РАЗВИТИЕ КОНЦЕПЦИЙ «САМООРГАНИЗАЦИИ МАТЕРИИ» И «УСТОЙЧИВОГО УПОРЯДОЧЕНИЯ УГЛЕРОДА» НА ПРИМЕРЕ БИОГЕОЦЕНОЗОВ

DEVELOPMENT OF THE CONCEPTS OF «SELF-MATTER» AND «SUSTAINABLE ORDERING OF CARBON» FOR BIOGEOCENOSES

В.Ю.Душков

V.Yu.Dushkov

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт химической физики им. Н.Н. Семенова Российской академии наук
(РФ, 119991, Москва, ул. Косыгина, 4)
Semenov Institute of Chemical Physics, Russian Academy of Sciences
(RF, 119991, Moscow, Kosygin St. 4)
e-mail: vdushkov@yandex.ru

Показано, что самоорганизация и гомеостазирование в биогеоценозах осуществляется за счет устойчивого упорядочения соединений углерода, и дарвиновского отбора видов эдификаторов (лат. аedificator – строитель), которые отбираются в процессе эволюции и сукцессий под конкретные лимитирующие факторы среды четко в соответствии с внешним потоком вещества и энергии.

It is shown that self-organization and homeostasis in the biogeocenosis is due to the sustainable ordering of carbon compounds, and the Darwinian selection of edificatory (Latin aedificator - builder) that are selected during evolution and the succession for the specific limiting factors of the environment in accordance with the external flow of matter and energy only.

В 70-80-х годах ХХ века было открыто новое, важное для понимания процессов возникновения и развития жизни явление – «явление самоорганизации материи»,которое вскрыло возможность возникновения сложных образований из более простых. Наиболее значимый вклад в разработку этого направления и связанного с ним процесса упорядочения сделали М. Эйген [14], издавший книгу «Самоорганизация материи и эволюция биологических молекул» и лауреат Нобелевской премии Илья Пригожин [10]. В нашей стране в разработку идеи «самоорганизации» и «упорядочения» существенный вклад внес акад. Э.М.Галимов [1, 2].

Согласно Э.М.Галимову, «особенностью развития живой материи является то, что упорядочение происходит на микроскопическом уровне, а путем размножения переводится на макроскопический уровень. Этот принцип действует на всех иерархических уровнях: клетка – многоклеточный организм, индивидуум – популяция. Это определяет, с одной стороны, устойчивость системы, с другой – изменчивость» [2, c. 12].

Принцип самоорганизации и упорядочения, по нашему мнению, распространяется и на биогеоценозы, то есть на минимальные, образующие биосферу, единицы, открытые В.Н.Сукачевым [12 и др.]. В современном представлении биогеоценоз – это эволюционно сложившаяся, пространственно (объемно) ограниченная природная система взаимосвязанных живых организмов и окружающей их абиотической среды, характеризующаяся определенным энергетическим состоянием, обменом веществ и информацией.

Подчеркивая важность биогеоценоза как «элементарной, неделимой единицы» биосферы Н.В.Тимофеев-Ресовский отметил, что «биогеоценотические условия являются также элементарной основой изменения и эволюции биогеоценозов и тем самым формирования исходных очагов для возможного исторического развитияновых или изменения ранее сложившихся типов фаун и флор» [13, с. 27].

Для анализа явлений самоорганизации и упорядочения в биогеоценозах, обратимся к результатам биогеоценотических исследований, выполненных в глинистой полупустыни Северного Прикаспия, на Джаныбекском стационаре. Данные исследования были поставлены в 1950 г. проф. А.А.Роде под общим руководством В.Н.Сукачева. Автор данной работы в течение 30 лет участвовал в их проведении и более 11 лет ими руководил [4].

Наличие комплексного почвенного покрова, представленного степными, полупустынными и пустынными биотопами определило возможность сравнительного изучения в этих условиях биогеоценозов, которые исходно сформированы на единой материнской породе, на фоне единого климата, при одном меняющемся параметре – разном натечном поступлении влаги.

В таблицах 1 и 2 мы свели данные, полученные разными авторами при изучении катенной (последовательно сменяемых друг другом) серии степных биогеоценозов. Первые три графы таблицы 1 подробно характеризуют условия увлажнения, так как влага в аридных условиях выступает в качестве лимитирующего фактора. В первой графе приведены годовые суммы осадков, характерные для пустынной, полупустынной, сухостепной и степной природных зон (подзон), расположенных по широте стационара. Во второй графе, для сравнения, дан тот же показатель для катенных, последовательно сменяющих друг друга, биогеоценозов стационара.

Таблица 1

Самоорганизация и устойчивое упорядочивание углерода в процессе эволюционного формирования фитоценозов в степных биогеоценозах*

Таблица 2

Самоорганизация и устойчивое упорядочивание углерода при генетическом формировании почв степных биогеоценозов*

* По материалам [3, 9,11].

В третьей графе приведены величины весенней влагозарядки почв. Анализ материалов показывает, что в результате дарвиновского отбора разных видов цветковых растений природа сформировала серию биогеоценозов с четко упорядоченными структурами фитоценозов. Общее число травянистых видов встречаемых в одном фитоценозе (11; 19; 25; 40), число видов эдификаторов (1(2); 2; 3; 4), синтезирующих основную биологическую продукцию и соответственно количество органического углерода, связанного в фитомассе, четко увязано с приходом влаги. На основе математико-статистических расчетов выявлены четкие прямолинейные, зависимости ведущих показателей фитоценозов с увлажнением. Прежде всего, с величиной весенней влагозарядки почв (W, мм, табл. 1). Так, связь числа встречаемых в фитоценозе и эдификаторных видов с весенней влагозарядкой почвы описывается уравнениями: Х_в.в = 0,123 ? W; Х_э.в. = 0,012 ? W. Из этих уравнений и данных таблицы 1 видно, что на один эдификаторный вид приходится, свита из 10 видов, то есть, соотношение указанных групп видов во всех биогеоценозах равно 1:10. Связь продуктивности фитоценозов (столбец 7, табл. 1) с условиями весенней влагозарядки почвы характеризует уравнение: Х_п.ф.= 0,5 + 0,005 ? W.

Аналогичную картину можно видеть из данных таблицы 2, которая демонстрирует четкий процесс самоорганизации и устойчивого упорядочения углерода приэволюционно-генетическом формировании (самоорганизации) почвенных профилей четырех степных биогеоценозов. Тип почв, мощность почвенного профиля (80; 120; 200; 325 см), число почвенных горизонтов (3 недооформленных; 3; 4; 5), мощность гумусового горизонта (3; 10; 22; 27 см), запасы гумуса в почве и углерода в гумусе, согласно проведенным нами расчетам, корреляционно сопряжены с увлажнением – фактором минимума. Например, связь запасов почвенного гумуса в слое 0-100 см (Х_п.г., кг/м²) с величиной весенней влагозарядки почв (W, мм, табл. 1) описывается уравнением Х_п.г..= 6,66 + 0,041 ? W.

Сделан вывод, что биогеоценозы являются самоорганизующимися минимальными единицами, поддерживающими гомеостаз биосферы за счет всеобщего упорядочения базируемого, согласно фундаментальным теоретическим наработкам [1], на диспропорционировании энтропии. Самоорганизация, диспропорционирование энтропии и гомеостаз в них, при этом, осуществляются, в основном, за счет устойчивого упорядочения соединений углерода и дарвиновского отбора эдификаторных видов, которые подбираются в природе под конкретные лимитирующие факторы среды в соответствии с внешним потоком вещества и энергии.

В рассмотренном случае пошаговая трансформация потока вещества – влаги в катенных, степных биогеоценозах соответствовала: по величине весенней влагозарядки почвы (80 : 144 : 243 : 332 мм) – 80±12 мм; по сумме осадков за гидрологический год (218 : 305 : 398 : 490 мм) – 90,1±18 мм ( табл. 1). Аналогичная картина наблюдалась в зональных биогеоценозах (шаг в 75 мм). Из этого следует, что трансформация потока вещества, а именно влаги, с шагом в 80±10 мм вызывала смену (сукцессию) видов эдификаторов определяющих самосборку соответствующего типа степного биогеоценоза. Самосборка соответствующих свит видов вокруг эдификаторов, согласно проведенным расчетам, «идет в линейной области соотношений сил и потоков» [1] при параллельном устойчивом упорядочении соединений углерода (табл. 1, 2), которое обусловлено выявленным Э.М.Галимовым общим свойством развития живой материи. Природные биогеоценозы обладают высокой устойчивостью, но эта устойчивость имеет ограничения. Стационарное изменение потока вещества – в нашем случае, влаги, на 80±10 мм, на фоне однотипного (неизменного) потока солнечной энергии выводит стационарную (климаксную) систему из равновесия. Это вызывает смену эдификаторных видов и, соответственно, типа биогеоценоза. Исходя из этого, можно сделать новые значимые заключения.

Биогеотехнологическое – натурное моделирование аналоговых биогеоценозов и комплексов, предложенное нами [5, 6, 7, 8], должно базироваться на очень грамотном подборе видов эдификаторов (число которых, как и в естественных биогеоценозах, будет ограниченным) и подборе приемов, способствующих ускоренному упорядочению соединений углерода. По этим же параметрам (плюс биоразнообразие) надо вести общий контроль гомеостаза биогеоценозов и биосферы в целом.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:

1. Галимов Э.М. Феномен жизни. М.: URSS, 2001. 256 c. (то же 3-е изд. 2009).

2. Галимов Э.М. Что такое жизнь? Вместо введения // Проблемы зарождения и эволюции биосферы / Под ред. Э.М. Галимова. М.: Кн.дом «ЛИБРОКОМ», 2008. С.9-19.

3. Гордеева Т.K., Ларин И.B. Естественная растительность полупустыни Прикаспия как кормовая база животноводства. Л.: Наука, 1965. 159 с.

4. Душков В.Ю., Оловянникова И.Н., Сенкевич Н.Г. Биогеоценотические основы лесомелиоративного освоения засоленных земель полупустыни Северного Прикаспия // Природа и ресурсы. М.: ЮНЕСКО, 1988. T. XXIV, № 2-4. С. 45-63.

5. Душков В. Ю. Биогеотехнология – раздел прикладной биогеоценологии (на примере биогеоценотического комплекса Джаныбекского стационара) // Степи северной Евразии: стратегия сохранения природного разнообразия и степного природопользования в ХХI веке. Оренбург, 2000. С. 155-157.

6. Душков В.Ю. Биогеотехнологический подход и пути реорганизации пастбищного животноводства в аридных регионах Европейской части России // Агроэкол.вестн. 2003. № 5. С 6-11.

7. Душков В. Ю. Краткое представление о биогеотехнологии как о новом научном направлении // Сб.материалов Всерос. научн-практ.конф. Орехово-Зуево, 2006. С. 85-95.

8. Душков В. Ю. Первичный анализ возможности рационального использования солнечной энергии посредством моделирования аналоговых биогеоценозов и комплексов // Тез.докл. отдела динамики химических и биологических процессов Института химической физики им. Н.Н. Семенова РАН. М., 2010. С. 42-43.

9. Оловянникова И.Н. Водный режим растительности солонцового комплекса Прикаспия и условия лесоразведения // Искусственные насаждения и их водный режим в зоне каштановых почв. М.: Наука, 1966. С. 186-314.

10. Пригожин И., Стенгерс И. Порядок из хаоса: Новый диалог человека с природой / Пер. с англ. М.: Прогресс 1986. 432 с.

11. Роде А.А, Польский М.Н., Максимюк Г.П. Почвы полупустыни Северо-Западного Прикаспия и их мелиорация. М.: АН СССР, 1961. 295 с.

12. Сукачев В.Н. Основы теории биогеоценологии // Юбилейн.сб. АН СССР. М., 1947. Ч.2. С 48-70.

13. Тимофеев-Ресовский Н.В. О некоторых принципах классификации биохорологических единиц // Тр. Ин-та биол. Вопросы классификации растительности. Свердловск, 1961. Вып. 27. C. 23-28.

14. Eigen M. Self-Organization of Matter end the Evolution of Biological Macromolecules. Springer Verlag. Berlin, 1971. 214 p.