Устойчивость экосистем определяется универсальным распределением энергетических потоков по организмам разных размеров

Вторник, 02 июня 2020

В океане, как и на суше, основное потребление энергии осуществляется мельчайшими живыми организмами. Крупные организмы потребляют лишь около одного процента общего потока энергии в экосистеме. Эти результаты, полученные научным сотрудником Отделения теоретической физики НИЦ «Курчатовский институт» - ПИЯФ А.В. Нефёдовым, имеют большое значение для понимания и количественного описания принципов устойчивости биосферных систем. Результаты исследования являются частью широкого обсуждения зарубежными и российскими экспертами статьи научных сотрудников Отделения теоретической физики НИЦ «Курчатовский институт» - ПИЯФ В.Г. Горшкова (1935-2019) и А.М. Макарьевой «Фундаментальные экологические параметры неподвижной и передвигающейся жизни», опубликованной в апрельском выпуске журнала Russian Journal of Ecosystem Ecology.

Согласно концепции биотической регуляции окружающей среды, разрабатывающейся в НИЦ «Курчатовский институт» - ПИЯФ с конца 1970-х годов, устойчивость оптимальной для жизни окружающей среды определяется регулирующим воздействием естественных экосистем. Разрушение естественных экосистем приводит к неблагоприятным изменениям окружающей среды. Поэтому вопрос о принципах устойчивости самих экосистем имеет большое значение в современных условиях быстрого разрушения биосферы и глобальных изменений климата.

В живых системах все величины зависят от размера тела. Линейный размер тела организмов меняется в диапазоне от менее одного микрона до более одного метра. Эти зависимости обычно описываются безразмерными скейлингами (в биологии называемыми аллометриями) простейшей формы dx/x = ady/y. Существует ли характерный размер тела, имеющий смысл для стабильности жизни в целом?

Жизнь отличается примечательной, но загадочной двойственностью. Она состоит из неподвижных организмов, таких как деревья, и подвижных, таких как животные. Растения получают энергию от солнечных фотонов и генерируют чистую первичную продукцию со скоростью около P = 1 Вт/м2.С другой стороны, как обнаружил В.Г. Горшков из своего обширного анализа опубликованной литературы, все живые существа в среднем потребляют энергию со скоростью около q = 1 кВт/м3. Отношение этих двух фундаментальных констант имеет размерность линейного размера, L= P/q = 1 мм. Это тот критический размер тела, который делит жизнь на больших и маленьких, неподвижных и подвижных, на экологически устойчивых и экологически неустойчивых.

Организмы линейного размера l<L потребляют меньше энергии, чем производит биосфера j =ql3/l2<P на единицу площади их проекции на поверхность Земли (l2). Таким организмам нет необходимости поедать живые растения. Они могут ждать пока мертвые части растения не упадут, чтобы стать их пищей. Им не нужно двигаться, они могут образовывать сплошной покров.

Напротив, виды с размером тела больше критической величины, потребляют больше пищи на единицу площади, чем биосфера способна производить. Такие организмы не могут существовать неподвижно — они вынуждены передвигаться и уничтожать биомассу живых растений.

Как только такие организмы, генетически запрограммированные поедать живую растительную биомассу, выходят из своего допустимого зеленого коридора с низкой плотностью численности, они могут полностью уничтожить первичных продуцентов и, следовательно, саму жизнь. Это лишь вопрос времени, когда в процессе эволюции появится крупный вид с достаточным разрушительным потенциалом.

«Из биотической регуляции однозначно вытекает, что для устойчивости экосистем необходимо, чтобы потребление крупнейшими организмами было подавлено до уровня сверхтонкой настройки, - поясняет А.В. Нефёдов. – Подобная организация экосистем действительно является универсальной для всей жизни. Она присутствует в естественных экосистемах не только суши, как было показано ранее, но и в океане».

Современное потребление человечеством продукции биосферы существенно превосходит экологические квоты для крупных организмов. Восстановление баланса между биосферой и техносферой должно включать возвращение в разрешённый экологический коридор. Именно эта мера позволит восстановить устойчивость регионального и глобального климата, а защита уникальных ненарушенных экосистем России приобретает особую важность. Этой проблеме было посвящено специальное заседание Общественного совета при Федеральном агентстве лесного хозяйства, прошедшее в Общественной палате РФ 9 октября 2019 года в форме круглого стола  «Климатозащитные леса и экологическая безопасность России» с участием сотрудников НИЦ «Курчатовский институт» - ПИЯФ.

Теги
фгбу пияф им. Б. П. Константинова Национальный исследовательский центр Курчатовский институт