Все разнообразие проявлений жизни сопровождается превращениями
энергии без ее возникновения или исчезновения.
Суть жизни состоит в непрерывной последовательности таких
изменений, как рост, самовоспроизведение и синтез сложных
химических соединений.
Экология, по сути, изучает способы превращения энергии
внутри экосистем.
Внутри Солнца происходят термоядерные реакции (аналогичные
реакции протекают при взрыве водородной бомбы).
Энергия этих реакций переходит в энергию света, т.е. энергию
квантов излучения, испускаемого Солнцем.
Из Космоса на Землю (к верхней границе атмосферы) поступает
солнечный свет с энергией 5 МДж*м~2 \' ч - 1 (1360
Вт • м - 2 , или 2 кал • см- 2 • мин- 1 — солнечная постоянная),
создавая освещенность 140 000 лк. Однако при прохождении
через атмосферу он становится слабее. Попадая на почву, воду
и прочие компоненты косной природы (табл. 6.2), солнечный
свет нагревает их и таким образом преобразуется в теплоту,
рассеивающуюся в конце концов в космическом пространстве.
Зеленые растения преобразуют энергию фотонов солнечного
света в энергию химических связей сложных органических
соединений, которые продолжают свой путь по разветвленным
пищевым сетям природных экосистем. Однако в некоторых
местах (например, на болотах, в устьях рек и морях) часть органических
растительных веществ, попав на дно, покрывается
песком раньше, чем станет пищей для животных или микроорганизмов.
При наличии определенной температуры и давления
грунтовых пород в течение тысяч и миллионов лет из органических
веществ образуются уголь, нефть и прочее ископаемое
топливо или, по выражению В. И. Вернадского, «живое
вещество уходит в геологию».
В XIX и особенно в XX вв. эти запасы разрабатывали и использовали
для удовлетворения потребностей человека так интенсивно,
что близко и удобно расположенные залежи стали
исчерпываться, а поиски новых месторождений завели далеко
в море, в отдаленные районы Сибири и Крайнего Севера. Не
6.3. Функционирование (динамика) экосистем 179
случайно преобразование энергии горючего, атомной энергии
и других форм концентрированной энергии в современном индустриальном
обществе, а также возникающие экологические
проблемы привлекают особое внимание.
Таблица 6.2
Потоки энергии у земной поверхности
(по В. Г. Горшкову)
Энергетический поток
Солнечная радиация
Поглощение атмосферой и земной поверхностью
Поглощение океаном
Расход на испарение в атмосфере
Турбулентные потоки тепла
Перенос теплоты с экватора к полюсам:
атмосферой
океаном
Поглощение сушей
Испарение:
сушей (эвакотранспирация)
растениями (транспирация)
Ветер
Океанские волны
Фотосинтез
Гравитационная энергия падения всех осадков
Энергия рек
Другие виды энергии
Геотермальная
Вулканов и гейзеров
Приливов океанов
Лунного света, падающего на поверхность Земли
Света, падающего на Землю от всех звезд
Современное мировое энергопотребление
человечества
Мощность,
ТВт\'
100 000
80 000
40 000
10 000
10 000
2000
20 000
5000
3000
2000
1000
100
100
3
30
0,3
1
0,5
0,001
10
* ТВт = 1012 Вт.
Таким образом, жизнь представляет собой процесс непрерывного
извлечения некоторой системой энергии из окружающей
среды, преобразования и рассеивания этой энергии при
180 Глава 6. ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ
передаче ее по пищевым цепям. Человеческая цивилизация —
это лишь одно из замечательных явлений природы, всецело зависящее
от постоянного притока концентрированной энергии.
Для биосферы допустимо потребление на какие-либо иные
(кроме собственных) нужды не более 1% от ее общей первичной
продукции1.
Как только человечество на грани XIX и XX вв. стало использовать
большее количество2, так, вероятно, с величины
0,5% от общей энергетики биосферы прекратилось действие
компенсационного механизма на основе принципа Ле Ша-
телье—Брауна: растительность прекратила давать прирост
биомассы, пропорциональный увеличению концентрации С02
в атмосфере, и т. д.
Ориентировочный порог потребления 5—10% от суммы
веществ, приводящий при переходе через него к заметным изменениям
в природных системах, достаточно признан, хотя
принят преимущественно на эмпирико-интуитивном уровне.
Считается, что для природных систем при внесении в них возмущения
на уровне 1% (правило 1%) от общего потока энергии,
проходящего через систему, находится порог выхода системы
из стационарного состояния, а на уровне 10% — порог
саморазрушения системы.
Особое значение имеет момент «выхода из стационарного
состояния ». Для глобальной энергетической системы (коей является
биосфера) этот процесс, по мнению Н. Ф. Реймерса, начинается
от привнесения возмущений на уровне 0,1—0,2% от
величины общепланетарных процессов, т. е. намного раньше,
чем наступает момент сбоя в действии принципа Ле Шателье—
Брауна, и происходят заметные природные аномалии. Так, существенный
рост опустынивания отмечен еще в прошлом веке,
а влияние деятельности человека на глобальные климатические
процессы за последние двести лет окончательно доказано
лишь к концу второго тысячелетия.
1 Это также следует и из закона Р. Линдемана: около 1% чистой
первичной продукции в энергетическом выражении потребляют позвоночные
животные как консументы высших порядков, около 10% — беспозвоночные
как консументы низших порядков и оставшуюся часть —
бактерии и грибы-сапрофаги.
2 По данным Н. Ф. Реймерса, сейчас не менее 10%, а по расчетам
В. Г. Горшкова (1980) человечество берет на себя, в свой «антропогенный
канал», энергии не менее 1,6 • 101 3 Вт/г., или до 20% продукции всей
биосферы.
6.4. Основные экосистемы Земли и их особенности 181
6.4. Основные экосистемы Земли
и их особенности
Вся область распространения жизни на Земле состоит
из нескольких основных наземных экосистем (биомов) — пустынных,
травянистых и лесных, а также водных (озер, рек
и океанов). Каждой экосистеме присущи типичные сообщества
растений и животных, а также редуцентов, приспособленных
к определенным условиям окружающей среды, главным образом
к климатическим особенностям.
6.4.1. Наземные экосистемы
При классификации наземных экосистем принято использовать
признаки растительных сообществ и климатические
признаки, например, лес хвойный, лес тропический,
холодная пустыня и т. п.
6.4.1.1. Пустыни
Пустыня — это территория, где испарение превышает
количество осадков, причем их уровень составляет менее
250 мм/г. В таких условиях произрастает скудная, разреженная
и обычно низкорослая растительность. Преобладание ясной
погоды и разреженная растительность способствуют быстрой
потере теплоты ночью, накопленной почвой днем. Для
пустыней характерно значительное различие между дневной
и ночной температурами. Пустынные экосистемы занимают
около 16% поверхности суши и расположены практически во
всех широтах Земли.
Тропические пустыни. Это такие пустыни, как Южная Сахара,
которые составляют около 20% общей площади пустынь.
Температура там круглый год высокая, а количество
осадков минимальное.
Пустыни умеренных широт. Такие пустыни, как пустыня
Мохаве в Южной Калифорнии, отличаются высокими дневными
температурами летом и низкими — зимой.
Холодные пустыни. Для них характерна очень низкая
температура зимой и средняя — летом.
Растения и животные всех пустынь приспособлены улавливать
и сохранять дефицитную влагу.
182 Глава 6. ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ
Медленный рост растений и малое видовое разнообразие
делают пустыни весьма уязвимыми. Уничтожение растительности
в результате выпаса или езды вне дорог ведет к тому, что
на восстановление утраченного требуются десятилетия.
6.4.1.2. Травянистые экосистемы
Тропические травянистые экосистемы или саванны.
Такие экосистемы характерны для районов с высокими средними
температурами, двумя продолжительными сухими сезонами
и обильными осадками в остальное время года. Они образуют
широкие полосы по обе стороны экватора. Некоторые
из этих биомов (например, равнина Серенгети в Африке) представляют
собой открытое пространство, покрытое только травянистой
растительностью.
Травянистые экосистемы умеренных широт. Они встречаются
во внутренних районах материков, главным образом Северной
и Южной Америки, Европы и Азии. Основные типы
травянистых сообществ умеренного пояса: высокотравные
и низкотравные прерии США и Канады, пампы Южной Америки,
вельды Южной Африки и степи от Центральной Европы
до Сибири. В этих экосистемах (биомах) почти постоянно дуют
ветры, способствуя испарению влаги. Густая сеть корней травянистых
растений обеспечивает стабильность почвы до тех
пор, пока не начинается ее распашка.