Экология. Природа-Человек-Техника_Акимова, Кузьмин, Хаскин_Учебник_2001 -343с (Учебник по экологии Т. А. АКИМОВА, А .П. КУЗЬМИН, В. В. ХАСКИН), страница 5

Обычно системы, имеющие до тысячи связей (0 < H_n < 3), относятся к простым; до миллиона связей (3 < H_n < 6) - к сложным; свыше миллиона (H_n > 6) - к очень сложным. Все реальные природные биосистемы очень сложны.

Другой критерий сложности связан с характером поведения системы. Если система способна к акту решения, т.е. к выбору альтернатив поведения (в том числе и в результате случайного изменения), то такая решающая система считается сложной. Следствием увеличения сложности систем в ходе их эволюции является ускорение эволюции, все более быстрое прохождение ее стадий, равноценных по качественным сдвигам.

1. Важной особенностью эволюции сложных систем является неравномерность, отсутствие монотонности. Периоды постепенного накопления незначительных изменений иногда прерываются резкими качественными скачками, существенно меняющими свойства системы. Обычно они связаны с так называемыми точками бифуркации - раздвоением, расщеплением прежнего пути эволюции. От выбора того или иного направления развития в точке бифуркации очень многое зависит, вплоть до появления и процветания нового мира веществ, организмов, социумов или, наоборот, гибели системы. Даже для решающих систем результат выбора часто непредсказуем, а сам выбор в точке бифуркации может быть обусловлен случайным импульсом.

2. Любая реальная система может быть представлена в виде некоторого материального подобия или знакового образа, называемого соответственно аналоговой или знаковой моделью системы. Моделирование неизбежно сопровождается некоторым упрощением и формализацией взаимосвязей в системе. Эта формализация может быть осуществлена в виде логических (причинно-следственных) и/или математических (функциональных) отношений.

2.2. Главные законы экологии

Современная экология располагает обширной аксиоматикой, относящейся ко всем уровням организации природных систем. Некоторые, достаточно общие постулаты, теоремы, правила заимствованы из смежных дисциплин и опираются на фундаментальные законы естествознания. Таковы начала термодинамики, законы сохранения вещества и энергии, закон минимума диссипации (рассеивания) энергии Л. Онсагера - И. Пригожина и др. Среди них есть несколько принципов, важных для понимания поведения экологических систем, их способности к самоподцержанию и авторегуляции.

Закон больших чисел: совокупное действие большого числа случайных факторов приводит, при некоторых общих условиях, к результату, почти не зависящему от случая, т.е. имеющему системный характер. Случайное, стохастическое поведение большого числа молекул в некотором объеме газа обусловливает вполне определенные значения температуры и давления. Мириады бактерий в почве, воде, в телах растений и животных создают особую, относительно стабильную микробиологическую среду, необходимую для нормального существования всего живого. Сочетание большого числа случайных актов спроса и предложения формирует относительно постоянный товарооборот и ценообразование свободного рынка.

Принцип Ле Шателье - Брауна - при, внешнем воздействии, выводящем систему из состояния устойчивого равновесия, это равновесие смещается в направлении, при котором эффект внешнего воздействия уменьшается. Разработанный первоначально для условий химического равновесия, этот принцип стал применяться для описания поведения самых различных самоподдерживающихся систем. На биологическом уровне он реализуется в виде способности экологических систем к авторегуляции. В биосфере механизм осуществления этого принципа основывается на функционировании всей совокупности живых организмов и служит главным регулятором общеземных процессов.

В мире действует закон всеобщей связи вещей и явлений в природе ив обществе. Он связан с законом физико-химического единства живого вещества, законом развития системы за счет окружающей ее среды и законом постоянства количества живого вещества, сформулированных В.И.Вернадским: любая система может

развиваться только за счет использования материально-энергетических и информационных возможностей окружающей ее среды; изолированное саморазвитие невозможно. Значительное увеличение числа каких-либо организмов за относительно короткий промежуток времени может происходить только за счет уменьшения числа других организмов. Это правило распространяется и на число видов организмов. В мире живых существ тотальность связей проявляется особенно ярко, потому что при материальном единстве жизни живые системы характеризуются наиболее разнообразными, разветвленными и интенсивными взаимопереходами вещества, энергии и информации. Они образуют экологические сети взаимосвязей. Богатство связей относится не только к локальным экосистемам. Глобальные круговороты веществ, ветры, океанские течения, реки, трансконтинентальные и трансокеанические миграции птиц и рыб, переносы семян и спор, деятельность человека и влияние антропогенных факторов - все это в той или иной степени связывает пространственно удаленные природные комплексы и придает биосфере признаки единой коммуникативной системы.

Густая, динамичная сеть связей и зависимостей характерна и для человеческого общества. По сравнению с природой она многократно обогащена за счет потоков информации. Существует много примеров многоступенчатого опосредования и усиления частных изменений в технологических процессах, в производстве. В экономике все переплетено, любая оценка зависит от других экономических оценок и в свою очередь оказывает влияние на них. Не следует представлять себе эти закономерности так, будто все связано со всем отдельно в природе и отдельно в обществе, в экономике. На самом деле и природа, и общество находятся в одной сети системных взаимодействий.

Существуют важные для экологии следствия всеобщей связи, закона динамического равновесия и принципа Ле Шателье - Брауна.

Закон цепных реакций. Любое частное изменение в системе неизбежно приводит к развитию цепных реакций, идущих в сторону нейтрализации произведенного изменения или формирования новых взаимосвязей и новой системной иерархии. Поскольку взаимодействие между компонентами системы при их изменении, как правило, существенно нелинейно, то слабое изменение одного из параметров системы может вызвать сильные отклонения других параметров или привести к изменению всей системы в целом.

Закон оптимальности. Любая система функционирует с наибольшей эффективностью в некоторых характерных для нее пространственно-временных пределах.

Правило максимального «давления жизни». Вместе с этим в живой природе действует правило максимального «давления жизни»: организмы размножаются с интенсивностью, обеспечивающей максимально возможное их число. Однако давление жизни ограничено емкостью среды, межвидовыми взаимоотношениями, взаимоприспособленностью различных групп организмов. Эту закономерность иногда обозначают как закон сопротивления среды жизни, или закон ограниченного роста Ч.Дарвина. Дарвину принадлежит также экологическая аксиома адаптированности: каждый биологический вид адаптирован к строго определенной, специфичной для него совокупности условий существования, которая позднее получила название экологической ниши. Очевидна связь этого положения с законом оптимальности.

Законы экодинамики. Помимо константности количества живого вещества в живой природе наблюдается постоянное сохранение вещественной, энергетической и информационной структуры, хотя она и несколько изменяется в ходе эволюции. Эти свойства Ю. Голдсмит (1981) обозначил как законы экодинамики. Первый из них - закон сохранения структуры биосферы, второй - закон стремления к климаксу, т.е. к достижению экологической зрелости и равновесности экосистем.

Существуют и другие, более частные системные обобщения в экологии. Во многих руководствах часто цитируют аксиомы-поговорки известного американского ученого Б. Коммонера (1974), названные автором «законами экологии»:

«все связано со всем»,

«все должно куда-то деваться»,

«природа знает лучше»,

«ничто не дается даром».

Хотя они больше относятся к основам природопользования, в них находят отражение некоторые важные постулаты экологии.

2.3. Основные объекты экологии

Обычно выделяют шесть уровней организации живой материи, образующих иерархию: молекулярный, клеточный, организменный, популяционный (популяционно-видовой), экосистемный, биосферный.

Основные свойства живых систем - структурная организация, способность к самовоспроизведению и самосборке, обмен веществ и энергии, раздражимость, поддержание постоянства внутренней среды, способность к адаптации и др. (см. § 3.1) - реализуются уже на клеточном уровне. Однако полнота всех естественных проявлений жизни представлена только на двух последних - экосистемных уровнях (или даже только на биосферном), так как ни одна клетка, ни один организм, ни один вид, ни одна экосистема не могут существовать без множества других клеток, организмов, видов, экосистем и создаваемых ими условий существования.

Организменный уровень. На низшей ступени иерархии объектов экологии находится организм (особь, индивидуум) в качестве представителя биологического вида - генетически, морфологически и экологически однородной группы живых существ, обособленной от других видов по этим же критериям. Отдельные организмы - представители разных видов используются в экспериментальных сравнительно-экологических исследованиях. При этом выявляют видовые особенности поведения и физиологических реакций организма при воздействии различных факторов среды, а на основе этих данных - видовые экологические потребности организма. Например, оптимальные значения и допустимые минимумы и максимумы температуры, влажности, освещенности, концентрации веществ в среде, взаимодействий с другими организмами и т.п.

Популяционный уровень. Каждый биологический вид в природе представлен почти всегда несколькими, часто многими популяциями.

Популяция (от лат. populus - население) - это совокупность особей одного вида, длительно населяющих определенное пространство, имеющих общий генофонд^* возможность свободно скрещиваться и в той или иной степени изолированных от других популяций этого вида. Популяция - элементарная форма существования вида в природе. Популяции эволюционируют и являются единицами эволюции видов и видообразования. Обладая всеми признаками биологической системы, популяция, тем не менее, представляет собой совокупность организмов, как бы выделенную из природной системы, так как в природе особи одного вида всегда сожительствуют с особями других видов. Только в искусственных условиях или в специальном эксперименте можно иметь дело с «чистой» популяцией, например, культурой микроорганизмов, посевом растений, приплодом животных и т.п.

Экосисгемный уровень. Основной объект экологии - экологическая система, или экосистема - пространственно определенная совокупность организмов разных видов и среды их обитания, объединенных вещественно-энергетическими и информационными взаимодействиями.

Термин «экосистема» введен в экологию английским ботаником А.Тенсли (1935). Понятие экосистемы не огранчивается какими-то признаками ранга, размера, сложности или происхождения. Поэтому оно приложимо как к относительно простым искусственным (аквариум, теплица, пшеничное поле, обитаемый космический корабль), так и к сложным естественным комплексам организмов и среды их обитания (озеро, лес, степь, море, океан, биосфера). Различают водные и наземные экосистемы. Все они образуют на поверхности планеты пеструю мозаику. При этом в одной природной зоне встречается множество сходных экосистем - или слитых в однородные комплексы или разделенных другими экосистемами. Например, участки лиственных лесов, перемежающиеся хвойными лесами, или болота среди лесов и т.п.

В каждой локальной наземной экосистеме есть абиотический компонент - биотоп, или экотоп - пространство, участок с одинаковыми ландшафтными, климатическими, почвенными условиями, и биотический компонент - сообщество, или биоценоз - совокупность всех живых организмов, населяющих данный биотоп. Биотоп является общим местообитанием для всех членов сообщества. Биоценозы состоят из представителей многих видов растений, животных и микроорганизмов. Практически каждый вид в биоценозе представлен многими особями разного пола и возраста. Они образуют популяцию или часть популяции данного вида в экосистеме.

Члены сообщества так тесно взаимодействуют со средой обитания, что биоценоз часто трудно рассматривать отдельно от биотопа. Например, участок земли - это не просто «место», но и множество почвенных организмов и продуктов жизнедеятельности растений и животных. Поэтому их объединяют под названием биогеоценоза: «биотоп + биоценоз = биогеоценоз» (рис. 2.1). Понятие биогеоценоза ввел В.Н.Сукачев (1942).

Рис. 2.1. Схема биогеоценоза

Биогеоценоз - это элементарная наземная экосистема, главная форма существования природных экосистем. Во всех наземных экосистемах масса растений всегда во много раз больше массы других организмов. Поэтому для большинства биогеоценозов определяющей характеристикой является определенный тип растительного покрова, по которому судят о принадлежности однородных биогеоценозов к данному экологическому сообществу (сообщества березового леса, мангровой заросли, ковыльной степи, сфагнового болота и т.п.). Совокупность сообществ определенной крупной географической области называют региональной биотой, а объединение экосистем какой-либо из природно-климатических зон (тундры, тайги, степей, пустынь, тропических лесов и т.п.) - биомом.

Биосферный уровень. На высшей ступени иерархии биосистем находится глобальная экосистема - биосфера - совокупность всех живых организмов и их экологической среды в пределах планеты.

Термин «биосфера» впервые применил австрийский геолог Э.Зюсс (1873), определяя им пространство органической жизни на Земле. И впоследствии биосферу определяли аналогично биотопу - как пространство на планете, заполненное жизнью. Или аналогично биоценозу - как глобальное сообщество организмов.

Выдающаяся роль в развитии учения о биосфере принадлежит В.И.Вернадскому. В своем классическом труде «Биосфера» (1926) он по существу переоткрыл это понятие, придав ему смысл и статус глобальной системы, в которой все живые организмы так взаимодействуют между собой и с окружающей средой, что оказывают определяющее влияние на планетарные геохимические и энергетические превращения.

Вернадский подошел к такому пониманию со стороны геохимии. По его представлениям биосферу слагают три категории субстанций:

1. живое вещество - совокупность всех живых организмов - микроорганизмов, растений и животных, их активная биомасса; живое вещество противопоставлено неживому, косному веществу - горным породам, минералам, никак не связанным с деятельностью живых организмов (изверженные и метаморфические породы земной коры, магматические руды, продукты их абиогенного преобразования и т.п.);

2. биогенное вещество - мертвая органика, все формы детрита, торф, уголь, нефть и газ биогенного происхождения, а также осадочные карбонаты, известняки и т.п.;

3. биокосное вещество - смеси живого вещества и биогенных веществ с минеральными породами небиогенного происхождения (почва, илы, природные воды, газо- и нефтеносные сланцы, битуминозные пески, часть осадочных пород).

Вернадский рассматривал земную кору как продукт деятельности прошлых биосфер.

Современные теоретические подходы вносят поправку в представление о структуре и функциях биосферы. Значительная часть биогенных и биокосных веществ, заключенных в глубоких недрах (уголь, нефть, нефтеносные сланцы и др.), фактически выведена из текущего естественного биотического круговорота, хотя некоторое их количество искусственно вносится в оборот человеком. Поэтому, строго говоря, они не относятся к биосфере как таковой; ей присущи только те вещества и процессы, те элементы и характеристики, которые находятся под контролем современной глобальной биоты, но не компоненты природы, сложившиеся и захороненные в геологическом прошлом (Горшков, 1993).