Судьба атмосферы полностью зависит от живых организмов. Если бы (не дай Бог) они в какой-то момент перестали дышать, то через 21 год весь углекислый газ из атмосферы исчез бы. Что это значит — понятно. Нас сейчас беспокоят небольшие изменения его в атмосфере, что же говорить об условиях, когда весь углекислый газ исчез бы.
Таким образом, в нормальных условиях в экологической системе Земли — биосфере — имеет место устойчивое равновесие: жизнь создает необходимый для жизни состав земной атмосферы и морской воды. Но человек пытается нарушить это равновесие, изменяя состав атмосферы, воды и даже почвы. С одной стороны, из атмосферного газа все больше потребляется кислорода на нужды промышленности и транспорта. С другой стороны, человек сокращает площади лесных массивов. Загрязняя воды Мирового океана, он сокращает плантации морского фитопланктона, который, как и растения на суше, поставляет кислород в атмосферу. Итого: общее содержание кислорода в атмосфере уменьшается. Одновременно количество СО2 увеличивается. Это и понятно, поскольку за последние 80 лет производство электроэнергии увеличилось более чем в тысячу раз. 80 % ее вырабатывается на тепловых электростанциях путем сжигания нефти, угля и газа. Как известно, при этом выделяется СО2. Потребление нефти за этот период возросло в 43, а газа в 34 раза. К концу второго тысячелетия потребление всех видов энергоресурсов достигнет примерно 25 млрд. тонн условного топлива. 71 % из него составят нефть, газ и уголь.
Нельзя забывать и о транспорте. Он потребляет примерно шестую часть энергоресурсов. В результате функционирования транспорта большое количество токсичных веществ, которые содержатся в отработанных газах силовых установок, а также пыли и других вредных компонентов попадает в атмосферу. Одновременно загрязняются почва и водоемы вследствие слива и прилива горюче-смазочных материалов. Говоря о факторах, ограничивающих нормальное существование живых организмов, нельзя не сказать о такой характеристике воды, как рН. Этот показатель характеризует реакцию водных растворов (щелочная она или кислотная). Он выражает степень и характер ионизации водных растворов. Установлено, что жизнь может существовать только в том случае, если ионизация меняется только в известных пределах, а именно от одной миллионной доли до одной десятимиллиардной доли процента для ионов Н+. Это значит, что рН может изменяться в пределах от 5 до 9. рН морской воды находится в этих пределах (составляет примерно одну миллиардную долю ионов Н+) и равно 8. Морская вода слабо щелочная, в ней ненамного преобладают положительные ионы Н+ над отрицательными ионами ОН-. Это соотношение (рН = 8) практически не меняется, несмотря на то, что в морской воде протекает бесконечное количество химических процессов.
Организмы выделяют аммиак, который и поддерживает в почвах и донных осадках значение рН, благоприятное для жизни самых разнообразных организмов. Без аммиака рН могло бы так сильно понизиться, что это имело бы катастрофические последствия для большинства видов организмов. Такие условия (слабо щелочные) очень благоприятны для жизни морских организмов.
Таким образом, современный газовый состав атмосферы, а также морской воды сформировался как результат деятельности организмов в продолжение предшествующих миллионов лет. Кстати, озон, являющийся зонтиком для живых организмов, также ими создан. Дело в том, что, создавая в земной коре свободный кислород, жизнь тем самым создала озонный слой, а значит, создала для себя зонтик, прикрывающий биосферу от губительного ультрафиолетового излучения Солнца.
Кстати, и почва обязана своему возникновению и существованию деятельности живых организмов. Согласно В. И. Вернадскому, почва является биокосным телом, состоящим одновременно из живых и косных (неорганизованных) тел. Значит, она возникла на Земле одновременно с живой материей. Почвы не могло быть до того, как не появились живые организмы. Как известно, жизнь в литосфере (от греч. литос — камень) — в верхней твердой оболочке Земли — концентрируется только в поверхностном слое земной коры, главным образом в почве.
РАЗВИТИЕ ЭКОСИСТЕМЫ
Экологическая система включает в себя как живые организмы (живое вещество), так и среду их обитания. Изменения в экосистеме могут происходить как в результате взаимодействия живых организмов (видов) между собой (процессы конкуренции и сосуществования), так и вследствие изменения внешней среды (например, вследствие пожаров, штормов, сильных загрязнений промышленными отходами и многое другое). Если причина изменений в экосистеме вызвана взаимодействием живых организмов (различных видов), то такое изменение (развитие) называют собственным, или аутогенным. Кстати, специалисты вместо слова развитие употребляют термин «сукцессия». Его они применяют как к животным и растениям, так и к человеческим сообществам. Так, в разделе «Экология общества» мы будем говорить о сукцессии этносов, то есть сообщества людей. Если же причина изменения (развития — сукцессии) экосистемы вызвана изменением условий во внешней среде (например, условия после пожара), то такое развитие экосистемы называют аллогенной (то есть порожденной извне) сукцессией (от греч. аллос — другой, иной).
Если существование экосистемы, ее развитие на данной территории начинается, так сказать, с чистого листа, например, после извержения вулкана, обширных пожаров или после завершения строительства новых водохранилищ, то потребуется определенное время, пока все население данной территории придет в сбалансированное состояние. Ведь в конце концов должен наступить баланс, равновесное состояние, при достижении которого экосистема войдет в оптимальный режим. Это значит, что ее коэффициент полезного действия, если можно так сказать, достигнет максимума. Можно оперировать не биомассой, а количеством информации. При стабилизации экосистемы достигается максимально высокое содержание информации.
Эта тенденция развития экосистемы в сторону увеличения ее КПД соответствует хорошо известному экологам «Закону максимума энергии в биологических системах». Суть его состоит в том, что при развитии экосистемы ее настрой, видоизменение происходит так, чтобы количество энергии, которая направлена на дыхание системы (ее поддержание), постоянно увеличивалось по мере роста всей биомассы экосистемы и увеличения всего ее органического вещества. Это и есть полезная энергия. Это увеличение возможно до тех пор, пока вся доступная экосистеме энергия не станет полезной, то есть не будет тратиться на поддержание экосистемы. Этот объективный закон очень важен, принципиален. Он показывает, что развитие экосистемы идет не в любом, а именно в этом направлении: одни виды животных приходят на смену другим не по своей прихоти или желанию, а потому, что их КПД выше, поэтому они выводят экосистему на более оптимальный уровень развития. И так до достижения стабильности.
В процессе развития (сукцессии) экосистемы меняется не только количество представителей разных видов, из которых состоит экосистема, но и возникают в данной экосистеме новые виды, а старые исчезают. При этом одни сообщества последовательно замещаются другими. Такую последовательность смены сообществ специалисты называют серией. Сообщества, которые в процессе сукцессии существовали только некоторое (но весьма определенное) время, называют стадиями данной серии. Их же называют стадиями развития или же пионерными стадиями.
Когда экологическая система в результате сукцессии достигла стабильного состояния, то дальше она должна без каких-либо заметных изменений существовать сколь угодно долго. Такую систему называют климаксом. Этот термин также применяют при описании сообществ людей, например, этносов. Такое состояние возможно до тех пор, пока какая-либо внешняя причина не изменит условий внешней среды.
При сбалансированном состоянии экосистемы валовая продукция равна энергии, уходящей на дыхание. Но в начальный момент развития экосистемы валовая продукция больше или меньше энергии, уходящей на поддержание процесса дыхания. В первом случае говорят, что имеет место автотрофная сукцессия, то есть развитие за счет собственной пищи. Это происходит, например, в том случае, если в среде вначале нет органического вещества, но усвоение энергии путем фотосинтеза (валовая продукция) больше, чем потребности в энергии для поддержания (дыхания) сообщества. Во втором случае имеет место гетеротрофиал — сукцессия, связанная с гетеротрофами. Это реализуется, например, в том случае, если среда богата органическими веществами (в очистном отстойнике). Там незамедлительно появляются гетеротрофы — бактерии и другие микроорганизмы. В этом случае валовая продукция меньше энергии, которая идет на поддержание (дыхание) экосистемы. Но в обоих случаях со временем наступит оптимум — равенство усваиваемой энергии и энергии, которая идет на дыхание. При этом КПД равен единице. Это достигается в климаксной экосистеме. Кстати, усваиваемую энергию специалисты называют «связанной» — система сумела ее усвоить, связать.
Если территория, на которой начнется развитие новой экосистемы, раньше не была занята никем (из животных и растений), то такую сукцессию называют первичной. Если же территория для новой экосистемы освободилась путем изгона из нее прежних обитателей (например, вырубили лес или забросили поле), то такая сукцессия называется вторичной. Совершенно очевидно, что достичь оптимума в развитии экосистемы, то есть климакса, можно, если совместить автотрофную и гетеротрофную сукцессии. В жизни так оно и происходит — обе эти ветви развития уравновешивают друг друга. В таких климаксных экосистемах крупные органические структуры поддерживаются небольшим расходом энергии на дыхание и невысокой суточной продукцией.
Имеется еще один принцип (закон), которому следует развитие экосистемы. Его существование должно нас радовать, ведь, следуя ему, экосистема сама, без нашего вмешательства, способна совершать восстановление, регенерацию веществ. Это действительно отрадно, поскольку восстанавливать, благодаря деятельности человека, есть что. Так вот, экосистема развивается так, чтобы максимально восстановить то, что мы нарушили. Экосистема, достигшая высокого уровня развития, способна приводить к замыканию или «уплотнению» биогеохимических циклов главных биогенных эл