Начала современного естествознания: концепции и принципы

Биосфера потребляет разнообразные химические вещества на строительство своих организмов и возвращает их обратно при разложении этих организмов. Этот круговорот лучше всего проиллюстрировать на примере основного элемента жизни — углерода. Баланс его может быть подсчитан. Ежегодно поступает в биосферу и изымается из нее 10¹¹ тонн. Баланс сходится с точностью 10^-4. Кроме того, в результате геологических процессов в биосферу поступает ежегодно дополнительно 10⁷ тонн неорганического углерода. Как показывает изучение состава пузырьков воздуха, захороненных в кернах полярных ледников, содержание СО₂ в атмосфере было неизменным последние 10 тысяч лет, а запас органического углерода, накопленный в захороненном виде в биосфере, соответствует его дополнительному притоку из глубин Земли за 100 тысяч лет. То есть биосфера (точнее, биота — сбалансированная совокупность организмов, способная компенсировать нарушения баланса в биосфере — домашние животные и культурные растения не отвечают этому условию) с высокой точностью и надежностью компенсировала этот поток и его случайные флуктуации, поддерживая состав атмосферы. (Кстати, поддерживается и содержание кислорода, который изымается геохимическими процессами).

Эта компенсация осуществляется за счет отрицательных обратных связей в соответствии с принципом Ле Шателье, а надежность обеспечивается большой избыточностью: поток вещества, участвующий в круговороте, в 10000 раз превышает средний поток углерода, поступающий за счет геологических процессов. Также избыточен и круговорот кислорода и других химических веществ. Мы уже говорили, что такая большая избыточность нужна для быстрой компенсации ударных разрушительных воздействий на биосферу, прежде чем они смогут привести к вымиранию слишком многих видов и нарушению сбалансированности биоты.

Нормально функционирующая биота должна увеличивать потребление и перевод в неактивную форму СО₂ при увеличении его концентрации в атмосфере за счет любых процессов, в частности и за счет сжигания человеком горючих ископаемых. Так и было до начала нашего века, когда человек использовал менее одного процента биологической продукции суши. Сейчас, когда это использование достигло 10 %, суша перестала работать компенсатором в соответствии с принципом Ле Шателье. Сейчас биота суши уже не только не компенсирует индустриальное поступление СО₂, но вносит свой отрицательный вклад, сопоставимый с индустриальным.

Это результат ее разрушения человеком. Все искусственные, культурные системы — сельскохозяйственные угодья, сады и парки и т. д. — имеют разомкнутый оборот: они поддерживаются в сбалансированном состоянии благодаря искусственному внесению потребляемых веществ и удалению продуктов и отходов. Так поддерживается в стационарном благополучном состоянии данная система, но состояние биосферы в целом при этом ухудшается. В частности, все культурные сельскохозяйственные земли добавляют в атмосферу парниковых газов столько же, сколько и заводы, фабрики и электростанции. Вырубка лесов, осушение болот, распашка целины высвобождают огромное количество запасенного в земле органического углерода.

Но дело не только в малой эффективности культурных садов и полей для поддержания сбалансированности природной среды. Уничтожая естественные сообщества организмов, человек обедняет видовой состав биоты, причем не только на данном участке земной поверхности, но и на Земле в целом — в мире ежегодно исчезают благодаря человеку тысячи видов. А обеднение видового состава резко ослабляет способность биоты компенсировать случайные резкие нарушения баланса. Любая естественная природная катастрофа с каждым годом становится все опаснее для биосферы.

Полученные к настоящему времени результаты говорят, что биосфера способна работать в соответствии с принципом Ле Шателье в компенсаторном режиме, только если изъятие человеком ее продуктов не превышает 1 %. Эти условия пока еще существуют только в океане. Океан еще нормально реагирует на нарушение состава атмосферы, но и он уже «на грани». На суше еще остались сбалансированные биоценозы, которые работают в нужном направлении. Но таких сбалансированных систем осталось мало, и площадь их катастрофически сокращается.

Устойчивость биосферы поддерживается очень точной сбалансированностью процессов продукции и деструкции и огромной мощностью этих процессов, превосходящих в 10000 раз среднюю мощность естественных процессов, нарушающих баланс. Сбалансированность процессов обеспечивается огромным видовым разнообразием как продуцентов так и деструкторов. Разнообразие и конкурентность обеспечивают быструю и адекватную реакцию системы на внешние флуктуации и относительную малость внутренних случайных флуктуаций — замкнутый круговорот веществ быстро восстанавливается.