Тема 13. Состояние и особенности эволюции живого вещества

в современной биосфере

1. Современное состояние живого вещества в биосфере

Живое вещество автотрофного типа (высшие растения, водоросли, ряд видов бактерий) является единственным аппаратом фотосинтетической аккумуляции солнечной энергии на планете, следовательно, ведущим фактором функционирования биосферы. Вместе с тем живое вещество является, прямо или косвенно, объектом хозяйственной деятельности человека (сельское хозяйство, продовольствие, лес и топливо, стройматериалы, сырье для ремесел и промышленности) и объектом последствий антропогенной нагрузки и техногенного воздействия.

Живое вещество планеты и его формы: биомасса, экосистемы, разнообразие и численность видов, генетический фонд наследственности - страдают от ошибочных действий человека, от нарушений в экологической среде. Учащаются случаи полного исчезновения отдельных видов растений и животных. Природные экосистемы почти повсеместно испытывают влияние человека и его деятельности, замещаются агроэкосистемами или полностью исчезают, вытесняясь индустриальными, городскими системами. Происходит тревожный общепланетарный процесс нарушения функций и разрушения живого вещества - главного механизма биосферы и условия существования и развития человечества.

По мнению ученых разных стран, наибольший потенциальный вред биосфере наносит неудержимое, хищническое уничтожение лесов. Ежегодно они вырубаются на площади от 7 до 20 млн га. Эта площадь превышает площадь Англии. По данным ЮНЕСКО, тропические леса уже вырублены на 50% площади, леса умеренного и холодного поясов также сократились по крайней мере на 30 - 40% от начальной площади. Особенно интенсивно вырубаются леса влажных тропиков и субтропиков бассейна Амазонки, в Экваториальной Африке, Южной и Юго-Восточной Азии, странах Океании. Послелесные территории зарастают вторичными лесами, большая часть отводится под примитивные пастбища, некоторая часть используется в земледелии, обеслесенные тропические почвы быстро утрачивают плодородие, в большинстве эродируются. Нарушение теплового, водного и углеродно-кислородного режима, вызванное уничтожением лесов, может отрицательно сказаться на всей планете: вымрут многие виды растений, высших животных, насекомых, микроорганизмов.

Лиственные леса паркового, байрачного, долинного типов были в прошлом в черноземной зоне. Теперь они практически полностью уничтожены, что усилило эрозию почв. Уничтожены ксерофитные леса Средиземноморья, вырублены на топливо кустарники песчаных равнин Средней Азии и Северной Африки, муссонных регионов Юго-Восточной Азии. Сократились или исчезли лесные покровы Скалистых гор, Анд, гор Кавказа, Крыма, Балкан, Тянь-Шаня, Атласа, Загроса. Все это вызвало интенсивную эрозию и дефляцию почв, активизацию оползневых и селевых процессов. Частыми стали грозные наводнения. Засухи отмечаются даже в таких странах, как Индонезия, Бразилия, Англия, Швеция, где их раньше не было. Уничтожение лесов вызывает цепную реакцию отрицательных последствий в биосфере.

Лесная растительность была преобладающей частью биомассы биосферы, поэтому можно считать, что уменьшение активной фитомассы на планете составляет 30 - 40%. Вероятное снижение интенсивности и суммарной продуктивности фотосинтеза, а также уровня продукции кислорода, вероятно, значительно меньше - лишь 10 -15%.

Выжигание лесов и кустарников вызвало интенсивный рост трав на послелесных территориях. Но даже в самых пышных луговых степях биомасса живого вещества в 10-15 раз меньше запаса биомассы лесов. Под покровом трав ослаблен промывной режим почв, формируется менее кислая среда. Обилие корневой массы травянистых растений обусловливает высокую гумусность и накопление органического детрита, обеспечивает эти почвы высоким содержанием биофильных элементов и потенциально активной энергии. Однако в земледелии в результате перевыпаса, эрозии, выжигания трав и пожнивной стерни, окисления гумуса общая биомасса травянистых территорий и запасы гумуса за минувшие 100 - 150 лет сократились на 30-50%. Биомасса культурных растений составляет примерно 10 млрд т ежегодно и далеко не компенсирует потерь живого вещества, вызванных вырубкой лесов, распашкой, выжиганием и деградацией травянистых экосистем.

В биосфере сокращается вес, численность, количество видов и функций животных. В живом весе зоомасса холодных и таежных экосистем составляет 100 - 350 кг/га, в лесах разного типа - 1 000 - 1 500 -2 500 кг/га. В условиях влажных тропических лугов и лесов численность низших организмов достигает 50-70-125 млн на 1 м², количество видов - многих тысяч, суммарный запас одних беспозвоночных (главным образом червей) - 125-150 т/га. Известно, что окультуренные почвы всегда богаты дождевыми червями. Эродированные почвы бедны и фауной.

Общая суммарная величина животной массы составляет около 1 - 0,5% фитомассы. Роль зоомассы незаменима, так как это обязательное звено в минерализации органики, замыкании биогеохимических циклов и в воспроизводстве условий плодородия почв. Отчуждение отходов животноводства, исключение или недооценка необходимости использования местных органических удобрений (навоза, компоста, отходов) нарушают законы экологии и почвообразования, ведут к истощению почв и падению продуктивности. Тяжелые машины, уплотняющие почвы, отчуждение органических веществ, монокультура вызывают снижение запасов живого вещества и гумуса и ведут к обеднению полевых, пастбищных экосистем и к их стерилизации. При этом сокращается и население почвенных микроорганизмов.

Неповторимо меняются и исчезают даже почвы, при этом нарушаются исторически сложившиеся пищевые цепи и пути передачи энергии. В основу рационального природопользования должны быть положены следующие принципы, сформулированные на основе анализа природы и функций живого вещества в биосфере и почвах.

1. Экологическое соответствие растений и животных условиям региона, прежде всего почвенным и климатическим.

2. Максимально возможное увеличение на пастбищах и полях севооборота растений, экологически дополняющих друг друга (например, бобовые и злаки) и оставляющих органическое вещество в почвах.

3. Расширенное воспроизводство почвенного плодородия за счет внесения в почвы агроэкосистем всех отходов органических веществ, местных органических удобрений (компосты, навоз, сапропель, торф и др.) и необходимого по урожаю количества минеральных удобрений.

4.Поддержание значительных запасов органических веществ и высокой биологической активности почв для образования углекислоты, повышения эффективности фотосинтеза и биофиксации азота.

5. Предотвращение эрозии почв, их засоления, переуплотнения, химического отравления, т.е. процессов, стерилизующих почвы.

2. Эволюция живого вещества

Среди авторов работ, посвященных проблеме эволюции биосферы в современных условиях, очень мало биологов-эволюционистов. Их внимание чаще обращено на эволюционные изменения конкретных видов или сообществ. Проблемы современной биосферы рассматриваются только в работах М.М.Камшилова, С.С.Шварца, А.В.Яблокова, З.И.Бермана, Ю. И. Полянского.

По Э.И.Колчинскому (1990), заключительные периоды в развитии биосферы связаны со становлением антропозойной эволюционно-биосферной формации, где человеческая деятельность постепенно стала ведущей преобразующей силой на планете. Нижнюю границу антропозоя ученые определяют по-разному. Если в качестве критерия взять начало эволюции в условиях культуры, то граница совпадает с периодом неолитической революции (8 - 10 тыс. лет назад).

В ряде работ развиваются идеи конца эволюции живого, обоснованные тем, что крупнейшие изменения живых организмов осуществлялись на протяжении миллиардов, сотен миллионов лет, по мере приближения к современности все меньше становится масштаб новообразований. Считается, что виды стали неизменными и вновь могут возникать лишь расы и разновидности. Степень воздействия человека на живую природу чрезвычайно возросла, и эволюция как стихийный процесс практически прекратилась. Рост численности населения, развитие производительных сил, приручение животных и окультуривание растений, распашка, создание пастбищ, вырубка лесов - все эти и другие воздействия человека на живую и неживую природу привели к тому, что биоэволюция как процесс природы закончилась. Человек стал единственным фактором преобразований органических форм.

В этой постановке отрицается возможность эволюционных изменений большинства организмов, не вовлеченных в сельскохозяйственную деятельность человека.

Со времен неолитической революции в хозяйственную деятельность вовлечены десятки видов животных и сотни растений. Путем бессознательного и методического отбора удалось вывести громадное количество сортов культурных растений и пород домашних животных. Человек стал мощным фактором увеличения разнообразия органических форм.

Сегодня воздействие человека на эволюцию ограничено очень узким кругом видов. До недавнего времени это всего 30 видов животных и 250 видов растений из 1,5 млн видов растений и животных, существующих в биосфере. Почти все окультуривание прошло за несколько тысяч лет до нашей эры. Если допустить, что эволюция идет только при участии человека, то большинство форм жизни обречено на вымирание, будучи не в состоянии адаптироваться к среде, резко измененной человеком.

На первый взгляд это предположение подтверждается массовым вымиранием видов животных и растений. На Международной конференции ученых в Академии наук Швеции (1982), посвященной вопросам развития биосферы, высказывалось опасение, что потери видов к 2000 г. (включая низшие организмы, бактерии и грибы) могут составить 1 млн. По данным Международного союза охраны природы, около 25 000 видов растений и более 1 000 видов животных находятся под угрозой истребления и нуждаются в специальной охране и защите. По А.В.Яблокову (1983), ежедневно исчезает один вид животных и еженедельно - один вид растений. Только в Красную книгу СССР занесено 62 вида млекопитающих, 63 - птиц, 21 - рептилий, 8 - амфибий, всего 418 видов и подвидов растений и животных.

Вместе с тем органический мир не пассивно реагирует на воздействия человека. Эволюционная пластичность многих форм и в наши дни достаточно высока. Вопреки воле человека интенсивно формируются новые формы сорных растений, вредителей сельского хозяйства, возбудителей различных заболеваний. На урбанизированных территориях доминируют рудеральные растения и животные - комменсалы и паразиты человека. Идет интенсивный отбор на синантропизацию, т.е. на выработку свойств, позволяющих выжить и оставить потомство в среде, измененной человеком. Трудно представить конечный результат этих эволюционных преобразований. Возможно, они приведут к созданию форм, с которыми человек уже не сможет справиться. И вряд ли эту эволюцию следует считать «находящейся под разумным контролем человека».

Среди разнообразных форм воздействия человека на окружающий мир (разрушение местообитаний животных и растений, вырубка лесов, распашка степей, осушение болот, создание искусственных водоемов, загрязнение атмосферы и гидросферы, горнодобывающие работы, урбанизация территорий, уменьшение и подрыв кормовой базы животных, чрезмерная добыча ценных видов) практически нет таких, которые можно было бы отнести к числу «разумно контролируемых» и направляющих эволюцию в нужную для человека сторону. Напротив, они вызывают эволюционные преобразования, близкие (не говоря уж об отдаленных) последствия которых практически предсказать невозможно. Как правило, люди не могут предвидеть даже тех факторов, которые, вызывая массовую гибель организмов того или иного вида, в то же время являются агентами катастрофического отбора; способного быстро вызвать новую адаптацию.

Известно много примеров того, как живые организмы реагируют на антропогенные факторы, активно микроэволюционируя. К ним можно отнести индустриальный меланизм, выработку ядо-устойчивых рас насекомых, приобретение бактериями и вирусами устойчивости к лекарственным препаратам. Чаще они осложняют отношения человека с природой. Выработка резистентности у болезнетворных бактерий заставляет изыскивать все новые сильнодействующие антибиотики. Устойчивость некоторых рас насекомых и грызунов к ядам возросла в сотни раз, и потери от вредителей по-прежнему составляют десятки процентов урожая.

В результате воздействия человека наблюдаются нежелательные изменения численных соотношений видов в природных экосистемах. Преобладающими становятся хозяйственно малоценные виды с высокими коэффициентами размножения, громадной численностью популяций со сложной эколого-генетической структурой. Мышевидные грызуны, «сорные» виды рыб, малоценные породы древесных растений и сорные травы, как правило, преобладают в экосистемах, вытесняя доминирующие виды высокоразвитых животных и ценных растений.

Многим микроорганизмам и растениям удалось довольно быстро приспособиться к самым неблагоприятным условиям. Радиоактивные и химические мутагены резко ускорили мутационный процесс. В больших масштабах идет отбор на резистентность к фенолам, загазованной атмосфере, нефтяной пленке в водоемах и т.д. Эффективность бактерий - нефтедеструкторов даже стала повышаться при росте концентрации цинка и ванадия. В течение нескольких поколений полевица, ценное кормовое растение, приобрела генетически закрепленную адаптацию к почвам, обогащенным свинцом, медью, никелем и обедненным к тому же кальцием и фосфором. Некоторые растения оказались способными переносить высокие концентрации токсичных элементов в атмосфере и в почвах и создавать довольно стабильные и продуктивные сообщества в районах интенсивной промышленной деятельности. Наблюдаются и случаи сопряженной эволюции с растениями насекомых - фитофагов, приспособленных к питанию растениями с большими концентрациями пестицидов.

Уникальный пример выработки новой адаптации - приспособление калифорнийского кузнечика к гербициду. В его популяции возникли и распространились особи, которые не только нейтрализовали яд, но и трансформировали его в более ядовитое вещество, благодаря этому кузнечик оказался ядовит для хищных насекомых и птиц.

Эволюционные приспособления происходят и в популяциях рыб, птиц, млекопитающих, подвергающихся постоянному истреблению в процессах охоты и ловли. Они ведут к омоложению структуры популяций, к сокращению продолжительности жизни, ускорению смены поколений, уменьшению средних размеров тела. Все больше диких видов животных начинают обитать в антропогенных ландшафтах (белки, бобры, барсуки, лебеди и т.д.). И эта эволюция не направлена человеком, хотя объективно и совпадает с его интересами.

Естественный отбор даже в процессах селекции не утратил своего значения, идет наряду с искусственным отбором. Он может как тормозить, так и ускорять действие последнего. Игнорирование этого обстоятельства может привести к гибели ценных сортов растений и высокопродуктивных пород животных. Требуется система поддержания ценных сортов и пород.

Природные биогеоценозы отличаются большей стабильностью биологического круговорота, чем культурные. Создаваемые человеком виды связаны с меньшей биогенной миграцией элементов, чем их дикие предки, что угрожает дестабилизацией биологического круговорота, так как противоречит биогеохимическим принципам, лежащим в основе функционирования и развития биосферы. Это оказывает дополнительное воздействие со стороны естественного отбора, идущего в агроценозах.

И наконец, в наши дни эволюция может идти и без видимого участия человека. Многие новые расы, подвиды и даже виды возникли на наших глазах путем аллополиплоидии - гибридизации с последующим удвоением количества хромосом. Сейчас известен ряд природных межродовых гибридогенных форм: рябинокизильник (Sorbocotaneaster), распространенный на юге Якутии, ячмень - клинэлимусовый гибрид (Hordeum × Clinelymus), распространенный на Памире, гибрид алычи и абрикоса - в Молдавии и др. Интересными примерами гибридогенного видообразования служат некоторые виды амфибий (из группы европейских настоящих лягушек (Ranа) и рептилий, например, кавказские скальные ящерицы). В последнем случае видообразованию способствует возникновение партеногенетических форм. Многие из гибридов обладают высокой конкурентностью и захватывают широкие ареалы.

Таким образом, хотя антропофактор является ведущим в селекционных процессах, эволюция в современной биосфере происходит высокими темпами и стихийно, нередко вопреки целям и воле человека. Идет период коренной перестройки биосферы. Отмечаемый во многих работах кризис биосферы является кризисом той биосферы, к которой приспособлен человек. В истории биосферы не раз были периоды ускорения видообразования и усиления естественного отбора. Образование новых форм нередко влекло такие изменения во внешней среде, которые оказывали губительное воздействие на уже существующие группы организмов. Исчезали семейства, отряды, классы, их сменяли новые виды. Со времени своего возникновения организмы меняли биосферу и сами изменялись под воздействием вызванных ими преобразований.