Беседы об экологии

Биосфера — арена великих круговоротов вещества и энергии

Недавно в США вышла книга эколога X. Одума «Окружающая среда, энергия и общество». В ней на схемах и рисунках изображен непривычный мир. Треугольники, прямоугольники, многоугольники, круги, овалы и геометрические фигуры неправильной формы соединены между собой сплошными и пунктирными линиями со стрелками. Иногда фигур и линий несколько, а иногда они образуют сложную мозаику. Присмотревшись, можно увидеть один или несколько «входов» в системы и «выходов» из них. Они не замкнуты, циклы в них имеют внутренний характер.

При помощи таких схем X. Одум показывает путь и судьбу энергии органического вещества в отдельных экосистемах, естественных и искусственных. Например, простейший случай в… корове. Да, да, в обычной живой корове. Энергия на входе, энергия на выходе, продукция…

Или на участке поля, в морском заливе, в населенном пункте. Непривычно здесь то, что все формы жизнедеятельности, все виды производства сведены к калориям — единицам энергии. Не килограммы съеденного корма, центнеры или тонны сожженного топлива, вложенных удобрений, не центнеры полученной продукции, число прокормленных людей и т. д. Калории, калории… Удивительный портрет мира, его каркас, скрытый обычно плотью и одеждой, домами, машинами и прочим реквизитом.

Несколько лет назад знакомство с такой работой — а они становятся все более обычными для энергетического направления в экологии — не произвело бы большого впечатления. Однако последние события изменили положение. Слова с корнем «энерг» стали привлекать особое внимание. Симптомы энергетического кризиса в капиталистическом мире сделали и для нас более ясным важнейшее значение энергии в жизни современного общества. «…Именно энергия, а не деньги станут мерой богатства человечества в ближайшие десятилетия», — предрекает крупный американский ученый Кеннет Уатт.

Энергия, включенная в органическом веществе, минеральных ресурсах, в лучах Солнца, в грозном накате приливов, в течении полноводных рек…

Но вернемся к X. Одуму. К теме этой главки относится одна иллюстрация из его книги. Сельское поселение. Кучка немудреных домишек. К ним ведут четыре стрелки: с поля жители домиков получают продукцию растениеводства, от пасущегося на лугу стада — мясо и молоко, из леса — дичь, топливо, из моря — рыбу. На этот островок жизни льется сверху поток солнечной энергии, приводящей в движение всю систему. На входе — четыре тысячи больших калорий; они же и на выходе, совершившие свой путь через экосистему и поселение человека.

Подобным же образом, только в вещественной форме, мы можем показать, как функционирует любой естественный биогеоценоз. На входе — солнечная энергия, минеральные элементы горных пород, атмосфера, грунтовые воды. Выходов несколько. В сущности, везде выделяется энергия и биогенное вещество, но в атмосферу биогеоценозы отдают тепло, кислород, углекислый и некоторые другие газы; в литосферу — гумусовые соединения, минералы, осадочные породы; в гидросферу — растворы биогенных веществ в грунтовых, речных и других водах.

Увеличьте теперь биогеоценоз в миллиарды раз, сделайте его структуру невообразимо сложной. Учтите, что в нем движутся огромные потоки живого и неживого вещества, аккумулируются и перераспределяются колоссальные по мощности ресурсы энергии. Вспомните, что эти процессы происходят и в земной коре, и в атмосфере, и в гидросфере. В совокупности это и будет некоторым представлением о биосфере.

Большой биосферный круговорот состоит из связанных друг с другом процессов — биогеохимических циклов углерода, воды, азота, фосфора, серы, биогенных катионов — кальция, калия, натрия, железа, бора, цинка, меди и других. Жизненно важное значение для всех организмов имеет круговорот кислорода. А круговорот углерода?

Часть этого круговорота протекает очень медленно. В известных условиях растительные и животные остатки, накопившиеся на поверхности почвы, при участии сапрофагов, животных и микроорганизмов, превращаются в гумус. Это особая форма органической материи, мы можем познакомиться с ней на почвенных разрезах, где ясно видны коричневые и черные слои разной мощности. Скорость разложения гумуса различна и зависит от многих обстоятельств.

В круговороте углерода имеются и ответвления, заканчивающиеся глубокими тупиками. Одни из них ведут в торфяники. Недостаток воздуха и высокая кислотность приостанавливают здесь распад вещества, и углерод «хранится» в органической массе торфа, слой которого достигает иногда толщины 20 метров. Еще меньше у углерода шансов на самостоятельное возвращение в круговорот из огромных «кладовых» его, мощных залежей каменного угля.

Пересекая Ла-Манш и приближаясь к берегам Британии, мореплаватели еще издали замечают какое-то белое свечение над поверхностью воды, особенно заметное в солнечную погоду. Это утесы Дувра. Они состоят почти из чистого карбоната кальция. Более 70 миллионов лет назад здесь было море. В течение миллионов лет скелеты мертвых организмов, фитопланктона падали на его дно. В воде они почти не разлагались, углерод накапливался в виде известняка и мела. Он оставался вне великого круговорота до тех пор, пока дно моря не стало его берегом. Тогда под влиянием выщелачивания известняка атмосферными осадками, под воздействием лишайников и корней высших растений углерод снова, «ожил».

В мировых залежах известняка, нефтеносных сланцев и осадочных пород, содержащих углерод, его имеется примерно 20 квадриллионов тонн. Напомню, что квадриллион — это число с пятнадцатью нулями. В угле и нефти запасено примерно в 50 раз больше углерода, чем его содержится во всех живых организмах. В биосфере быстро обращается лишь несколько процентов колоссального количества углерода, находящегося на поверхности Земли или близ нее. Не следует забывать, что эти запасы, возникли в значительной мере благодаря «прошлой» биосфере.

Особенность круговорота углерода, помимо наличия «тупиков», заключается еще в том, что имеются… два круговорота этого элемента в биосфере. Один на суше, другой — в океане.

Растительный планктон океанов потребляет за год около 40 миллиардов тонн углерода в виде его двуокиси растворенной в поверхностных водах. Здесь же растворен и кислород, вырабатываемый фитопланктоном. Угле род, который в процессе фотосинтеза трансформируется в органическое вещество сухопутных организмов, рано или поздно возвращается в атмосферу.

Две громадные системы биосферы, океан и атмосфера, обмениваются двуокисью углерода через поверхности океана. Автономность этих систем нарушают ветер и волны. Количество двуокиси углерода, растворенной в поверхностных слоях океана, должно находиться в равновесии с ее концентрацией во всей атмосфере. На полный цикл круговорота углерода в биосфере требуется 2000 лет. Вернее было бы сказать — «требовалось»…