Жизнь и физическая среда. Основы общей экологии

Жизнь и физическая среда

Мы часто противопоставляем живое неживому: биологическое — физическому или химическому, одушевленное — неодушевленному, органическое — неорганическому, активное — пассивному, биотическое — абиотическому. Но, несмотря на то что живую природу почти всегда легко отличить и отделить от неживой, они не существуют раздельно. Совершенно очевидно, что жизнь без физической среды невозможна. Влияние, оказываемое живыми существами на физическую среду, менее явно, однако оно имеет столь же важное значение для сохранения жизни на Земле. Свойства почвы, атмосферы, озер и океанов, а также разнообразных осадков, превратившихся в породу под действием геологических факторов, частично обусловлены жизнедеятельностью растений и животных.

Единство жизни

Все формы жизни обладают рядом общих свойств, отличающих организмы от камней и других неодушевленных предметов. Движение и размножение — это два наиболее очевидных свойства, хотя у многих растений движение выражено чрезвычайно слабо, а рост кристаллов можно было бы описать как своего рода размножение. Исключения, не подчиняющиеся этим двум основным критериям, разделяющим весь мир на биотический и абиотический, менее категоричны, чем это кажется на первый взгляд, поскольку движение — лишь внешнее проявление более глубокого свойства живых организмов, а именно их способности производить работу, направленную на достижение заранее определенной цели; что же касается размножения, то оно прежде всего представляет собой освобождение структуры и функции биологических систем от прямого воздействия физических законов. Абстрактность и специфичность генетического материала, передаваемого актом размножения из поколения в поколение, позволяет сравнивать этот материал с языком.

Организмы подобны двигателям внутреннего сгорания, которые производят превращение энергии, с тем чтобы затем произвести полезную работу. Направлена ли деятельность организма па преследование добычи, образование семян, поддержание температуры тела, солевого баланса или таких основных его функций, как дыхание и кровообращение, он все время стремится оставаться вне равновесия с физическими силами, например, с силой притяжения, потоком тепла, диффузией и химическими реакциями. В некотором смысле в этом и заключается секрет жизни. Валуи, скатывающийся с крутого склона, освобождает энергию, но никакой полезной работы при этом не производится. Источник энергии — в данном случае сила земного притяжения — является внешним, и, как только валун, скатившись в долину, останавливается, он вновь приходит в равновесие с силами окружающей его физической среды.

Птица при полете должна непрерывно расходовать энергию для того, чтобы удерживаться в воздухе, преодолевая силу земного притяжения. Она черпает эту энергию из внутреннего источника — из гона пищи, которую она ассимилировала, а производимая при этом работа направлена на достижение какой-нибудь полезной для птицы цели, будь то преследование добычи, бегство от хищников или миграция. Способность противостоять действию внешних физических сил — общее свойство всех живых систем, источник того жизненного начала, которое позволяет отличать живое от неживого. Полет птицы представляет собой одно из высших проявлений жизненного начала, однако столь же несомненно, что и растения, поглощая корнями минеральные вещества из почвы или синтезируя чрезвычайно сложные углеводы и белки, из которых построены их ткани, также производят работу, чтобы противостоять физическим силам.

Физические силы среды нельзя удержать в узде, не затрачивая энергии па совершение работы. В конечном счете необходимую для жизни энергию поставляет внешний источник — Солнце. У растений в процессе эволюции выработались особые пигменты (в том числе хлорофилл), которые поглощают световую энергию. Затем эта энергия превращается в химическую энергию питательных веществ — сахаров, образующихся из таких простых органических соединений, как двуокись углерода и вода. Этот процесс улавливания энергии называют фотосинтезом, что буквально означает объединение при помощи света. Энергия, содержащаяся в химических связях, вырабатываемых растениями сахаров, а также белков п жиров, может в дальнейшем использоваться самими растениями пли же животными, которые питаются либо растениями, либо другими животными, поедающими растения, и т. д., на совершение работы, необходимой для функционирования живого организма.

Взаимодействие между жизнью и физической средой

Жизнь полностью зависит от физической среды: во-первых, организмы получают пищу из этой среды, а во-вторых, распространение растений и животных ограничивается их выносливостью к физическим условиям. Жаркий и сухой климат пустыни препятствует жизни большинства организмов, точно так же как из-за жестокого холода в полярных областях обитать в них могут лишь очень немногие, наиболее выносливые виды. Форма и функции живого организма также определяются физическими условиями среды; так, рыбы, для того чтобы быстро плавать в воде, обладающей вязкостью и плотностью, должны иметь обтекаемую форму, предписываемую законами гидродинамики. Содержание кислорода в воздухе, равное 21%, определяет верхнюю границу скорости метаболических процессов у живых организмов. Подобным же образом способность растений и животных рассеивать тепло при помощи таких чисто физических процессов, как охлаждение за счет испарения, теплопроводность и излучение тепла с поверхности тела в окружающую среду, ограничивает уровень их активности и их пребывания под прямыми солнечными лучами.

Рис. 2.1. Район пыльных бурь на Среднем Западе США.

Ветровая эрозия начинается после распашки целины, если количество осадков недостаточно для роста сельскохозяйственных культур. /1. Выдувание почвы на поле, засеянном озимой пшеницей. которая не взошла (округ Финнеи. Канзас, март 1954 г.). Б. Пыльная буря (частицы почвы, подхваченные ветром) приближается к Спрингфилду (май 1937 г. — разгар трагедии, разыгравшейся в штате Колорадо). В. Пыльные бури совершенно разрушили некоторые сельскохозяйственные районы, как, например, эту ферму з округе Бакка. Колорадо.

Жизнедеятельность организмов в свою очередь оказывает влияние на физическую среду, и нередко это влияние очень существенно. Кислород, который мы, не задумываясь, потребляем при каждом вдохе, выделяется главным образом зелеными растениями в процессе фотосинтеза. До того, как в первичном океане появились зеленые растения, атмосфера Земли состояла в основном из метана (СН4), аммиака (ХН3), водяных паров (Н20) и водорода (Н2) - Когда первые водные растения стали использовать солнечный свет в качестве источника энергии, они начали выделять кислород, часть которого освобождалась из океана и накапливалась в атмосфере. На протяжении последних двух миллиардов лет, т. е. со времени появления жизни на Земле, большая часть водорода, некогда содержавшаяся в первичной атмосфере Земли, улетучилась в космическое пространство. Углерод, входивший в состав метана атмосферы, и азот аммиака ассимилировались растениями, и их место в атмосфере частично занял кислород, высвобождающийся в процессе фотосинтеза.

Не менее важное влияние оказывают растения на свойства почвы. Их корни проникают в трещинки, даже самые маленькие, н способствуют измельчению породы. Бактерии и грибы ускоряют выветривание горной породы. Грибы выделяют кислоты, растворяющие питательные минеральные вещества, которые затем вымываются из породы, ослабляя ее кристаллическую структуру и ускоряя ее разрушение. Гниющие растительные остатки также выделяют кислоты, которые вызывают химическое выветривание, а частицы детрита изменяют физическую структуру почвы. Животные в свою очередь участвуют в процессе почвообразования, прорывая в земле поры и ходы, вытаптывая ее, а также внося в нее свои экскременты.

Роль растений и животных в сохранении свойств почвы выступает особенно ярко при нарушении сообществ. Живым примером служит возникновение в 30-х годах района пыльных бурь па Среднем Западе США. Этот район изначально был засушливым и ветреным, по обширная корневая система его естественной растительности — по большей части многолетних злаковых трав — закрепляла почву, удерживая ее па месте. Когда же землю распахали, превратив прерии в поля, многолетники сменились однолетними сельскохозяйственными культурами с гораздо менее мощной корневой системой; к тому же поля ежегодно перепахивали. Несколько лет засухи привели к ослаблению роста растений и к превращению поверхностного слоя почвы в тонкую пыль. Результаты всех этих событий, показанные па рис. 2.1, вошли в историю.

Растения оказывают влияние также па движение воды. Вода не скапливается в тех местах, где выпадают дожди, иначе штат Нью- Йорк за время жизни одного поколения оказался бы под водой на глубине 60 м. Часть воды стекает по поверхности почвы или просачивается сквозь лежащую под ней породу в реки, озера и в конечном счете в океан. Остальная вода испаряется с поверхности почвы и с листьев. В листопадных лесах площадь листовой поверхности в среднем в четыре раза больше площади поверхности земли; иными словами, на каждый гектар лесной почвы приходится 4 гектара листовой поверхности. Следовательно, вода испаряется главным образом растениями. Когда леса вырубают, большая часть воды, которая в нормальных условиях испарялась бы листьями, вместо этого стекает по поверхности земли в реки. Уничтожение лесов, не сопровождаемое мерами по их восстановлению, приводит к увеличению паводков, усилению эрозии и отложению ила, а также к вымыванию минеральных питательных веществ из обнаженной почвы.

Испарение воды с листьев растений способствует удержанию влаги в данной местности, так как большая часть водяных паров быстро конденсируется н выпадает поблизости в виде дождя. В некоторых областях, в частности в тропиках, наличие лесного покрова повышает количество осадков. Сведение лесов на больших площадях в сельскохозяйственных целях привело в ряде мест к значительному усилению засушливости климата.