Взаимодействие популяций человека с популяциями других видов организмов

В социосистему, кроме человека с его внешними усилителями, включаются культивируемые организмы (домашние животные, культурные растения, расы и штаммы микроорганизмов), специализированные хищники, паразиты и патогены человека и культивируемых организмов.

Условно в систему можно включить популяции промысловых организмов (охотничьих и промысловых зверей, птиц, рептилий, рыб, моллюсков, иглокожих, членистоногих, кольчатых червей, кишечнополостных, губок, растений, используемых как строительный материал, техническое и лекарственное сырье или в пищу, "съедобных" грибов и др.) с их биотическими регуляторами, совокупность популяций организмов, входящих в состав эксплуатируемых биокосных подсистем (почвы, водоемов).

Выделяя из биоты биосферы некоторые виды растений, животных, грибов и бактерий, человек создает относительно обособленную подсистему биосферы, обладающую повышенной продуктивностью. В этой подсистеме резко увеличивается вещественно-энергетический поток. Человек в ней является центральным организующим элементом. Механизмы управления биосоциальной подсистемой, используемые человеком, нельзя считать "изобретением" человека. Они присущи биосфере как живой системе изначально.

Основные механизмы:

1. Сужение круга видовых популяций, с которыми осуществляется взаимодействие - увеличение определенности связей и интенсивности взаимодействия - увеличение объема информации: позволяет локализовать вещественно-энергетические потоки. Непрерывное длительное использование ограниченного числа видов в качестве источников пищи и сырья ведет к автоматической их селекции на продуктивность, устойчивость к потребителям и патогенам и выживаемость в условиях повышенной плотности их популяций. При кажущемся значительном многообразии, культивируемых растений и животных, определяющих питание человека, всего несколько десятков видов.

2. Локализация вещественно-энергетических потоков, то есть ограничение и укорочение пищевых цепей возможно только созданием барьеров-огрничителей, препятствующих доступу к культивируемым организмам пищевых конкурентов человека или подавлением их популяций.

3. Внесение дополнительной энергии. Культивирование организмов и локализация вещественно-энергетических потоков требуют перераспределения наличной и внесения дополнительной энергии для создания ограничителей-направителей вещества и энергии по определенным каналам. Значительная часть энергии расходуется человеком на создание условий, благоприятных для культивируемых организмов. Здесь используется мускульная сила человека, домашних животных, топливо и электроэнергия, приводящие в движение машины и механизмы. Известно (Ф.Рамад, 1981), что агроэкосистемы составляют лишь около 10% площади континентов. Общая биомасса растений в агроэкосистемах составляет 0,8%, а чистая мировая первичная продукция 8.0%. Продуктивность возделываемых земель близка к продуктивности лесов и в 3-6 раз выше продуктивности степей и пастбищ и урожайности пашни в начале XX века. Такое повышение продуктивности связано, прежде всего, с резким увеличением внесения энергии в агроценозы. Большей частью это энергия сжигаемого ископаемого топлива. Его годовое количество в настоящее время превышает количество солнечной энергии, связываемой в течение года всеми культурными насаждениями.

4. До начала "зеленой революции" основным механизмом управления продуктивностью культурных растений было включение сукцессионных процессов путем разрушения сложившегося сообщества, - приведения его в 0-состояние. Подавление воспроизводства большей части видовых популяций освобождает культивируемую популяцию от давления сообщества и в этих условиях рост вида в монокультуре идет по экспоненте, за счет чего и происходит быстрое наращивание его массы. Создаваемая человеком неравновесность при отсутствии дополнительных регулирующих воздействий со стороны человека может быстро сниматься смежными "естественными" сообществами путем насыщения агроценоза видами "эксплерентами", которые здесь приобретают статус сорных растений, и фитофагами, способными эффективно регулировать биомассу культивируемого вида-доминанта. Такое давление биотической среды вынуждает человека вносить дополнительную неравновесность в созданную искусственную систему, непрерывно поддерживая неравноценность условий: для одних видов - относительно благоприятных, а для других - максимально неблагоприятных. Поскольку управляющее воздействие на популяции с выраженной r-стратегией описывается положительной обратной связью, создается ситуация, сходная с известной как "эффект наркомана": чем более сильное действие оказывается на объект, тем выше поднимается порог чувствительности объекта к такому действию. Поэтому, не только увеличение продуктивности агроэкосистем, но и сохранение ее на устойчиво высоком уровне требует непрерывного роста энергетических затрат. В конечном счете продукция становится не рентабельной и продуктивность искусственного сообщества падает. Иллюзия ухода от "эффекта наркомана" создается сменой вида воздействия, например, сменой ядов, применяемых для подавления популяций пищевых конкурентов человека. Здесь эффект поворачивается в другую плоскость: от дозировок к разнообразию ядов, что оказывается не менее энергозатратным.

Поддержание или увеличение продуктивности популяций, с одной стороны, требует изменения биотической и абиотической среды в определенном направлении, но, с другой стороны, неизбежно связано с разрушением эксплуатируемой среды. Именно поэтому продукция со временем становится убыточной или, в противном случае, среда становится непригодной для использования в прежнем качестве. (Человечество имеет много примеров образования антропогенных пустынь в районах, где до того процветало земледелие или скотоводство.)

БИОГЕОХИМИЧЕСКИЙ КРУГОВОРОТ (по Ф. Рамад, 1981)

Применительно к биосфере под термином «биогеохимический круговорот» подразумевают обмен химических элементов между живыми организмами и неорганической средой, различные стадии которого происходят внутри экосистемы.

Существование подобных круговоротов создает возможность для саморегуляции системы (или гомеостаза), что придает экосистеме устойчивость: удивительное постоянство процентного содержания различных элементов. Различают три основных типа биогеохимических круговоротов:

круговорот воды,

круговорот элементов преимущественно в газообразной фазе,

круговорот элементов преимущественно в осадочной фазе.

Первый тип включает движение сложного природного вещества — воды; в других движение совершают простые вещества, которые находятся в различных химических видах под воздействием биологического и геологического факторов (отсюда термин «биогеохимический круговорот»).

Круговорот воды

Вода — основной элемент, необходимый для жизни. Количественно это самая распространенная неорганическая составляющая живой материи. У человека вода составляет 63% массы тела, у грибов — 80%, а у некоторых медуз — 98 %.

Семена растений, в которых содержание воды не превышает 10%, представляют собой формы замедленной жизни. Такое же явление — ангидробиоз — наблюдается у некоторых видов беспозвоночных (нематод, коловраток, тихоходок), которые при неблагоприятных внешних условиях могут потерять большую часть воды из своих тканей и сохранить жизнеспособность.

Биомасса на суше весьма чувствительна к количеству осадков. И, наконец, как мы увидим позже, вода, участвующая в биологическом цикле и служащая источником водорода и кислорода, составляет лишь небольшую часть своего общего объема.

Вода в трех агрегатных состояниях присутствует во всех трех главных составных частях биосферы: атмосфере, гидросфере, литосфере.

Распределение воды в биосфере (Hutchinson, 1957)

Гидросфера занимает около 3/4 поверхности земного шара (или, точнее, 363 млн км²). В океанах сосредоточено 97 % общей массы воды биосферы.

Приведенные значения не очень точны и представляют лишь относительный интерес. По последним исследованиям Пенмана (Penman, 1970) общий объем океанов оценивается в 1500 млн км³. Согласно тому же источнику, если воду, находящуюся в различных гидрогеологических формах, равномерно распределить по земному шару, то образуются слои, толщина которых следующая: для Мирового океана 2700 м, для ледников 100 м, для подземных вод (фреатические слои) 15 м, для поверхностных пресных вод 0,4 м, для атмосферной влаги 0,03 м.

Несмотря на относительно малую толщину слоя (0,03 м) именно атмосферная влага играет основную роль в циркуляции воды и ее биогеохимическом круговороте. Действительно, атмосферная влага распределена очень неравномерно — этим можно объяснить большие различия в количестве осадков в разных районах биосферы. Среднее содержание водяного пара в атмосфере в зависимости от географической широты изменяется следующим образом: 2,5 мм на Северном полюсе; 10 мм на 45° с. ш.; 45 мм на экваторе; 20 мм на 45° ю. ш. и 8 мм на Южном полюсе (имеется в виду толщина слоя воды, образовавшейся при конденсации водяного пара из столба воздуха с поперечным сечением 1 см2).

Вода поступает в атмосферу в процессе испарения с водной поверхности под действием приходящей солнечной энергии. Влажный воздух поднимается вверх, где водяной пар конденсируется, образуя облака. Благодаря охлаждению атмосфера возвращает воду на сушу или в море в виде осадков (дождя, снега, града) или, что значительно реже, при конденсации водяного пара на холодных поверхностях (роса) (В некоторых районах (в Палестине, на Азорских островах) роса составляет значительную часть годовой суммы осадков, которая соответствует нескольким сантиметрам (около 4 см в Израиле)) Над океанами выпадает 7/9 общего количества осадков, а над континентами — только 2/9. Таким образом, в основном круговорот воды происходит между атмосферой и океаном.

Вода, выпавшая на сушу, затем расходуется на просачивание (или инфильтрацию), улетучивание (или, точнее, испарение), сток.

Просачивание особенно важно для наземных экосистем, так как способствует снабжению почвы водой, которая накапливается в верхних слоях, богатых гумусом и растительностью; важную роль в процессе удержания воды в лесных почвах играет мох. В процессе инфильтрации вода поступает в водоносные горизонты и подземные реки. Испарение — процесс противоположный инфильтрации. Конечно, испарение с поверхности почвы также играет важную роль в водном режиме местности, однако сами растения своей листвой выделяют довольно значительное количество воды. К тому же их корни, длина которых часто достигает нескольких метров у деревьев и других древесных форм, способствуют движению воды из почвы в атмосферу. Таким образом, благодаря транспирации растительного покрова ежегодно испаряется значительное количество воды. Культура, продуцирующая 20 т растительной массы с 1 га (сырая масса), поглощает как минимум 2000 т воды (Именно по этой причине виды эвкалиптов (Eycatyptus), ранее широко используемые для лесопосадок в полупустынных районах Средиземноморья, экологически им не соответствуют, так как повышают засушливость окружающей среды, проникая своими стержневыми корнями в водоносные слои. Сильная эвапотранспирацня этих деревьев усиливается вследствие потери воды этими слоями.)

Фотолиз молекулы воды при ассимиляции ее хлорофиллом играет пренебрежимо малую роль в этом процессе. Для отщепления водорода, содержащегося в 5 т сухой растительной массы, необходимо только 3 т воды, т. е. едва лишь 0,15 % общей массы воды, поглощаемой культурой.

Количество воды, выделяемое растениями, тем больше, чем лучше они ею снабжаются. Гектар леса испаряет от 20 до 50 т воды в день.

На сухой почве (в Швеции) гектар елового леса испаряет 2100 т/год, на влажной же — 4000 т/год.

Суммарное испарение, т. е. масса воды, испаряемой деревьями и испарившейся с поверхности почвы, играет главную роль в круговороте воды на континентах. Можно показать, что в различных лесных зонах (например, в бассейне реки Конго) основное количество осадков образуется из водяного пара, поступившего в атмосферу благодаря суммарному испарению, и в итоге бассейн живет очень экономно, почти замкнуто (Duvigneaud, 1961)

В некоторых полуаридных районах суммарное испарение превосходит среднее годовое количество осадков. В таких случэях недостаток компенсируется внешним притоком — поверхностными или подземными водами. Суммарное испарение достигает максимума в тропических пустынных районах (240 см/год в папирусных болотах Голубого Нила) и в условиях средиземноморского климата (160 см/год в Камарге). И наоборот, эти явления несущественны в субарктических районах (20 см/год в Финляндии на 60° с. ш.).

Сток — последняя составляющая круговорота воды на суше. Он восполняет потери воды от испарения и просачивания. При уменьшении плотности растительного покрова сток является основной причиной эрозии почв. Поверхностный сток и ресурсы подземных водоносных слоев обеспечивают питание водных потоков, которые в конце концов возвращают воду в гидросферу.