Экология. Природа-Человек-Техника_Акимова, Кузьмин, Хаскин_Учебник_2001 -343с (Учебник по экологии Т. А. АКИМОВА, А .П. КУЗЬМИН, В. В. ХАСКИН), страница 6

Таким образом, к современной биосфере относится вся совокупность живых организмов (живое вещество) и все вещества литосферы, гидросферы и атмосферы, которые находятся под контролем потребления, трансформации и продуцирования живыми организмами (т.е. современное «биогенное вещество»).

Такое понимание совпадает с введенным ранее и ныне иногда применяемым понятием экосферы - планетарной совокупности современных экосистем.

Возникает вопрос, следует ли включать в экосферу человека со всем его хозяйством? Автор термина Л.Кол (Cole, 1958) обозначил им совокупность всего живого на Земле вместе с его окружением и ресурсами. Но ведь именно человечество и продукты его производства и потребления оказывают серьезное влияние на процессы биосферы, вмешиваются в природный круговорот, изменяя и нарушая его сбалансированность и гармоничность. При этом в пределах биосферы сегодня оказываются и искусственно навязываются ей химически чуждые вещества, которые никогда не участвовали в естественном биосферном круговороте или были «отходами» прошлых биосфер, захороненными навсегда или на сроки геологических масштабов. Например, свинец, ртуть, уран, каменный уголь, нефть, многие синтетические материалы и т.п.

В. И. Вернадский считал, что человечество входит в систему биосферы как ее составная часть: «Человечество как живое вещество непрерывно связано с материально-энергетическими процессами определенной геологической оболочки Земли - с ее биосферой. Оно не может физически быть от нее независимым ни на одну минуту». Но «живое вещество» человечества неотделимо и от человеческого материального производства, и от созданной человеком технической цивилизации.

Сегодня Земля содержит многослойную насыщенную сферу искусственно созданных объектов. Планета окружена простирающимся на миллиарды километров ореолом модулированных радиоволн. В околоземном космическом пространстве по разным орбитам движутся тысячи действующих и отработавших искусственных спутников. В атмосфере постоянно перемещаются тысячи летательных аппаратов. На поверхности суши простираются пространства технически преобразованных ландшафтов, вкраплено огромное число населенных пунктов, сооружений, дорог с искусственным покрытием и других коммуникаций. Несметное количество различных топок, реакторов, машин, механизмов, преобразователей энергии заполняют планетарную среду химическими, тепловыми, электромагнитными, радиационными и акустическими эмиссиями, т.е. все это излучает, испускает, шумит. В разных направлениях и с разными скоростями по суше и морям перемещаются миллионы различных транспортных средств. То тут, то там происходят большие и малые аварии, раздаются взрывы, звучат выстрелы. По земле разбросаны многочисленные отвалы пустой породы, терриконы, свалки, развалины. В земле скрыты горные выработки, шахты, рудники, скважины, сети кабелей и трубопроводов, древние «культурные слои» и захоронения. Океан тоже содержит множество искусственных предметов - от плавающего мусора до гигантских танкеров, авианосцев, подводных лодок. Водные пространства пересекают трассы морских путей; дно океана усеяно останками кораблей.

Для обозначения всего этого наиболее подходит термин техносфера - глобальная совокупность орудий, объектов и продуктов человеческого производства. Более подробно техносфера будет охарактеризована позднее, в главе 5. В планетарном масштабе техносфера имеет общую среду с биосферой и множеством процессов взаимодействует с ней. Вероятно, можно дать и общее название системе этого взаимодействия. Перебрав возможные варианты, мы предпочли новую трактовку понятия экосферы, имея в виду именно современное ее состояние, которое в большой мере определяется вмешательством человеческой деятельности. Используя этот ранее заимствовонный термин, мы теперь обозначаем им единую глобальную систему взаимодействия современной биосферы и техносферы. Недаром Н.Ф.Реймерс (1994) обозначил глобальную экологию как экосферологию: «глобальная экология выходит за рамки биосферы, изучая всю экосферу планеты как космического тела».

Итак, экосфера = современная биосфера + техносфера. В таком понимании экосфера предстает как арена взаимодействий человека и природы, на которой сосредоточены все современные экологические проблемы и коллизии. Экосфера становится главным объектом современной «большой* экологии.

2.4. Системные связи в экологии

Среди форм взаимоотношений между организмами разных видов в природе главное место занимают взаимодействия, которые обобщенно могут быть обозначены как «пища - потребитель пищи», или «ресурс - эксплуататор». Сюда относятся такие явления, как отношения хищника и его жертвы, поедание травы травоядным животным, паразитизм и т.п. (см. § 4.3). Взаимодействия в каждой из таких пар можно представить в виде контура прямых и обратных связей. Примером могут быть взаимовлияния численности особей в популяциях хищника (X) и его жертвы (Ж):

Они связаны и положительной, и отрицательной причинными зависимостями. Знаки (+, -) в данном случае обозначают не качественный результат связи, не «хорошо» или «плохо», а однонаправленность (+) или противонаправленность (-) изменений. Чем больше численность популяции жертвы, тем больше пищи для хищников и численность их возрастает (положительная прямая связь, +). Но чем больше хищников, тем больше они уничтожают жертв и численность жертв уменьшается (отрицательная обратная связь, -). Если речь идет об одном виде хищника и одном виде жертвы, хищник не в состоянии уничтожить всех жертв, поскольку при снижении плотности жертв затраты энергии на их поиск и охоту начинают превышать энергетическую ценность пойманной жертвы. Большая часть жертв обычно избегает встречи с хищником.

В целом такой контур имеет отрицательный знак (-): «плюс и минус дают минус». Это означает, что система способна сама себя поддерживать, хотя и колеблется около какого-то более или менее стабильного уровня. Можно сказать, что в какой-то период количество жертв уменьшилось потому, что в предыдущем периоде оно увеличилось. Каждый из связанных таким образом членов системы становится причиной своего собственного поведения во времени.

Рассмотрим поведение более сложного контура (рис. 2.2).

В экологической системе замкнутого водоема можно выделить такие компоненты: растворенные в воде минеральные питательные вещества (обозначим их как М); потребляющие их водоросли (В); животные, поедающие водоросли и других животных (Ж); отмершие остатки организмов и продукты их жизнедеятельности - детрит (Д) и разлагающие детрит до минеральных веществ бактерии (Б).

Рис. 2.2. Схема взаимодействий (причинных связей) между основными компонентами экосистемы водоема

М - минеральные питательные вещества, В - водоросли, Ж - животные,

Д - детрит, Б – бактерии

Допустим, что под влиянием внешнего фактора, например, благоприятной температуры или попадания в водоем органики началось усиленное развитие водорослей - фитопланктона. Это приводит к уменьшению запаса минеральных веществ и росту количества животных - от зоопланктона до рыб. Вызванное этим повышенное выедание фитопланктона приводит через какое-то время к ограничению размножения животных. Временное повышение биомассы гидробионтов ведет к нарастанию массы детрита. Будучи пищей для бактерий, детрит обусловливает их усиленное размножение и преобразуется ими в минеральные продукты. Цикл замыкается. Контур в целом имеет отрицательный знак. Система способна к самоподдержанию. На подобных механизмах основаны процессы самоочищения водоемов.

Но если в водоем попадает слишком большое количество биогенных элементов (например, систематически сбрасываются стоки завода минеральных удобрений), происходит нарушение цикла. Начинается бурный рост водорослей, толщина их слоя резко увеличивается, снижается поступление света в нижние слои водоема, замедляются процессы фотосинтеза. Одновременно усиливается гниение большой массы отмерших клеток. На их разложение уходит весь растворенный в воде кислород и тогда погибают не только животные, но и разлагающие детрит бактерии. Цепь разрывается. Если вредные для водоема стоки не прекратить, то природный механизм самоочищения придет в упадок.

Необходимо подчеркнуть исключительное значение отрицательных обратных связей для любых систем, в которых осуществляется регуляция. Отрицательная обратная связь является главным элементом любого регулятора в технике. На принципе отрицательной обратной связи построены все механизмы регуляции физиологических функций в любом организме и поддержание постоянства внутренней среды и внутренних взаимосвязей, т.е. гомеостаза любой авторегуляторной системы. Все экологические системы включают контуры отрицательных обратных связей.

В отличие от них контуры положительных обратных связей не только не способствуют регуляции, а наоборот, генерируют дестабилизацию систем, приводя их либо к угнетению и гибели, либо к ускоряющемуся росту, к «разгону» системы, за которым, как правило, следует срыв и разрушение системы.

Так, в любом растительном сообществе плодородие почвы, урожай растений, количество отмерших остатков растений - детрита и количество образующегося из него гумуса образуют контур положительных связей. Система находится в неустойчивом равновесии, так как достаточно изъятия части урожая растений без последующего возврата в почву необходимого количества питательных веществ, чтобы начался процесс деградации почвы и снижения продуктивности растений.

На контурах положительной обратной связи основаны те механизмы современной экономики, когда рост производства поддерживается усилиями маркетинга, диктатом предложения, навязчивой рекламой, которая искусственно провоцирует новые потребности и спрос. Ярким примером фатальности положительной обратной связи может быть гонка вооружений, при которой увеличение количества оружия увеличивает риск поражения оружием и потребность в усилении вооруженной защиты, что ведет к новому витку производства еще более мощных вооружений. Положительные обратные связи действуют и тогда, когда человек или общество ориентируется не на подлинные объективные критерии благополучия, а на кажущиеся, на сиюминутные прихоти. В результате действительное состояние, здоровье человека или общества ухудшается. Механизм такого поведения Д.Медоуз (1992) назвал «мания»-структурой.

В сложных системах всегда сочетаются контуры обоих знаков. Необходимо подчеркнуть, что поведение сложных авторегуляторных систем в большей степени определяется наличием контуров обратной связи, чем силой каждой отдельной связи. Чтобы изменить поведение системы, недостаточно изменить силу связи, гораздо важнее добавить или изъять какие-то кольца связей, которые могли бы изменить знак контура системы.

2.5. Модель экосферы

Перейдем теперь к причинным связям, описывающим взаимоотношения человека и природы. Задача чрезвычайно сложна и, вместе с тем, при некоторых условиях и оговорках может быть сведена к очень простой системной модели, в которой использованы описанные приемы установления причинных связей. Подойдем к ней в два приема.

Сначала возьмем «простой» контур взаимодействий «природа - человек»:

+

П Ч (–)

–

При условии равновесности он был бы не отличим от пары «жертва - хищник». Будучи системой с отрицательной обратной связью (-), она должна быть и самоподдерживающейся, авторегуляторной. В том смысле, что человек (эксплуататор), пользуясь природой как ресурсом, неизбежно ограничивает и тем самым угнетает сам себя через посредство угнетения природы. Это важное заключение, но вряд ли можно ограничиться таким уровнем анализа. В действительности в настоящее время эта система не равновесна и не устойчива: сильная отрицательная связь Ч -------_--- П не уравновешивается слабой положительной связью Ч ₊-------- П.