Функциональная экология

ТРЕТЬЯ ПАРАДИГМА ПОЧВОВЕДЕНИЯ

Slav — Tue, 21 Nov 2017 19:50:53 GMT

ТРЕТЬЯ ПАРАДИГМА ПОЧВОВЕДЕНИЯ

"ПОЧВА - ЖИВОЙ НЕЗАМЕНИМЫЙ КОМПОНЕНТ БИОСФЕРЫ И ЕЕ ЭКОСИСТЕМ"

В.А.КОВДА, 1968 г.

В истории Почвоведения неоспорим приоритет России, благодаря В.В.Докучаеву. У Германии приоритет в агрохимии устоялся, благодаря Либиху. Но вот академик В.Г.Минеев обнаружил в посмертных публикациях Лавуазье описание теории минерального питания, сформулированное за 50 лет до Либиха. Значит приоритет должен быть у Франции. Но наш земляк А.Т.Болотов опубликовал теорию минерального питания при жизни за 100 лет до Либиха, значит, приоритет реально принадлежит России. Но академика В.Г.Минеева больше волнует приоритет Франции.

Такой казус может приключиться с новой парадигмой Почвоведения (слайд Почва), которую 50 лет назад заявил В.А.Ковда.. В докладе «Биосфера и человечество» на Генеральной конференции ЮНЕСКО (1968), открывшем Программу «Человек и биосфера», он призвал будущих участников Программы изучать почву как живой незаменимый компонент биосферы. Эту идею одобрил в
1974 г. Х-й Конгресс почвоведов в Москве. Для реализации новой идеи В.А.Ковда создал Пущинскую Биосферную станцию, которую после 10 лет успешной работы в сети ЮНЕСКО закрыл новый директор, ныне академик, М.С.Кузнецов со словами: «Экология нам не нужна, нам нужна продовольственная программа». Он загубил в зародыше идею изучения механизма функционирования почв как основы разумного управления почвенным плодородием. Продолжать пришлось в эксперименте «Убсу-Нур». Там же родилась и Функциональная экология.

О зарождении в трудах В.А.Ковды Третьей парадигмы почвоведения мы писали в статье «О разработке экологической концепции в почвоведении» (Керженцев А.С. Почвоведение, 1995, № 7, с.811-816.).

Учение о биосферных функциях почвы, которое ее авторы Г.В.Добровольский и Е.Д.Никитин выдают за новую парадигму, по существу объединячет первую и вторую парадигму почвоведения. Согласно их утверждению почва как биокосное тело природы является не только объкетом труда и средством производства, но также жилищем для животных и далее список двух десятков ролей, которые почва играет для других природных объктов и для человека, оставаясь в рамках парадигмы Докучаева.

Почва как компонент биосферы выполняет одну важнейшую функцию в метаболизме биосферы – функцию катаболизма – диссимиляции сложных органических веществ отмершей биомассы в простые минеральные элементы, которые обеспечивают выполнение фитоценозом функции анаболизма – ассимиляции простых минеральных элементов в сложные органические вещества живой биомассы. Эти две функции создали цикл метаболизма экосистемы, замкнутый на 99%, сократив потери и потребности до 1% биомассы. Живой педоценоз обеспечил высокую степеньзамкнутости цикла метаболизма экосистем и превратил ограниченный запас биофильных элементов в постоянно обновляемый, а потому бесконечный ресурс по В.Р.Вильямсу (1949).

Некоторые почвоведы считают, что режимы температуры и влажности почвы являются режимом ее функционирования почвы. Это утверждение в принципе неверно, поскольку температура и влажность почвы это факторы, которые управляют механизмом функционирования почвы. Парадокс в том, что управляющие факторы есть, а самого механизма функционирования нет. Никто не знает, какими параметрами его измерять, по каким критериям его оценивать. Частично отвечают требованиям метаболизма экосистем режим газовой эмиссии из почвы и режим лизиметрических вод. Но они измеряются по отдельности и интерпретируются без связи с другими режимами и тем более как составляющие режима метаболизма экосистемы. В нашем эксперименте «Экотрон-97» удалось имитировать функцию катаболизма экосистемы и получить результаты функционирования в газовой, водной и твердой фазах экосистемы и педотрона.

В последние годы стала популярной фраза о структурно-функциональной организации природных систем, которая базируется на атрибутах структуры, но упоминает о функциях, когда не может объяснить явление с позиций структуры. Это создает видимость использования функций, а на самом деле только отвлекает от их изучения. Для оценки функции почвы нужно изучить механизм ее функционирования в цикле метаболизма экосистемы, о чем мы писали больше 10 лет назад (Керженцев,1995, 2006).

Попытки изучения механизма функционирования почвы в истории почвоведения предпринимались неоднократно, но безуспешно.

100 лет назад академик Л.И.Прасолов в докладе о перспективах почвоведения призвал изучать «педофизиологию», которая откроет много новых неведомых свойств почвы. Но инвентаризация почвенных ресурсов сместила приоритет на картографию, классификацию и бонитировку. А еще В.В.Докучаев предупреждал, что великое будущее ожидает почвоведение … "если только его не поглотит расплывающаяся во все стороны география".

50 лет назад в 1968 г. в Иркутске Ф.Э.Реймерс открыл большой фитотрон, а при его обсуждении профессор Н.В.Орловский предложил построить в Красноярске адекватный по мощности «Педотрон». Но почвоведы отвергли это предложение как «старческое легкомыслие».

40 лет назад И.А.Соколов и В.О.Таргульян (1976) открыли в почве два характерных времени: геологическое (почва-память) и реальное (почва-момент). Появилась возможность изучения физиологии «почвы-момента», но авторы даже не дали определения этому термину и оставили почву в геологическом времени.

А скоротечность почвенных процессов давно стала очевидной. Поделюсь своим опытом. Во время «целинного бума» (1960) меня отправили на полевые работы в Прикаспийскую низменность в начале апреля. Поэтому я успел описать сизый профиль лугово-болотной почвы, которая через месяц превратилась в лиманную солодь. Талые воды в лимане, нагретые весенним солнцем, активизировали анаэробные процессы и оглеение почвы. Через месяц все признаки оглеения испарились вместе с влагой.

В Западной Сибири (1970) на Долгоунских гарях Томской области подзолистые почвы за 60 лет стали темно-серыми лесными. Тайгу (130 тыс.га) уничтожил в 1910 г. сибирский шелкопряд и последующие пожары, (слайд Гари). Томские гари заросли кипреем – прекрасным медоносом, а красноярские и кемеровские пчеловоды стали ежегодно выжигать чужие бесхозные заросли для возобновления медоноса. Без лесного полога климат почвы оказался степным и вызвал метаморфозы почв. На островах хвойного леса сохранились подзолистые почвы.

Там же возникал и исчезал второй гумусовый горизонт в подзолистых почвах. Механизм простой. Мощные пожары по шелкопрядникам превратили массу древесины в золу и древесный уголь. Раствор золы (рН 9-11) вымыл экстракт гумуса и древесного угля вниз до водоупора горизонта В, где рН 3-4 осадила гуминовые кислоты и образовала второй гумусовый горизонт. После возобновления леса почвенная микрофлора «скушала» этот гумус и образовала профиль глубоко подзолистой почвы. Когда я отправил статью о современной природе второго гумусового горизонта в журнал Почвоведения (1972), первый рецензент А.А.Роде пригласил меня к себе и сказал буквально следующее: «Ваша статья мне понравилась. Конечно, на лопатки Вы своих оппнентов не положили, но я впервые увидел аргументы в пользу современной природы этого горизонта. Но ценность статьи не в этом, это мелочи, а в том, что Вы по молодости лет написали о том, что все видят, но не пишут – о сукцессии почв. О сукцессиях растительности написаны горы статей и книг, а почва неизменна. А у Вас за 60 лет подзол превратился в темносерую лесную почву. Вот это факт! Я двумя руками за публикацию статьи». Но второй рецензент К.А.Уфимцева забраковала статью, поскольку готовилась к защите докторской диссертации по реликтовой природе этого горизонта. Два года шла с ней переписка, а после защиты она сказала, что пропустит статью, но через месяц я получил новый отрицательный отзыв от Ю.А.Ливеровского, который упрекнул ее за то, что она пропустила своего противника. Статья так и осталась не опубликованной.

На Забайкальском мерзлотном стационаре за 4 года (1971-1975) после раскорчевки леса и распашки мерзлотно-таежная (бурая) почва сменила тип и превратилась в мерзлотную лугово-лесную (черную) почву. Удаление лесного полога изменило климат почвы на степной и вызвало метаморфоз. Там же был обнаружен удивительный феномен временных карбонатов. Сотрудники Почвенного института, которые работали здесь за 10 лет до нас, отмечали в почвах вскипание с 30, а выделение мучнистых карбонатов с 60 см. Мы же за два года не обнаружили даже вскипания. Зато, на третий год, когда вместо обычных 220 мм выпало 500 мм осадков, карбонаты появились в большом количестве (слайды Забайкалья). Они покрыли поверхность почвы, травяной покров, гранитные валуны, образовали выпоты на обрывах оврагов. И только на следующий год мучнистые карбонаты появились в профиле почвы, там, где их отмечали наши коллеги 10 лет назад.

В экспериментальной установке «Экотрон-1997» (слайды Экотрона) мы получили выделения биогенных карбонатов в течение одного года функционирования бескарбонатного суглинка «педотрона». В срезе педотрона видны белые пятна, а в шлифах скопления карбонатов вокруг поры и карбонатные стажения.

Почвоведам для изучения почвы достаточно узкой стенки разреза, а экологам нужен живой педоценоз, без которого не может работать цикл метаболизма - главная функция экосистем. (слайд Вильямс). «Единственный способ придать ограниченному количеству свойство бесконечного – заставить его вращаться по замкнутой кривой».

- цикл метаболизма экосистем, замкнут на 99%, где именно педоценоз превратил ограниченный запас биофильных элементов в постоянно обновляемый, а потому бесконечный ресурс.

Высокую замкнутость цикла обеспечивает обмен компонентов отходами жизнедеятельности и двойная утилизация общих отходов метаболизма с помощью гумификации и биокристаллизации (слайд Катаболизм). Гумификация временно консервирует свободные и потому токсичные элементы, а кристаллизация необратимо выводит их в геологический круговорот в виде глинистых кутан, конкреций, вторичных и первичных минералов;

- механизм деградации почв хорошо виден с позиции физиологии почв: распашка провоцирует разложение гумуса почвенной биотой для выделения элементов минерального питания, а монокультурные посевы могут усвоить не более 20%, обрекая 80% на потери; (слайд Агроэкосистема). Сорные растения пытаются спасти беззащитные элементы, но их уничтожают аграрии всеми способами.

- рудеральная (сорная) растительность не ошибка природы, а спаситель биофильных элементов от потерь в результате природных катастроф (пожары, обвалы, пашня). При избытке элементов эти виды способны увеличивать свою биомассу в десятки и сотни раз, Они как геохимические насосы переводят свободные элементы сначала в свою биомассу, а потом в гумус почвы.

Новый взгляд на почву открывает новые возможности. Надо не истязать живую почву разрезами, а учиться применять щадящие методы физиологов: моделирование, УЗИ, томография, меченые атомы и другие щадящие методы, которые способны отличать оптимальный режим функционирования педоценоза от пессимального и экстремального.

Достаточно вспомнить, что научная медицина возникла после того, как на фоне анатомии сформировалась физиология человека. Физиология животных создала ветеринарию, физиология растений - фитопатологию.

Функциональная экология - это физиология экосистем, на ее основе уже формируется экопатология - наука, ответственная за сохранение здоровья природных и аграрных экосистем.

Лечить больную природу профессионально предложил (слайд Биосфера) Виктор Абрамович Ковда в 1989 году в публикации препринта дискуссионного клуба «Биосфера» (Пущино, 1989. 36 с.) «Патология почв и охрана биосферы планеты». Дскуссионный клуб основали В.А.Ковда и А.А.Ничипорович для обсуждения нерешенных научных проблем, ждущих своего решения, чтобы туда направить молодые силы! Имя В.А.Ковды должно занять достойное место в истории Почвоведения.

Когда коллеги спросили Г.В.Добровольского, как он относится к Функциональной экологии, он ответил: «Отношусь положительно, но чтобы ее принять, нам надо переучиваться».

Дорогие коллеги! Физиология живого педоценоза – это неисчерпаемый источник новых знаний, необходимых для управления почвенным плодородием, для защиты почв от деградации и для разработки экологически безопасных аграрных технологий. Мы сделали первый шаг. (слайд книги). Продолжать придется вам.

Вы свободно владеете компьютером, глубже нас посвящены в методы, инструменты и достижения смежных наук, вы лучше нас видите нестыковки классической теории с реальной практикой, вам легче, чем нам переучиваться. Творите будущее! Не ждите нового Либиха и Лавуазье! Должна же собственных Платонов и быстрых разумом Невтонов Российская Земля рождать! Удачи вам!

А.С.Керженцев

Дополнение к статье Генезис рендзин

Slav — Sun, 07 May 2017 15:42:17 GMT

Дополнение к статье Генезис рендзин

© А.С. Керженцев

Изучение генезиса рендзин позволило обнаружить общую для всех типов почв закономерность. В жизненном цикле рендзин, как в прочем и других типов почв, можно выделить три главные фазы: 1) почвообразование; 2) функционирование; 3) метаморфоз. Почвообразование начинается с момента заселения горной породы примитивной растительностью (лишайниками, которым почва не нужна) и завершается формированием типичного профиля зональной почвы. Сразу полнопрофильного чернозема или подзола не бывает, генетический профиль формируется в течение определенного времени, разного в каждой климатической зоне. С этого момента начинается самая длительная и стабильная фаза – функционирование типичного профиля почвы в стационарном режиме, естественно, при условии стабильного климата. Профиль зональной почвы стабильно сохраняет все свои признаки и свойства в течение длительного времени благодаря тому, что все процессы его функционирования происходят с постоянной скоростью, которая контролируется климатическими, а точнее гидротермическими условиями. Органическая часть профиля почв постоянно обновляется с постоянной скоростью. Как только произойдет смена климатических (гидротермических) условий или характера антропогенных воздействий, например, оледенение, аридизация, подтопление, распашка и т.п., сразу же начинается третья фаза – метаморфоз почвы в связи с ее адаптацией к новым условиям среды. В результате метаморфоза меняется режим функционирования почвы, зональная почва теряет прежние диагностические признаки и приобретает новые, то есть переходит в другой таксон классификации. В случае рендзин это означает их переход в окружающие зональные типы почв: подзолистые, серые и бурые лесные, красноземы. В случае обычных почв это означает переход черноземов в серые лесные при похолодании климата или в каштановые почвы при его потеплении. Это может произойти при выходе гидротермических условий за пределы диапазона зонального климата.

Но вернемся к нашим рендзинам.

Некоторые польские почвоведы отмечали у рендзин неблагоприятные агрономические свойства: вязкость и липкость во влажном состоянии, высокую плотность и растрескивание при высыхании. Профессор Зейшнер (цитировано по [15]) отмечал: «Хотя они заключают в себе достаточно питательных веществ, тем не менее, не принадлежат к урожайным: во время засухи становятся каменистыми, а в дождливое время становятся водонепроницаемыми, лишь в местах, где остался слой наносного песка – там получается из мергельной и гипсовой рендзины прекрасная почва». Это и есть начальная фаза почвообразования при формировании профиля рендзин, так ведет себя илистая фракция мехсостава, при дефиците пылевато-песчаных фракций, осталось выяснить откуда появился в рендзине наносный песок.

Наши исследования механизма функционирования экосистем показали, что пылевато-песчаная фракция образуется внутри органической массы в процессе ее разложения и утилизации избытка потенциально токсичных катионов путем их гумификации и кристаллизации. Минеральные элементы, освобожденные почвенной биотой из отмершей биомассы, но неусвоенные фитоценозом, могут оказать токсическое воздействие на биоту. Этому препятствует гумификация, которая временно консервирует их в форме устойчивых органо-минеральных молекул до востребования фитоценозом. При обилии карбонатов образуется гуматный гумус, который и составляет профиль рендзин в любой климатической зоне с достаточным увлажнением. На кислых породах образуется фульватный гумус, который консервирует другие элементы в менее устойчивых чем гуматы органических соединениях. Неусвоенные фитоценозом элементы возникают вследствие разницы между потребностью растений в конкретной очередности элементов и очередность их высвобождения при минерализации отмершей биомассы и гумуса. При их накоплении мог создаваться токсикоз биоты, губительный для экосистемы. Но экосистема в процессе эволюции сформировала механизм двойной утилизации потенциально токсичных отходов метаболизма путем их гумификации и биокристаллизации.

Биокристаллизация необратимо консервирует избыток элементов, освобожденных почвенной биотой при разложении гумуса, но не усвоенных фитоценозом, в форме глинистых кутан, железо-марганцевых и карбонатных конкреций, вторичных и первичных минералов. Биоминералы по мере накопления разбавляют разлагающуюся органическую массу и образуют со временем минеральную основу почвенного профиля. В процессе образования и разложения опада и гумуса органическая часть постоянно обновляется, а минеральная масса постепенно накапливается. Поэтому через какое-то время, минеральная составляющая, заполнив уравновешенную массу гумуса почвы, выходит за пределы ее органического профиля и образует горизонты ВС и С – ту самую минеральную бескарбонатную прослойку между породой и почвой, С этого момента начинается вторая фаза – функционирование сформированного профиля рендзины. После того, как эта прослойка достигнет мощности 30-40 см, произойдет разрыв связи между почвой и карбонатной породой. С этого момента начинается третья фаза – метаморфоз то есть процесс превращения рендзины в зональную почву. Для отрыва от породы других типов почв вероятно потребуется прослойка иного размера, но именно после этого отрыва почва формируется как зональный тип, который мы фиксируем в разных почвенных классификаицях (русской, американской, французской и т.д.), как будто почвы имеют национальность.

Сколько времени может существовать интразональная рендзина от начала заселения выхода карбонатных пород примитивной растительностью до момента ее перехода в зональную почву сказать трудно, поскольку отсутствуют надежные реперы смены фаз развития. Однако можно хотя бы приблизительно вычислить время необходимое для формирования разделительной прослойки 30-40 см, то есть время второй фазы - функционирования сформированного профиля рендзины до начала ее метаморфоза в зональную почву.

Анализ отложений Белгородского чернозема в течение голоцена (Керженцев, Остроумов,2017) показал, что средняя скорость накопления седиментов в экосистемах черноземных степей составляет 0,04 см/год или 40 см в 1000 лет. Это означает, что разделительная прослойка здесь могла образоваться в течение 1000 лет, после чего рендзина начала приобретать свойства зональной почвы. В других природных условиях должны быть другие скорости седиментации. К.Д.Глинка [4] отметил, что «в теплоумеренной зоне эти почвы описаны Драницыным для Северной Африки. По-видимому и в тропиках возможно ожидать образование рендзин, но они там вероятно довольно быстро превращаются в латеритные почвы».

Можно предварительно предположить, что скорость седиментации в таежных экосистемах в 2 раза меньше, а в тропических в 2 раза больше, чем в степных. Тогда получится, что в таежных экосистемах такая прослойка могла накопиться за 2000 лет, а в тропических за 500 лет. Таким масштабом времени исчисляется период функционирования профиля типичных рендзин в таежных и тропических экосистемах. Осталось выяснить, сколько лет длились первая и третья фазы жизненного цикла рендзин, то есть периодов от начала заселения примитивной растительностью карбонатных пород до формирования профиля рендзин в разных природных зонах и времени перехода рендзин в зональные почвы после появления разделительной прослойки. Эти моменты в жизни почвы обнаружили рендзины, но они важны не только для рендзин, но и для всех типов почв, которые в процессе перманентной адаптации к меняющимся гидротермическим условиям обязательно меняют свое таксономическое положение и в любых климатических условиях функционируют в оптимальном для биоты режиме. Антропогенные воздействия без учета механизма функционирования почв, приводят к их деградации. Для создания системы защиты почв от потерь вследствие деградации необходимы знания механизма функционирования почв и закономерностей, регулирующих этот механизм в живой природе. Знаний морфологии, физико-химических и даже биологических свойств почвы для этого явно недостаточно.

УЧАСТИЕ ЭКОСИСТЕМ В ФОРМИРОВАНИИ ОСАДОЧНЫХ ПОРОД

Slav — Mon, 01 May 2017 15:24:37 GMT

УЧАСТИЕ ЭКОСИСТЕМ В ФОРМИРОВАНИИ ОСАДОЧНЫХ ПОРОД

А.С.Керженцев

В последние десятилетия современная геология стала успешно развивать новое перспективное направление – биоминералогию. Первые серьёзные работы по биоминералам в 1970-е годы подготовили Г. Гениш, Ф.В. Чухров, И.Н. Крылов, С.Н. Серебряков, Ю.А. Жданов, Я.М. Самойлов, Н.П. Юшкин, А.Г. Жабин, В.А. Лучинина. В начале нынешнего века целую серию работ опубликовали Н.П. Юшкин, А.А. Баренбаум, Ю.Н. Водяницкий, А.А. Каздым, А.Г. Расулов, А.Ю. Розанов, Т.В. Литвинова, В.Г. Кузнецов [см. обзор Кузнецов, 2015].

Участие почв в формировании осадочных пород на материковых равнинах отмечали в начале прошлого века: Л.С. Берг, С.С. Неуструев, П.С.Коссович, А.Е.Ферсман, Б.Б. Полынов, Б.Л. Личков [см. обзор Керженцев, 2017]. Теория почвенного генезиса лессов тогда не получила признания из-за отсутствия понятного описания механизма формирования седиментов в процессе почвообразования.

Функциональная экология в процессе изучения механизма функционирования экосистем обнаружила феномен утилизации отходов их метаболизма с помощью процессов гумификации и минерализации (Рис. 1). Поскольку цикл метаболизма экосистем замкнут на 99% (Горшков, 1995), то отходы метаболизма не превышают 1% годовой продукции. Эти потери компенсируются атмосферными, в том числе метеоритными выпадениями и продуктами выветривания горных пород. В замкнутом на 99% цикле метаболизма экосистем процессы синтеза и распада биомассы строго уравновешены. Если пренебречь потерями метаболизма 1%, которые компенсируются атмосферными выпадениями, то экосистему можно считать замкнутой системой.

Рис. 1. Круговорот элементов и утилизация отходов метаболизма экосистемы.
Условные обозначения: 1. стадии превращения отмершей биомассы; 2. поступление веществ в биомассу; 3. утилизация свободных элементов, не усвоенных фитоценозом; АВ – атмосферные выпадения (аэрозоли, метеоритные вещества, продукты выветривания; ФК – фульвокислоты гумуса; ГК – гуминовые кислоты; СД – минеральные седименты.

Фитоценоз синтезирует биомассу с помощью солнечной энергии из элементов минерального питания (ЭМП), которые высвобождает педоценоз из отмершей биомассы. Почвенная биота превращает отмершую биомассу (опад) сначала в подстилку, выделяя при этом ЭМП. Фитоценоз усваивает только их часть, а потенциально токсичный избыток неусвоенных ЭМП подвергается гумификации – временной консервации ЭМП до их востребования фитоценозом. Растения, испытывающие дефицит питания, с помощью корневых выделений провоцируют вспышку численности почвенной микрофлоры, которая быстро «съедает приманку» и переключается на питание гумусом, высвобождая из него минеральные элементы. Эти элементы также усваиваются фитоценозом частично, а их потенциально токсичный избыток подвергается процессу биокристаллизации - безопасному для биоты захоронению в литосфере в форме седиментов осадочных пород. Каждый тип экосистем образует свой характерный тип седиментов: степные экосистемы отлагают лессы, лесные экосистемы умеренного пояса – покровные суглинки, тропические и субтропические лесные экосистемы – латериты. Этим объясняется географическая зональность «почвообразующих» пород, отмеченная геологами и почвоведами в начале прошлого века.

Накопление продуктов биокристаллизации в геологическом масштабе времени формирует слои осадочных пород. В результате накопления осадков они погружаются в земную кору и превращаются в метаморфические породы, а при дальнейшем погружении в мантию Земли они переплавляются в магматические породы, которые потом выносятся на земную поверхность тектоническими процессами.

По мнению В.И.Вернадского [цит по А.В.Лапо, 1987, С. 140]: «Количество биогенного вещества, переходящего в ископаемое состояние, очень невелико по отношению к годичной продукции живого вещества. У углерода, например, оно составляет для биосферы в целом 0,05%, для Мирового океана – 0,4% (0,7% для подводных окраин и 0,1% для пелагеали). Такого рода ничтожные доли вещества, ускользающего из биологического круговорота благодаря переходу в ископаемое состояние, слагают биогенное вещество метабиосферы».

В.И.Вернадский [1980, с.215] писал: «Если количество живого вещества теряется перед косной и биокосной массой биосферы, то биогенные породы (т.е. созданные живым веществом) составляют огромную часть ее массы, идут далеко за пределы биосферы. Учитывая явление метаморфизма, они превращаются, теряя всякие следы жизни, в гранитную оболочку, выходят из биосферы. Гранитная оболочка Земли есть область былых биосфер» (рис.2).

Рис. 2. Схема формирования осадочных пород континентальными и океанскими экосистемами.

Мы рассчитали количество биогенного вещества биосферы, переходящего в ископаемое состояние на основе данных из книги [Тарко А.М., 2005, табл.4.3, с.107-111]. Суммарная годичная продукция фитомассы – 171,5 ГтС/год. (1 Гт = 10⁹т). Суммарная годичная продукция океана 60-72 ГтС/год. Поскольку указанная масса ГтС составляет всего 40% фитомассы, мы вычислили 100% фитомассы и от нее уже рассчитали количество седиментов по оценке В.И.Вернадского для углерода.

Годичная продукция углерода наземной фитомассы 171,5 Гт/год, океана – 72 Гт/год. Продукция фитомассы суши составляет - 428,75 Гт/год, океана - 180,0 Гт/год.

Переход годичной продукции в ископаемое состояние (по Вернадскому): для биосферы – 0,05%, для океана – 0,4%, в том числе для шельфа – 0,7%, для открытого океана – 0,1%. Ежегодное отложение седиментов составило:

для суши. 428,75 Гт/год Х 0,05% = 0,21 Гт/год;
для океана. 180,0 Гт/год Х 0,4% = 0,72 Гт/год; в том числе:
для шельфа. 180,0 Гт/год Х 0,7% = 1,26 Гт/год.;
для пелагиали. 180 Гт/год Х 0,1% = 0,02 Гт/год.

Максимум седиментов (1,26 Гт) откладывается в зоне океанского шельфа, минимум в открытом океане (0,02 Гт). Континентальные экосистемы откладывают среднее количество седиментов - 0,21 Гт в год.

В таблице 4.3 книги А.М.Тарко [2005, с. 107-111] приведены данные годичной продукции (в ГтС/год) для типичных экосистем мира на площади каждого типа экосистем, которую мы преобразовали в фитомассу. Затем рассчитали количество седиментов при двух вариантах условий выпадения: 1% и 0,05% годичной продукции. В итоге на учтенной площади экосистем биосферы (105,48 млн.км²) при величине отходов метаболизма 1% (исходя из степени замкнутости 99%), ежегодно выпадает в осадок 14,839 Гт седиментов. По варианту В.И.Вернадского переход в ископаемое состояние составляет 0,05% от годичной продукции, поэтому ежегодные выпадения седиментов составили 0,742 Гт. Разница составляет три порядка.

Эти предварительные расчеты нуждаются в уточнении на основе современных данных о продуктивности континентальных и океанских экосистем, о площади, занятой каждым типом экосистем. В данном случае мы хотели подчеркнуть сам факт существования биогенных континентальных осадков на материковых равнинах, о которых писали наши классики в начале прошлого века: Л.С.Берг, С.С.Неуструев, П.С.Коссович, А.А.Роде, Р.С.Ильин, Б.Л.Личков и другие,

Другой способ расчета скорости седиментации нам предоставил глубокий разрез, заложенный в урочище «Ямская степь» заповедника Белогорье для участников съезда почвоведов в августе 2016 года [Керженцев, Остроумов, 2017], Этот разрез вскрыл почвенно-грунтовую толщу до глубины 650 см и обнажил четкую границу между окончанием последнего Осташковского оледенения и началом голоцена (рис.3). Нижние 230 см толщи накопились под непосредственным влиянием ледника, а верхние 420 см уже после его отступления в период голоцена. Если считать, что голоцен продолжается 10-12 тыс.лет, то средняя скорость седиментации 0,04 см/год или 40 см в 1000 лет. Вслед за отступлением ледника на данной территории менялись зональные типы экосистем (Берг, 1913). Самый нижний от границы темно-бурый слой бескарбонатного суглинка мощностью 50 см (420-370 см) накопился в течение 1200 лет существования лесотундровых и северотаежных экосистем, которые образовались на этой территории вслед за отступлением ледника. Вышележащий более светлый слой 370-320 см (50 см) сформировался за 1200 лет экосистемами хвойных лесов, поселившихся здесь в результате удаления ледника и его климатического шлейфа. Следующий слой 320-260 см (60 см) за 1500 лет накопили экосистемы широколиственных лесов, пришедших на смену хвойных, а слой 260-220 см (40 см) за 1000 лет образовали экосистемы лесостепей. После этого 5500 лет назад на данной территории установились условия, характерные для черноземных степей, которые сохранились до сих пор. За истекший период 5500 лет экосистемы черноземных степей отложили лессовую толщу общей мощностью 220 см, которая продолжает нарастать и сейчас со средней скоростью 0,04 см/год или 40 см за 1000 лет, поднимая вверх обновляемый с постоянной скоростью, а потому стабильной мощности гумусовый профиль чернозема [Личков, 1945; Ковда, 1971; Ковда и др., 1990].

Рис. 3. Глубокий разрез в урочище "Ямская степь" заповедника Белогорье.

Какие из приведенных выше данных больше соответствуют действительности, покажет время и новые специальные исследования. Однако уже эти предварительные расчеты позволяют однозначно ответить на ряд до настоящего времени спорных вопросов: 1) континентальные осадочные породы на материковых равнинах образуются в результате естественных процессов утилизации отходов метаболизма экосистем путем биокристаллизации седиментов; 2) благодаря постоянному накоплению массы подпочвенных седиментов, почвы растут вверх, сохраняя стабильную мощность постоянно обновляемого в стационарном режиме генетического профиля; 3) погребенные предметы, объекты, исторические памятники погружаются в толщу осадочных пород по мере их накопления в процессе утилизации отходов метаболизма экосистем со средней скоростью 0,04 см/год или 40 см за 1000 лет.

Разные типы экосистем, вероятно, обладают разной скоростью седиментации. Это предстоит узнать будущим исследователям, поскольку от скорости седиментации зависит оценка времени существования на данном месте экосистемы, отложившей слой седиментов данной мощности. Тогда календарь природы, зашифрованный в разноцветных горизонтах геологического разреза или обнажения, сложенный отходами метаболизма континентальных или морских экосистем, будет прочитан с точностью до сотни лет (рис.4).

Рис.4. Осадочные породы континентальных и океанских экосистем.

Условные обюозначения: 1. Пелагиаль. 2. Фотический слой океана и фитоценозы суши с полосой мангровых зарослей. 3. Гумусовый профиль почв и донные илы сапропели. 4. Осадочные породы. 5. Метаморфические породы, 6. Магматические породы.

Список литературы

Берг Л.С. К вопросу о смещении климатических зон в послеледниковое время. Почвоведение, 1913. №4, с.1-26.
Вернадский В.И. Проблемы биогеохимии. Тр. БИОГЕЛ ГЕОХИ АН СССР, 1980. вып.16.
Керженцев А.С. Породообразующая роль биоты. Вестник РАН, 2017. т.87, № 6, с.57-63.
Керженцев А.С., Остроумов В.Е. Оценка скорости континентального осадконакопления при формировании белгородской почвенно-осадочной последовательности. Теоретическая и прикладная экология, 2017, №2. с.47-51.
Ковда В.А. Основы учения о почвах. В 2-х томах. М.:Наука, 1973. т.1. с 111.
Ковда В.А., Бугровский В.В., Керженцев А.С., Зеленская Н.Н. Модель трансформации органического вещества в почве для количественного изучения функции почвы в экосистемах. Докл. АН СССР. 1990. т.312, №3. с.759-762.
Кузнецов В.Г. Литология микробиолитов. Вестник РАН, 2015. т.85, №12. с. 1092-1102. Лапо А.В. Следы былых биосфер. М.: Знание, 1987.208 с.
Личков Б.Л. Современный литогенезис на материковых равнинах. Известия АН СССР, серия географическая и геофизическая. 1945. т.1Х, № 5-6. с. 547-564.
Тарко А.М. Антропогенные изменения глобальных биосферных процессов. Математическое моделирование. М.:ФИЗМАТЛИТ, 2005. 232 с.

ТРАДИЦИОННЫЕ АГРОТЕХНОЛОГИИ – ГЛАВНАЯ ПРИЧИНА ДЕГРАДАЦИИ ПОЧВ

Slav — Wed, 19 Apr 2017 16:00:57 GMT

ТРАДИЦИОННЫЕ АГРОТЕХНОЛОГИИ – ГЛАВНАЯ ПРИЧИНА ДЕГРАДАЦИИ ПОЧВ

Керженцев А.С.

Мировые потери почвенных ресурсов за счет отчуждения, загрязнения и деградации достигли 20 млн.га/год. За 50 лет мир потеряет 1 млрд.га из 1,5 млрд.га наличия. Компенсировать такие потери ростом урожайности невозможно. Надо срочно снизить потери. Отчуждение плодородных почв под строительство можно ограничить включением в цену землеотвода утраченной выгоды за 100 лет. Загрязнение почв можно снизить запретом продажи загрязненной продукции. А для снижения деградации почв придется менять кардинально традиционные агротехнологии. Глубокая вспашка провоцирует активность почвенной биоты для максимального высвобождения из гумуса элементов минерального питания (ЭМП), а монокультура усваивает 20% их количества. Остальные 80% оказываются беззащитными и обречены на вынос из почвы. В природной экосистеме подобная ситуация возникает при лесных и степных пожарах, когда огромная биомасса превращается в золу и выносится из экосистемы водными и воздушными потоками. Выручает рудеральная растительность, пробуждаемая из спячки изобилием ЭМП. Она увеличивает свою фитомассу в десятки и сотни раз, превращая ЭМП в фитомассу, а после ее отмирания в почвенный гумус. Глубокая вспашка «озоляет» почвенный гумус и создает избыток ЭМП, из которого монокультура усваивает лишь малую часть этого богатства. Рудеральная растительность, разбуженная избытком ЭМП, пытается их спасти от потерь, но с ними ведут борьбу аграрные технологии. Практика накопила опыт альтернативных технологий: беспахотного земледелия и полидоминантных посевов (пермакультуры). Первые рыхлят почву плоскорезом или чизелем на глубину заделки семян. Этого достаточно для прорастания семян, но недостаточно для массового пробуждения сорняков. Вторые разнообразием культур поглощают максимум элементов, выделенных почвой, не оставляя их избытка. Применение этих технологий без средств химизации увеличивает рентабельность зернового хозяйства до 300%. Но такой высокий эффект игнорируют и агрохолдинги и аграрная наука. Виной тому отсутствие серьезного научного обоснования новых технологий и устаревшее понимание механизма плодородия почвы без учета механизма функционирования естественной и аграрной экосистемы. Живая почва (педоценоз) – это не геологическая порода с неограниченным запасом ЭМП, это живой биологический реактор, который готовит минеральную пищу для фитоценоза путем минерализации отмершей биомассы. Рудеральная растительность – это не ошибка природы, мешающая культурным растения, а спаситель накопленных экосистемой ЭМП от нерациональных потерь. Агротехнологии провоцируют ее размножение. Агрохимический подход к оценке почвенного плодородия убивает живую почву, нарушает природный механизм ее функционирования. Сущность метаболизма экосистем очень метко выразил В.Р.Вильямс (1949, с. 492): «Единственный способ придать ограниченному количеству свойство бесконечного – заставить его вращаться по замкнутой кривой». Метаболизм экосистемы и замкнут на 99%, благодаря чему потери ее круговорота не превышают 1% биомассы. Аграрная экосистема замкнута меньше, чем на 80%, а потери более 20% массы всех элементов компенсировать внесением трех элементов невозможно. Об истинной роли минеральных удобрений сказал А.Г.Дояренко (1966): «Что же касается искусственных туков, то они ни коим образом не могут считаться удобрениями, так как ни в какой степени не улучшают почвы и не воздействуют на почву, а являются прямым искусственным питанием растения (все равно как благотворительная кормежка голодных не улучшает условий их существования)». Надо в корне пересмотреть устаревшую концепцию плодородия почв и уже на основе новой концепции создавать научно обоснованную экологически безопасную технологию земледелия и растениеводства совместными усилиями экологов, агрономов и почвоведов. А.И.Бараев (1975), спасший целинные земли от выдувания, твердо заявил: «Усовершенствовать классическую систему земледелия невозможно, необходимо принципиально новое решение». Основу этого решения должна создать аграрная наука, вслед за практикой.

«ИЗОБРЕТЕНИЯ» ЭВОЛЮЦИИ НА УРОВНЕ ЭКОСИСТЕМ

Slav — Fri, 19 Feb 2016 15:45:21 GMT

«ИЗОБРЕТЕНИЯ» ЭВОЛЮЦИИ НА УРОВНЕ ЭКОСИСТЕМ

Керженцев А.С.

Проблема эволюции, детально изученная на уровне клетки и многоклеточного организма, вдруг застопорилась на уровне экосистемы, биосферы. Эволюция экосистем не укладывается в привычные атрибуты эволюции, разработанные на клеточном и популяционно-видовом уровне. Дело осложнилось желанием специалистов оценить эволюцию экосистем с традиционных позиций классической биологии. Однако экосистема, а тем более биосфера не индивид, она представляют собой межвидовое сообщество, где действуют законы больше напоминающие социальные законы. Классическая биология этими законами не владеет и даже не планирует заниматься их изучением. Экосистема – объект исследования экологии с ее методологией, терминологией и экспериментальной базой.

Но экология пока считается разделом биологии, изучающим отношения организмов со средой их обитания, что сильно ограничивает ее возможности. К тому же экологический бум конца прошлого века привел к тому, что даже специалисты стали отрицать существование экологии как науки. Н.Ф.Реймерс (1994) насчитал 60 разных наименований экологии. Такое изобилие терминов является признаком кризиса науки. Значит, пришла пора кардинально менять ситуацию. А главная беда в том, что экосистему как самостоятельный объект природ формально не изучает ни одна специальная наука. Растения – объект ботаники, животные – зоологии, а экосистема должна быть главным объектом изучения экологии.

Современная экология – фундаментальная наука, изучающая экосистемы (природные, аграрные, урбанизированные), их структуру и функцию, законы их изменчивости в пространстве и во времени под влиянием естественных и антропогенных факторов. Законы изменчивости экосистем в пространстве изучает ландшафтная экология, законы изменчивости во времени – функциональная экология, а реализует на практике итоги научных исследований ландшафтной и функциональной экологии прикладная (инженерная) экология (Керженцев, 2006, 2012). Современная экология впитала знания биологии, геологии, географии, почвоведения, климатологии, геохимии и других естественных наук, успешно пытается использовать арсенал знаний технических и социальных наук. Она уже стала полноправным разделом Естествознания наравне с биологией, физикой, химией и другими фундаментальными науками.

В издательстве «Династия» в 2015 году вышла замечательная книга: «Лестница жизни. Десять величайших изобретений эволюции», в которой английский биохимик Ник Лейн описывает десять природных феноменов, «изобретенных» в ходе эволюции на уровне клетки и организма, и детально исследует историю появления и совершенствования каждого из них. Он выбрал феномены, которые удивили его своей уникальностью и как бы божественным происхождением: Происхождение жизни, ДНК, Фотосинтез, Сложная клетка, Секс, Движение, Зрение, Теплокровность, Сознание, Смерть. Автор раскрывает перед читателем секреты природной лаборатории, постоянно «изобретающей» сложные приспособления для надежного обеспечения жизни клеток и многоклеточных организмов в суровых условиях среды. Из этих описаний становятся понятными механизмы и законы эволюции жизни как процесса постоянного совершенствования структуры живых клеток и организмов для эффективного выполнения их жизненных функций.

Такой подход мы попытались применить к изучению эволюции экосистем. Мы тоже выбрали 10 «изобретений», которые позволили экосистемам адаптироваться к конкретным диапазонам факторов среды и преодолеть различные стрессы без особых жизненных потерь. Приведенный ниже перечень не претендует на полноту и объективность. Он отражает субъективный взгляд автора на эволюцию экосистем как автономных природных объектов. Выбранные «изобретения» могли осуществиться только на уровне экосистемы. На клеточном и популяционно-видовом уровне их «изобрести» было невозможно:

1.Экосистема – уникальный природный объект - симбиотическая ассоциация продуцентов, консументов и редуцентов, функционирующая автономно за счет обмена симбионтов отходами жизнедеятельности. Симбиоз освободил участников ассоциации от энергетических затрат на поиск и добывание пищевых ресурсов, которые они получают от партнеров в форме отходов жизнедеятельности в обмен на свои собственные отходы. Степень замкнутости цикла метаболизма современных экосистем достигла 90-99% их общей массы (экомассы), а общие потери в геологический круговорот составляют 1-10% (Марчук, Кондратьев, 1992; Горшков, 1995). Потери метаболизма компенсируются за счет атмосферных (в том числе метеоритных) выпадений и продуктов выветривания горных пород.

Экосистема – это рентабельное безотходное производство биомассы, в котором удачно совмещены механизмы пищевого обеспечения биоты и утилизации отходов метаболизма. Фитоценоз получает минеральную пищу от педоценоза, минерализующего отмершую биомассу, а невостребованные элементы, способные оказать токсическое воздействие на биоту, сначала подвергаются гумификации, потом биокристаллизации.

Экосистему как уникальный природный объект должна изучать экология с ее специфической методологие и экспериментальной базой, которая расставит все по своим местам и позволит разумно управлять механизмом функционирования экосистем без ущерба природе и с пользой для человека.

2. Создание благоприятного микроклимата, сдерживающего резкие колебания внешних условий и их негативное воздействие на биоту экосистемы.

Растительный и почвенный покров, образованный в результате формирования экосистемы, оказывает значительное влияние на климатические условия, улучшая среду собственного обитания: сужается амплитуда колебаний температуры и влажности внутри экосистемы по сравнению с открытым пространством, повышается концентрация СО₂ на поверхности почвы и в нижней части растительного полога, что стимулирует активность фотосинтеза и прирост биомассы при дефиците света в нижних ярусах. Микроклимат экосистемы привлекает виды, обитающие в других экосистемах с более благоприятными условиями среды, увеличивая тем самым биоразнообразие экосистемы, повышая при этом степень замкнутости цикла метаболизма экосистемы и уменьшая потери минеральных элементов в геологический круговорот. По наблюдениям В.Г.Суховольского (2004), «на расстоянии 30-40 м от опушки сосняка скорость ветра уменьшается в 2 раза; уровень же воздействия ветра на деревья, находящиеся в глубине древостоя (200-300 м от опушки), уменьшается в 30-50 раз. Кооперативный эффект проявляется и в удержании влаги в лесу. Так, еловый лес задерживает 30% осадков, а сосновый – до 15%. Количество выпавших осадков над лесом больше, чем на открытом месте и почва промерзает на меньшую глубину».

3. Увеличение экомассы в процессе периодических колебаний климатических условий.

В каждом диапазоне факторов среды существует свой максимум экомассы (суммы живой и отмершей биомассы), но при этом наблюдается некоторая избирательность. Известно, что изменения средних многолетних (оптимальных) климатических условий происходят в маятниковом режиме «прилив-отлив» в сторону пессимума и экстремума. Улучшения условий воспринимаются экосистемой непосредственно без искажений: возрастает продуктивность, биоразнообразие, экомасса в соответствии с отклонением факторов среды от средних многолетних. При ухудшении условий экосистема включает буферные механизмы, которые сдерживают ее реакцию на изменения факторов среды. В итоге, после каждого завершения приливно-отливного цикла экосистема оказывается в плюсе, ее экомасса возрастает на определенную величину.

4. Изменение структуры экосистемы в ответ на внешние воздействия.

В отличие от организма, который в ответ на внешние воздействия изменяет режим функционирования (частота дыхания, сердцебиения), экосистема под влиянием внешних воздействий изменяет структуру (видовой состав). Смена видового состава фитоценоза для экосистемы не катастрофа, а обычная адаптивная реакция на изменения факторов среды. При отклонении факторов среды от оптимальных среднегодовых значений экосистема реагирует изменением видового состава. Смена оптимального режима на пессимальный или экстремальный является стрессом для некоторых видов и они выпадают из состава экосистемы. Их место занимают виды, для которых новые условия благоприятны. В итоге меняется структура экосистемы при сохранении оптимальной функции.

5. Гумификация и кристаллизация отходов метаболизма.

Гумификация и кристаллизация отходов метаболизма экосистем происходит в процессе утилизации педоценозом отмершей биомассы путем отбора полезных, ненужных и опасных отходов метаболизма экосистемы.

Фитоценоз получает элементы минерального питания в результате минерализации сапротрофной биотой отмершей биомассы. Элементы, не усвоенные фитоценозом могли бы оказать токсическое воздействие на биоту, могли быть вымыты из почвы водными потоками. Однако они взаимодействуют с органическими радикалами разлагающейся биомассы и образуют сложные органо-минеральные соединения - почвенный гумус. Разные фракции гумуса сохраняют разные наборы минеральных элементов до востребования их фитоценозом. Гумус выполняет в экосистеме одновременно три функции: накопителя, хранителя и дозатора минеральных элементов. Он связывает свободные элементы в органо-минеральные соединения, хранит эти запасы определенное время и открывает их по запросу фитоценоза.

После минерализации всех фракций гумуса высвобождаются также и бесполезные фитоценозу элементы, способные оказать токсическое воздействие на биоту. Благодаря биокристаллизации, они превращаются в устойчивые безвредные для биоты соединения: глинистые кутаны, железо-марганцевые и карбонатные конкреции, вторичные и первичные минералы. Биокристаллизация отходов метаболизма происходит и на уровне организма: у животных из них образуются кости скелета, когти, рога, копыта, перья, шерсть; у растений формируется стволовая древесина, кора, пыльца, споры, плоды, семена; в организме человека образуются кости скелета, волосы, ногти, а при нарушении выделительной системы – зубной камень, камни в почках, печени и другие. Поэтому почва служит не только источником минеральной пищи, но и эффективным утилизатором отходов метаболизма экосистемы.

Биокристаллические отходы накапливаются в геологическом масштабе времени, образуя подпочвенный горизонт С и слои осадочных пород. Каждая почва откладывает слои своего состава. Этим объясняется зональность «почвообразующих» пород, отмеченная многими исследователями. На самом деле эти породы являются дочерними почвообразованными. Детально обосновал сущность породообразующей функции почв Б.Л.Личков (1941, 1945) при поддержке В.И.Вернадского.

6. Перманентная адаптация экосистем к постоянным изменениям факторов среды.

Факторы среды (свет, тепло, влага) регулярно меняются в суточном, годовом и многолетнем циклах. Биота стремится к динамическому равновесию с факторами среды, но никогда его не достигает, поскольку факторы изменяются гораздо быстрее, чем биота успевает к ним адаптироваться. Этот догоняющий режим характерен для всей биоты, но с разным временем запаздывания. Экосистема функционирует в режиме перманентной адаптации к непрерывным колебаниям климатических условий, изменяя структуру вслед за изменениями факторов среды. Виды, лишенные при изменении условий оптимального режима, оказываются в состоянии стресса пессимального или экстремального режима, выпадают из экосистемы или снижают численность популяции. Экосистема при этом меняет свой облик (видовой состав) и приобретает диагностические признаки экосистемы другого типа. В зависимости от интенсивности изменения факторов среды в экосистемах могут произойти изменения разного масштаба: флуктуации, метаморфозы, эволюции. Флуктуации – обратимые количественные изменения в рамках прежнего таксона. Метаморфозы – обратимые качественные изменения, связанные с переходом в другой таксон классификации. Эволюции – необратимые качественные изменения, связанные с образованием нового таксона классификации.

7. Восстановительная сукцессия – это последовательная смена фитоценозов, представляющих собой разные стадии развития климаксной экосистемы, после ее гибели в результате катастрофы или истощения минеральных ресурсов экотопа. Зрелый древостой климаксной экосистемы как мощный потребитель элементов минерального питания (ЭМП) со временем перекачивает их из почвы в биомассу (фитомассу, зоомассу, семена) и этим истощает собственный экотоп. Сначала из состава лесного полога исчезают чувствительные к дефициту минеральных ресурсов виды (травяной и кустарниковый ярусы). Потом остается лес мертвопокровник, который вследствие преклонного возраста и дефицита ЭМП теряет иммунитет, подвергается нападению болезней, вредителей, пожаров. После массовой гибели лесного покрова на этой территории начинается восстановительная сукцессия. Путем смены нескольких стадий, представленных разными фитоценозами, экотоп становится благоприятным для развития стадии климакса. Устойчивый лесной покров имеет мозаичную структуру (GAP-парадигма). Пятна мозаики со временем меняются местами, поскольку появляются и зарастают в разное время. Стадия климакса появляется на тех участках, где заканчивается сукцессия. Так экосистема решает проблему создаваемого ею самой дефицита ЭМП, перемещая во времени стадию климакса с одного места ареала на другое как животное по пастбищу. Происходит постоянное мерцание мозаики, которую можно заметить с помощью ретроспективного анализа карт или математического моделирования (Керженцев, Тращеев, 2011). Восстановительная сукцессия – это естественный севооборот регионального масштаба, который можно принять за основу будущей системы рационального природопользования.

8. Инвазии энтомовредителей (сибирский шелкопряд, короед, саранча и др.) способствуют ускорению массовой гибели постаревшего растительного покрова, истощившего свой экотоп. Когда на значительной территории создается скопление одновозрастных перестойных древостоев, истощивших свой экотоп, он теряет иммунитет и в сочетании с засухой становится своеобразным сигналом для вспышки численности энтомовредителей, которые в течение короткого времени уничтожают фотосинтезирующий аппарат древостоя и вызывают его массовую гибель на значительных площадях. В 1955-57 гг. в Обь-Енисейском междуречье гусеницы сибирского шелкопряда уничтожили хвойные леса на площади 5,5 млн.га. После уничтожения хвои деревья умирают, а через 1-2 года превращаются в беспорядочно сваленный склад сухих дров, которые подвергаются опустошительным пожарам. После выгорания мертвой древесины на больших площадях начинается восстановительная сукцессия, которая восстанавливает экотоп до исходного состояния. В степных экосистемах происходит постепенное накопление ветоши, которая препятствует прорастанию семян. Это становится сигналом для массового размножения саранчи, которая уничтожает остатки живых растений и способствует дружному началу восстановительной сукцессии на значительных территориях, расширенных степными пожарами. Дополнительным стимулом массового размножения энтомовредителей является засуха.

9. Рудеральная растительность давно занимает серьезное место в системе аграрных технологий. Сорные растения считаются злостными конкурентами культурных растений за элементы минерального питания (ЭМП) и тем самым снижают урожайность полевых культур. Аграрии возмущаются, зачем мудрая природа «изобрела» этих агрессоров, которые угнетают растения, полезные человеку. Но оказалось, что виновата не природа, а человек и его неразумные аграрные технологии.

В естественных экосистемах рудеральные растения выполняют очень важную экологическую функцию по сохранению накопленных экосистемой ЭМП в нештатных ситуациях, например при пожарах и инвазиях, когда огромная биомасса превращается в золу, выдувается ветрами и выносится за пределы экосистемы водными потоками. Изобилие минеральных элементов и отсутствие конкуренции служит сигналом для массового размножения рудеральных растений, которые отличаются уникальной способностью увеличивать фитомассу при наличии избытка минеральных элементов в десятки и даже в сотни раз (заросли крапивы, лебеды высотой 2-3 метра, борщевика ростом с березу). Эти геохимические насосы усваивают оказавшиеся беззащитными ЭМП, превращая их в биомассу, которая после отмирания пополняет запас почвенного гумуса и снижает до минимума их потери из экосистемы.

На пашне происходит почти то же самое, что на пожаре. Рыхление почвы увеличивает аэрацию и провоцирует активность почвенной микрофлоры, которая разлагает почвенный гумус, высвобождая ЭМП, необходимые растениям. Однако монокультурные посевы способны усвоить не более 20% ЭМП, выделенных почвой при пахоте. Остальные 80% обречены на вынос из экосистемы. Рудеральные растения, разбуженные из спячки изобилием ЭМП, пытаются выполнить свою экологическую миссию по сбережению ЭМП от нерациональных потерь в геологический круговорот, но на них обрушивается вся мощь аграрной технологии, которые сначала провоцируют развитие сорной растительности, а потом тратят огромные усилия на борьбу с ними. Современная практика уже наработала положительный опыт альтернативных аграрных технологий: беспахотного земледелия и полидоминантных посевов. Первые высвобождают минимум ЭМП, необходимый для прорастания семян, а вторые способны усвоить весь набор ЭМП, выделенных почвой. Их внедрению мешает инерция поклонения традиционному земледелию.

10. Эдификаторы (от лат. aedificator – строитель) – преобладающие в фитоценозах виды растений с сильно выраженной средообразующей способностью, которые определяют основные свойства фитоценозов. В лесных экосистемах их называют лесообразующими породами (дуб, ель), а в степных доминантами или детерминантами (ковыль, типчак). Наличие этих растений говорит о том, что данная экосистема достигла динамического равновесия с местными условиями среды. Вокруг эдификаторов группируются сопутствующие им виды растений и животных, под ними формируется определенный тип почвы, способный обеспечить данный фитоценоз необходимым набором элементов минерального питания (ЭМП). Поскольку основной пул ЭМП в почве пополняется в результате минерализации отмершей биомассы, то он совпадает с потребностями данного фитоценоза. С другой стороны, сравнительно большая фитомасса и долгая жизнь эдификаторов постепенно истощает запас ЭМП в почве. Тогда эдификаторы вытесняют сопутствующие виды, а потом создают собственный дефицит, в результате чего теряют иммунитет и погибают. Последующий за гибелью цикл восстановительной сукцессии восстанавливает экотоп пригодный для произрастания нового поколения эдификаторов. Поскольку одновозрастные спелые древостои образуют ограниченные локальные массивы, нормальный лесной полог имеет мозаичное строение, где пятна мозаики представляют собой разные возрастные стадии сукцессии, которые всегда завершаются стадией климакса, только в разное время. Поэтому эдификаторы как бы кочуют по ареалу в поисках пригодного экотопа как животные по пастбищу в поисках лучшего корма.

Наверняка есть и другие «изобретения» эволюции на уровне экосистем, а тем более на уровне биосферы. Их надо отслеживать и попытаться объяснить как Ник Лейн (2015) десять величайших изобретений эволюции на уровне клетки и организма. Каждый специалист может предложить свою интерпретацию этих феноменов и объяснить их происхождение и эволюцию. Это очень полезный и увлекательный метод познания эволюционных изменений природы.

Такой подход (от факта) освобождает от игры словами, которыми изобилует полемика вокруг эволюции биосферы. Надо брать известные факты и объяснять их происхождение ступени движения к совершенству на основе имеющихся знаний. Там, где современных знаний недостаточно, можно сформулировать научные гипотезы, которые впоследствии могут быть подтверждены или опровергнуты. Гипотеза – это мысленный прыжок в неизвестность, который ускоряет развитие науки, но требует обязательной и тщательной проверки.

Насильно загонять проблему биосферы, экосистемы и макроэволюции в прокрустово ложе классической биологии и микроэволюции бесполезно. Каждый уровень организации жизни надо рассматривать в своем масштабе пространства и времени. Нужна фундаментальная наука изучающая экосистемы и биосферу, как экосистему глобального масштаба. Эта наука экология расставит все по своим местам.

Литература

Горшков В.Г. Физические и биологические основы устойчивости жизни. М.: ВИНИТИ, 1995. 470 с.

Керженцев А.С. Функциональная экология. М.:Наука, 2006. 259 с.

Керженцев А.С., Тращеев Р.В. «Двойная карусель» сукцессионного процесса в региональной экосистеме. Экология. 2011, №6. с.409-416.

Керженцев А.С. Новое перспективное научное направление. Вестник РАН, 2012, т.82, №5. с. с.432-440.

Лейн Ник. Лестница жизни. Десять величайших изобретений эволюции. М.: АСТ, 2015. 528 с.

Личков Б.Л. Современный литогенезис на материковых равнинах Изв. АН СССР, 1945. Сер. Геогр. и геофиз. Т. 1Х, № 5-6. с. 547-564.

Марчук Г.И., Кондратьев К.Я. Приоритеты глобальной экологии. М.: Наука, 1992. 278 с.

Суховольский В.Г. Экономика живого. Новосибирск, Наука, 2004. 140 с.

Реймерс Н.Ф.Экология. М.:Россия молодая, 1994. 367 с.

КЛИМАТИЧЕСКИЙ ОПТИМУМ И КОЛЕБАНИЯ ГЛОБАЛЬНОГО КЛИМАТА

Slav — Fri, 19 Feb 2016 15:43:24 GMT

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.

Неуструев С.С. Почвенная теория лессообразования. Природа, № 1-3, 1925.

РАЗВИТИЕ ИДЕИ Л.С.БЕРГА О ПОРОДООБРАЗУЮЩЕЙ РОЛИ ПОЧВЫ

Slav — Fri, 19 Feb 2016 15:39:49 GMT

РАЗВИТИЕ ИДЕИ Л.С.БЕРГА О ПОРОДООБРАЗУЮЩЕЙ РОЛИ ПОЧВЫ

А.С.Керженцев

Из многих научных достижений академика Л.С.Берга особое место занимает его незаслуженно забытая идея формирования лесса и лессовидных пород в процессе почвообразования. Проблема происхождения лесса до сих пор остается дискуссионной. Однако споры ведутся в основном по поводу субаквального и субаэрального генезиса лесса, а плодотворная идея о почвенном происхождении лесса после ухода Л.С.Берга забыта и почти не обсуждается. Но почвенное происхождение лесса всего лишь первая, наиболее яркая страница более важной проблемы почвенного происхождения многих осадочных пород. Полевые исследования материковых равнин накопили множество фактов, которые невозможно объяснить осаждениями водных и воздушных потоков.

Л.С.Берг (1913) первым высказал мысль о возможном участии почвы в процессе преобразования других пород в лесс. Он предложил отделить проблему происхождения материала лессовых пород от процесса лессообразования: «лессовые породы могут происходить из аллювиальных, делювиальных, пролювиальных, флювиаогляциальных и других мелкоземистых пород, но для придания им лессового облика необходим специфический почвенный процесс, свойственный сухому климату». Эта революционная идея о лессе как о продукте почвообразования позволила иначе взглянуть на сам механизм процесса лессообразования и в геологии появился новый термин «облессование пород».

Отделив происхождение породы от процесса ее облессования, многие исследователи обнаружили, что породы различного происхождения приобретают лессовидный характер, если они подстилают чернозем. Стало известно облессование песчаных и суглинистых аллювиальных пород на террасах степных рек. Верхние горизонты валунного суглинка в степной зоне также приобретают лессовидный характер (П.С.Коссович, 1911; С.С.Неуструев, 1931; А.Н.Соколовский, 1933; А.Е.Ферсман, 1934; В.И.Вернадский, 1936; К.Д.Глинка, 1906; Б.Б.Полынов, 1934). Например, Н.А.Богословский (1889, с.250) писал: «там, где чернозем образуется на моренном суглинке, суглинок этот приобретает в верхних горизонтах лессовидный характер, причем изменение идет до глубины 2,5-3,0 метра от поверхности, на указанную глубину порода приобретает пористость, карбонатность и желтый цвет. И тот же облик приобретает любая порода, если только она лежит под черноземом» (там же, с.253-254). Позже это подтвердил П.С.Коссович: «Под черноземами грунты какого бы то ни было петрографического состава приобретают лессовидный облик, именно мелкую пористость, богатство карбонатами и склонность раскалываться на вертикальные отдельности» (Коссович, 1911, с.90). В том же духе высказались Л.И.Прасолов и П.Доценко (1906), говоря о террасных глинах среднего Поволжья. Особенно активно этот вопрос обсуждался в 30-е годы.

Общую черту дискуссии подвел Б.Л.Личков (1945) при поддержке В.И.Вернадского в статье «Современный литогенезис на материковых равнинах», где подробно описал результаты своих наблюдений этого феномена в основных природных зонах мира и наблюдения коллег в разное время и в разных природных зонах мира.

По его наблюдениям: «На территории северной полосы Европейской части нашего Союза, которая не так давно была покрыта ледником, поверх морены, являющейся породой, оставленной ледником, успели отложиться не только в речных долинах и озерах, но и на водораздельных плато довольно значительные толщи достаточно мощных безвалунных, а частью тонкослоистых покровных глин, которые рассматриваются как своего рода производные морены». Автор подчеркивает: «Внимание исследователей – геологов и почвоведов, - когда они касались связи почвы и горных пород, привлекал в основном вопрос о том, как разлагаются и разрушаются материнские горные породы, производя почву, иными словами, это был вопрос о том, как материнские почвообразующие породы создают почвенный покров. Хотя последний процесс существует, но существует он в особых условиях, условиях денудации; фактически же та порода, на которой непосредственно лежит почва, вовсе никогда не разрушалась, производя почву, ибо отношение между ними как раз обратное: не порода произвела почву, а почва систематически, постоянно создавала породу, которая ее подстилает».

Далее на конкретных примерах автор показал, как происходит этот процесс в разных природных зонах, как почвенная зональность обусловливает и зональность осадочных пород. Наиболее подробно он описал наблюдения коллег геологов и почвоведов в степной зоне о взаимодействии чернозема и лесса. На основе этого анализа Б.Л.Личков делает главный вывод: «Не лесс является материнской породой чернозема, а наоборот, - всюду и везде чернозем, лежащий на поверхности лесса, был той материнской почвой, при посредстве которой создался лесс».

Однако главные выводы статьи Б.Л.Личкова (1945, с.562) лучше процитировать:

Новые отложения горных пород на материках там, где они покрыты почвой и растительностью, непрерывно происходят и осуществляются при посредстве почвенного иллювия.
Гениальное открытие В.В.Докучаева в том и состоит, что почва – это не «аморфный порошок» агрохимиков, не безличный «растительный слой» геологов, а закономерное, живое, изменяющееся образование поверхностной части земной коры.
Почвенный покров земли во все периоды истории Земли творил земную кору на материках. Не порода создавала почвы, а почвы творили новые горные породы.

Эти выводы получены в результате эмпирических полевых наблюдений целого ряда геологов и почвоведов без детального описания механизма преобразования почвой разных пород. Это противоречило сложившемуся определению почвы как породы, преобразованной факторами почвообразования. Возможность описания механизма формирования почвой осадочных пород появилась совсем недавно в связи с появлением нового научного направления «Функциональной экологии» (Керженцев, 2006, 2012, 2014), изучающей механизм функционирования природных экосистем.

В метаболизме экосистем почва (педоценоз) выполняет функцию катаболизма – диссимиляции отмершей биомассы до минеральных элементов, необходимых фитоценозу для осуществления функции анаболизма – фотосинтеза биомассы. Элементы, не усвоенные фитоценозом, с органическими радикалами разлагающейся некромассы образуют гумус – запасной фонд питательных веществ. В результате минерализации фракций гумуса высвобождаются минеральные элементы, часть которых усваивается фитоценозом. Невостребованные элементы, способные оказать токсическое воздействие на биоту, подвергаются биокристаллизации и формируют минеральную основу почвенного профиля: глинистые кутаны, железо-марганцевые и карбонатные конкреции, вторичные и первичные минералы. Накапливаясь в геологическом масштабе времени эти седименты формируют горизонт С подпочвы, а затем и слои осадочных пород, выводя ненужные биоте элементы из биологического круговорота в геологический.

Степень замкнутости цикла метаболизма современных экосистем 90-99% их общей массы (экомассы), а потери в геологический круговорота составляют 1-10% (Марчук, Кондратьев, 1992; Горшков, 1995). Эти потери компенсируются за счет атмосферных (в том числе метеоритных) выпадений и продуктов выветривания горных пород. Химический состав экомассы очень близок составу космической пыли и метеоритного вещества и очень далек от состава геологических пород (Голенецкий и др. 1981, 1983). В результате аккреции Землей космической пыли со средней скоростью 0,6 т/км²/год за время существования нашей планеты (4,5 млрд. лет) накопилась масса биофильных элементов, которая постепенно превратилась в экомассу и стала ограничивать экспансию жизни и рост массы биосферы. Циклический процесс метаболизма живых систем (клетки, организма, экосистемы, биосферы) позволил биоте рационально использовать ограниченный запас биофильных элементов.

Органическая масса почвенного профиля полностью обновляется в процессе метаболизма экосистем за счет регулярного поступления опада в подзолистых почвах за 70-80 лет, в серых лесных за 100-120 лет, в черноземах за 400-500 лет, в красноземах за 5-10 лет (Ковда и др., 1990). Примерно в таком же порядке происходит выход из почвы отходов метаболизма: газов в атмосферу, растворов в гидросферу, биоминералов в литосферу. Каждый тип почвы откладывает свой состав биоминералов в качестве отходов метаболизма и формирует свойственный ему состав осадочных пород. По мере накопления и погружения в геологическом масштабе времени эти породы подвергаются высокому давлению и температурам, которые превращают их сначала в метаморфические, а затем переплавляют в магматические породы. Именно такие превращения имел в виду В.И.Вернадский, когда говорил о том, что все геологические породы прошли через живое вещество.

Процесс формирования минеральных седиментов более отчетливо проявляется в метаболизме водных экосистем, где функции анаболизма и катаболизма разделены в пространстве. Отмершая биомасса частично минерализуется по мере оседания на дно водоема, и на дно оседают только минеральные отходы метаболизма. Неразложившаяся отмершая биомасса, оседая на дно водоема, образует донный осадок сапропель, которым питается сапротрофная биота, оставляя на дне минеральные отходы. Какая-то часть этих отложений растворяется в воде, а основная их масса постепенно накапливается и образует слои минеральных субаквальных пород.

На суше отмершая биомасса минерализуется гетеротрофной и сапротрофной почвенной биотой. Часть освобожденных минеральных элементов поглощает фитоценоз для синтеза новой биомассы, а невостребованная часть, способная оказать токсическое воздействие на биоту, подвергается гумификации и сохраняется некоторое время в почве как запасной фонд минерального питания. Почвенная микрофлора минерализует гумус и высвобождает вместе с питательными элементами ненужные фитоценозу элементы, способные оказать токсическое воздействие на биоту. Эти элементы нейтрализуются в процессе биокристаллизации, образуя в почве глинистые кутаны, железо-марганцевые и карбонатные конкреции, вторичные и первичные минералы, которые составляют минеральную основу почвенного профиля.

В геологическом масштабе времени минеральные седименты накапливаются и формируют слои осадочных пород. Каждый тип почв откладывает свой тип осадочных пород. Этим объясняется географическая зональность не только почв, но и подстилающих пород, которую отмечали многие почвоведы (П.С.Коссович, Л.С.Берг, С.С.Неуструев, К.Д.Глинка, Б.Б.Полынов, И.П.Герасимов и другие). Эти породы принято называть почвообразующими материнскими, хотя в действительности они являются почвообразованными, дочерними. Пласты этих пород можно использовать как надежный календарь природы. Мощность конкретного слоя седиментов говорит о периоде времени, в течение которого на данном участке суши существовал данный тип почвы.

Многометровые толщи лессов и латеритов свидетельствуют о длительном существовании на данной территории черноземов и красноземов. Слоистые породы характерны не только для аллювиальных отложений, они могут быть свидетелями резких смен почвенно-растительного покрова в результате глобальных изменений климата. Интересны с этой позиции так называемые двучленные породы (песок-суглинок и суглинок-песок), которые довольно часто встречаются под европейскими почвами. Обычно на песках формируются подзолы, а на суглинках серые лесные почвы. Если песчаные породы залегают выше суглинистых, это может означать, что до существующих на данной территории таежных экосистем здесь были распространены лесостепные экосистемы с серыми лесными почвами. Смена природных зон произошла в результате похолодания климата. Залегание суглинистых пород выше песчаных говорит об обратном изменении, когда в результате потепления климата на место таежных экосистем с подзолистыми почвами пришли лесостепные экосистемы с серыми лесными почвами.

Л.С.Берг (1913, 1918, 1947, 1950) первым заявил о возможности смещения климатических и ландшафтных зон в послеледниковое время. При изучении климатов прошлых эпох Л.С.Берг еще в 1913 г. обратил внимание на смещение климатических и ландшафтных зон. Он выделял 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. Период климатического оптимума, в котором мы находимся сейчас располагается между крайностями оледенения и аридизации, которые сдвигают границы ландшафтных зон в противоположных направлениях. 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. 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.

Идеи Л.С.Берга о смещении климатических и ландшафтных зон и о почвенном происхождении лесса намного опередили время. Их значимость для науки и практики только сейчас начинает осознавать научная общественность и применять эти идеи для разработки надежной теории и методологии прогнозирования сложных природных явлений глобального масштаба. Широчайшая эрудиция и величайший дар предвидения ставят имя Л.С.Берга в ряд корифеев российской науки: В.В.Докучаева, В.И.Вернадского и других замечательных ученых, обогативших российскую и мировую науку о законах развития природы.

Литература

Берг Л.С. К вопросу о смещении климатических зон в послеледниковое время. Почвоведение, 1913. №4, с.1-26.

Берг Л.С. О происхождении лесса. Изв. РГО, т.52, вып.8, 1916. с.579-646.

Берг Л.С. Климаты геологического прошлого. Природа, 1918, №1, с. 3-28.

Берг Л.С. О почвенной теории образования лесса. Изв. Геогр. ин-та. 1926, с. 73-92.

Берг Л.С. Проблема лесса. Природа, 1927. № 4, с. 317-346; №6, с. 445-464.

Берг Л.С. Зональность покровных пород Восточной Европы и происхождение лесса. Зап. Одесского общ. естествоиспытателей. 1928, т.44, с. 33-36.

Берг Л.С. Происхождение атмосферной пыли в Средней Азии. Природа, 1929, №1, с.75.

Берг Л.С. Лесс как продукт выветривания и почвообразования. Тр. II Междунар. конф. ассоциации по изучению четвертичного периода Европы, 1932, вып.1. с.68-73.

Berg L.S. The jrigin of loess. Gerlands Beitr. Z. Geophys., Bd.35, 1932, pp. 130-150.

Берг Л.С. Фауна лесса. В кн.: Проблемы палеогеографии четвертичного периода. Тр. Ин-та географии АН СССР, 1946, вып.37, с.225-241.

Берг Л.С. Справка по истории лессового вопроса. Почвоведение, 1946, №3, с.164.

Берг Л.С. Климаты в древнейшие эпохи истории Земли. Вест. ЛГУ, 1947. №5, с.61-66.

Берг Л.С. Дочетвертичные лессы. Землеведение, нов.сер. 1948,т.2(42), с.92-96.

Богословский Н.А. О некоторых явлениях выветривания в области русской равнины. Изв. Геол. Комитета, гл.ХУ111, 1899.

Вернадский В.И. Об анализе почв с геохимической точки зрения. Почвоведение, 1936, №1.

Керженцев А.С. Функциональная экология. М.:Наука, 2006. 259 с.

Керженцев А.С. Новое перспективное научное направление. Вестник РАН, 2012. т.82, №5. с.432-440.

Керженцев А.С. Лекции по функциональной экологии. ЛАМБЕРТ, 2014. 186 с.

Ковда В.А., Бугровский В.В., Керженцев А.С., Зеленская Н.Н. Модель трансформации органического вещества в почве для количественного изучения функции почвы в экосистемах. Докл. АН СССР, 1990, т.312, №3. с. 759-762.

Коссович П.С. Основы учения о почве. Ч.11, вып.1. СПб, 1911.

Неуструев С.С. Почвенная теория лессообразования. Природа, № 1-3, 1925.

Полынов Б.Б. Кора выветривания. Ч.1. М.:Изд.АН СССР, 1934.

Соколовский А.Н. Грунтознавство. Харьков-Днепропетровск, 1933.

Ферсман А.Е. Геохимия. Т.11. Ленинград, 1934.

ОСОБЕННОСТИ СОВРЕМЕННОЙ ЭВОЛЮЦИИ БИОСФЕРЫ

Slav — Thu, 29 May 2014 09:16:10 GMT

ОСОБЕННОСТИ СОВРЕМЕННОЙ ЭВОЛЮЦИИ БИОСФЕРЫ
А.С.Керженцев

Введение

Все началось с недоумения А.В.Яблокова, почему изучение эволюции на уровне экосистемы застопорилась, зашло в тупик. На наш взгляд виной тому явная недооценка современной экологии как новой области естествознания, которая изучает природные, аграрные и урбанизированные экосистемы, их структуру и функцию, изменчивость в пространстве и во времени под влиянием естественных и антропогенных факторов.

Объект исследования экологии экосистема – симбиотическая ассоциация автотрофной, гетеротрофной и сапротрофной биоты, функционирующая автономно в определенном диапазоне факторов среды за счет обмена симбионтов отходами жизнедеятельности. Экосистема вышли за пределы компетенции биологии, поскольку для ее структуры и функции важны межвидовые отношения и механизмы взаимодействия между разными биоценозами в конкретных условиях среды. Человек и его деятельность в разных соотношениях входит в состав природных, аграрных и урбанизированных экосистем локального, регионального и глобального масштаба.

Рассматривать экосистемы с позиций биологии примерно то же, что оценивать свойства химических соединений с позиций физики. Химия оперирует свойствами молекул и их комбинаций в конкретных веществах, которые, конечно, состоят из атомов, но при этом отличаются специфическими свойствами, не сводимыми к свойствам атомов. Достаточно сравнить свойства поваренной соли со свойствами натрия и хлора. Законы химии нельзя рассматривать с позиций физики. У них разные диапазоны компетентности.

Современная экология изучает экосистемы и их комбинации, образующие ландшафтные зоны, биомы, биосферу, Все они, конечно же, состоят из самых разных организмов, но при этом обладают специфическими свойствами, не сводимыми к свойствам отдельных видов и популяций. Биология изучает внутренний мир организмов, а экология их внешние «общественные» отношения. Это относится и к проблеме эволюции.

Современная экология впитала в себя знания многих разделов естествознания: биологии, геологии, геохимии, географии, почвоведения, климатологии, уже пытается использовать богатый арсенал технических и социально-экономических наук. Поэтому она способна всесторонне изучить свойства природных, аграрных и урбанизированных экосистем в качестве основных объектов.

1. Эволюция. Определение термина.

Для начала дискуссии А.В.Яблоков предложил следующее определение: БИОЛОГИЧЕСКАЯ эволюция - необратимое и, в известной степени, направленное историческое развитие живой природы, сопровождающееся изменением генетического состава популяций, формированием адаптаций, образованием и вымиранием видов, преобразованиями биогеоценозов и биосферы в целом. (Яблоков, Юсуфов, 2006).

Данное определение представляет набор эмпирических наблюдений и не объясняет мотивации, механизмов и стимулов эволюции, формирования адаптаций, изменения генетического состава популяций, образования и вымирания видов, преобразования биогеоценозов и биосферы в целом, вектора необратимой направленности эволюции.

Эволюция экосистем последовательно повышает эффективность механизмов взаимодействия между сообществами: фитоценозом, зооценозом, педоценозом. Приоритетом взаимодействия компонентов в экосистеме является не конкуренция, а кооперация, когда индивидуальная специфика особей, видов, популяций уступает место их «общественной» функции или способности кооперироваться и даже сожительствовать с другими далеко не родственными видами. Конкуренция существует между экосистемами за территорию с ее конкретными условиями среды. Стабильность экосистемы обусловлена адаптацией функций всех ее компонентов к конкретному диапазону факторов среды. При изменении условий более адаптированная экосистема вытесняет конкурента за пределы ареала.

Мы предложили другое определение: Эволюция – это процесс непрерывного совершенствования структуры живых систем для более эффективного выполнения ими функции метаболизма в конкретном диапазоне факторов среды. Эволюция совершенствует живые системы всех уровней организации (клетка, многоклеточный организм, экосистема, биом, биосфера).

2. Метаболизм – универсальный механизм функционирования живых систем.

Все живые системы объединяет универсальный механизм функционирования – метаболизм (обмен веществ, биологический круговорот). В клетке он совершается между органеллами, в организме – между органами, в экосистеме – между биоценозами, а в биосфере – между экосистемами и средой их обитания. Метаболизм - циклический процесс фазового превращения вещества живой системы путем последовательного прохождения им функций: анаболизма, некроболизма и катаболизма. (рис. 1). Анаболизм превращает минеральные вещества с помощью солнечной энергии в живую биомассу, некроболизм превращает живую биомассу в мертвую некромассу, катаболизм превращает мертвую некромассу в минеральные вещества, необходимые для функции анаболизма. Емкость и скорость метаболизма контролируется факторами внешней среды (свет, тепло, влага), диапазоны которых распределяются по земной поверхности в соответствии с законом географической зональности.

Каждая функция метаболизма состоит из двух противоположных процессов: анаболизм - из биосинтеза и экскреций: некроболизм – из некроза и возрождения: катаболизм – из минерализации и гумификации.

3. Эволюция клетки и организма. Механизмы и результаты.

Эволюция на уровне клетки началась с узкой специализации прокариот, конкурирующих за элементы минерального питания. Под давлением геохимического голода и оксигенизации атмосферы в протерозое, прокариоты объединились в более универсальную эукариотную клетку. Дальнейшая эволюция эукариот проходила внутри различных организмов путем специализации клеток, объединенных в организм по выполнению в нем конкретных функций. Высшим достижением этого уровня можно считать образование нервных клеток в организме теплокровных животных.

Эволюция на уровне организма оказалась сложнее, но проходила быстрее, чем эволюция клеток (археи, протисты, грибы, водоросли, растения, насекомые, хладнокровные и теплокровные животные, млекопитающие, приматы), Высшим достижением эволюции организмов по праву считается человек разумный.

Одним из основных путей ранней эволюции метаболизма было замещение малодоступных металлов на доступные в составе ферментов, связанное с резким похолоданием климата в протерозое. Это позволило защитить ДНК и многие внутриклеточные биохимические реакции от кислорода (Заварзин, 2004; Федонкин, 2008). Существенную роль в эволюции биосферы сыграло формирование наземных эукариотных экосистем с их замкнутыми биогеохимическими циклами.

Формирование эукариотной клетки через симбиоз прокариот, взаимно зависимых от продуктов обмена друг друга, решало две проблемы – геохимического голода и защиты от кислорода анаэробных частей метаболической системы клетки. По мнению Г.А.Заварзина (2004, с. 432) «геохимическое истощение биосферы на протяжении архея и раннего протерозоя (ледниковый период), особенно в отношении ряда тяжелых металлов, вовлеченных в биокатализ, было (и во многом остается) главной проблемой всего живого. Решение этой проблемы развивалось по пути образования факультативных и облигатных симбиозов микроорганизмов, взаимно зависимых от продуктов обмена друг друга и, конечно, по пути гетеротрофии, т.е. поглощения других организмов или разложения омертвевшего органического вещества. Это и было сутью формирования сложной эвкариотной клетки».

Выход зеленых растений на сушу состоялся благодаря созданию твердого лигнинно-целлюлозного скелета с водопроводящими каналами, который позволил поднять фотосинтетический аппарат над земной поверхностью, а также обеспечить обводнение организма изнутри и доставку минеральных элементов из почвы в листья.

4. Эволюция экосистемы и биосферы. Заселение суши.

Изначально жизнь развивалась в водной среде в условиях благоприятных температур и обилия геохимической пищи. Освоение суши началось при наиболее благоприятных для биохимических реакций гидротермических условиях (рис. 2), характерных для экваториального пояса Земли. По мере усложнения структуры экосистем вследствие заполнения экологических ниш новыми видами, снижались потери вещества и повышалась замкнутость цикла метаболизма. Неизбежные потери метаболизма создавали экологические ниши для образования новых видов, способных усвоить отходы жизнедеятельности существующих видов и включиться в цикл метаболизма экосистемы в конечном звене трофической цепи. (Лапенис, 2004).

Рис. 2. Гидротермическое поле биоты.

Первые экосистемы сформировались в самом центре гидротермического поля биоты (ГТП), в диапазоне максимального комфорта (рис. 2). В направлении от центра к периферии ГТП до черты анабиоза комфортность условий снижалась. В процессе эволюции «линия фронта» заселения суши перемещалась по градиенту убывания комфорта. После освоения очередного диапазона ГТП биота экосистемы начинала совершенствовать цикл метаболизма в направлении минимизации потерь вещества и максимизации замкнутости круговорота в данных условиях.

Современные экосистемы достигли 99% замкнутости метаболизма (Марчук, Кондратьев, 1992). Архаичные экосистемы – циано-бактериальные маты сохранились до настоящего времени только в экстремальных условиях пустынь, горячих источников, солончаков.

Растекание экосистем по градиенту гидротермического дискомфорта происходило под давлением экспансия жизни, которая после заполнения комфортной экологической ниши, стала вытеснять периферийные виды в менее комфортные условия. Многолетние колебания климата расширяли гидротермический диапазон экосистемы и виды, адаптированные к краевым условиям, стали осваивать без конкуренции соседний диапазон гидротермического поля (ГТП), где скооперировались в новые экосистемы.

На земной поверхности очертания диапазонов гидротермического поля биоты выглядят не так идеально как на схеме. Они похожи на рисунок береговой линии водоема, копирующей пересечение уреза воды с неровностями рельефа. Контуры границ экосистем совпадают с границами конкретных диапазонов ГТП.

Чтобы показать динамику заполнения диапазонов гидротермического поля земной суши разными типами экосистем мы огрубили карту продуктивности растительного покрова (Базилевич и др., 1968) до 5 типов из 10, (рис. 3 а-д). Картина заселения суши сравнима с изменением береговой линии водоема при снижении уровня воды, где зеркало воды изображает зону анабиоза, а обнажающиеся острова и берега – освоенные биотой участки суши, Примерно в такой последовательности эволюция меняла почвенно-растительный покров Земли и формировала биосферу.

Рис. 3. а.

Рис. 3. б.

Рис. 3. в.

Рис. 3. г.

Рис. 3. д.

Рис. 3. Последовательность заполнения экосистемами гидротермического поля Земли. Экосистемы с разной продуктивностью: а) выше 12 т/га; б) 6-12 т/га; в) 3-6 т/га; г) 1-3 т/га; д) менее 1 т/га сухого вещества.

Первые контуры экосистем с продуктивностью выше 12 т/га сухого вещества представляли собой редкие острова и архипелаги, разбросанные по безжизненным континентам в экваториальном поясе земной суши. Затем, после заполнения комфортной ниши, под давлением конкуренции периферийные экосистемы стали осваивать менее комфортные гидротермические условия, в которых продуктивность снизилась до 6 т/га. Освоение следующего диапазона ГТП сопровождалось снижением продуктивности экосистем до 3 т/га, а на границе анабиоза она оказалась ниже 1 т/га. Так завершилось формирование биосферы, где каждая экосистема адаптирована к своему диапазону ГТП.

Идеальная картина гомеостаза биосферы стала нарушаться с появлением человека – биологического вида, сумевшего нарушить закон природы, ограничивающий рост численности всех популяций. Он довел численность населения и его потребности до предела возможностей биосферы и вынудил биоту адаптироваться к новым для нее антропогенным факторам.

Поэтому следующий этап эволюции биосферы должен быть связан с преодолением природой антропогенных факторов. Какие формы кооперации или конфронтации с человеком выберет природа, сказать трудно. Она вполне может избавиться от агрессии вида монополиста с помощью эпидемий, экзотических болезней, природных и техногенных катастроф, и таким образом устранить угрозу полного уничтожения человеком с его мощным военным и техническим арсеналом.

После избавления от вида-агрессора природа восстановит нарушенный гомеостаз биосферы и продолжит заторможенный человеком процесс эволюции по законам, которые устоялись в течение миллиардов лет. Исчезнут выведенные человеком породы скота, сорта культурных растений, не способные существовать без участия человека. Среда обитания очистится от токсикантов, а нарушенный человеком гомеостаз биосферы вернется на исходный уровень.

Остается надежда, что человеческий разум до наступления глобальной катастрофы найдет способ гармонизации своего сожительства с природой. Он может создать на базе высших технологий, согласованных с законами природы, гармоничную социально-экологическую систему глобального масштаба – ноосферу и научится контролировать ее гомеостаз с высокой точностью, не допускающей дисбаланса.

Однако для этого человеку нужно кардинально изменить образ жизни, избавиться от синдрома покорителя природы, насаждаемого веками религиозной догмой о том, что Бог создал Землю и ее богатства исключительно на потребу Человека. Поколения советских людей воспитаны лозунгом: «Нам нечего ждать милостей от природы! Взять их у нее – наша задача!» Сейчас более актуальны слова американского эколога Луи Баттана, сказанные им в 70-е годы прошлого века: «Одно из двух: или люди сделают так, что на Земле станет меньше дыма, или дым сделает так, что на Земле станет меньше людей!»

Человечество – экипаж космического корабля по имени «Земля», одиноко блуждающего в открытом космосе с ограниченным запасом ресурсов и возрастающей численностью экипажа. Отец космонавтики К.Э.Циолковский сказал: «Планета – колыбель разума, но нельзя вечно жить в колыбели». Однако для выхода из колыбели нужно обеспечить ее безопасность, чтобы было, куда вернуться в случае неудачи.

Литература

Базилевич Н.И., Дроздов А.В., Родин Л.Е. Продуктивность растительного покрова Земли, общие закономерности размещения и связь с факторами климата. Журнал общей биологии, т. ХХ1Х, № 3, 1968. с. 264-272.
Вернадский В.И. Биосфера. Избр. Соч. т. 5, М.: Изд. АН СССР, 1960. 420 с.
Заварзин Г.А. Лекции по природоведческой микробиологии. М.:Наука, 2004. 348 с.
Керженцев А.С. Функциональная экология. М.:Наука, 2006. 259 с.
Лапенис А.Г. Принцип биогеохимической селекции организмов и направленная эволюция биосферы. С. 290-306. Рассеянные элементы в бореальных лесах. Отв. Ред. А.С.Исаев. М.: Наука, 2004. 616 с.
Марчук Г.И., Кондратьев К.Я. Приоритеты глобальной экологии. М.,Наука, 1992. 264 с
Федонкин М.А. Роль водорода и металлов в становлении и эволюции метаболических систем. С.417-438. Проблемы зарождения и эволюции биосферы. (под ред. ак. Э.М.Галимова. М.: Книжный дом «ЛИБРОКОМ», 2008. 553 с.
Яблоков А.В., Юсуфов А.Г. Эволюционное учение. М.: Высшая школа, 2006, 310 с.

НАУКА И ОБРАЗОВАНИЕ

Slav — Mon, 31 Mar 2014 15:27:04 GMT

НАУКА И ОБРАЗОВАНИЕ – РАЗНЫЕ ОБЛАСТИ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ

А.С.Керженцев

В спорах о судьбе Российской академии наук (РАН) часто обсуждается вопрос о необходимости перевода науки в университеты. При этом спорщики почему-то обходят главный вопрос принципиального различия науки и образования, т.е. профессиональной научной и педагогической деятельности. Именно здесь скрыта главная опасность такого объединения для науки.

Дело в том, что главная задача образования заключается в передаче ученикам знаний, накопленных человечеством за исторический период времени. Педагоги передают ученикам устоявшиеся знания, сформулированные законы, правила, теоремы, теории, проверенные практикой. Они старательно отсеивают спорные, дискуссионные вопросы. Научные дискуссии педагоги используют исключительно для иллюстрации сложного пути постижения истины в прошлом. Конечным итогом таких дискуссий является современный свод знаний, который не подлежит сомнению и требует прочного усвоения. Иными словами, новое научное знание должно пройти тщательную проверку временем и практикой, прежде чем оказаться в учебной программе системы образования.

Наука же постоянно внедряется в область неизвестного, превращает незнание, догадки, идеи в прочные знания. Она постоянно ищет ответы на злободневные вопросы, поставленные практикой или самой наукой. Поэтому разнообразие взглядов на результаты научных исследований для науки дело привычное и даже необходимое. Разные точки видения объекта исследований дают разные результаты и позволяют осуществить всесторонний анализ конкретного объекта. Побеждает то направление, которое в данный момент аргументировано в наибольшей степени.

Но через некоторое время могут появиться результаты новых экспериментов с использованием новых методов и нового оборудования, которые опровергнут устоявшиеся положения, заменят их новыми более аргументированными. Для развития науки это нормальный рабочий процесс, который для системы образования совершенно неприемлем. Существующие знания должны прочно усваиваться студентами без всяких сомнений и дискуссий. Педагогические дискуссии касаются методов передачи знаний ученикам, способов иллюстрации основных положений современных знаний.

В принципе наука и образование разные профессии: выдающийся педагог может быть посредственным ученым, а выдающийся ученый – посредственным педагогом. Но чиновники постоянно пытаются их совместить, иногда удачно, чаще неудачно. Если во главе такого совмещения стоят представители науки, они стараются внести в образовательный процесс методику научного поиска, дискуссионные вопросы, чтобы показать, с каким трудом новые знания пробивают дорогу не только в прошлом, но и в настоящем. Если же во главе объединения стоят педагоги, они тщательно отметают все сомнительные и дискуссионные вопросы, оставляя для учеников только устоявшиеся, проверенные практикой истины. Дискуссионные вопросы считаются покушением на устоявшийся, утвержденный министерством образовательный стандарт, вплоть до обвинения в лженауке. Любые сомнения расшатывают отработанную годами методику изложения накопленных знаний. Новые знания становятся крамолой, не угодной для системы образования.

В настоящее время положение российской науки и ее главного штаба РАН осложняется именно этим положением. Сначала государство обескровило науку резким снижением финансирования, лишив многие институты и лаборатории экспериментальной базы – материальной основы научного поиска. В результате чего начался отток из науки квалифицированных специалистов за пределы страны, туда, где сохранилась на должном уровне экспериментальная база, где осталась возможность поработать на уровне мировых стандартов. Главным двигателем научной эмиграции оказалась не зарплата, а именно экспериментальная база. Этим объясняется успех наших специалистов за рубежом, их идеи получили возможность реализоваться на зарубежной экспериментальной технике, но принесли успех уже не нашей стране.
Скудная экспериментальная база отечественной науки резко снизила результативность научного поиска и дала чиновникам возможность обвинить российскую науку в низкой результативности. Но катастрофическое для науки отсутствие экспериментальной базы системы образования практически не коснулось. Педагоги, как и прежде, объясняли студентам прописные истины на старых слайдах и плакатах, измеряли параметры старыми методами на старых приборах и установках. Нового от них никто и не требовал. Поэтому чиновники решили, что там все в порядке и поэтому рационально подчинить науку системе образования, как на Западе. Но на Западе в университетах приоритет ученых неоспорим. Ученые не только передают новые свежие знания ученикам, они вовлекают их в процесс научного поиска, учат научной полемике.
Мой давний друг китайский профессор Се Зичу, закончивший в свое время Геофак МГУ, однажды пожаловался мне. Я постоянно пропагандировал в Китае преимущество советской системы образования и добился разрешения на посещение МГУ студентами Хунаньского университета. Нас водили по кафедрам и лабораториям разных факультетов крупнейшего в стране университета, и я с удивлением обнаруживал приборы, служившие в пору моего студенчества. У нас о таких давно забыли. Мне стало стыдно перед моими студентами, выходило так, что я их обманывал. Но я же помню моих талантливых учителей, ученых мирового уровня. А состояние экспериментальной базы – это яркий показатель отношения государства к научному поиску, к труду ученых, к науке как уникальной сфере интеллектуальной деятельности.

Все развитые и развивающиеся страны в последние годы значительно повысили престиж науки как двигателя современного экономического развития. Вопиющая некомпетентность российских чиновников, озабоченных сиюминутным получением сверхприбылей, уже привела к почти полному распаду российской науки, которая во все времена славилась русской смекалкой и изобилием научных идей. Разрушение научных традиций, научных школ, снижение престижа российских ученых может нанести российской науке непоправимый урон, который обязательно отразится на мировом престиже российского государства как торговца природными ресурсами. Российские таланты утонут в недрах примитивной экономики, получающей барыши от торговли газом, нефтью, лесом, от хранения чужих токсичных и ядерных отходов.

Подчинить науку образованию, значит лишить ее инициативы научного поиска, права на открытия, смелые гипотезы, принципиально новые решения. Наука – самостоятельная область интеллектуальной деятельности, обладающая своими специфическими методами, принципами и критериями. Нельзя ее укладывать в прокрустово ложе министерских чиновников, которые озабочены не тем, как помочь науке выполнить ее главную функцию, а как отобрать у нее накопленный во времена былого процветания запас недвижимости, земельных участков в центре города, надбавок за ученые степени и звания. Большего ущерба для будущего нашей страны представить невозможно. Разрушать до основания мы научились, для этого большого ума не нужно, а относительно созидания успехов пока не видно. Для этого нужен повседневный непрерывный интеллектуальный труд специалистов самой высокой квалификации.

Непонятно также стремление чиновников министерства ограничить возраст руководителей научных организаций 60 лет, когда для госчиновников он установлен в 70 лет. Ученый, стоящий на вершине знаний, способен видеть не только достижения науки, но и важные еще не решенные проблемы. Он может нацелить молодежь на решение таких научных задач, которые выведут науку на принципиально новый уровень знаний. Так было всегда. Не стоит ломать плодотворные научные традиции.

Петр Великий создал Академию наук как мозговой центр государства российского, который вывел Россию на уровень цивилизованных стран Европы. Желание нынешних правителей ликвидировать РАН вытолкнет Россию с ее девизом «Сила есть, ума не надо» из цивилизованного мира. После ликвидации фашистами передовой науки в Германии и в Италии она до сих пор не может восстановить прежний уровень. Разгром генетики и кибернетики в СССР коммунистами до сих пор тормозит развитие этих наук в стране.

Эти уроки наши власти игнорируют. Им нужно, во что бы то ни стало, отнять и поделить собственность РАН, а о судьбе науки им дела нет. Сначала они обескровили науку резким спадом финансирования, а потом стали упрекать ее в низкой эффективности. Хотя по результативности на каждый затраченный доллар, российская наука самая эффективная в мире.
Сырьевая экономика не нуждается в наукоемких технологиях, а промышленность и сельское хозяйство лежат. Малый и средний бизнес, который при здоровой конкуренции мог быть потребителем научных идей, загублен силовиками и братками. Мир обеспокоен гигантскими потерями почвенных ресурсов от их отчуждения, загрязнения и деградации, которые по данным ФАО достигли 20 млн. га в год. Через 50 лет мы потеряем 1 млрд.га при наличии в сфере сельского хозяйства 1,5 млрд.га. Академик Г.В.Добровольский назвал это «тихой смертью». А чиновники нам говорят, о каких потерях вы говорите, у нас 30 млн. га заброшенных земель.

Сотрудники моей лаборатории помогли Китаю восстановить уникальные и плодородные «пурпурные почвы» на юге провинции Хунань, смытые полностью по указу Моа Цзедуна, который определил квоту вырубки деревьев на каждого члена семьи. Вырубка горных лесов привела к полному смыву почвы и послужила причиной сильных наводнений. Наши консультации помогли за 10 лет восстановить почвенный покров на площади 30 тыс. га. Наградой был «Орден Дружбы» (2007).

Вместе с германскими специалистами была разработана математическая модель для оценки эрозионного стока как источника загрязнения речных вод. Все эти разработки успешно используются в разных странах, кроме России, здесь слишком много земель. Невостребованность науки разрушенной промышленностью и примитивным сельским хозяйством тормозит ее развитие. А чиновники уверены, что дешевле купить готовые технологии за рубежом, чем поддерживать отечественную науку. Наверное дешевле, но это ставит страну в хвост цивилизации. Государству, которое устранилось от развития мозгового центра, ни о каком мировом лидерстве не стоит даже мечтать.

ГЛОБАЛЬНЫЙ ЭКОЛОГИЧЕСКИЙ КРИЗИС

Slav — Sat, 29 Mar 2014 10:15:18 GMT

ГЛОБАЛЬНЫЙ ЭКОЛОГИЧЕСКИЙ КРИЗИС
А.С.Керженцев

Численность популяции человека разумного возрастала скачкообразно между экологическими кризисами, виновником которых был сам человек и его традиционный образ жизни. Так первобытные охотники и собиратели до такой степени усовершенствовали технологию добычи пищи, что однажды обнаружили ее отсутствие в ближних и отдаленных окрестностях.

Хорошо, что изгои племен были вынуждены придумать иной способ добычи пищи – скотоводство и земледелие. В результате сельскохозяйственной революции лимит численности популяции значительно вырос. Развитие орошаемого земледелия быстро увеличило продуктивность земель и значительно повысило численность популяции человека.

Однако нарушение норм полива и отсутствие дренажа через некоторое время вызвало вторичное засоление и заболачивание орошаемых земель, которые превратились в неудоби и обрекли население на голодную смерть. Хорошо, что изгои общества, лишенные орошаемых земель, освоили богарное земледелие. Низкая продуктивность подсечно-огневой системы земледелия компенсировалась безграничным пространством для освоения. Так началось заселение Европы, в результате которого на сто лет население увеличилось в 10 раз.

Совершенствование технологий жизнеобеспечения повышало численность населения постепенно, а выход из очередного кризиса путем кардинального изменения образа жизни, резко поднимал лимит численности популяции. Современный экологический кризис отличается от всех прошлых глобальным масштабом и тем, что к небывалому дефициту ресурсов добавился небывалый избыток отходов жизнедеятельности человека.

В процессе жизнедеятельности человек создал новый класс вещества биосферы – третичную (антропогенную) продукцию, которая не поддается рециклингу природными редуцентами. Искусственные вещества и материалы, машины и механизмы, здания и сооружения, отработавшие ресурс, различные отходы производства и потребления создали тромб в биологическом круговороте вещества биосферы. Мало того, что из глобального круговорота выведено огромное количество нужного биоте вещества, его высокие концентрации стали изменять качество среды обитания человека, который не способен адаптироваться к среде иного качества. Даже незначительные изменения химического состава воздуха, воды и пищи вызывают патологические нарушения в организме человека.

Для того, чтобы выйти из современного кризиса с минимальными потерями, человек должен глубоко изучить законы природы, которые позволяют ей в течение миллионов лет надежно существовать и преодолевать глобальные и локальные катаклизмы. Управлять надо не природными процессами, а деятельностью человека на основе знаний законов природы. Строгое соблюдение этих законов может обеспечить сохранение в биосфере человека как биологического вида.
Прошлые кризисы заставали человека врасплох и сопровождались катастрофическими потерями. Современный кризис давно подает сигналы о своем приближении, но люди, вооруженные могучей техникой и смертоносным оружием, не хотят верить в его реальность. Они стыдят и наказывают паникеров, которые придумывают «страшилки» и отвлекают людей от героических дел покорения природы. Хорошо, что изгои общества, несмотря на запреты, изучают законы природы и пытаются разработать альтернативные технологии жизнеобеспечения. А государство использует материальный и интеллектуальный потенциал на милитаризацию.

Что нужно делать для предупреждения грядущего кризиса?

Во-первых, надо сохранить максимальную площадь естественных экосистем, которые автоматически поддерживают благоприятное для человека качество среды, а не ликвидировать вековую систему природных заповедников и национальных парков.

Во-вторых, надо создать суперпродуктивные биоценозы, способные обеспечить население полноценной первичной и вторичной продукцией.

В-третьих, надо создать мощную индустрию рециклинга третичной (антропогенной) продукции для возврата в биологический круговорот изъятого человеком вещества биосферы.

Иными словами человек должен взять на себя ответственность за выполнение всех трех экологических функций биоты: продуцентов, консументов и редуцентов.

Когда человек с помощью Разума сумеет вписать свою деятельность в глобальный цикл метаболизма биосферы, тогда и наступит предсказанная В.И.Вернадским следующая фаза эволюции жизни – ноосфера, которая оправдает название самого молодого биологического вида – Человека разумного. Пока у большинства населения нет даже ощущения экологической опасности, несмотря на массу предупреждающих сигналов (см. приложение).

Американский эколог Луи Баттан в 70-е годы прошлого века очень точно отразил экологическую ситуацию: «Одно из двух: или люди сделают так, чтобы на Земле стало меньше дыма, или Дым сделает так, что на Земле станет меньше людей».

ПРИЛОЖЕНИЕ

Президент Римского клуба Ашок Косла. Доклад на заседании РСПП в апреле 2012 г. (Москва).

Зернохранилища мира до 2000 г. в течение 40 лет содержали запасы зерна, которых хватало на 100 дней. После 2000 г. они начали уменьшаться и сейчас их хватает на 40-45 дней.

Ежедневные потери мировых природных ресурсов:

площадь лесов – 50 тыс. га;
площадь с/х угодий – 20 тыс. га.

Площадь пустынь увеличивается на 60 тыс. км2 (6 млн.га) в год.
Экологическое обслуживание 1 человека требует га земельных угодий:

в США – 8 га;
в Германии – 5 га;
в России – 4,4 га.

В наличии имеется только 2 га на человека.

В 1965 г. человечество использовало 0,5 способностей планеты, а сейчас уже 1,5 потенциала. Чтобы умерить наши аппетиты и изменить образ жизни у нас есть в запасе не более 30-40 лет.

По данным ФАО потери почвенных ресурсов в мире вследствие их отчуждения, загрязнения и деградации достигли 20 млн. га в год. Через 50 лет мы потеряем 1 млрд.га при наличии 1,5 млрд.га.

Промышленность Уральского региона только 3 часа в сутки работает на кислороде, который вырабатывает растительность этого региона. Кроме промышленности кислород пожирают транспортные и аграрные технологии. Московская промышленная агломерация не меньше Уральской. А сколько таких и более мелких агломераций в стране и в мире?

«Время выгорания» запаса разведанных залежей полезных ископаемых исчисляется десятилетиями и столетиями.
Норма содержания СО2 в атмосферном воздухе для нормальной работы крови в организме человека – 320 ppm, в настоящее время оно достигло 390 ppm, а предельное содержание по Робертсону – 426 ppm. При этом рН крови достигает предельного значения 7,3.

Из Космоса стало видно, что человечество существует в замкнутом пространстве космического корабля по имени Земля с ограниченным запасом ресурсов и постоянно растущим экипажем. Это и есть закрытая комната, о которой говорит И.Г.Поспелов, критикуя «страшилки» экологов.

Авторитет К.П.Кропоткина как ученого отвергнут большевиками, но именно он обосновал теорию симбиогенеза - кооперации и сожительства видов для выживания в трудных условиях.

Вторым признаком экологического кризиса можно считать возникновения все новых и новых инфекционных заболеваний, которые могут передаваться воздушно-капельным путем таких как птичий и свиной грипп, атипичная пневмония и т.д.
По данным президента Российской академии медицинских наук, директора ЦНИИ эпидемиологии МЗ РФ В.И.Покровского «Аргументам и фактам» №34 за 2003 г.: «Заболеваемость многими инфекциями растет во всем мире. За последние 30 лет описана 41 новая инфекционная болезнь».

Третьим признаком, который может влиять на состояние экономики можно считать воспроизводство ресурсов. В докладе «Живая планета-2008» отмечается, что уже сегодня наш глобальный след на 30% превышает способность планеты к воспроизводству ресурсов. Если наш спрос на услуги планеты будет расти теми же темпами, к середине 2030 гг. для поддержания нашего образа жизни потребуется эквивалент двух планет. Что может привести к еще более серьезным последствиям:

«Продолжение дефицитного расходования будет иметь очень тяжелые экономические последствия,- считает доктор Матис Уакернагел, исполнительный директор GFN. - Сокращение ресурсов и разрушение экосистем приведут к массовой стагфляции (стагнация, сопровождаемая инфляцией), из-за чего рухнет ценность инвестиций, в то время как цены на еду и энергию стремительно взлетят».

Таким образом, либеральная модель экономики в основе, которой положена эгоистическая этика, неизбежно ведет к тупику нашей цивилизации. Этика эгоистическая - этика, при которой интересы индивида и его семьи превалируют над интересами этнического коллектива.

Как в этом случае будет действовать Человек? В этом случае действия Человека будут непредсказуемыми, т.к. нарушение обмена веществ будет доходить или превышать допустимый уровень, заложенный генетической программой биологического вида. Поэтому можно ожидать, что действия будут происходить помимо его сознания, на уровне инстинктов биологического вида и направлены на сохранение этого вида. Нарушение обмена веществ будет сопровождаться выделением огромного количества внутренней энергии Гиббса на высокоразвитой поверхности мембран клеток с последующим разрушением самого организма. Этносы будут защищаться. На кого будет направлена вся эта энергия? Какой уровень самопожертвования будет в таких условиях?
Таких аналогов в истории человечества еще не было.