Коллектив Авторов - Цифровой журнал «Компьютерра» № 78
В первой колонке мы обсудили, откуда берется биохимическая и тепловая энергия в чашке кофе. Во второй – убедились, что условием попадания кофе в чашку являются потоки энергии, организующие его выращивание, переработку и перемещение. Сегодня я хочу задуматься о том, откуда в кофе попали содержащиеся в нем химические элементы.
Представьте земную поверхность как лоскутное одеяло из относительно целостных единиц – биогеоценозов. Сейчас нам хватит определения биогеоценоза, как экосистемы в границах фитоценоза, иначе говоря – участка земной поверхности, выделенному по характерному типу растительности. Значительная часть «лоскутов» на современной Земле – агроценозы, искусственные сельскохозяйственные биогеоценозы. Кофе, как и сахарная свекла или сахарный тростник – их продукция. Вы помните, что агроценозы крайне неустойчивы и сохраняются лишь благодаря непрерывным энергетическим субсидиям? Как только мы прекратим энергетические вливания, на смену культурным растениям, запасающим максимум энергии в урожае, придут другие, более «заботящиеся» о своей конкурентоспособности, но менее урожайные.
Откуда берутся поля? Это измененные естественные ценозы, например, бывшие степи. Условия для разрушения отмерших трав в степи не ахти какие – сухо. Недоразрушенная органика накапливается в почве, образуя чернозем. Органические вещества чернозема для трав не нужны, а вот накопленные в нем биогены и вода для них крайне важны. Чернозем в степи мало-помалу разрушается (окисляется, выдувается, смывается), но зато и непрерывно пополняется в результате отмирания и разрушения трав.
Когда степь превращается в поле, восстановление чернозема прекращается, поскольку существенная часть биомассы изымается с урожаем, а не возвращается в почву. Разрушение идет своим чередом и только усиливается. Итого, плодородие полей в значительной степени основано на постепенно растрачиваемых почвах, оставшихся от разрушенных естественных биогеоценозов. В большинстве агроценозов почвы быстрее или медленнее деградируют…
Перед тем, как обсудить, как мы боремся со снижением плодородия агроценозов, задумаемся, какие элементы содержатся в потоке вещества, изымаемого нами с полей. Главные элементы в составе органических соединений – углерод, кислород и водород, которые поступают в продукты фотосинтеза из углекислого газа и воды. Очень важен и азот, без которого невозможно синтезировать ни белки, ни разнообразные соединения наподобие кофеина (вы помните, что мы говорим о кофе?). В атмосфере азота пруд-пруди, но воспользоваться им нелегко. Растения получают его из почвы, куда азот попадает или в результате действия бактерий, способных его связывать, или при его окислении в момент удара молнии. На количество молний растения особенно повлиять не могут, а вот нужные бактерии могут направленно разводить: бобовые делают это в специальных клубеньках на своих корнях.
Состав урожая не ограничивается названными элементами. В разных концентрациях там находится практически вся доурановая часть таблицы Менделеева. Используем для обозначения всех элементов, необходимых для организмов, термин «биогены». Поток продукции из агроценозов –поток биогенов. Если вода из бассейна выливается по одной трубе, ее уровень останется постоянным, лишь если она притекает по другой. Какие «трубы» вносят биогены в агроценозы?
Углерод, кислород, водород и кое-как азот, поступают из атмосферы. А фосфор, сера, калий, кальций, железо, магний и многие другие элементы? Это серьезная проблема, которая важна не только для агроценозов, ведь вынос вещества из биогеоценозов – не изобретение людей.
Представьте себе реку, впадающую в море. Что несут ее мутные воды? Массу неорганики (песок, глина, соли), органики на разных стадиях разрушения и попросту живых организмов. Этот «суп» содержит в себе изрядное количество биогенов, смытых в реку со всего водосборного бассейна. Часть из них, попав в океан, вернется на сушу (с выловленной рыбой, пометом рыбоядных птиц и даже просто брызгами, которые подхватил ветер). Однако подавляющая часть этих биогенов будет изъята из круговорота и отправится на дно, в морские отложения. Какая энергия обеспечивает захоронение биогенов? Солнечная, это ведь благодаря ей дуют ветры и текут реки.
Если бы процесс миграции веществ на дно океанов ничем не компенсировался, Землю бы ожидала печальная судьба. Воздух и вода сточили бы континенты и выровняли бы морское дно. Планету покрыл бы океан глубиной более километра. Более плотные, чем вода, вещества, опустились бы вниз, унося множество биогенов. В освещенных солнцем водах образовалась бы химическая «пустыня», а биогены скопились бы на дне, где царит тьма. В этих условиях земная жизнь теплилась бы еле-еле.
Какие силы удерживают биосферу от столь печальной судьбы? Те, которые обеспечивают извержения вулканов и горообразовательные процессы. Они возносят все новые и новые горные породы наверх, в зону водно-воздушного разрушения. Из горных пород вымываются биогены, которые поступают в круговорот в составе живого вещества. Эти силы и делают Землю планетой жизни! Где их источник?
Разогретое (в первую очередь – вследствие гравитационной дифференциации недр в эпоху ранней молодости) ядро Земли медленно отдает свою энергию через вязкую, полужидкую мантию. Циркуляция мантии приводит к тому, что образующие земную кору плиты медленно плавают по поверхности планеты. Когда континентальные части плит громоздятся друг на друга, к небу возносятся горы; когда океанские участки плит вдавливаются на глубину, обогащенные водой осадочные породы в виде перегретой магмы вырываются на поверхность через жерла вулканов.
Как назвать силы, которые выполняют эту колоссальную работу? Древние греки назвали бы их хтоническими – связанными с первородной энергией Земли. Раньше хтоническими силами считали титанов, борьба которых вызывает землетрясения. Теперь можно говорить о хтонической энергии Земли, обеспечивающей элементное разнообразие процессов, происходящих на ее поверхности. Можно сказать, что хтонические силы в какой-то степени противостоят солнечным, не давая им «спрятать» биогены от организмов.
Могут живые организмы влиять на поступление биогенов на поверхность планеты? Лишь в небольшой мере, ускоряя разрушение горных пород. Зато они могут связывать недостающие элементы в биотическом круговороте веществ, по возможности минимизируя их потери.
На биостанции в местности Хаббард-Брук в Америке был проведен жестокий эксперимент. Выбрали ручей, вытекающий из небольшого водосборного бассейна, ограниченного горными гребнями. Измерили количество вытекающей из него воды и содержание в ней различных биогенов. Уничтожили в этом водосборном бассейне всю растительность при помощи дефолиантов. Измерили, сколько воды вытекает из практически безжизненного бассейна, и сколько с ней выносится различных элементов. Так вот, уничтожение растительности не только увеличило вынос воды, оно и намного увеличило вынос биогенов. Те элементы, которые раньше удерживали в себе местные растения, в новых условиях вода понесла вниз по течению…
Хтонические силы могут поддержать элементное разнообразие естественных биогеоценозов. Агроценозы проигрывают в трех важных отношениях. Во-первых, из них изымается очень много биогенов. Во-вторых, высокие урожаи требуют постоянного биогенного богатства. В-третьих, агроценозы лишены многих из механизмов удержания биогенов, характерных для естественных биосистем. Выход один: удобрения. Искусственность, а часто и избыточность внесения удобрений приводят к тому, что они недостаточно связываются почвой и быстро выносятся с водой, попадая в водоемы. Биогенное загрязнение водоемов приводит к их заболачиванию и нарушению водного режима сопредельных территорий. Целый клубок проблем!
Современная мифология утверждает, что «органические» удобрения (навоз, растительная биомасса) «экологичнее» химических. Подробно доказывать сейчас не буду, но скажу, что органические удобрения имеют свои серьезные недостатки (например, малоконтролируемый состав), да и к тому же для всех полей их все равно не хватит.
Разговор о кофе был начат, чтобы показать принципиальные особенности нашего вида. Проявляются ли они в нашей деятельности, которую мы обсуждали?
Биогеоценозы изменяют не только люди. Те же бобры превращают участки леса в заводи. Агросистемы создают не только люди, но и муравьи. Листорезы делают грибные огороды, обычные лесные муравьи охраняют и разводят тлей. Продукцию изымают и перемещают не только люди.
Саранча летела, летела
И села.
Сидела, сидела, все съела
И вновь улетела.
А. С. ПушкинУдобряют территории не только люди. Вылет из пресноводных водоемов комаров и выход молоди жаб выносит биогены в окрестные наземные местообитания. Так что, все отличия – количественные, а не качественные? Можно считать, что да. Но, по-моему, не один вид не сочетает изъятия продукции из искусственных биогеоценозов с доставкой туда биогенов из иных источников. Мы многократно ускоряем поступление биогенов в экосистемы по сравнению с тем, которое обеспечивают хтонические силы.
