Экологический депозит как механизм устойчивости биосферы

Экологический депозит как механизм устойчивости биосферы

В. Б. Сапунов, доктор биол. наук

Введение

Биосфера - система величайшей степени надежности. В. И. Вернадский, создатель учения о биосфере, писал "Биосфера в основных чертах неизменна в течение всего геологического времена, с археозоя, по крайней мере, полтора миллиарда лет. . . В геохимическом аспекте, входя как часть в мало меняющуюся, колеблющуюся около неизменного среднего состояния биосферы, жизнь, взятая как целое, представляется устойчивой и неизменной в геологическом времени" (1928).

Эта глубокая экологическая и философская мысль, высказанная в начале прошлого века, неоднократно становилась объектом дискуссии и нападок. Особенно негативную реакцию она вызывала у сторонников идеологии глобальных экологических кризисов, говорящей о необратимом разрушении и деградации биосферы под влиянием социального фактора. Однако, объективных данных о каком-то сокращении видового разнообразия и массы биосферы не получено поныне.

Площадь лесов, составляющих основу биомассы планеты, имеет тенденцию к возрастанию (Тайерни, 1992, Bjorn, 1995). Данные же о сокращении видового состава планеты не могут быть серьезными хотя бы потому, что неизвестно общее число видов. Оценки варьируют в огромных пределах - от 8 миллионов до миллиарда (Сапунов, 1998а, б). В 80-х - 90-хх гг бытовала оценка скорости исчезновения видов 1 в час (Carpenter, 1991). По последним официальным сводкам (Данилов-Данилян, Лосев, 2000, Данилов-Данилян, Зелиханов, Лосев, 2001) исчезновение происходит в темпе 1 вид в год, что по-видимому, соответствует естественному ходу эволюции биосферы. Однако и эта оценка вызывает сомнения.

Уместно сослаться на данные науки о редких, исчезающих и проблематичных видах - криптозоологии (Heuvelmans, 1988). Они свидетельствуют, что видовое разнообразие планеты много выше, чем кажется при поверхностном анализе. Многие виды, считавшиеся вымершими, живут и размножаются, хотя популяции их малочисленны. Все эти факты - суть проявление закона константности, впервые сформулированного Вернадским - количество живого вещества на планете есть константа (Реймерс, 1991). Абсолютно точных доказательств этого закона нет. Но косвенные подтверждения имеются. Например, данные о неизменном составе атмосферы, неизменности на протяжении миллионов лет соотношения между кислородом и углекислым газом. Такие результаты получены при изучении пузырьков воздуха, законсервированных в магмах, воздушных линз в вечных льдах (Современные проблемы. . . 1991). Это соотношение отражает активность фотосинтеза - основного экологического процесса, продуцирующего исходную биомассу, и количество древесной фитомассы. Критика закона константности биосферы велась давно (см. комментарии А. Перельмана к статье Вернадского 1978 г). Однако последнее время она приобрела политическое звучание. Именно на идеологии глобального кризиса в смысле необратимой деградации биосферы планеты основано большое число международных программ, направленных на сохранение биоразнообразия - программ, финансово обеспеченных и не обеспеченных научно (Основы экологии, 1998). Идея глобального разрушения биосферы явилась обоснованием теории глобального потепления и следующих из него политических решений в форме Киотского протокола, не имеющего серьезного научного фундамента.

Накоплены многочисленные данные, свидетельствующие о быстром восстановлении биосферы после таких значимых катастроф, как, скажем, Чернобыльская (Ильин, 1994 и др. ). В связи с этим вопрос о степени устойчивости биосферы в наши дни является не только чисто научным, но и политическим. Отсюда - острейшая необходимость разобраться в нем, используя весь арсенал современной науки. Настоящая статья не ставит задачей рассмотреть все основные аспекты устойчивости биосферы. Цель работы - поставить вопрос об одном из механизмов устойчивости биосферы и ноосферы, а именно о роли скрытых биологических решений, которые накапливались в ходе эволюции и используются биологическими системами для выживания, по мере появления такой необходимости.

Понятие экологического депозита

Под депозитом обычно понимается материальная ценность, вносимая в госучреждение и подлежащая возврату внесшему ее лицу. Депонироваться могут вклады, разработки, научные труды. По аналогии с традиционно понимаемым депонированием можно рассмотреть биологическое депонирование. Под ним будем понимать процесс сохранения в неявном (скрытом) виде биологического решения без его активного использования с сохранением возможности для эволюционного процесса востребовать данное решение.

Биосферный депозит - совокупность редких (скрытых) биологических систем и решений, практически не влияющих на структуру и функционирование в данное конкретное время, но при определенных условиях могущих быть востребованными и быстро размноженными по экспоненциальному закону.

Наиболее полно теория депонирования разработана в генетике. Основатель учения о популяциях С. С. Четвериков в 1926 году (цит. по изданию 1983г. ) писал: "популяция как губка впитывает мутации". При этом большая часть мутаций оказывается в скрытом, рецессивном гетерозиготном состоянии. Каждый организм несет некоторое количество мутаций, влияющих на жизнеспособность (чаще негативно), но они не проявляются на фенотипическом уровне. С определенной вероятностью эти мутации переходят в явное, гомозиготное состояние и влияют на фенотип. Тогда они становятся объектом действия естественного отбора. Будучи благоприятными, они могут быстро размножиться в популяции. Помимо рецессивных генов, которые наследуются и влияют на фенотип по законам классической генетики, есть еще одна, менее изученная категория генов, лежащих на генетическом депоненте. Это так называемые "спящие гены" (Цукеркендел, Полинг, 1964). Будучи инактивированными, они никак не проявляют себя в фенотипе и могут оставаться в неактивном состоянии миллионы лет. Их дерепрессия наблюдается в исключительных случаях, например при адаптационном стрессе, вызываемом экстремальными воздействиями среды. В спящих генах долгое время бесконтрольно накапливаются мутации. При включении этих генов в состав главного компонента генома, новые мутации порождают качественно новый фенотип, и это может иметь значение для эволюции.

За каждым геном стоит определенное биологическое решение, осуществляемое на уровне фенотипа. Не проявляемые, "запасные гены" - суть генетический депозит.

Депозит на фенотипическом уровне

В самой здоровой популяции 5% особей атипичны, несут ту или иную наследственную патологию. В экстремальной ситуации доля атипичных форм возрастает примерно в 2 раза (Сапунов, 1986). Это возрастание - один из механизмов адаптации на популяционном уровне. Скрытый резерв изменчивости снимается с депозита и работает на адаптацию всей популяции.

Д. К. Беляев (1979) разработал представление о так называемом "дестабилизирующем отборе", направленном на расширение изменчивости. Как пример такой формы он рассматривал доместикацию - одомашнивание. Это направляющий отбор на снижение оборонительной реакции по отношению к человеку одновременно является дестабилизирующим по комплексу морфологических признаков. Известно, что домашние животные более разнообразны, чем их дикие сородичи. Резерв наследственной изменчивости снимается с генетического депозитария и работает на выживание вида.

Согласно закону гомологических рядов наследственной изменчивости Н. И. Вавилова, любой вид имеет в скрытом виде все признаки других видов рода и даже признаки соседних семейств. Так у человека с определенной вероятностью выщепляются признаки, свойственные не только семейству людей, но и другим приматам (оволосение по всему телу, хвост и т. д. ). Эти факты дали основу С. В. Мейену (1974) вывести представление о статистической природе таксона - вид характеризуется не столько наличием или отсутствие тех или иных признаков, сколько частотой их встречаемости. То, что норма для одного - патология для другого. И у человека и у макаки бывает хвост. Но у макаки это норма, а у человека патология. Такая же, как и отсутствие хвоста у макаки. Таким образом, у любого биологического вида огромный резерв изменчивости оказывается в задепонированном состоянии. Снимается с депонента, активизируется и используется лишь небольшая часть того, что хранится в депозитарии. Формы хранения - это механизмы записи наследственной информации. Основной ее носитель - ДНК. Классическая молекулярная генетика сводит систему записи к последовательности в этой макромолекуле мономеров - нуклеотидов. Последние работы наводят на мысль, что ДНК еще сложнее, чем казалось раньше. Выявлена так называемая "теневая" часть генома, где информация кодируется системой специфических взаимоотношений между ДНК и белком (Уэйт, 2004). По мнению П. Гаряева (1994), в ДНК возможно кодирование информации электромагнитными зарядами, наподобие того, как информация записывается на компьютерной дискете. Все это свидетельствует, что возможности хранения информации в депонированной форме в хромосоме почти безграничны.

Депонирование биологических решений, связанных с размножением

В природе существует половое размножение, бесполое и модифицированное половое (партеногенетическое, гермафродитное). У большинства видов имеется несколько способов размножения. По мере движения по эволюционной лестнице половое размножение становится все более обязательным. Млекопитающие и насекомые - наиболее высокоорганизованные классы животных - почти исключительно размножаются половым путем. В биосфере успешно выживают виды, как с доминирование полового размножения, так и с доминирование бесполого. Виды с обязательным половым размножением эволюционируют быстрее. Половой процесс обеспечивает два важных явления. Первое - генетическая рекомбинация, повышающая пластичность вида. Второе - разделение функций между разными полами в ходе микроэволюционного процесса.

Существенный момент эволюции состоит в том, что почти у любого биологического вида имеется, по крайней мере, 2 способа размножения. Большинство высших растений размножается как половым путем, через образование семян, так и бесполым - стеблями, усами, корневищами и т. д. Примером сочетания полового и бесполого размножения служит такое высокоорганизованное животное как броненосец. После полового процесса в организме беременной самки начинается процесс клонирования. Эмбрион распадается на генетически идентичные части, из каждой вырастает молодой броненосец. В результате рождается несколько монозиготных близнецов.

Есть биологические виды, относящиеся к палочникам, тлям и др. , популяции которых сплошь состоят из партеногенетических самок. Изредка, под влиянием внешних условий или генетико-автоматических процессов мужские особи все же возникают, тогда осуществляется нормальное спаривание, половой процесс, генетическая рекомбинация. В этом случае можно говорить, что в депонированном состоянии оказалось целое биологическое решение, обеспечивающее раздельнополое размножение. Человек, как известно, размножается половым путем. Тем не менее, клонирование, как скрытый механизм размножения существует. Рождение монозиготных близнецов происходит с частотой 1 - 2 раза на тысячу родов. В данном случае можно говорить о задепонированном варианте размножения. В определенной экологической обстановке бесполое размножение окажется востребованным и будет снято с депонента.

Задепонированные психические решения

Еще один аспект скрытых адаптивных решений - так называемые таинственные явления человеческой психики, учение о которых разработал Л. Л. Васильев (1964), Б. Б. Кажинский (1962) и другие, главным образом отечественные ученые. Такие явления как телепатия, суггестия, ясновидение, бесспорно, существуют. Широко известна, хотя мало изучена и не имеет теоретического описания способность животных (а иногда и людей) предсказывать катаклизмы как природного, так и антропогенного происхождения, своевременно покидать опасные районы.

В декабре 2004 года на страны Юго-Восточной Азии обрушилось страшное бедствие - цунами. Число погибших - 250 000. С учетом пропавших без вести это значение достигает миллиона. Животные в этом катаклизме практически не погибли. Почти все они - как дикие, так и домашние - заблаговременно покинули опасную зону (личное сообщение сотрудников МинЧС, работавших в Индонезии).

В мае 2005 года был осуществлен сброс избыточной воды с Кубанского моря. При этом была нарушена техника безопасности. Створы плотины Кубанской ГЭС открывали не несколько часов, как положено по инструкции, а двадцать минут. Образовалась рукотворная цунами, которая смыла несколько поселков. Животные не пострадали - они успели покинуть опасную зону. Естественной цунами могут иметься физические предшественники - инфразвуки от подвижек земной коры, выходящий из трещин в литосфере радон. Но какие физические факторы, предшествующие людскому головотяпству, могли дать сигнал животным на Кубани?

Еще один пример. Участники ядерных испытаний свидетельствуют - за сутки до взрыва животные убегают с территории полигона (Шевченко, 2003). Момент взрыва - военная тайна. Как ее узнают бессловесные твари?

Значит, животные обладают способностью предсказывать будущее. Касается это энергетически значимых событий. Способность к ясновидению не абсолютна. В конечном итоге животные, как и люди, погибают от тех или иных причин.

В какой-то степени способность предсказывать катастрофы есть и у людей, хотя выражена слабее, чем у зверей. Известно (хотя сведения такого рода обобщены лишь в популярной литературе), что корабли, коим предстоит утонуть и самолеты, должные разбиться, в среднем недозаполнены на 15%. Число отказов от рейсов в случае будущей катастрофы повышено. Значит, и люди могут предчувствовать будущее. Но способность выражена не у всех и намного слабее, чем у животных.

За этими обстоятельствами стоят до конца не познанные свойства мозга. У животных эти явления выражены сильнее, чем у человека, пошедшего по социальному пути адаптации. Практическое использование этих свойств затруднено, поскольку для их описания нет серьезной теории (Иезуитов, 2004). Тем не менее, ясно, что у человека они не утеряны полностью, а находятся в скрытом, задепонированном состоянии. Один из аспектов аномальной работы психики - редко фиксируемое впадение человека в летаргический сон. Согласно гипотезе, разработанной И. П. Павловым и позже Л. Л. Васильевым, за этой особенностью психического управления жизненными функциями лежит атавизм, воспоминание о предках людей, впадавших в зимнюю спячку. Сейчас эта способность не востребована и потому в норме не проявляется. Тем не менее, при определенных условиях возможно пробуждение всех перечисленных выше способностей и включение в число адаптивных механизмов, обеспечивающих выживание вида.

Скрытый резерв биосферы

Важная характеристика биосферы - видовое разнообразие (Камшилов, 1979). Его оценка опирается на принцип “Необходимого разнообразия Эшби”, который утверждает, что гомеостатичность системы возможна при неком минимальном уровне разнообразия входящих в нее элементов. Методы оценки разнообразия менее просты, чем методы оценки биомассы. Во всяком случае, его нельзя оценивать числом видов на единицу площади хотя бы потому, что нет объективных методов такой оценки.

В предыдущих работах (Сапунов, 1998а, б) аргументировано, что распределение видов по численности носит характер, изображенный на рисунке.

Распределение видов по численности описывается уравнением

N = D + Ge-Hn (1)

где D, G, H - коэффициенты. Точки А, В, С разграничивают три категории видов - доминирующие (определяющие структуру биоценоза) редкие и скрытые, т. е. насколько редкие, что они не могут устойчиво фиксироваться методами полевой экологии. Последних особенно много и среди их разнообразия может выявиться вид, преадаптированный почти к любым изменениям природной среды. Устойчивость биоценоза определяется не абсолютным числом видов, а той их пропорцией, которая обеспечивает должную гомеостатичность экологической системы. В качестве показателей разнообразия (D) можно использовать формулу Шеннона:

D = -S pi log pi ,

где р - доля i-го вида в биоценозе. Достоверное снижение показателя разнообразия свидетельствует о снижении уровня устойчивости системы.

Второй вариант оценки степени разнообразия - через значение коэффициента Н в формуле (1). Его достоверное увеличение говорит об увеличении степени доминирования небольшого числа видов и снижении необходимого разнообразия.

Скрытые виды, всегда присутствующие в экологической системе представляют собой совокупность задепонированных решений, которые при изменении экологической среды могут быть востребованы и размножены по закону геометрической прогрессии.

Есть ли альтернатива у ноосферы?

Основатель эволюционного учения Чарльз Дарвин ввел в науку принцип дивергенции, гласящий: любая биологическая форма стремится в историческом развитии распасться на множество новых форм, из которых наибольшими шансами на выживание обладают две крайние. Это справедливо и по отношению к эволюции человеческого рода. Весь ее ход - это взаимоотношение биологического с социальным. Представители биологической ветви эволюционировали, опираясь на силу своих мышц. Представители альтернативной ветви опирались на силу своего разума. Эволюционный вопрос стоял так - победить, стать хозяином на Земле может только одна. Иное противоречило бы законам эволюции и экологии. Вопрос был решен с появлением человека разумного современного, который и стал победителем. Альтернативный эволюционный вариант не был уничтожен до конца. Он остался в скрытой форме как загадочный снежный человек. Это не просто редкий биологический вид. Это - запасной путь развития человечества. Или, если угодно, один из предохранителей биосферы.

В новой истории человека разумного мы знаем много случаев, когда непризнанный ученый годами работает, создавая гениальные изобретения, ожидая своего часа. Сей звездный час может и не прийти, но если он приходит, гениальное открытие всплывало, меняя судьбу человечества. Снежный человек - тот же непризнанный эволюцией творец, который совершенствует способы адаптации, возможные для приматов и мало понятные для нас. То, что мы знаем как "таинственные явления человеческой психики" - у него суть повседневная форма существования. Телепатия, суггестия, ясновидение существуют у нас как рудимент. У него это обыденность. Японские ниндзя умеют быть невидимыми, не нарушая законов физики, а умело используя законы психологии и физиологии органов чувств. Вполне возможно, что школа ниндзю-цу возникла в ходе наблюдений за снежными людьми, которые сохранялись на японских островах до периода Средневековья.

Согласно Тейяру де Шардену и В. И. Вернадскому, биосфера на определенной стадии развития породила ноосферу, или сферу разума, в которой определяющей стала социальная активность человека. Но, очевидно, мыслим и другой вариант. Окончательно возможность альтернативного пути развития не снята. Особенно сейчас, когда накопленное оружие массового уничтожения теоретически может уничтожить цивилизацию.

Альтернативный вариант ноосферы должен иметь своей основой не материальную культуру, а духовную составляющую, с предельным развитием того, что мы называем "таинственные явления человеческой психики" (Васильев, 1964). Совершенство этого пути могло привести к качественно новому способу организации материи, который я предлагаю назвать "психофизическим". Развитие по этому пути оказалось неперспективным, однако, оно обеспечило возможность немногочисленной популяции "снежного человека" выживать, практически оставаясь недоступной для наблюдения традиционными методами науки, основанными на рассмотрении объекта как чисто зоологического явления. Если в прошлом альтернативный вариант ноосферы и осуществлялся, то никаких следов, доступных для изучения методами археологии и палеонтологии, он оставить после себя не мог.

Заключение

К началу 21 века мир подошел к серьезному кризису. Биосферных причин кризис не имеет - ресурсы биосферы и Земли в целом могут обеспечить дальнейший прогресс и процветания. Тем не менее, темпы научно-технического прогресса замедлились, активизировались многие негативные социальные процессы. Распад СССР явился лишь первым шагом развития деструктивных процессов в обществе. Основа их - исчерпание социальных ресурсов и наработанных обществом решений по взаимоотношению между людьми, между природой и обществом. Для преодоления кризисных явлений есть один путь - трансформация общества на принципах формируемого учения о ноосфере (Субетто, 2004). Одним из направлений ноосферного развития автору статьи видится инвентаризация скрытых биосферно-ноосферных решений, хранящихся в неком глобальном депозитарии. Любое из решений, любая редкая биологическая и социальная конструкция могут быть размножены в кратчайший срок по экспоненциальному закону.

Подведем итоги. Одна из основ устойчивости биосферы и ноосферы - наличие резервов и запасных решений в отношении любой задачи, которые ставит перед живыми организмами природная среда. Резервы и запасные ходы имеют место на всех уровнях организации от молекулярного до биосферного. Совокупность этих запасных решений предлагается назвать "биосферным депозитом". Биосферный депозит - совокупность редких (скрытых) биологических систем и решений, практически не влияющих на структуру и функционирование в данное конкретное время, но при определенных условиях могущих быть востребованными и быстро размноженными по экспоненциальному закону.

Литература

1. Беляев Д. К. Дестабилизирующий отбор как фактор изменчивости при доместикации животных // Природа, 1979, №2, с. 39 - 45.

2. Васильев Л. Л. Таинственные явления человеческой психики, М. , Политиздат,1964. 182 с.

3. Вернадский В. И. Эволюция видов и живое вещество // Природа, 1928, №3, - перепечатка - Природа, 1978, №2, с. 36 - 46.

4. Вернадский В. И. Размышления натуралиста. , М. , Наука, 1975, 175 с.

5. Вернадский В. И. Биосфера и ноосфера. М. , Рольф, 2002.

6. Гаряев П. П. Волновой геном. М. , Общественная польза, 1994. 279 с.

7. Данилов-Данилян В. И. , Лосев Н. С. , Экологический вызов и устойчивое развитие. М. , Прогресс-Традиция, 2000. 415 с.

8. Данилов-Данилян В. И. , Зелиханов М. Ч. , Лосев Н. С. , Экологическая безопасность. Общие принципы и российский аспект. М. , МНЭПУ, 2001. 328 с.

9. Иезуитов А. Н. Философия взаимодействия. С-Пб, 2003. 140 с.

10. Ильин Л. А. Реалии и мифы Чернобыля. М. , Алара Лимитед, 1994, 446 с.

11. Камшилов М. М. Эволюция биосферы. М. , Наука, 1979. 256 с.

12. Кажинский Б. Б. Биологическая радиосвязь. АН УССР, Киев, 1962. 168 с.

13. Мейен С. В. Основные аспекты типологии организмов // Журнал общей биологии, 1974, т. 39, с. 595 - 608.

14. Основы экологии. Ред. В. Л. Обухов и В. Б. Сапунов. Учебник для средней школы. С-Пб, Спецлит, 1998.

15. Реймерс Н. Ф. Популярный биологический словарь. М. , Наука, 1991. 544 с.

16. Сапунов В. Б. Критерии экологического благополучия. // Ноология, экология ноосферы, здоровье и образ жизни. С-Пб, Наука, 1996, с. 80 - 85

17. Сапунов В. Б. Глобальные основы устойчивости биосферы. // Фундаментальные проблемы естествознания, С-Пб, РАН, 1998а, с. 187 - 188.

18. Сапунов В. Б. Скрытый экологический резерв биосферы. // Региональная экология, 198б, №1, с. 13 - 17.

19. Сапунов В. Б. Логика сочетания полового и социального-биологического диморфизма в антропогенезе // Вестник Костромского Государственного университет. Вопросы системогенетики, 2005, №1, с. 61.

20. Современные проблемы изучения и сохранения биосферы. В 3-х тт. С-Пб, Гидрометеоиздат, 1991.

21. Селье Г. Стресс без дистресса. , М. , Прогресс, 1979.

22. Субетто А. И. Ноогенетические основы трансформации общества // Социогенетические основы трансформирования общества. Кострома - С-Пб, ПАНИ, 2004. С. 29 - 39.

23. Тайерни Д. Пари о мировых ресурсах \\ Диалог - США, 1992, №50, с. 60 - 65.

24. Техногенез и биогеохимическая эволюция таксонов биосферы. , М. , Наука, 2003.

25. Четвериков С.С. Проблемы общей биологии и генетики. Новосибирск, Наука, 1983.

26. П. Т. де Шарден. Феномен человека. М. , Прогресс, 1990.

27. Шевченко Т. Из эпицентра ядерных испытаний // От Невы до Ангары. Альманах. Челябинск - СПб, 2003, с. 223-239.

28. Уэйт Гиббс. "Теневая часть генома": за пределами ДНК // В мире науки, 2004, №3, с. 65 - 71.

29. Carpenter B. 10 000 species would dead in 1991 // US News, 07. 01. 1991, p. 68.

30. Heuvelmans B. The sources and methods of cryptozoological researches // Cryptozoology, 1988, v. 7, p. 1-21.

31. Lomborg Bjorn. The skeptical environmentalist. Cambridge Univ Press, Cambridge, 2001.

Резюме

Одна из основ устойчивости биосферы - наличие резервов и запасных решений в отношении любой задачи, которые ставит перед живыми организмами природная среда. Резервы и запасные ходы имеют место на всех уровнях организации от молекулярного до биосферного. Совокупность этих запасных решений предлагается назвать "биосферным депозитом". Биосферный депозит - совокупность редких (скрытых) биологических систем и решений, практически не влияющих на структуру и функционирование биосферы в данное конкретное время, но при определенных условиях могущих быть востребованными и быстро размноженными по экспоненциальному закону.

На генном уровне депозитом являются рецессивные мутации и спящие гены. На уровне организмов депозитом можно считать совокупность редких для данного вида адаптивных решений. На уровне экологических систем под депозитом можно понимать скрытые виды, численность которых достаточна для самоподдержания, но недостаточна для устойчивой регистрации методами полевой экологии. Предлагаемая гипотеза состоит в следующем. Когда произошел исторический переход от биосферы к ноосфере, и соответственно, от биологической к социальной форме движения материи, эволюция отрабатывала запасной вариант - переход к психофизической сфере. Последние решения оказались эволюционно неперспективными, и перешли в состояние биосферного депозита. На уровне физиологических решений этот депозит дает себя знать в виде “таинственных явлений человеческой психики”. На уровне биологического разнообразия он проявляется в виде редких сообщений о “снежном человеке”.