МЕТАБОЛИЗМ ЭКОСИСТЕМ КАК РЕГУЛЯТОР ГЕОХИМИЧЕСКОГО РАВНОВЕСИЯ
Керженцев А.С.
Институт фундаментальных проблем биологии РАН, Пущино Московской обл.
Экосистема - симбиотическая ассоциация автотрофной, гетеротрофной и сапротрофной биоты, функционирующая автономно за счет обмена симбионтов отходами жизнедеятельности. Кооперация разнородных организмов, специализированных по типам питания, освобождает участников ассоциации от энергетических затрат на поиск и добычу пищевых ресурсов. Каждый участник получает ресурсы от партнеров в форме отходов в обмен на свои собственные отходы. Организму не нужно прилагать усилий не только для добычи пищи, но и для утилизации отходов, все обеспечивают партнеры-кооператоры.
Главный механизм функционирования экосистем - метаболизм, который представляет собой циклическую смену последовательных превращений вещества экосистемы (экомассы) с помощью трех экологических функций: анаболизма, ренатуризма и катаболизма. Анаболизм превращает массу минеральных элементов в форме газов и растворов в живую биомассу; ренатуризм превращает живую биомассу, отработавшую ресурс, в мертвую некромассу; катаболизм превращает некромассу в массу минеральных элементов, необходимых фитоценозу для выполнения функции анаболизма [1]. Степень замкнутости цикла метаболизма современных экосистем достигает 90-99% их общей массы [2]. Истинные потери или отходы метаболизма не превышают 1-10% и компенсируются за счет атмосферных (в том числе метеоритных) выпадений, а также продуктов выветривания горных пород.
Функцию анаболизма в экосистеме выполняет фитоценоз, который получает элементы минерального питания от педоценоза в обмен на отмершую фитомассу без дополнительных энергетических затрат на их поиск и добычу. Функция ренатуризма завершает жизненный путь всей биоты, входящей в состав экосистемы. Функцию катаболизма в экосистеме выполняет педоценоз – сообщество сапротрофных и гетеротрофных организмов, утилизирующих отмершую биомассу и выделяющих в качестве отходов минеральные элементы, которые необходимы фитоценозу для осуществления функции анаболизма. Помимо того, что педоценоз обеспечивает фитоценоз минеральной пищей, он еще осуществляет нейтрализацию отходов катаболизма, накопление которых могло бы оказать токсическое воздействие на биоту экосистемы.
Особую роль в экосистеме играет функция ренатуризма, которая начинается со второй половины жизни каждого организма, когда заканчивается вегетативная фаза формирования его морфологической структуры и прекращается рост. В этот момент происходит переключение потока продуктов фотосинтеза на формирование репродуктивных органов (плодов, семян, спор, зародышей) для возрождения жизни в следующем поколении. Результатом ренатуризма являются цветы, плоды, семена (генетические чертежи будущих растений), а также опад отмершей биомассы, который поступает в распоряжение педоценоза (рисунок).
В процессе катаболизма происходит последовательный распад отмершей биомассы до превращения ее в минеральные элементы, а также вторичный синтез органо-минеральных соединений, которые принято называть общим термином – гумус. Первичная деструкция опада превращает его в подстилку, высвобождая при этом минеральные элементы в форме газов (90%) и растворов солей (10%), которые поглощаются листвой (газы) и корнями (растворы) фитоценоза. Невостребованные фитоценозом минеральные элементы взаимодействуют с органическими радикалами, образуя фульвокислоты, которые пополняют состав некромассы.
Рис. Утилизация отходов метаболизма экосистемы. 1) стадии превращения отмершей биомассы; 2) поступление вещества в биомассу; 3) утилизация химических элементов, невостребованных фитоценозом.
Дальнейшая деструкция подстилки выделяет значительно больше растворов, чем газов. Часть растворенных веществ усваивает фитоценоз, а неусвоенные элементы при взаимодействии с органическими радикалами образуют гумус – сложную смесь органо-минеральных соединений безопасных для биоты экосистемы. Минерализация гумуса высвобождает минеральные элементы в форме газов (50%) и растворов солей (50%). Большая часть свободных элементов усваивается фитоценозом, а не усвоенные элементы взаимодействуют с органическими радикалами, образуя гуминовые кислоты и гумины, высоко устойчивые и безвредные для биоты нейтральные соединения, которые хранят биофильные элементы до востребования их фитоценозом.
Разнообразные фракции гумуса подвергаются дальнейшей минерализации с помощью почвенной микрофлоры. При этом высвобождается 10% газов и 90% растворов, которые в основном поглощает фитоценоз. Неусвоенные свободные и потому потенциально токсичные элементы подвергаются биокристаллизации [3], образуя безвредные для биоты минеральные соединения: глинистые кутаны, железо-марганцевые и карбонатные конкреции, вторичные и первичные минералы. Эти отходы метаболизма экосистем накапливаются в масштабе геологического времени разбавляют органическую некромассу, формируют минеральную фазу почвенного профиля, а потом образуют горизонт С и слой осадочных пород. Каждый тип экосистем формирует свои характерные для него седименты: под черноземом осаждаются лессы и лессовидные суглинки, под красноземом – латериты, под дерново-подзолистыми и серыми лесными почвами – бескарбонатные покровные суглинки. Этим объясняется зональность почвообразующих пород, которую отмечали геологи и почвоведы в начале ХХ века при картировании почв и четвертичных отложений (Л.С.Берг, С.С.Неуструев, П.С.Коссович, А.Н.Соколовский, Б.Л.Личков и другие). Более подробно описал породообразующую роль почв Б.Л.Личков при поддержке В.И.Вернадского [4].
Потери метаболизма экосистем составляют не более 1-10% от суммы их живой и отмершей массы (экомассы). Эти потери компенсируются за счет атмосферных, в том числе метеоритных выпадений и космической пыли, которая по химическому составу очень близка к составу биомассы. Средняя скорость аккреции Землей метеоритного вещества и космической пыли составляет 0,6 т/км2/год. По расчетам исследователей [5] за время существования нашей планеты (4,5 млрд.лет) аккреция могла накопить количество биофильных элементов, содержащееся сейчас в земной коре. Некоторая часть потерь восстанавливается за счет продуктов выветривания горных пород, химический состав которых значительно отличается от состава биомассы.
По мнению В.И.Вернадского [6] экспансию жизни, которую он сравнивал с давлением водяного пара, сдерживают два фактора: ограниченный запас биофильных элементов и узкий диапазон условий, благоприятных для жизни. Поэтому вся масса доступных биофильных элементов усвоена живыми существами и многократно вращается в цикле метаболизма биосферы, переходя из одного состояния в другое. Цикл метаболизма превратил ограниченный запас биофильных элементов в постоянно обновляемый, а потому бесконечный ресурс. Биоте хватает ежегодных поступлений нового вещества с атмосферными, в том числе метеоритными выпадениями. Абсолютные потери метаболизма биосферы, составляющие 1-10% глобальной экомассы, переходят необратимо в геологический круговорот: газы в состав атмосферы, растворы в состав гидросферы, а продукты биокристаллизации в форме конкреций, вторичных и первичных минералов - в состав литосферы. В масштабе геологического времени газовые отходы метаболизма пополняют запас атмосферы, растворы пополняют состав гидросферы, а продукты биокристаллизации накапливаются в форме пластов осадочных пород. Пласты седиментов в результате накопления постепенно погружаются в земную кору и под влиянием высоких температур и давления превращаются в метаморфические породы. После погружения в мантию Земли они переплавляются в магматические породы и тектонические процессы выносят их на земную поверхность, где они подвергаются процессам выветривания.
Процессы гумификации и кристаллизации в метаболизме экосистемы выполняют функцию утилизации потенциально токсичных для биоты свободных элементов, которые выделены педоценозом, но по каким-то причинам не усвоены фитоценозом. Гумификация консервирует свободные элементы временно, до востребования фитоценозом, а кристаллизация – необратимо переводит их в геологический круговорот.
Человек с помощью разума и созданной на его основе техники многократно увеличил численность своей популяции с ее потребностями. Он оказался единственным видом, который нарушил закон природы, ограничивающий рост численности популяций всех видов наличием ресурсов. Человек сумел с помощью технологий добыть ресурсы, недоступные другим видам и тем самым снял ограничение роста численности своей популяции. Сверхпопуляция человека многократно увеличила потребление ресурсов, которые принадлежат другим видам. Это создало условия глобального экологического кризиса, который стал реальной угрозой существования самого человека как биологического вида.
Нарушение человеком гомеостаза и механизма саморегуляции биосферы выразилось в создании дефицита первичной продукции вследствие увеличения численности популяции и ее потребностей (человечество вместе с домашними животными), то есть избытка вторичной продукции. Кроме того, человек в процессе жизнедеятельности создал новый класс вещества в биосфере – третичную антропогенную продукцию, включающую искусственные вещества и материалы, машины и механизмы, здания и сооружения, отходы производства и потребления, бытовые отходы. Третичная продукция вывела из биологического круговорота огромную массу биофильных элементов, поскольку естественные организмы-редуценты оказались не способными утилизировать эти искусственные вещества (Керженцев, 2006). Скопления третичной продукции в локальных участках биосферы стали источниками загрязнения среды обитания самого человека и превратились в реальную угрозу существования всей популяции человека как биологического вида, не способного адаптироваться к иному качеству среды обитания. Даже незначительные изменения химического состава воздуха, воды и пищи сопровождаются патологическими нарушениями функций организма человека. За последние десятилетия появились десятки болезней, ранее неизвестных медицине.
Восстановить нарушенное равновесие и механизм саморегуляции биосферы должен сам человек с помощью разума, техники и технологий. Однако вернуться к прежнему уровню гомеостаза уже не удастся, поскольку выросшая численность популяции продолжает увеличивать потребление ресурсов и усиливает давление на биосферу. Для выхода из экологического кризиса человек должен создать новый цикл метаболизма биосферы с новым более высоким уровнем гомеостаза, где масса первичной продукции должна быть увеличена до потребностей возросшей вторичной продукции. Этого можно достигнуть за счет высвобождения биофильных элементов, законсервированных в третичной антропогенной продукции путем создания мощной индустрии рециклинга отходов метаболизма антропосферы. Человек должен взять на вооружение наработанные природой в процессе эволюции «технологии» утилизации отходов метаболизма экосистем с помощью процессов гумификации и кристаллизации. Для этого ему придется выполнять кроме функции консумента, еще две дополнительные функции: продуцента и редуцента с помощью новейших природоподобных технологий.
Но человек разумный с его неолитической парадигмой не осознал пока и не оценил реальную угрозу для себя глобального экологического кризиса. Поэтому человек сам должен пройти очередные стадии эволюции. Человек умелый и человек прямоходячий жили по законам природы, не нарушая гомеостаз биосферы. Человек разумный нарушил закон, ограничивающий рост численности популяций и тем самым создал угрозу глобального экологического кризиса. Осознать опасность экологического кризиса и разработать детальную программу его преодоления сможет Человек просвещенный, овладевший глубокими знаниями законов природы. Но реализовать эту программу он не сможет. Это сделает Человек благородный, избавленный от первобытных инстинктов алчности, агрессии, воровства, милитаризма. Человек благородный сумеет направить интеллектуальный и материальный потенциал человечества, пожираемый милитаризмом, на решение проблемы выживания популяции человека на борту космического корабля по имени Земля, одиноко блуждающего в просторах Космоса с ограниченным запасом ресурсов и постоянно растущей численностью экипажа.
Литература
1. Керженцев А.С. Функциональная экология, М.:Наука, 2006. 259 с.
2. Марчук Г.И., Кондратьев К.Я. Приоритеты глобальной экологии. М.: Наука, 1992. 278 с.
3. Гениш Г. Выращивание кристаллов в гелях. М. 1973. 113 с.
4. Личков Б.Л. Современный литогенезис на материковых равнинах Изв. АН СССР, 1945. Сер. Геогр. и геофиз. Т. 1Х, № 5-6. с. 547-564.
5. Голенецкий С.П., Малахов С.Г., Степанок В.В. К вопросу о природе глобальных атмосферных выпадений и аэрозолей. Астроном. Вестн., 1981, т.15, №4, с.226-233.
6. Вернадский В.И. Эволюция видов и живое вещество. Природа, 1928, № 3, с. 227-250).
| 
