все доступное пространство земной суши вплоть до современной границы анабиоза, где сформировались биомы полярных и аридных пустынь с минимальной продуктивностью и видовым разнообразием.
Только после этого заключительного этапа сформировалась биосфера Земли окончательно в полном объеме, и все разнообразие экосистем распределилось по земной поверхности в соответствии с законом природной зональности. Самой высокой продуктивностью характеризуются биомы тропических лесов, а самой низкой – биомы полярных и аридных пустынь.
Такое упорядоченное распределение биомов и экосистем, которое мы наблюдаем и изучаем в настоящее время, характерно только для периода климатического оптимума. Но так было не всегда.
При изучении климатов прошлых эпох Л.С.Берг еще в 1913 г. обратил внимание на смещение климатических и ландшафтных зон в периоды после отступления ледников. Он выделил четыре эпохи интенсивных оледенений: 1) альгонскую, 2) нижнекембрийскую, 3) верхнекарбоновую и нижнепермскую, 4) постмиоценовую. По его мнению, «эти большие климатические волны состоят (некоторые из них, а может быть и все они) в свою очередь из волн второго порядка» (Берг, 1918). «В послеледниковое время была, по крайней мере, одна засушливая эпоха (предшествующая современной); в эту эпоху происходило расширение сухих зон земного шара, а в современную эпоху они суживаются, т.е. в умеренных широтах наблюдается смещение зон в сторону экватора (тундра наступает на лес, а лес на степь), а экваториальные леса, наоборот, надвигаются в сторону полюсов. Образование лессов связано с сухим климатом, а потому нахождение лессов в лесной зоне может служить лишним доказательством бывшей ксеротермальной эпохи и смещения ландшафтных зон» (Берг, 1950).
Однако каждое межледниковье разделял период аридизации – другая крайность от оледенения столь же губительная для биоты. Периоды климатического оптимума, в котором мы находимся сейчас, располагаются между крайностями оледенения и аридизации, которые сдвигают границы ландшафтных зон в противоположных направлениях, создавая условия анабиоза и вытесняя краевые зоны за пределы биосферы. Поэтому смещения зон происходили в геологической истории Земли не однажды, как предполагал Л.С.Берг, а многократно. Между эпохами оледенений всегда находился один период аридизации и два периода оптимума: один от конца оледенения до начала аридизации, второй от конца аридизации до начала нового оледенения. После отступления ледника ландшафтные зоны перемещались в сторону полюсов, а при отступлении аридизации – в сторону экватора. При этом наиболее чувствительные к климатическим условиям экосистемы – гилеи могут полностью выпадать из состава биосферы. Для них одинаково губительны как низкие, так и высокие температуры. (Берг, 1913, 1918, 1947, 1950). Судьба остальных природных зон зависела от интенсивности оледенения и аридизации.
Самой устойчивой к любым колебаниям климата оказалась зона травянистых экосистем (степи, саванны, прерии, пампы). Во-первых, они равно удалены в списке экосистем от крайних и особо чувствительных к гидротермическим условиям тундровых и тропических экосистем. Во-вторых, травянистые растения, благодаря «изобретению» апопластного тракта оттока фотосинтатов (Гамалей, 2010, 2015), избавлены от климатической зависимости. В-третьих, травянистые экосистемы обладают богатым стратегическим запасом элементов минерального питания в форме почвенного гумуса.
Колебания климата с меньшими амплитудами происходят также в периоды климатического оптимума. Но они сопровождаются флуктуациями экосистем – количественными изменениями продуктивности. Только устойчивое длительное отклонение условий от среднего многолетнего диапазона сопровождается метаморфозом экосистем – переходом их из одного таксона в другой с изменением не только продуктивности, но и видового разнообразия.
На территории Русской равнины в плейстоцене наблюдалось 4 крупных оледенения и 4 потепления климата. Продолжительность периодов оледенения колебалась от 50 до 60 тыс. лет, а периодов межледниковий от 60 до 100 тыс. лет. Однако межледниковья разделены на две половины периодом аридизации, который также как оледенение создает условия анабиоза и вытесняет природные зоны за пределы гидротермического поля биоты. Поэтому как минимум треть из 100 тысяч лет межледниковья следует относить к периоду аридизации, а для двух периодов оптимальных условий остается две трети по 30 тыс. лет каждая. Одна треть от конца оледенения до начала аридизации, а вторая от конца аридизации до следующего оледенения. В итоге получается, что за 100 тыс. лет межледниковья на долю оптимальных для биоты условий приходится не более 60 тыс. лет, разделенных периодом аридизации 30 тыс. лет. В эти сравнительно короткие периоды оптимума и должна была совершаться эволюция жизни.
Однако шарообразная форма нашей планеты распределяет поток солнечной энергии так, что на полюсах всегда бывает минимум, а на экваторе максимум получаемой от Солнца энергии. Поэтому если на полюсах и в высоких широтах было оледенение, то на экваторе складывались оптимальные условия. Если же на экваторе была аридизация, то на полюсах и в высоких широтах мог быть оптимум. При любых изменениях климата на каких-то участках земной суши обязательно сохранялись оптимальные условия для функционирования живых систем. Более вероятно, что такие условия сохранялись в средних широтах между крайностями полюсов и экватора. Об этом свидетельствуют мощные толщи лессовых отложений, которые представляют отходы метаболизма травянистых экосистем (степи, саванны, прерии, пампы), образующиеся в результате функционирования черноземов и каштановых почв (Личков, 1945; Неуструев, 1931; Берг, 1929, Коссович, 1911). Еще более мощные слои латеритов, представляющих собой отходы метаболизма экосистем дождевых тропических лесов (гилей), объясняются высокой скоростью метаболизма этих экосистем. Древние залежи красноцветных седиментов, обнаруженные в разных нетропических регионах говорят о том, что здесь когда-то были гилеи и возможно эта часть континента когда-то находилась в экваториальном поясе.
Современная цивилизация существует в периоде климатического оптимума, который наступил после 12 тысяч лет поздневалдайского оледенения и длится в течение 10(12) тысяч лет периода голоцена. Если судить по предшествующим климатическим циклам, то до следующего оледенения осталось 20 тысяч лет, а до периода аридизации всего 5 тысяч лет. Следовательно более вероятным следует считать сценарий потепления современного климата, независимо от парникового эффекта антропогенных выбросов СО2. Поэтому заметного перемещения границ природных зон от экватора к полюсам (степь наступает на лес) следует ожидать через 2-3 тысячелетия. Предел миграции зон будет достигнут через 5 тысяч лет во время пика периода аридизации, который продлится 10 тысяч лет и переместит природные зоны в сторону полюсов.
После окончания периода аридизации начнется обратный процесс, в сторону похолодания климата со вторым периодом оптимума, во время которого произойдет обратная миграция зон в направлении от полюсов к экватору до оптимального состояния, которое наблюдается сейчас. Следующий ледниковый период, который придет на смену климатического оптимума, сдвинет границы природных зон еще дальше к экватору в зависимости от интенсивности грядущего оледенения.
Как говорилось выше, при любых перемещениях границ природных зон наибольшей устойчивостью обладают экосистемы степных биомов (степи, саванны, прерии, пампы). Но предстоит еще выяснить, что больше стимулирует эволюцию: наступление или отступление неблагоприятных условий среды на биоту.
В условиях климатического оптимума биота сама под давлением экспансии жизни внедряется в зону анабиоза и расширяет свой ареал путем «изобретений» новых жизненных форм, адаптированных к менее благоприятным условиям. Наступление ледника и аридизации как бульдозером сдвигает природные зоны силой анабиоза – негативного воздействия на биоту целого комплекса неблагоприятных для жизни условий. Поэтому биота не успевает адаптироваться к резкому изменению условий среды и погибает. При отступлении стрессов у биоты появляется возможность постепенной перестройки структуры экосистем на режим оптимума. Это значит, что постепенное улучшение условия среды стимулирует расширение ареала экосистем по градиенту благоприятности. При отступлении ледника границы природных зон перемещаются вслед за ним от экватора к полюсам, а при отступлении аридизации происходит обратное – перемещение зональных границ от полюсов к экватору. Благоприятные условия привлекают биоту следовать за собой.
С этой точки зрения Убсунурская котловина с ее уникальным спектром природных зон может стать надежным индикатором глобального мониторинга климатических изменений. Для наблюдений необходимо выбрать представительный трансект с ясно выраженными границами зональных экосистем от тундры до пустынь и наблюдать ежегодно за состоянием приграничных полос (экотонов) соседних экосистем. Какие зоны окажутся более чувствительными к изменениям климата пока неизвестно, поэтому наблюдения нужны на стыке всех природных зон на трансекте. Более вероятно, что при потеплении климата сначала произойдет смещение границ аридных пустынь и степей в сторону горных лесов, а потом леса станут перемещаться вверх и вытеснять тундры. При похолодании климата можно ожидать обратный процесс инициативного наступления тундр на леса, а потом лесов на степи. Надо одновременно провести ретроспективный анализ многочисленных данных наблюдений прошлых лет и проследить тренды изменения структуры типичных экосистем за весь период наблюдений. Стационарный мониторинг изменений структуры экосистем различных природных зон Убсунурской котловины позволят получить ответ на этот принципиально важный вопрос.
Литература
Берг Л.С. К вопросу о смещении климатических зон в послеледниковое время. Почвоведение, 1913. №4, с.1-26.
Берг Л.С. Климаты геологического прошлого. Природа, 1918, №1, с. 3-28.
Берг Л.С. Климаты в древнейшие эпохи истории Земли. Вест. ЛГУ, 1947. №5, с.61-66.
Берг Л.С. Некоторые соображения о послеледниковых изменениях климата и о лесостепье. Вопр. Геогр. 1950. сб.23. с. 57-84.
Гамалей Ю.В. Климатический адаптогенез жизненных форм высших растений. Успехи современной биологии. 2015. т.135,№4. с.323-336.
Керженцев А.С. Новое перспективное научное направление. Вестник РАН, 2012. т.82, №5. с. 432-440.
Коссович П.С. Основы учения о почве. Ч.11, вып.1. СПб, 1911.
Личков Б.Л. Современный литогенезис на материковых равнинах Изв. АН СССР, 1945. Сер. Геогр. и геофиз. Т. 1Х, № 5-6. с. 547-564.
Неуструев С.С. Почвенная теория лессообразования. Природа, № 1-3, 1925.
|
