Хемогенез

В последние годы выясняется, что существуют неизвестные и мало известные нам органические миры. Возможно, что своеобразные биосферы присутствуют на отдельных планетах Солнечной системы. Таким образом, вероятно, следует говорить о системах биосфер.

Свыше 110 лет назад русский микробиолог С.Н. Виноградский открыл хемосинтез - образование некоторыми бактериями органических веществ из двуокиси углерода за счет энергии, получаемой путем окисления восстановленных неорганических соединений. Как известно, обычно за единственный процесс формирования органических веществ считался фотосинтез, идущий с использованием солнечной энергии. Исследования дна океана за последние десятилетия (4-5) позволили выделить в многочисленных зонах спрединга и субдукции литосферных плит, зонах теплового разложения газогидратов и т.п. до глубин свыше 6 км множество участков, населенных специфическими сообществами донных организмов, существующих на основе хемосинтеза.

Следовательно, все население Мирового океана по происхождениюделится на фотобиос и хемобиос. Сообщества хемобиоза всегда крайне ограничены по площади. Но биомасса здесь вместо обычных граммов достигает 40-60 кг/м², то есть по масштабам и насыщенности органики не уступают даже самым богатым мидиевым банкам и устричным формациям на мелководье умеренных широт. Уже описано более 15 новых семейств и более 160 7новых видов организмов. Известны очень крупные экземпляры. Длина погонофор (рифтии) достигает 1,5 м. Размеры двустворчатых моллюсков достигает 25-30 см в поперечнике, толщина раковины – около 8 мм. Растут они в 500 раз быстрее, чем их ближайшие родственники в «обычных» условиях. Исследование этой фауны сулит нам немало сенсационных открытий.

Л.Лобье предполагает наличие на дне моря подповерхностных полостей, где могут быть обнаружены новые для науки живые организмы.

Близится к завершению еще один грандиозный проект, предпринятый более четверти века назад. Обсуждается вопрос о завершающей стадии бурения мощной толщи льда в районе антарктической станции "Восток", где вероятно существование подледного озера. К зиме 1996 г. глубина скважины достигла 3350 м и вскрыла льды возраста около 420 тыс. лет. Керн этой скважины содержит данные об истории глобальных изменений климата Земли на протяжении последних четырех ледниково-межледниковых циклов.

Мощность ледникового покрова здесь равна 3700-4200 м. В 1970-х гг. с помощью радиозондирования здесь выявлены крупные скопления подледных вод. Уже полученные результаты свидетельствуют о следующей прогнозной характеристике озера Восток. Его местоположение 76 50 030' ю.ш., 102-106 50 0 в.д. Длина его 230 км, ширина 50 км, площадь поверхности около 10 тыс. км². Глубина до 500 м, возможная мощность осадков на дне 100-200 м. Температура поверхностного слоя воды -2,4 до

-3,4°С.

Это совершенно новое для нас природное явление, которое является географическим открытием мирового значения.

Озеро было изолировано от внешнего мира в течении миллиона и более лет. Из льда, таящего на верхней кромке озера должен поступать атмосферный воздух, попавший туда сотни тысяч и миллионы лет назад. В этих условиях, очевидно, способна существовать микрофауна и микрофлора, представляющие исключительный научный интерес.

Уже существуют доказательства присутствия здесь органической жизни: на больших глубинах во льду обнаружены микроорганизмы.

"Биосистемы воспроизводятся и развиваются только за счет ресурсов планеты и под действием космических сил - питательные вещества, энергия взаимодействия, перетоки информации... Биологические системы вбирают в себя из среды не любое, а только необходимое вещество - кислород и водород воздуха, воду и водород гидросферы, макро- и микроэлементы из почвенных растворов и минералов. Формируясь на базовом для них субстрате, они адаптируются к экосистемам нормативного в каждой географической зоне хемотипа".

В экологическом аспекте хемотипы экосферы должны иметь исключительное значение по связям с химическими параметрами среды обитания. "Еще Э. Геккель, введший термин экология, относил к взаимосвязи организмов и среды все условия их существования, которые не сводятся единственно к биологическому их содержанию. Так, невозможно рассматривать условия жизни без обращения к явлениям фотохимии в атмосфере, биохимии в биосфере, геохимии и гидрохимии в лито- и гидросфере и биохимии в педосфере. От всех них зависит химическая активность и функционирование живого вещества, выраженное в процессах обмена".

Высказывается мнение, что, кроме хемосинтеза, в качестве энергии для биоценоза, возможны и другие нетрадиционные источники. К этому подводит новая концепция организованности подземной биосферы Земли, согласно которой граница биосферы в литосфере может достигать глубины в 7 и более км, и состоит из последовательных зон бактериальных фильтров: верхнего – углеводородокисляющего и нижнего – углекисло-водородного (рис. 7.2).

Эти «фильтры» выполняют, на наш взгляд, роль аналогичную «биологическому насосу» в морских обстановках. Геохимическое значение этой деятельности отражено в табл. 7.1.

Возможно, что это биоценозы, которые могут быть обусловлены просто явлениями термосинтеза.

В зоне активного водообмена происходит природный процесс микробиологического оксигенеза – образования молекулярного кислорода, прямо или косвенно связанный с жизнедеятельностью алканотрофных бактерий.

Ниже зоны окислительного бактериального фильтра в восстановительной обстановке затрудненного водообмена находится зона нафтидо биоза. По мнению А.А. Оборина, нафтидобиоз – современный процесс микробиологического синтеза газообразных и жидких углеводородов природным биоценозом подземных вод.

Фотосинтез

СО₂+Н₂О=Сорг+О₂↑

_____________________ ö_________________________________

öСН₄+О₂→СО₂+Н₂О

Зона углеродокисляющего

бактериального фильтра

_______________________________________________________

Зона бактериального нафтидобиоза ÷

СН₄ ö на орг. в-ве фотосинтеза

Метаногенез

Сорг СО₂ СО НСО₃^- на орг. в-ве хемосинтеза

________________________________________________________

ù

Н₂+СО₂→СН₄∙СН₃СООН∙Сорг

Зона углекисло-водородного

бактериального фильтра

________________________________________________________

öН₂ СО СО_2ö

Рис. 7.2. Схема функционирования подземной биосферы

2. Устойчивость биосферы

Существует понятие гомеостаза - совокупности сложных приспособительных реакций человека и животного, направленных на устранение или максимальное ограничение действия различных факторов внешней и внутренней среды, нарушающих относительное постоянство внутренней среды организма (например, постоянство температуры тела, содержания глюкозы в крови). Понятие гомеостаза было введено американским физиологом У. Конноном (Cannon, 1932). Позднее оно было перенесено на природные процессы саморегуляции биосферы, на экологические системы.

Таблица 7.1

Схема геохимической деятельности биоценоза подземной гидросферы

Исходные компоненты	Микроорганизмы	Продукты жизнедеятельности (экзометаболиты)
Аэробные
CH4, N2	Метанотрофы	CO2+H2O, N^+орг, Сорг, жирн. кислоты – С18, лизин, метионин, треонин
С3H8-C4H10, N2	Пропан-бутанотрофы	CO2+H2O, N^+орг, Сорг, аргинин, валин, лизин, метионин, треонин, ПАВ
жидкие у/в, N2	Нефтеокисляющие бактерии, актиномицеты, водоросли Bacillus mycoides и др.	CO2+H2O, Сорг, ПАВ, полисахариды
СO2 H2S, [FeS, CuS, MoS2], CO2	Тионовые бактерии, Thiobacillus ferrooxidans	CaCO3
H2S, CO2	Серобактерии	H2SO4, сульфаты, [Fe2(SO4)3],
N2, CO2, О.В.	Азотфиксаторы, цианобактерии	N2 S
CO2, NH4^+	Нитрифицирующие литотрофы	NH4^+-NH3, Nорг, H2
CO2, C1-соед., NH4^+	Метилотрофы	NO^3-, Cорг
NH4^+, О.В.	Гетеротрофы	NO^3-, Cорг
Орг. кислоты, спирты, NO3	Гетеротрофные денитрификаторы	NO^3-, Cорг
CO2, NO3^-, О.В.	Литотрофные денитрификаторы	H2O, полиакриламид (CH2=CH-CO-NH2)
CO2, H2	Водородные бактерии	N2,Cорг   H2O, Cорг
Анаэробные
H2, CO, CO2, О.В.   CO2, SO4, О.В.	Метаногены	CH4, Cорг, Nорг, B12 (Co-содержащие), изопреноидные у/в –C30, C25, C20
О.В.	Сульфатвосстанавлива-ющие бактерии	H2S, сульфиды (FeS), CH4, у/в C8-C24, Nорг, CO2-CaCO3, меркаптаны
NO3^-, NO2^-, О.В.	Водородобразующие бактерии	Н2
H2, CO, О.в.	Денитрифицирующие бактерии Ацетогены	N2, CO2   CH3COOH

Биосфера возникла одновременно с появлением жизни, то есть для Земли - несколько млрд. лет назад. Все компоненты биосферы обладают ограниченной устойчивостью. И, вместе с тем, сохранение жизни на Земле в течении такого длительного времени вероятно только при сравнительно малой изменчивости окружающей среды в целом.

Поскольку экологические системы (как и отдельные организмы) - объекты длительного эволюционного развития, то в его процессе, вероятно, сохранялись лишь те экологические системы, устойчивость которых по отношению к диапазону колебаний внешних факторов была достаточно значительной.

Ограниченная устойчивость компонентов при малой изменчивости системы возможна только в хорошо отлаженной комплексной системе, включающей в себя согласованную иерархию систем различной степени сложности. Они должны быть взаимосвязаны, чтобы результатирующий общий эффект всегда был достаточно равновесным.

Так, устойчивость климата Земли определяется обратной отрицательной связью зависимости уходящего в космос длинноволнового излучения от температуры воздуха у земной поверхности. Колебания уровней водоемов на наклонных берегах зависят от притока воды и ее расхода на испарение: чем больше приток, тем с большей площади зеркала вод она переходит в атмосферу под действием солнечного обогрева. Устойчивость Мирового океана обусловлена его огромной емкостью, что предупреждает значительные колебания объема океанических вод.

Продуктивность растительного покрова вначале обеспечивает ее медленный прирост, затем ускоряется и, при большой плотности, вновь замедляется из-за снижения интенсивности фотосинтеза в стесненных условиях. Соответственно, уменьшается и биомасса.

Растительноядные животные при большой численности испытывают затруднения с питанием, в связи с чем снижается коэффициент их рождаемости. Большая масса хищников начинает уничтожать не только больных и старых животных, содействуя повышению рождаемости растительноядных животных, но, превысив определенный предел, подрывает свою продуктивность (из-за уменьшения ресурсов питания).

Таким образом, экологические системы обладают определенной степенью устойчивости по отношению к тем отклонениям величин биомассы любого компонента системы от стационарного их состояния. При любых изменениях биомасс, превосходящих эти пределы, восстановление стационарных состояний полностью исключено, и один или несколько компонентов системы уничтожаются.

Устойчивость экологических систем, которые содержат определенные компоненты, обычно выше устойчивости систем, в которых некоторые группы животных отсутствуют.

Так как трофические взаимоотношения компонентов экосистем придают им определенную устойчивость, они обладают и определенными чертами целостности. Поэтому экологические системы могут оказывать влияние на процесс эволюции организмов.

Численность каждой группы животных, входящих в данную экосистему, постоянно колеблется. Она во многом определяется пищевыми ресурсами данной местности. Поэтому уничтожение животными источников собственного питания ведет к разрушению данной экосистемы и ставит под угрозу существование входящих в нее видов. Оставшиеся выжившими после разрушения прежней экологической системы группы организмов могут образовать новую экосистему с организмами из других систем.

В природных условиях коэффициенты рождаемости и смертности относительно неустойчивы. При определенном несоответствии их популяциям грозит вымирание. Поэтому успех живых организмов в борьбе за существование во многом определяется их способностью поддерживать устойчивость экосистем, в которые они входят.

Одновременно, само эволюционное развитие предполагает, что условия равновесия изменяются с течением времени: иначе была бы просто стабилизация существующего уровня организации экологических систем.

Следовательно, если даже наиболее устойчивые экосистемы эволюционируют, то это может происходить как под действием каких-то чисто биологических факторов, так и в результате изменений природной среды. Если эти изменения были более крупными - могло наступить вымирание многих групп живых организмов, с высвобождением определенных экологических ниш. Менее значимые нарушения устойчивости экосистем приводили также к вымиранию, но экологические ниши при этом сразу же заполнялись другими организмами. В этом отношении скорость эволюции должна каким-то образом коррелироваться с темпами изменений условий внешней среды. И между ними должно существовать определенное равновесие.

Именно высокая устойчивость экосистем свидетельствует, что крупномасштабные экологические катастрофы были редким явлением в геологической истории.

Таким образом, устойчивость биосферы определяется и определяет устойчивость экосистем, также как устойчивость последних определяется и определяет устойчивость популяций и т.д.

Как известно, в составе экологических дисциплин выделяюся аут- и синэкология. Первая из них изучает взаимоотношения между отдельными организмами, вторая - взаимоотношения организмов с окружающей средой. Поэтому синэкология во многом является и биогеографической наукой.

Основной биогеографический закон гласит: пространственная неоднородность географической оболочки отражается на пространственной неоднородности биосферы. Системе геохор В.Б. Сочавы соответствует адекватная ей система биохор. Геотопологический подход дает четкие критерии при оценки угодий под разные виды землепользования.

Постулатом ландшафтной геоботаники является утверждение, что один фитоценоз соответствует одному биогеоценозу, а последний одной фации.

Наиболее существенные свойства фитоценозов выступают в качестве индикаторов состояния данной среды. Они раскрываются через регистрацию видового состава и ценоэлементов растительных сообществ (рис. 7.3).

Соответственно, выделяются следующие фитоценотипы: эдификаторы, как строители главного яруса растительности; доминанты - виды преобладающие во второстепенных ярусах; второстепенные - редко встречающиеся, незначительные по массе растения.

	ЦЕНОЭЛЕМЕНТЫ
СОСТАВ

Виды Синморфологические Синэкологические

Дата добавления: 2014-12-26