Концепции взаимодействия биоты и окружающей среды

В настоящее время известны две противоположные концепции взаимодействия биоты и окружающей среды:

- традиционная концепция взаимодействия биоты и окружающей среды – адаптация;

- концепция биотической регуляции окружающей среды.

Согласно традиционной концепции окружающая среда оказывается пригодной для жизни в силу уникальных физических условий на земной поверхности, определяемых исключительно особым расположением околосолнечной орбиты Земли. Биота – естественная фауна и флора биосферы – приспосабливается к окружающей среде за счёт эволюционного видообразования.

Существенные изменения окружающей среды могут происходить и за счёт воздействия самой биоты. К этим изменениям биота приспосабливается таким же образом. Например, в прошлом биота вызвала переход от восстановительной (бескислородной) к окислительной (содержащей кислород) атмосфере.

Главным свойством жизни считается способность к эволюции и непрерывной адаптации к меняющимся внешним условиям. Выделенных оптимальных для жизни внешних условий не существует. Генетическая адаптация обеспечивается внутривидовой изменчивостью геномов. Любые генотипы, обладатели которых производят наибольшее количество выживающих в окружающей их среде потомков, закрепляются в популяции. Любые виды организмов, способные адаптироваться к окружающей среде и производить наибольшее количество потомков, могут составлять земную биоту. Все наблюдаемые по палеоданным эволюционные изменения объясняются непрерывной адаптацией видов и индивидуальным отбором.

Кардинальное изменение окружающей среды, связанное с освоением природы человеком и преобразованием сообществ естественной биоты в культуру, приспособленную для удовлетворения его потребностей, рассматривается здесь как определённый этап естественного эволюционного процесса.

Единственная экологическая проблема, которую предстоит решить человеку при данной концепции – это ликвидация загрязнений, изменяющих окружающую человека среду в неблагоприятном для него направлении. Естественным процессом считается также и освоение человеком всей глобальной биоты, превращение биосферы в новую глобальную биосистему, обслуживающую исключительно нужды человека.

Биоразнообразие рассматривается как генетический ресурс, который может быть использован человеком при дальнейшем развитии биотехнологий и генной инженерии. Предполагается, что биоразнообразие включает как генетическую информацию различных естественных видов, так и внутривидовую генетическую изменчивость. Это биоразнообразие предполагается сохранить в природных парках, а также в генных банках, в заповедниках.

И действительно, большинство предложений по экологической безопасности (устойчивому развитию) от биологов–ботаников касаются главным образом расширения особо охраняемых территорий. Отметим, что площадь суши Земли – 149,1 млн. кв. км (29,2%). Отметим, что площадь земельных ресурсов за вычетом ледников и скальных поверхностей составляет 129 млн. кв. км – 86,5% суши, а площадь охраняемых территорий (в странах Организации экономического сотрудничества и развития – ОЭСР) – 2,3 млн. кв. км, т.е. всего около 1,5% суши.

Непрерывный экономический рост, базирующийся на непрерывном расширении использования ресурсов биосферы, рассматривается как единственная возможность обеспечить удовлетворение растущих потребностей увеличивающегося человеческого общества.

В традиционной концепции взаимодействия биоты и окружающей среды фактически игнорируются экологические ограничения на численность популяции биологических видов (в т.ч. человека), причины образования естественных сообществ видов и устойчивость сообществ и их среды обитания-экосистем.

В.Г. Горшков и др. (в книге В.И. Данилова-Данильяна, 2000) указывают на два важнейших эмпирических факта, которые не находят объяснения в традиционной концепции:

1) почему, несмотря на быстрые изменения окружающей среды, особенно происходящие под воздействием самой биоты, условия окружающей среды не выходят за пределы возможности существования её жизни;

2) почему, несмотря на непрерывную адаптацию, все виды сохраняют строгую дискретность и не наблюдается переходных форм ни между современными видами одновременно существующими в биосфере, ни между видами, наблюдаемыми по палеоданным.

Таким образом, традиционная концепция взаимодействия биоты и окружающей среды, где ключевым является положение об адаптации, не даёт решения проблемы допустимой хозяйственной ёмкости экосистемы, а она является главной для экологически устойчивого развития.

Основной разработчик теории биотической регуляции окружающей среды профессор биофизики из Санкт-Петербурга В.Г. Горшков, начиная с 1970 года, опубликовал в России и за рубежом множество статей по проблемам экологии, в т.ч. работу с расчётами потребления человечеством чистой первичной продукции растительности (1980). Спустя 6 лет эта работа была повторена группой известных американских экологов [Vitousek et al., 1986], но, к сожалению, именно их расчёты, практически повторяющие результаты В.Г. Горшкова, сейчас широко цитируются в мировой литературе, посвящённой проблемам окружающей среды. Наиболее полное изложение физических и биологических основ биорегуляции содержится в монографии В.Г. Горшкова, изданной на английском языке в 1994 году, а в 1995 году на русском – в ВИНИТИ.

Теория биотической регуляции и стабилизации окружающей среды прочно опирается на современную физику и биологию, не противоречит их основным законам и сама внутренне непротиворечива. Она с единых позиций позволяет объяснять явления и процессы, изучаемые в этой области знаний, обладает значительными прогностическими возможностями и допускает экспериментальную проверку. Она выявляет законы устойчивости биосферы, которые налагают ограничения на развитие цивилизации. В ней решён ключевой вопрос о несущей ёмкости экосистем.

В концепции биотической регуляции окружающей среды принимается во внимание физическая неустойчивость земной среды, где биота Земли является единственным механизмом поддержания пригодных для жизни условий окружающей среды. Отметим, что в традиционной концепции взаимодействия биоты и окружающей среды Земля устойчиво имеет уникальные физические условия, а биота приспосабливается к ним через эволюционное видообразование.

В этой концепции главное свойство биоты – способность видов к выполнению определённой работы по поддержанию выделенных условий окружающей среды, пригодных для существования жизни. Сложнейшие типы взаимодействия живых организмов с окружающей средой приводят к необходимости образования экологических систем определённого набора видов, составляющих каждую такую экологическую систему. Виды скоррелированно взаимодействуют между собой и окружающей их средой. Эта скоррелированность подобна скоррелированности клеток и органов внутри одного многоклеточного организма.

Биотическая регуляция глобальных запасов биогенов в биосфере происходит следующим образом.

В локальных экосистемах соотношение между физическими потоками выноса биогенных элементов (С, N, P, O2 и др.) и биологической продуктивностью (массой биоты) могут быть различными. Для лесов, например, физические потоки меньше биогенных (Казимиров и др., 1977). Здесь концентрация биогенов происходит за счёт несовпадения по обмену синтеза и разложения.

Для атмосферных газов, наоборот, физические потоки больше биогенных. В этом случае концентрация биогенов в локальной экосистеме мало отличается от концентрации во внешней среде.

Однако если эта малая величина превосходит порог чувствительности биоты, то сообщества, изменяющие концентрации биогенов в благоприятном направлении, приобретают преимущество и увеличивают свою конкурентоспособность. Остальные сообщества подвергаются естественному отбору. Поэтому все однородные сообщества, занимающие большие территории земной поверхности, уменьшают или увеличивают концентрации биогенов по отношению к их концентрациям во внешней среде в одном и том же благоприятном для биоты направлении. В результате возникает поток неорганических биогенов из внешней окружающей среды в локальные экосистемы, где увеличивается или уменьшается масса органического вещества. Очевидно, что такие процессы будут продолжаться до тех пор, пока концентрация неорганического биогена во внешней среде не сравняется с благоприятной для биоты концентрацией.

В условиях ненарушенной биосферы круговороты различных биогенных элементов (С, N, P, O2 и др.) являются замкнутыми с высокой степенью точности; по данным В.Г. Горшкова (1995 г.) порядка 0,01%.

Биотическая регуляция – регуляция со сложнейшей программой, информация о которой должна быть записана в геномах видов естественного сообщества. Эта программа направлена на поддержание сообществами конкретной оптимальной окружающей среды. Информация о характеристиках этой среды также записана в геномах видов. Если под воздействием случайных изменений внешних условий виды будут менять свою генетическую программу, оптимальной для них может стать другая, новая окружающая среда, что и составляет сущность адаптации. Однако случайные изменения генома, связанные с адаптацией, не могут привести к появлению новой «осмысленной» программы, которая бы поддерживала в устойчивом состоянии новую окружающую среду. Если же биота регулирует окружающую среду, то никаких неконтролируемых изменений среды произойти не может, и потребности в адаптации не возникает. Таким образом, адаптация исключает биотическую регуляцию и наоборот.

Геномы биологических видов содержат информацию не только о самих организациях, но и об оптимальных для них состояниях окружающей среды.

Как и всякий регулятор, биота может успешно выполнять регулятивную работу только при условии, что возмущающее воздействие на регулируемую систему не превосходит определённого предела.

За последнее столетие замкнутость нарушена. В.Г. Горшков (1995) считает, что окружающую среду может восстановить только сама биота, которая регулируется своей генетической программой. После любых нарушений биоты (например, после вырубки лесов) происходит процесс её восстановления. Так, на нарушенных территориях наблюдаются последовательные стадии смены различных видов (пород деревьев) до тех пор, пока не установится определённое сообщество растений, сохраняющее постоянство видов.

При отсутствии периодических возвращений к устойчивому состоянию теряется информация об оптимальной для видов окружающей среде, поддерживаемой коренными видами, и о последовательных стадиях приближения к этой среде. Если бы произошла полная утрата такой информации и сохранились бы только самые «необходимые» для жизни человека виды определённой стадии или их искусственные генетические модификации, то необратимо разрушилась бы способность жизни к биотической регуляции окружающей среды. Окружающая среда потеряла бы при этом устойчивость в глобальных масштабах.

Таким образом, биотическая регуляция окружающей среды – это не совокупность видов, приспосабливающихся к любым условиям окружающей среды, а механизм управления окружающей средой, основанный на отобранных в процессе эволюции видах, поддерживающих необходимую информацию.

Потенциал биотической регуляции, по мнению В.Г. Горшкова (1995) и В.И. Данилова–Данильяна (2000), достаточен для компенсации современных антропогенных воздействий на окружающую среду при условии существования естественной биоты на больших территориях.

Теория биотической регуляции окружающей среды позволяет сформулировать основную цель человечества для решения экологических проблем – сохранение и восстановление естественных экосистем в объёме, необходимом для поддержания устойчивости окружающей среды. А, зная цель, можно разработать стратегию развития и на каждом этапе использовать научно обоснованную тактику действий.