Общая экология - Институт экономики, управления и
реклама
Лекция 1. I. Предмет экологии, методы и задачи экологии План 1. Расширенное понимание предмета экологии 2. Разделы экологии 3. Различие между понятиями «экология», «природопользование» и «охрана природы» 4. Основные методы экологии 5.Глобальные проблемы и задачи экологии 1.1. Предмет экологии В современном мире мы сталкивается со множеством проблем. Однако существует целый ряд проблем, которые являются общими для всех. Перенаселенность планеты, дефицит и качество питьевой воды, загрязнение воздуха и глобальное потепление, глобальные пандемии, опустынивание, деградация почв и нехватка продовольствия, кислотные дожди и разрушение озонового слоя, утрата навсегда тысяч видов растений и животных, массовое размножение патогенных вредителей, промышленные аварии, радиация, гибель малых рек, гибель природных систем в зоне военных действий… Это проблемы экологии. Несколько десятилетий назад термин «экология» стал широко использоваться при обсуждении проблем химии, медицины, философии, экономики, литературы, политики. Произошла экологизация общественнопроизводственной, научной сферы. Экология из биологической науки превратилась в системный блок наук, объединяющих гуманитарные, естественные и точные науки, так же как философия в Древней Греции. По словам академика А.В. Яблокова: «Экологический подход стал всеобщим, и сейчас трудно говорить об экологии как отдельной науке; это, скорее, особое видение любого предмета исследования – от человеческой культуры до внутриклеточных процессов». В настоящее время экология разделилась на ряд научных дисциплин, подчас далеких от первоначального понимания экологии как биологической науки, но в основе всех современных направлений экологии лежат фундаментальные идеи биологии. Поэтому экологию понимают как дисциплину, изучающую общие законы функционирования экосистем различного иерархического уровня. В современном широком понимании экология – это область знаний, рассматривающая некую совокупность предметов и явлений с точки зрения субъекта или объекта (как правило, живого или с участием живого), принимаемого за центральный в этой совокупности. Это определение лежит в основе классификации основных подразделений экологии (Н.Ф. Реймерс словарь– справочник «Природопользование» [1]. 1 Существует два подхода к проблеме взаимоотношений человека и природы. Первый – эгоцентрический: взаимоотношения человека и природы строятся по правилам, которые устанавливает сам человек. Второй – биоцентрический: человек как биологический вид в значительной мере остается под контролем экологических законов, во взаимоотношениях с природой обязан принимать эти законы и действовать сообразно с ними. Они формулируются: – Развитие человеческого общества – часть эволюции природы, где действуют законы экологических пределов, необратимости и отбора. – Проблемы экологического кризиса – результат нарушения природного равновесия – Нарушение природных равновесий и регуляторных функций биосферы не могут быть восстановлены технологическим путем. – Прогресс человечества ограничивается экологическим императивом. Предметом экологии является совокупность или структура связей между организмами и средой. Объект изучения в экологии – экосистемы, т.е. единые природные комплексы, образованные живыми организмами и средой обитания. В компетенцию экологии входит изучение отдельных видов организмов (организменный уровень), популяций (популяционный и биосферы в целом (биосферный уровень) 1.2. Основные разделы экологии Экология как наука сформировалась в рамках биологии. Ее предметом стали взаимоотношения живых организмов между собой (особей, популяций, биоценозов) и окружающей средой; ее составляющими являются историческая, эволюционная экология и археоэкология. Экология – наука о взаимоотношениях организмов и среды их обитания. Основной традиционной частью экологии как биологической науки является общая экология, которая изучает общие закономерности взаимоотношений живых организмов и среды (включая человека). В составе общей экологии выделяют основные разделы: – аутэкология, исследует связи отдельного организма (вида, особи) с окружающей его средой; – популяционная экология (демэкология), в задачу которой входит изучение структуры и динамики популяций отдельных видов. Популяционную экологию рассматривают и как специальный раздел аутэкологии; – синэкология (биоценология) изучает взаимоотношение популяций, сообществ и экосистем со средой. Географическая экология (геоэкология) – раздел экологии, изучающий экологические закономерности географических процессов в 2 экосистемах высоких уровней иерархии (суши, морских и пресных вод, высокогорий и др.); сюда же относится и геохимическая экология. Задача – изучать закономерности адаптации организмов и их сообществ к окружающей среде, саморегуляцию, устойчивость систем и биосферы. Общую экологию называют биоэкологией. На стыке экологии с другими отраслями знаний продолжается развитие новых направлений: социальная, инженерная, математическая, сельскохозяйственная, космическая, геоэкология. Промышленная (инженерная) экология изучает воздействие промышленности, транспорта, энергетики, сельскохозяйственной сферы производства (техносферы) на природу, исследует возможности формирования и закономерности функционирования упрощенных биоценозов, применяемых в технологических процессах. Социальная экология тесно взаимодействует с экологией человека, при этом рассматриваются взаимоотношения в системе «общество – природа». Широкая трактовка обозначает соотношение общества с географической, социальной и культурной средами. Социальная экология – сплав социологии, социальной психологии, экологии человека, включает как социально-психологические и этологические отношения людей между собой, так и отношение людей к природе, т.е. является эколого-социально-экономической отраслью знаний, где все социальные, экономические и природные условия рассматриваются как одинаково важные составные сферы жизни человека. Экологический подход при изучении взаимодействия человеческого общества и природы – основополагающий. С научно-теоретической точки зрения обосновано деление экологии на теоретическую и прикладную. Теоретическая вскрывает общие закономерности организации жизни. Прикладная экология изучает механизмы разрушения биосферы человеком, способы предотвращения этого процесса разрабатывает принципы рационального использования природных ресурсов. Научную основу прикладной экологии составляет система общеэкологических законов, правил, принципов. Задачи теоретической экологии: – разработка общей теории устойчивости экологических систем; – изучение экологических механизмов адаптации к среде; – исследование регуляции численности популяций; – изучение биоразнообразия и механизмов его поддержания; – исследование продукционных процессов; – исследования процессов в биосфере для поддержания ее устойчивости; – моделирование состояния экосистем и биосферных процессов. Задачи прикладной экологии: – прогноз и оценка отрицательных последствий деятельности человека для окружающей среды; – улучшение качества окружающей среды; 3 – сохранение, воспроизводство и рациональное использование природных ресурсов; – оптимизация инженерных, экономических, организационно-правовых, социальных решений для обеспечения экологически безопасного устойчивого развития Стратегической задачей экологии – развитие теории взаимодействия природы и общества. Современное определение: экология – система научных знаний о взаимоотношениях общества и природы. По формулировке Ю. Одума – экология это междисциплинарная область знания об устройстве и функционировании многоуровневых систем в природе и обществе в их взаимосвязи. Д.С. Лихачев экология – не междисциплинарная наука, а проблема человеческой культуры. Причины гибели биологических, экологических систем и человеческих культурных ценностей одни и те же, они в главном – в культурном уровне общества, в частности, в его нравственной культуре. Без нравственной культуры никакие законы и постановления не будут действенными. …И если человек осознал, что совершил много грехов по отношению к природе, то ему надо идти не в церковь, а сажать и выращивать деревья, возвращая потомству хотя бы частичку разрушенного им мира. 1.3. Экология, природопользование и охрана окружающей среды Практическая значимость экологии заключается в том, что она может и должна осуществлять научный контроль природопользования. Природопользование составляет ресурсную базу экономики. Имеются в виду территории, акватории, почва, вода, воздух солнечный свет, недра лес и сообщества дикорастущих растений, промысловых животных. В настоящее время противоречия между экономическими интересами и экологическими требованиями, между экономикой общества и экономикой природы. В основе природопользования должны лежать законы экологии. Экология не нужна при уборке улиц, аккуратной эксплуатации свалки, хлорирования водопроводной воды, установке фильтра на дымовой трубе; это чисто организационные и технические проблемы. Экология нужна раньше – при обосновании технических условий и сан-гигиенических требований к этим устройствам и процессам. Основания охраны окружающей среды формируются со стороны безопасности и потребностей человека. Охранять среду – означает не допускать появления в среде обитания людей вредных и опасных для здоровья агентов. Сохранить качество окружающей человека среды невозможно без участия природных экологических механизмов. С экологической точки 4 зрения деятельность надо грамотно выстраивать, чтобы потом не пришлось охранять. В нашей цивилизации к сожалению практически все формы инженерной деятельности и все технические достижения имеют антиприродную, природопокорительную направленность. Огромный арсенал орудий, механизмов, машин, оружия, веществ, материалов, источников и преобразователей энергии направлены на распашку степей, уничтожение лесов, осушение болот, возведение плотин, прокладку магистральных дорог, каналов, трубопроводов, бурение скважин, вскрытие карьеров, выброс в среду отходов производства, взрывы, военные действия – любая человеческая деятельность не согласована с законами природы. Необходимо отказаться от природопокорительной идеологии и практики, соизмерять техногенное воздействие с возможностью природных систем восстановиться. Инженерная деятельность должна иметь экологическую ориентацию. Здесь для будущих инженеров широкое поле для поиска принципиально новых решений, технологий, производственных процессов, создания нового экологически адекватного мира вещей. Необходима высокая образованность инженера. 1.4. Методы экологии Методическая основа современной экологии составляет сочетание системного подхода, натурных наблюдений, эксперимента и моделирования. Количественные методы – измерения, расчеты, математический анализ. Методы регистрации и оценки состояния среды являются необходимой частью любого экологического исследования. Метеорологические наблюдения, определения показателей качества природной воды, определение состояния почв, измерения освещенности, радиационного фона, напряженности физических полей, определение химической и бактериологической загрязненности среды. К этой группе методов относятся мониторинг – периодическое или непрерывное слежение за качеством окружающей среды. При этом используются современные методы физико-химического анализа, биоиндикация (использование для контроля состояния среды организмов, особо чувствительных к изменениям среды и к появлению в ней вредных примесей), дистанционного зондирования, телеметрии и компьютерной обработки данных. Методы количественного учета организмов и методы оценки биомассы и продуктивности. Для этого применяются подсчеты особей на контрольных площадках, в объемах воды или почвы, маршрутные учеты, отлов и мечение животных, наблюдения за их перемещениями с помощью телеметрии, аэрокосмическая регистрация численности стад, скопления рыбы, густоты древостоя, состояния посевов и урожайности полей. Для 5 изучения динамики численности популяций требуется введение методов демографии. Исследования влияния факторов среды на жизнедеятельность организмов – наиболее разнообразная группа методов экологии. В лабораторных условиях регистрируется воздействие контролируемого фактора, функции растений и животных. Этим путем устанавливаются оптимальные или граничные условия существования. Так определяются критические или летальны дозы химических и других агентов, по которым рассчитывают предельно допустимые концентрации и воздействия, лежащие в основе экологического нормирования. Экология смыкается с физиологией, биохимией, токсикологией. Эта экспериментальная техника и методы используются при определении устойчивости экосистем и изучении адаптаций – приспособлений растений, животных и человека к различным условиям среды. Методы изучения взаимоотношений между организмами в сообществах – часть системной экологии. Натурные наблюдения и лабораторные исследования пищевых отношений, пищевого поведения с применением метода «меток» радиоактивными изотопами. Можно определить, какое количество органического вещества переходит от одного звена пищевой цепи к другому: от растений – к травоядным, от них – к хищникам. Экспериментальная методика создания и исследования искусственных сообществ и экосистем, т.е. лабораторное натурное моделирование взаимодействий организмов друг с другом и с окружающей средой. Создают искусственные, частично замкнутые самоподдерживающиеся многовидовые системы. Кибернетические исследования и методы математического моделирования используют для управления и прогнозирования. Существуют близкие к реальным процессам математические модели техногенных эмиссий, распространения загрязнителей в атмосфере, самоочищения реки; экологических процессов. Реальные объекты экологии настолько сложны, что с трудом поддаются строгому математическому описанию даже при упрощении задач. Природные процессы представляют собой многоуровневые нелинейные задачи с большим числом переменных, аналитические решения которых практически невозможны, поэтому применяют методы имитационного моделирования, основанные на применении вычислительной техники. Новые компьютерные методы – технологии нейронных сетей и аппарат теории нечетких множеств. Совершенствуются приемы глобального моделирования, основанных на проблемнопрогнозном подходе. Средства методов прикладной экологии: 6 – создание геоинформационных систем (ГИС-технологии) и банков экологической информации регионов, территорий, ландшафтов, агросистем, промышленных центров, городов; – комплексный эколого-экономический анализ состояния территорий для целей экологической диагностики и оздоровления экологической обстановки; – методы инженерно-экологических изысканий для оптимального размещения, проектирования, строительства и реконструкции гражданских и хозяйственных объектов; – методы экологически ориентированного проектирования хозяйственных и гражданских объектов, основанные на принципах и расчетах экологического соответствия; – технологические методы снижения отходности, побочных эмиссий и коэффициентов вредного действия производственных комплексов, процессов, устройств и изделий; – методы оценки влияния техногенных загрязнителей и деградации среды на здоровье людей и состояние природных систем; – методы контроля экологической регламентации хозяйственной деятельности: экологический мониторинг, аттестация и паспортизация промобъектов, территориальных природно-производственных комплексов; экологическая экспертиза; оценки воздействия проектируемых объектов на окружающую среду. 1.5. Главные проблемы и задачи экологии 1. Антропогенное воздействие на природу приблизилось к пределу устойчивости биосферы, в некоторых местах – превзошло его. – Резкое сокращение ненарушенных экосистем, уменьшение биологического разнообразия вызывают необратимое количественное и качественное обеднение биосферы. – Потребление природных ресурсов превысило темпы их естественного воспроизводства. – Отходы приводят к химической деформации окружающей среды, геоклиматическим изменениям и создает угрозу здоровью человека. – Появились признаки нарушения биосферного равновесия, ослабление регулирующей функции биосферы. – Быстро уменьшаются запасы невозобновимых ресурсов Земли, главным образом минеральных и топливных, что является экономической проблемой. В истории земной цивилизации и раньше происходили экологические кризисы, но они носили местный характер. Сегодня наступает глобальный экологический кризис. 2. Природа отвечает на возрастающее антропогенное давление непредвиденными изменениями, создающими экологическую опасность. 7 – Химическое и радиационное загрязнение ускоряет мутации и приводит к появлению новых биологических форм, обладающих повышенной устойчивостью, адаптацией, опасными для человека свойствами (смена способов питания у легионеллы и сальмонеллы). –Воздействие на отдельные виды микроорганизмов, растений и животных, их исключение из природных сообществ вызывают неконтролируемые цепные реакции, нарушая устойчивость экосистем, разрушают их с непредвиденными последствиями. – Антропогенные преобразования и загрязнения окружающей среды приводят к возникновению зон повышенного экологического риска, экологических бедствий и экономических потерь. 3. Человек оказался в ловушке противоречия между своей биологической сущностью и нарастающим отчуждением от природы. Он освободился от давления естественного отбора и межвидовой конкуренции. Он превысил биологическую видовую численность в несколько порядков раз и в десятки раз превысил объем используемых веществ и энергии для удовлетворения надбиологических потребностей. – рост численности населения не связано с повышением их биологического качества. Наоборот, для людей характерны немыслимые в природе грузы наследственных заболеваний, наследственная предрасположенность к заболеваниям, низкий иммунный статус, огромное число инфекций, хронизация болезней. – Общество ХХ века приобрело черты цивилизации потребления, экономика поддерживается за счет провокации большого числа вторичных факультативных потребностей, что приводит к избыточной техногенной нагрузке на окружающую среду. – региональные экологические проблемы становятся источником имущественного неравенства. Главной задачей современной экологии как науки является интеграция фактического материала на единой теоретической платформе для сведения их в систему, отражающую все стороны реальных взаимоотношений природы и человеческого общества. Для новой экологической идеологии и практической деятельности в природопользовании выдвинуты общие задачи современной экологии. 1. Всеобъемлющая диагностика состояния природы и ее ресурсов; определение порога выносливости биосферы, выяснение степени обратимости. 2. Разработка прогноза изменений устойчивости, выносливости биосферы при разных сценариях экономического и социального развития стран, человечества в целом. 3. Отказ от природопокорительной идеологии, формирование экоцентризма, связанных с переходом к постиндустриальной цивилизации и направленной на экологизацию экономики, производства, техники, политики, образования. 8 4. Выбор согласованного с экологическим императивом и экологическое ориентирование развития общества. 5. Формирование экологического мировоззрения для предотвращения глобального экологического кризиса. ЛЕКЦИЯ 2. Системы в экологии План 1.Определение системы. Общие свойства систем 2.Значение контура обратных связей 3.Системные постулаты экологии 4. Геосфера, биосфера, экосфера 5.Основные связи между компонентами экосферы. 2.1. Принципы теории систем в экологии Понятие система лежит в основе экологии. Экологическая система – главный объект экологии, но в данном контексте речь идет не столько об экологических системах в традиционном понимании (они рассматриваются в разделе «Экосистемы»), сколько о системах вообще, преимущественно о сложных системах. Существуют общие принципы, позволяющие создать единый подход для изучения технических, экономических, биологических, социальных систем. Согласно общей теории систем под системой понимается некая мыслимая или реальная совокупность частей (элементов) со связями (взаимодействиями) между ними. Мы рассматриваем только реальные материальные системы. Некоторые общие свойства систем: 1. Свойства систем невозможно понять лишь на основании свойств ее частей. Решающее значение имеет именно связь или взаимодействие между частями системы. Так, по отдельным деталям машины перед сборкой нельзя судить о ее действии. Изучая по отдельности некоторые формы грибов и водорослей, нельзя предсказать существование их симбиоза в виде лишайника. Независимое рассмотрение законов человеческого общества и законов биоэкологи не позволяет судить о характере взаимоотношений человека и живой природы. Степень 9 несводимости свойств системы к свойствам отдельных элементов, из которых она состоит, определяет эмерджентность системы. 2. Каждая система имеет определенную структуру. Она не может состоять из абсолютно идентичных элементов; для любой системы справедлив принцип необходимого разнообразия элементов. Нижний предел разнообразия – не менее двух элементов (болт и гайка, он и она), верхний предел – бесконечность. Разнообразие зависит от числа разных элементов, составляющих систему, и может быть измерено. В экологии оно оценивается показателем К. Шеннона: n V = - ∑ Pi lg Pi i =1 где V – индекс разнообразия, Hi – нормированная относительная численность i -го вида организмов в совокупности n видов/ 3. Выделение системы делит ее мир на две части – саму систему и ее среду. При этом сила связей элементов внутри системы больше, чем с элементами среды. По характеру связей, в частности, по типу обмена веществом и энергией со средой в принципе мыслимы: – изолированные системы (никакой обмен невозможен); – замкнутые системы (невозможен обмен веществом, но обмен энергией возможен); – открытые системы (возможен обмен и веществом и энергией). В природе реально существуют только открытые системы. Динамическими системами называются такие, между элементами которых и элементами среды осуществляются переносы вещества, энергии, информации. Любая живая система – от вируса до биосферы – открытая динамическая система. 4. Устойчивость, способность к самоподдержанию определяется преобладанием внутренних взаимодействий над внешними. Если внешние силы, действующие на машину, больше сил механической связи между частями машины, она разрушается. Подобно этому, если на биологическую систему совершается внешнее воздействие, которое превосходит силу ее внутренних связей и способность к адаптации, то это приводит к необратимым изменениям и система гибнет. Устойчивость динамической биологической системы поддерживается непрерывно выполняемой ею внешней циклической работой («принцип велосипеда»). 10 5. Действие системы во времени называют поведением системы. Изменение поведения под влиянием внешних условий обозначают как реакцию системы, а более или менее стойкие изменения реакций системы – как ее приспособление, или адаптацию. Адаптивные изменения структуры и связей системы во времени рассматривают как ее развитие, или эволюцию. Возникновение и существование всех материальных систем обусловлено эволюцией. Самоподдерживающиеся динамические системы эволюционируют в сторону усложнения организации и возникновения системной иерархии – образования подсистем в структуре системы. При этом наблюдается определенная последовательность становления эмерджентных свойств (качеств) системы – устойчивости, управляемости и самоорганизации. Эволюция состоит из последовательного закрепления таких адаптаций, при которых проток энергии через систему и ее потенциальная эффективность увеличиваются. 6. С возрастанием иерархического уровня системы возрастает и сложность ее структуры и поведения. Сложность системы Нп определяется числом п связей между ее элементами. Нп = lgn Системы, имеющие до тысячи связей (0< Нп < 3) относятся к простым; до миллиона – сложным; свыше миллиона – очень сложным. Все реальные природные системы 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 эволюции является ускорение эволюции, все более быстрое прохождение ее стадий, равноценных по качественным сдвигам. 7. Важной особенностью эволюции сложных систем является неравномерность, отсутствие монотонности. Периоды постепенного накопления незначительных изменений иногда прерываются резкими качественными скачками, существенно меняющими свойства системы. Они связаны с 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. 11 8. Любая система может быть представлена в виде некоторого материального подобия, знакового образа, называемого соответственно аналоговой или знаковой моделью системы. Моделирование неизбежно сопровождается некоторым упрощением, формализацией взаимосвязей в системе. Эта формализация может быть осуществлена в виде логических (причинно-следственных) и /или математических (функциональных) отношений. 2.2. Главные законы экологии Экология располагает обширной аксиоматикой, относящейся ко всем уровням организации природных систем. Некоторые, достаточно общие постулаты, законы, правила экологии опираются на фундаментальные законы естествознания: таковы начала термодинамики, законы сохранения вещества и энергии, закон минимума диссипации (рассеивания) энергии Л.Онсагера – И. Пригожина. Среди них есть несколько принципов, важных для понимания поведения экологических систем, их способности к самоподдержанию 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 (произвольное) поведение большого числа молекул газа в некотором объеме обуславливает определенные значения температуры и давления. Миллиарды бактерий в почве, воде, организмах создают особую, относительно стабильную микробиологическую среду, необходимую для нормального существования 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. Первоначально этот закон был установлен для химических процессов, впоследствии стал применяться для описания поведения различных самоподдерживающихся систем. В биологии он реализуется в виде способности экологических систем к авторегуляции. В биосфере механизм осуществления этого принципа основан на функционировании совокупности живых организмов и служит главным регулятором земных процессов. Закон В.И. Вернадского о всеобщей связи вещей и явлений в природе и обществе; связан с законом физико-химического единства живого вещества, законом развития системы за счет окружающей ее среды и законом постоянства количества живого вещества: любая система может 12 развиваться только за счет использования материально-технических 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 других организмов. Это правило распространяется и на число видов организмов. В биосфере 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, ветра, океанские течения, реки, трансконтинентальные и трансокеанические миграции птиц и рыб, переносы семян и спор, деятельность человека и влияние антропогенных факторов – все это связывает 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. Существуют примеры многоступенчатого усиления 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. 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 приводят 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». В живой природе организмы размножаются с интенсивностью, обеспечивающей максимально возможное их число. Давление жизни ограничено емкостью среды, межвидовыми взаимоотношениями, взаимной приспособленностью 13 различных групп организмов. Эту закономерность обозначают как закон сопротивления среды жизни, или закон ограниченного роста Ч. Дарвина. Ему же принадлежит экологическая аксиома адаптированности: каждый биологический вид адаптирован к строго определенной, специфичной для него совокупности условий существования, которая получила название экологической ниши. ЗАКОН МАКСИМИЗАЦИИ ЭНЕРГИИ (Г. и Э. Одумов) –– в соперничестве с другими системами выживает (сохраняется) та из них, которая наилучшим образом способствует поступлению энергии и использует максимальное ее количество наиболее эффективным способом. С этой целью система: 1) создает накопители (хранилища) высококачественной энергии; 2) затрачивает (определенное количество.— Н. Р.) накопленной энергии на обеспечение поступления новой энергии; 3) обеспечивает кругооборот различных веществ; 4) создает механизмы регулирования, поддерживающие устойчивость системы и ее способность приспособления к изменяющимся условиям; 5) налаживает с другими системами обмен, необходимый для обеспечения потребности в энергии специальных видов (Одум Г., Одум Э. Энергетический базис человека и природы. М., 1978. С. 72—73). Следует заметить, что З. м. э. справедлив и в отношении информации, поэтому его можно рассматривать и как З. м. э. информации: наилучшими шансами на самосохранение обладает система, в наибольшей степени способствующая поступлению, выработке и эффективному использованию энергии и информации. Максимальное поступление вещества как такового не гарантирует успеха системе в конкурентной группе др. аналогичных систем. Закон максимума биогенной энергии (В. И. Вернадского, Э. С. Бауэра) — любая биологическая и «биокосная» система (система с участием живого), находясь в состоянии «устойчивой неравновесности», т. е. динамического подвижного равновесия с окружающей ее средой, и эволюционно развиваясь, увеличивает свое воздействие на среду. Примечание. З.м.6.э. сформулирован на основе биогеохимических принципов В. И. Вернадского: «Геохимическая биогенная энергия стремится в биосфере к максимальному проявлению (первый биогеохимический принцип). При эволюции видов выживают те организмы, которые своей жизнью увеличивают биогенную геохимическую энергию (второй биогеохимический принцип)» (Вернадский В. И. Проблемы биогеохимии // Тр. биогеохимической лаборатории. 1980. Т. 16. С. 260). Эти принципы В. И. Вернадского дополнены положениями «устойчивой неравновесности» биологических систем Э. С. Бауэра: «Живые системы никогда не бывают в равновесии и исполняют за счет своей свободной энергии полезную работу против 14 равновесия, требуемого законами физики и химии при существующих внешних условиях» (Бауэр Э. С. Теоретическая биология. М.— Л., 1935. С. 43) и максимума эффекта внешней работы в ответ на полученную из внешней среды единицу энергии. (Следует иметь а виду, что Э. С. Бауэр понимал термины «равновесие» как физическое состояние абсолютного покоя, а «динамическое равновесие» в химическом, смысле — как состояние неизменности системы при отсутствии внешних воздействий. Ныне термин «динамическое равновесие» трактуется как квазистационарное:, состояние, гомеостаз, колебания вокруг определенного вещественно-энергетического уровня, сопровождающиеся непрерывным изменением системы, т. е. как «устойчивая неравновесность» Э. С. Бауэра.) З.м.б.э., как и Закон увеличения размеров... Копа и Денера, внешне служит антиподом Принципа направленности эволюции (Л. Онсагера), так как увеличение массы отдельных особей видов и их совокупного воздействия на среду, как и увеличение биогенной энергии (т. е. также воздействие организмов на среду жизни, снижает энтропию био- и экосистем лишь на первых (эволюционно восходящих) этапах процесса, ведущих к некоторому оптимальному состоянию (максимально рациональному размеру, сукцессионной фазе климакса и т. п.), далее возникают противоречия между надсистемой и системой (или системой и подсистемой, в зависимости от масштаба подхода), напр., между меняющимися глобально-космическими условиями, экзосферой планеты и ее биосферой или между измененным биотопом и старым биоценозом, и требуется новый максимум биогенной энергии для данных условий (он может быть в конкретных условиях и ниже, чем предыдущий максимум). Однако внешняя противоположность упомянутых теоретических обобщений термодинамически их объединяет, поскольку во всех случаях выдерживается правило минимума энтропии в биосистеме (экосистеме), иначе она погибла бы до перехода в иное состояние (не дала бы потомства или преемственных экосистем). З.м.б.э. служит обширным частным случаем Закона максимизации энергии —для эволюции и развития биосистем и систем с участием живого. Он был сформулировал намного раньше этого закона и фактически, несмотря на более частную формулировку, служит его полноценным предшествевнником-эквивалент ЗАКОН (Ы) МИНИМУМА (Ю. Либиха) –– основной закон: выносливость организма определяётся самым слабым звеном в цепи его экологических потребностей, т е. жизненные возможности лимитируют экологически факторы, количество и качество которых близки к необходимому организму или экосистеме минимуму; дальнейшее их снижение ведет к гибли организма или деструкции экосистемы. 15 Дополнительное правило взаимодействия факторов: организм в определенной мере способен заменить дефицитное вещество или другой действующий фактор иным функционально близким веществом или фактором (напр., одно вещество другим, функционально и химически близким). Примечание. Выяснение слабого звена цепи чрезвычайно важно в экологическом прогнозировании, планировании и экспертизе проектов. Правило взаимодействия факторов позволяет рационально производить замену дефицитных веществ и воздействий на менее дефицитные, что важно в процессах эксплуатации природных ресурсов. ЗАКОН НАПРАВЛЕННОСТИ ЭВОЛЮЦИИ — общий ход эволюции всегда направлен на приспособление к геохронологически меняющимся условиям существования и ограничен ими. З. н. з. вместе с принципом направленности эволюции (Л. Онсагера) объясняет, почему наблюдается закономерное изменение форм живого (направленность доминирует над случайностью, хотя изменчивость в ряде случаев случайна). ЗАКОН (ПРАВИЛО) НЕОБРАТИМОСТИ ЭВОЛЮЦИИ (Л. Долло) — организм (популяция, вид) не может вернуться к прежнему состоянию, уже осуществленному в ряду его предков. В экологии З. н. э. тесно связан с 3-м следствием закона внутреннего динамического равновесия. Очевидно, З. н. э. должен быть распространен на иерархию экологических систем, которые также в эволюционном ряду не могут повторяться хотя бы в силу того, что эволюционно неповторимы организмы, их составляющие. ЗАКОН НЕОБХОДИМОГО РАЗНООБРАЗИЯ — любая система не может сформироваться из абсолютно одинаковых элементов. Из этого закона вытекает закон неравномерности развития систем, поскольку это один из способов увеличения разнообразия, а также закон (правило) полноты составляющих (компонентов, элементов) системы и правило оптимальной компонентной дополнительности. ЗАКОН (ЗАКОНОМЕРНОСТЬ) НЕОГРАНИЧЕННОСТИ ПРОГРЕССА — развитие от простого к сложному неограниченно. В пределах биологической формы движения материи З. н. п. может быть сформулирован как вечное, непрерывное и абсолютно необходимое стремление живого к относительной независимости от условий среды существования. То же наблюдается в рамках социальной формы движения материи. 16 Примечание. З. н. п. не следует понимать буквально, так как никакие организмы в тон числе человек, не могут полностью освободиться от воздействия среды жизни (см. Правило соответствия условий среды генетической предопределенности организма). Каждая новая, более эвлюционно-исторически высокая форма движения материи лишь затушевывает (в философии говорят «снимает») действие законов более низких форм движения материи, но не отменяет их. З.н.п. предполагает, что всегда можно найти новые пути развития, если не допускать крупных катастроф. В частности, многие проблемы решаются методом альтернативы. Напр., наведение засухоустойчивых сортов хлопчатника, выращиваемых на богаре, вместо увеличения водопользования при расширении хлопковых плантаций. ЗАКОН НЕРАВНОМЕРНОСТИ РАЗВИТИЯ СИСТЕМ, или ЗАКОН РАЗНОВРЕ-МЕННОСТИ РАЗВИТИЯ (ИЗМЕНЕНИЯ) ПОДСИСТЕМ В БОЛЬШИХ СИСТЕМАХ — системы одного уровня иерархии (как правило подсистемы системы более высокого уровня организации) обычно развиваются не строго синхронно: в то время как одни из них достигли более высокого уровня развития, другие еще остаются в менее развитом состоянии. Напр., эволюционный уровень развития видов различен, экосистемы суши имеют разную эволюционную и историческую давность формирования, общественно-экономическое развитие народов и государств в различных частях планеты неравномерно и т. д. Значение обсуждаемого закона для природопользования в том, что он запрещает абсолютное однообразие (так же как и закон необходимого разнообразия), пространственно создаваемое человеком (напр., сплошная распашка, т. е. равномерное предельное сукцессионное омоложение экосистем на огромных площадях), а в области управления производством «требует» неравномерного внимания к его различным сторонам, в том числе неравномерности капиталовложений для повышения эффективности хозяйства. Примечание. Закон неравномерности развития систем в виде биологического закона аллометрии был сформулирован Дж. Хаксли в 30-х годах ХХ в. и характеризовал отклонения в равномерности пропорционального развития организмов как патологическую аномалию. Однако относительная неравномерность развития, созревания и старения органов характерна и для самого организма, что особенно заметно в процессах акселерации. Очевидно, и в комплексе физического здоровья человека отдельные системы органов требуют особого внимания по сравнению с остальными. При кажущейся отвлеченности З. м. б. э. играет большую роль в понимании биосферно-экосистемных процессов, давая вместе с другими фундаментальными положениями основу для разработки стратегии природопользования, выработки рациональной экополитики. 17 ЗАКОН (ЗАКОНОМЕРНОСТЬ) УВЕЛИЧЕНИЯ ОБОРОТА ВОВЛЕКАЕМЫХ ПРИРОДНЫХ РЕСУРСОВ — в историческом процессе развития мирового хозяйства быстрота оборачиваемости вовлеченных природных ресурсов (вторичных, третичных и т. п.) непрерывно возрастает на фоне относительного уменьшения объемов их вовлечения в общественное производство (относительно темпов роста самого производства). Ср. Закон (закономерность) снижения природоемкости готовой продукции. Закон указывает на увеличение интенсификации цикличности производства. В этом процессе требуется все больше энергии для ускорения оборачиваемости вовлеченных природных ресурсов, что служит одной из предпосылок действия закона падения энергетической эффективности природопользования. ЗАКОН УВЕЛИЧЕНИЯ РАЗМЕРОВ (роста) и ВЕСА (массы) ОРГАНИЗМОВ В ФИЛОГЕНЕТИЧЕСКОЙ ВЕТВИ (Копа и Денера) — «по мере хода геологического времени выживающие формы увеличивают свои размеры (а следовательно, и вес) и затем вымирают (Вернадский В. И. Живое вещество. М., 1978. С. 92). Происходит это потому, что, чем мельче особи, тем труднее им противостоять процессам энтропии (ведущим к равномерности распределения энергии), закономерно организовывать энергетические потоки для осуществления жизненных функций. Эволюционно размер особей поэтому увеличивается. Однако крупные организмы с большой массой требуют для поддержания этой массы значительных количеств энергии, фактически пищи. Борьба с энтропией приводит к укрупнению организмов, а это укрупнение вызывает отход от закона оптимальности в большую сторону и, как правило, к вымиранию слишком крупных организмов. Поскольку понятия крупный и мелкий имеют относительное значение (во отношению к факторам среды), могут вымирать и не гиганты, а лишь организмы, вышедшие за рамки закона оптимальности для данных условий. Закон Кони и Денера может иметь и отрицательный знак, т. е. в ряде случаев е ходом геологического времени отдельные формы эволюционно мельчают, что дает им большие возможности для приспособления к среде обитания. Если они преступают в этом процессе закон оптимальности в меньшую сторону, они или вымирают или теряют четко выраженную биологическую форму организации, превращаясь в «полуживые» органические молекулы и их агрегаты типа некоторых вирусоподобных образовании. Закон Нона и Денера очень тесно связан с законом оптимальности. Для экологических систем, также эволюционирующих, он, видимо, тоже несправедлив: слишком мелкие из них теряют свое «лицо» и эволюционно исчезаю, а слишком крупные прогрессируют до достижения аномальных 18 размеров и распадаются на более мелкие природные системы, теряя свою первоначальную гомогенность. Закон Копа и Денера объясняет массовое вымирание организмов (напр., древнейших пресмыкающихся) весьма незначительными естественными изменениями среды жизни без привлечения каких либо катастрофических причин (хотя вполне возможно и их действие — см. Принцип катастрофического толчка) В месте с тем он дает ключ к управлению такими экосистемами, которые являются объектами промысла. Так, массовая добыча криля в Мировом океане может сравнительно быстро сделать невозможным существование популяции китов (и так уже разреженной), так как при своих крупных размерах они нуждаются в высокой плотности расселения объектов их питания. Этот же закон вместе с законом оптимальности объясняет причину принципа обманчивого благополучия. Примечание. За приведенным законом, согласно формулировке В. И. Вернадского, закрепились имена Копа и Денера. Э. Коп (184О-1897) – американский зоолог палеонтолог. Никаких данных о Денере ни авторусоставителю словаря ни др. советским исследователям (см., напр., именной указатель в книге В. И. Вернадского «Живое вещество»в литературе обнаружить не удалось. Возможно, это описка В. И. Вернадского, а имеется в виду французский геолог и палеонтолог иностранный членкорреспондент АН СССР Ш. Деперэ (1854—1927). Однако пока утвердилось название «Закон Копа и Денера». ЗАКОН (ПРИНЦИП) УВЕЛИЧЕНИЯ СТЕПЕНИ ИДЕАЛЬНОСТИ (Г. В. Лейбница), или «ЭФФЕКТ ЧЕШИРСКОГО КОТА» (Льюиса Кэрролла) — гармоничность отношений между частями системы историко-эволюционно возрастает (система может сохранять функции при минимизации размеров ––кот тая с хвоста, уже исчез, а его улыбка еще видна). Общесистемный принцип, указывающий на то что человечество, превращаясь в глобальную геологическую силу, неминуемо должно консолидировать свои силы, перейти от конфронтации к сотрудничеству (что дает переход от экстенсивного к интенсивному росту качества). В технике этот принцип обуславливает тенденцию к миниатюризации габаритов устройств с сохранением (и развитием) их функциональной значимости. Пример из природы – генетический код составлен всего четырьмя элементами, дающими практически неисчерпаемые разнообразия. ЗАКОН УПОРЯДОЧЕННОСТИ ЗАПОЛНЕНИЯ ПРОСТРАНСТВА И ПРОСТРАННСТВЕНН - ВРЕМЕННОЙ ОПРЕДЕЛЕННОСТИ –– заполнение пространства внутри природной системы в силу взаимодействия между ее подсистемами упорядоченно таким образом, что позволяет реализоваться гомеостатическим свойствам системы с минимальными противоречиями между частями внутри ее. Из этого закона следует невозможность длительного существования (ненужных) 19 случайностей в природе, в том числе созданных человеком. Нарушение естественной упорядоченности заполнения пространства в природных системах в ходе их использования требует дополнительных средств и сил для их поддержания в продуктивном состоянии. (Это служит одной из причин действия закона снижения энергетической эффективности природопользования.) ЗАКОН УСКОРЕНИЯ ЭКОЛЮЦИЯ — скорость формообразования с ходом геологического времени увеличивается, а средняя длительность существования внутри более крупной систематической категории снижается; или: более высокоорганизованные формы существуют меньшее время, чем более низкоорганизованные. З. у. э., как и все подобные обобщения, не абсолютен, а вероятен. Его использование целесообразно в периоды между временными интервалами очевидного действия принципа катастрофического толчка, когда эволюция резко убыстряется. Ускорение эволюции предполагает и более быстрое исчезновение видов, их вымирание, которое, тем не менее, очевидно, шло с темпом, меньшим, чем формообразование. В результате число видов в составе биосферы в ходе ее эволюции росло. Увеличение скорости вымирания не следует путать с возрастанием темпов их истребления человеком. ЗАКОН УСЛОЖНЕНИЯ ( системной ) ОРГАНИЗАЦИИ ОРГАНИЗМОВ ( К.Ф. Рулье) –– историческое развитие живых организмов приводит к усложнению их организации путем нарастающей дифференциации функций и органов (подсистем), выполняющих эти функции. Распространение З.у.(с.)о.о. на более широкий круг природных систем, такое же усложнение наблюдается в развитии экосистем (а также многих социальных и технических систем). В экологии и природопользовании этот закон диктует необходимость сохранения возможностей для усложнения организации, понимание опасности ее искусственного обращения. З.у.(с.)о.о. входит в число тех законов эволюции К.Ф. Рулье. ЗАКОН ФИЗИКО–ХИМИЧЕСКОГО ЕДИНСТВА ЖИВОГО ВЕЩЕСТВА (В. И. Вернадского) — все живое вещество Земли физикохимически едино. Из З. ф.-х. е. ж. в. естественно вытекает следствие: вредное для одной части живого не может быть различно для другой его части, или: вредное для одних видов существ вредно и для других. Отсюда любые физико-химические агенты, смертельные для одних организмов, не могут не оказывать вредное влияние на другие организмы. Вся разница состоит лишь в степени устойчивости видов к агенту. Поскольку в любой многочисленной популяции всегда находятся разнокачественные особи, в том числе менее и более устойчивые к физико-химическим влияниям, скорость отбора по выносливости популяции к вредному агенту прямо пропорциональна скорости размножения организмов, быстроте чередования поколений. Исходя из этого, при растущем воздействии физико-химического фактора, к которому организм с относительно 20 медленной сменой поколений устойчив, на менее устойчивый, но более размножающийся вид их способность противостоять рассматриваемому фактору уравнивается. Менее очевиден, но вполне возможен и другой вывод –– следствие из З. ф.-х. е. ж. в., заключающееся в том, что внутри глобального живого вещества имеется важная взаимосвязь, – в данный геологический период существует как бы единая «сеть жизни». Разрывы этой «сети» создают в ней нечто подобное дырам –– снижают устойчивость всей системы. До определенного времени это компенсируется видами – функциональными аналогами. Законы экодинамики В природе наблюдается сохранение вещественной, энергетической и информационной структуры, хотя она и несколько меняется в ходе эволюции. Эти свойства Ю. Голдсмит (1981г.) обозначил как законы экодинамики: – закон сохранения структуры биосфер и – закон стремления к достижению экологической зрелости и равновесности экосистем. Существуют аксиомы – поговорки американского ученого Б.Коммонера (1974 г.); хотя они больше относятся к основам природопользования, в них находят отражение важные постулаты экологии: 1. ВСЕ СВЯЗАНО СО ВСЕМ – здесь обращается внимание на всеобщую связь процессов и явлений в природе; эта аксиома близка по смыслу к закону внутреннего динамического равновесия. 2. ВСЕ ДОЛЖНО КУДА-ТО ДЕВАТЬСЯ – эта аксиома близка к закону внутреннего динамического равновесия и закону развития природной системы за счет окружающей ее среды. 3. ПРИРОДА «ЗНАЕТ» ЛУЧШЕ – эта аксиома говорит о том, что пока мы не имеем абсолютно достоверной информации о механизмах и функциях природы. Мы, подобно человеку не знакомому с устройством часов, но желающему их починить, легко вредим природным системам, пытаясь их улучшить. Она призывает к предельной осторожности. Один лишь математический расчет параметров биосферы требует безмерно большего времени, чем весь период существования нашей планеты. Напрямую этот закон связан с принципом неполноты (неопределенности) информации. При проведении акций по преобразованию природы всегда недостаточно априорного суждения о всевозможных результатах (особенно в далекой перспективе) осуществляемого мероприятия. Связано это с исключительной сложностью природных систем, их индивидуальной уникальностью и неизбежностью природных цепных реакций, направление которых нередко трудно предсказуемо. Прекрасной иллюстрацией к этой аксиоме служат тезис статьи «Диалектика природы» Ф. Энгельса: – «Не будем, однако, обольщаться 21 нашими победами над природой. За каждую такую победу она нам мстит. Каждая из этих побед, имеет, правда, в первую очередь те последствия, на которые мы рассчитываем, но во вторую и третью очередь появляются последствия, которые зачастую уничтожают значения первых побед!» Для уменьшения степени неопределенности, особенно при экспертизе проектов, моделирование следует дополнять непосредственным исследованиями в природе, натурными экспериментами и выяснением естественной динамики природных процессов. 4. НИЧТО НЕ ДАЕТСЯ ДАРОМ – эта аксиома напоминает, что глобальная экосистема представляет собой единое целое, в рамках которого ничего не может быть выиграно или потеряно и которое не может являться объектом всеобщего улучшения. Все, что было извлечено человеческим трудом, должно быть возмещено. Платежа по этому векселю нельзя избежать, он может быть только отсрочен. (В качестве примера – неверное толкование термина «альтернативная энергетика). 2.3. Основные объекты экологии Выделяют шесть уровней организации живой материи, образующих иерархию: молекулярный, клеточный организменный, популяционный (популяционно-видовой), экосистемный, биосферный. Основные свойства живых систем – структурная организация, самовоспроизведение, обмен веществ и энергии, раздражимость, поддержание постоянства внутренней среды (гомеостаз), адаптация – реализуются уже на клеточном уровне. Однако полнота всех естественных проявлений жизни представлена на двух последних. Организменный уровень. Организм (особь, индивидуум) – представитель биологического вида – генетически, морфологически и экологически однородной группы живых существ, обособленной от других видов. Популяционный уровень. Каждый биологический вид в природе представлен популяциями. Популяция – совокупность особей одного вида, населяющих определенное пространство, изолированных от других популяций, имеющих общий генофонд, возможность свободно скрещиваться. Популяция – элементарная форма существования вида в природе. Экосистемный уровень. Экосистема – пространственно определенная совокупность организмов и среды их обитания, объединенных вещественно-энергетическими и информационными взаимодействиями (озеро, лес, степь, море, океан, биосфера). Водные и наземные. В экосистеме различают биотоп – абиотический компонент и биоценоз – совокупность всех живых организмов, населяющих данный биотоп. Биоценозы включают растения, животных, микроорганизмы. 22 (биотоп + биоценоз = биогеоценоз). Биогеоценоз – элементарная наземная экосистема, главная форма существования природных экосистем. Биосферный уровень – совокупность всех живых организмов и их экологической среды в пределах планеты. 2.4. Системные связи в экологии Взаимоотношения в природе обозначены «пища – потребитель пищи», «хищник – жертва» и «ресурс – эксплуататор». Взаимодействия в них можно представить в виде контура прямых и обратных связей: Ж Х (-) Знаки – и + в данном случае обозначают однонаправленность и 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 жертв, хищник не в состоянии уничтожить всех, поскольку при снижении плотности жертв на участке, затраты энергии на их поиск и охоту превышают энергетическую ценность пойманной жертвы. Жертвы избегают встречи с хищником. В целом такой контур имеет отрицательный знак (–) «плюс и минус дают минус». Это означает, что система способна сама себя поддерживать. (принцип естественной саморегуляции). Рассмотрим поведение более сложного контура. В экологической системе замкнутого водоема можно выделить такие компоненты: растворенные в воде минеральные питательные вещества (М); потребляющие их водоросли (В); животные, поедающие водоросли и других животных (Ж); отмершие остатки организмов и продуктов их жизнедеятельности – детрит (Д); разлагающие детрит до минеральных веществ бактерии (Б). Рис. Схема взаимодействий (причинных связей) между основными компонентами экосистемы водоема 23 Допустим, что под влиянием внешнего фактора (температуры, попадании 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 обуславливает их усиленное размножение и преобразуется ими в минеральные продукты. Цикл замыкается. Контур в цело имеет отрицательный знак. Система способна к самоподдержанию. На подобных механизмах основаны процессы самоочищения водоемов. Но если в водоем попадает слишком большое количество биогенных элементов (систематически сбрасываются промышленные стоки), то 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 затрачивается весь растворенный в воде кислород и тогда погибают не только животные, но и разлагающие детрит бактерии. Цепь разрывается, Если стоки не прекратить, то природный механизм самоочищения уничтожается. Т.о., отрицательные обратные связи имеют исключительно большое значение для любых систем, в которых осуществляется регуляция. Вообще, отрицательная обратная связь является главным элементом любого регулятора в технике. На принципе обратной связи построены все механизмы регуляции физиологических функций в любом организме и поддержание постоянства внутренней среды и внутренних взаимосвязей (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 образует контур положительных связей. Система находится в неустойчивом равновесии, так как достаточно 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 24 усилиями маркетинга, диктата 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 ориентируются не на подлинный объективные критерии благополучия, а на кажущиеся сиюминутные прихоти. В результате действительное состояние, здоровье человека или общества ухудшается. Механизм такого поведения называют «мания»-структурой. В сложных системах всегда сочетаются контуры обоих знаков. 2.5. Модель экосферы Перейдем к связям, описывающим взаимоотношения человека и природы. Задача чрезвычайно сложна, но при некоторых допущениях, может быть сведена к очень простой схеме. Возьмем «простой» контур взаимодействий «природа – человек»: П Ч (–) При условии равновесности он был бы неотличим от пары «жертва – хищник». Будучи системой с отрицательной обратной связью, она должна быть самоподдерживающейся, авторегуляторной. Человек (эксплуататор), пользуясь природой как ресурсом, неизбежно ограничивает и тем самым угнетает сам себя через посредство угнетения природы. 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. Человек ведет себя так, как будто почти не испытывает ограничений и сопротивления со стороны природы. На втором этапе развернем компоненты системы следующим образом. «Природа» представлена современной биосферой и подразделена на биоту биосферы и на среду, включая среду человека. Подсистема «человек» выделена как техносфера и подразделена на человека, общество и на человеческое хозяйство – экономику, производство, технику. Техника (в широком понимании) это совокупность средств человеческой деятельности для осуществления процессов производства и обслуживания непроизводственных потребностей общества. Она опосредует взаимодействие человека и природы. Подобно тому, как биотиа биосферы представляет собой совокупность биоценозов, так и современное хозяйство можно представить как совокупность 25 техноценозов, созданных человеком технизированных комплексов. Современное общество преобразует природу посредством техники. Технократия (техно – искусство, ремесло, мастерство), (кратос –сила, господство, власть, правление). Этот термин имеет несколько толкований. 1. Направление в общественной мысли – общество может регулироваться принципами научно-технической рациональности, ее носителями являются техники, инженеры, ученые (технократы), к которым от предпринимателей и политиков должна перейти власть на предприятиях, в обществе в целом. Технократические концепции отразили возросшее значение науки и специалистов для современного производства. Характерная черта – ориентация на управление социальными процессами на основе техники и других узкоспециальных критериев, преуменьшение ценности этического измерения политики. 2. Обозначение слоя специалистов – функционеров, монополизированного производства и государственного аппарата. 3. Общественное движение в США в 30-х годах ХХ века; цель которого – достижение всеобщего благосостояния с помощью индустриального переворота в результате научного планирования производства в национальных масштабах. Может показаться, что категория экономики в этом блоке избыточна, поскольку в нем представлены производство и техника, и природе как бы «нет дела» до нематериальной части экономики – денег, цен, кредитов, ренты, прибыли и т.д. Непосредственное воздействие на природу оказывают именно материальные техногенные потоки. Но чтобы понять причины, источники, механизмы техногенного давления на природу, необходимо рассматривать хозяйство в контексте взаимодействия экономики человека и экономики природы. Контур техносферы имеет положительный знак, поскольку взаимозависимость между людьми и их техникой положительна: человечество растет и наращивает производство для своего дальнейшего роста, т.е. прямая и обратная связи положительны. Всю историю и особенно в ХХ веке система находилась и продолжает находиться в состоянии экспоненциального роста, который лишь частично сдерживается дефицитом ресурсов и лимитирующим факторами среды. Контур биосферы имеет отрицательный знак, т.к. взаимодействие между организмами и средой в природе в целом уравновешены: биота биосферы обладает средообразующей функцией и точно контролирует свойства собственной среды (+), а условия среды лимитируют увеличение массы биоты (–). В целом, система экосферы обладает свойствами контура с отрицательной обратной связью и должна быть способна к авторегуляции. Благополучие человечества обусловлено двумя сильными положительными связями: одной – со стороны экономики, другой – со 26 стороны экологической среды. Сами люди отдают явное предпочтение получению произведенных ценностей. Поскольку население и его потребности растут, увеличиваются и масштабы экономики. Это увеличение до сих пор происходит намного быстрее, чем растер КПД экономики, т.е. отношение количества произведенной пользы (ценностей) к количеству использованных для этого веществ и энергии. Следовательно, рост экономики сопровождается и ростом его вредного действия – увеличением негативного техногенного давления на природу, окружающую среду, а через них – и на человека. Способность всей системы к авторегуляции и стабилизации основана на объективных законах природы; она отвечает свойствам природных систем, обеспечивает их устойчивость. Но эта способность не устраивает человека, т.к. он не любит ограничивать себя. Он обрел небывалую для живых существ потребительскую мощь и привык «покорять природу», брать от нее все больше и больше, не считаясь с ее сопротивлением и ответными ударами. Поэтому сейчас вся система крайне неравновесна; но это временное состояние, оно не может продолжаться как угодно долго. Сотни миллионов лет существовала устойчивая биосфера, и наши предки сравнительно недавно естественным путем вошли в ее сообщество. Два миллиона лет они жили в согласии с природой, потребляя только то, что им было выделено по естественному закону. Но постепенно они создали неустойчивую, быстро растущую техносферу. И только два столетия она наращивает конкуренцию с породившей ее природой, угнетая другие виды, захватывая чужие ресурсы, осуществляя глобальный экоцид, т.е. уничтожение экологических систем. Видимо, в пределах такого же масштаба времени по закону обратной связи вся система экосферы должна стабилизироваться, стать равновесной – это неизбежно. Вопрос лишь в том, сохранится ли при этом вся система, подобная нынешней, или останутся только мертвые «памятники» техносферы и измененная биосфера – ограбленная и изуродованная человеком природа планеты, которой понадобятся миллионы лет, чтобы залечить раны, и которая уже никогда не станет прежней. Социальная психология отвергает возможность гибели человечества. Но каким должно стать стабилизированное и уравновешенное сочетание биосферы и техносферы? Понимают ли люди, что стабилизация должна произойти за их счет? Ведь именно человек запустил бумеранг техногенеза и сейчас он находится под ударом этого бумеранга! Вся система – и природа и человечество находятся сейчас в точке бифуркации, может быть самой драматичной в истории Земли – необходим выбор новой, разумной стратегии. Этот выбор становится важнейшей задачей человечества. ГЕОСФЕРА -------- БИОСФЕРА-------- НООСФЕРА (ЭКОСФЕРА) Экосфера характеризуется: 27 – огромным объемом минеральной породы литосферы, добытой и поднятой из недр на поверхность Земли; – массовым использованием законсервированных миллионы лет назад в недрах горючих ископаемых; – «металлизацией биосферы» в результате добычи из руд и широкого использования металлов и их соединений. Лекция 3. Биота биосферы План 1. Уровни организации живой материи. Основные свойства живых систем. 2. Структура и динамика численности популяции 3. Состав и функциональная структура экосистемы 4. Главные функции биосферы 5. Роль биты в регуляции окружающей среды 6. Основные этапы эволюции биосферы 3.1. Уровни организации живой материи Уровень организации живой материи – это функциональное место биологической структуры в общей иерархии живого. 1.Молекулярный. На этом уровне проявляются обмен веществ и превращение энергии, передача наследственной информации. 28 2.Клеточный. Клетка – элементарная структурная и функциональная единица живого. Разделяют неклеточные и клеточные формы. Неклеточные (доклеточные) – вирусы. Клеточные включают два надцарства: прокариоты (бактерии, архебактерии, цианобактерии или синезеленые водоросли) и эукариоты (ядерные) – животные, растения, грибы 3.Тканевый. Ткань – совокупность структурно сходных клеток, а также связанных с ними межклеточных веществ, объединенных выполнением определенных функций. 4.Органный. Орган – часть многоклеточного организма, выполняющего определенную функцию. 5.Организменный. Организм – реальный носитель жизни, характеризующийся всеми ее признаками. 6.Популяционно-видовой. Популяция – совокупность особей одного вида, образующих обособленную генетическую систему и населяющих пространство с относительно однородными условиями обитания. Вид – совокупность популяций, особи которых способны к скрещиванию с образованием плодовитого потомства и занимают определенную область географического пространства (ареал). 7.Биоценотический. Биоценоз – совокупность организмов разных видов различной сложности организации, обитающих на определенной территории. С абиотическими факторами среды – биогеоценоз. 8.Биосферный. Биосфера – оболочка Земли, структура и свойства которой в той или иной степени определяются настоящей или прошлой деятельностью живых организмов. Следует отметить, что предсказать свойства каждого следующего свойства на основе свойств предыдущих уровней невозможно, также как нельзя предсказать свойства воды, исходя из свойств кислорода и водорода. Такое явление носит название эмерджентность, т.е наличие у системы особых, качественно новых свойств, не присущих сумме свойств ее отдельных компонентов. 3.1. Основные свойства живых систем Основные свойства живых систем – структурная организация, способность к самовоспроизведению и самосборке, обмен веществ и энергии, раздражимость, поддержание постоянства внутренней среды, способность к адаптации. Живой может быть названа динамическая система, которая активно воспринимает и преобразует молекулярную и сигнальную информацию с целью самосохранения. Информация возникает в результате взаимодействия потока энергии с материализованной программой. Программы могут создавать только биологические системы. 29 Активное восприятие означает опережающее реагирование на внешнее воздействие и связанное с ним изменение системы. В биологии это называется раздражимостью. Сохранительное реагирование – избегание неблагоприятного воздействия, оборонительная реакция, регенерация, самовоспроизведение. Для восприятия и преобразования сигналов, обеспечивающих реакции и самовоспроизведение системы, необходимы следующие условия: 1.Система должна иметь относительно устойчивую структурную организацию. Основа ее – строение биологических макромолекул, надмолекулярное устройство клеток и клеточное строение многоклеточных организмов. 2. Наличие запаса концентрированной энергии, которая используется для восприятия сигналов, реагирования на них и сохранения структуры. В живых системах эта энергия заключена в определенных химических связях органических молекул. 3. Для освобождения энергии в биосистеме и обращения ее в физиологическую работу нужны вещества, которые снижают потенциальные барьеры химических реакций (катализаторы), это – ферменты. 4. В структурах, выполняющих информационную функцию, закодированы программы считывания и реализации информации. Существует два рода таких программ: 1)программы воспроизведения (генетическая память), они закодированы в молекулярной структуре нуклеиновых кислот – ДНК и РНК; 2)программы оперативного реагирования – индивидуального поведения (сигнальная память), они записаны в системах рефлекторных структур. 5. Поскольку большинство сигналов в живой системе передается особыми молекулами, воспринимающими их клеточные структуры – рецепторы – обладают свойством молекулярного узнавания. На молекулярном узнавании основаны важнейшие биологические процессы: активность ферментов, репликация ДНК, биосинтез белка, самосборка надмолекулярных структур, реакция антиген – антитело, химическая рецепция (вкус, обоняние) и др. 6. В живой системе расходуется энергоносители и каркасные структуры, для их возобновления необходим приток веществ и энергии из окружающей среды – питание. В процессах метаболизма – обмена веществ и энергии внутри биосистемы объединены и уравновешены процессы анаболизма (ассимиляции, синтеза веществ) и катаболизма (диссимиляции, распада сложных соединений на простые с освобождением энергии. 7. Существование во времени живой системы ограничивает накопление необратимых структурных изменений. Поэтому клетка и организм стремятся к самовоспроизведению, не ожидая, пока возникнет угроза жизни. Наличие программы воспроизведения в виде ДНК и ее 30 большая стабильность по сравнению с другими структурами биологической системы обуславливают свойство наследственности. Наследственность не абсолютна, она так же как живая система в целом, обладает изменчивостью под влиянием случайных изменений в генетическом аппарате – мутаций. 8. Наследуемые изменения и их отбор под действием факторов среды обуславливает генетические адаптации, видообразование и увеличение биологического разнообразия. Разнообразие видов обеспечивает сохранение жизни за счет форм, лучше приспособленных к новым условиям – биологическая эволюция. Эти свойства лежат в основе единства и разнообразия живых систем. В живой природе бесконечное разнообразие возникает на основе сочетания структурных единиц. Только 6 химических элементов О,Н,С,N,S,Р – биогенных почти 99% состава органики всех живых существ – от вируса до человека. Их соединения образуют несколько десятков природных Мономеров – аминокислот, нуклеотидов, сахаров и других органических веществ, различные сочетания которых дают огромное число индивидуальных биополимеров. В настоящее время идентифицировано более 1,7 млн видов организмов, но фактическое число – в 3…5 раз больше. Число атомов во Вселенной имеет порядок 1080. Таким образом, реализована ничтожная часть возможных комбинаций. Каждый биологический вид, каждое живое существо уникально. 3.5. Систематика живых организмов На Земле описано 2,5 млн видов живых организмов. Но реально – в несколько раз больше. Считается, что современный видовой состав – 5% от видового разнообразия за весь период. Для упорядочения существуют систематика, классификация и таксономия. Систематика – раздел биологии по описанию, обозначению классификации существующих и вымерших организмам по таксонам. Классификация – распределение множества живых организмов по определенной системе иерархически соподчиненных групп – таксонов. Таксономия – раздел систематики, разрабатывающий теоретические основы классификации. Таксон – искусственно выделенная человеком группа организмов, связанных той или иной степенью родства. В современной классификации существует иерархия таксонов: царство, отдел (тип у животных), класс, порядок (отряд у животных), класс, порядок (отряд у животных), семейство, род, вид. 3.6. Надорганизменные биосистемы. Популяции. Объединение организмов одного вида в популяцию выявляет качественно новые свойства. Решающее значение приобретают 31 численность и плотность организмов, их размещение, половой и возрастной состав, характер взаимоотношений между особями, контакты с другими популяциями. Популяция может существовать очень долго. Популяции бывают монолитными или состоять из семей, кланов, стад, стай. Популяция имеет определенную структуру, генетическую целостность, генетическую программу самовоспроизведения, способность к авторегуляции и адаптации, коллективное материально-энергетическое хозяйство. Популяции – единица биомониторинга, эксплуатации и охраны природных экосистем. Многие закономерности популяционной экологии относятся к популяции человека. Структура популяций. Различают половую, возрастную, генетическую пространственную и экологическую структуру популяций. Половая структура – соотношение особей разного пола. Соотношение полов определяется различием наборов мужских и женских особей. Чаще наблюдается отклонение в сторону преобладания женских особей. В ряде случаев соотношение полов определяется температурой эмбрионального развития (муравьи, термиты, рептилии). Влияет на смертность самцов или самок изменения экологических условий (мыши полевки). Влияют не только генетические, но и физиологические, гормональные факторы и условия среды. Возрастная структура – соотношение особей разного возраста. Она отражает интенсивность размножения, уровень смертности, скорость смены поколений. Для всех популяций в природе справедливо правило стабильности половозрастной структуры, стремление к оптимальному распределению особей по полу и возрасту. Генетическая структура. Определяется изменчивостью и разнообразием генотипов, частотой вариации генов, разделением популяции на группы генетически близких особей. Для каждой популяции характерен фенотипический полиморфизм – разнообразие признаков по контролем генов и экологических факторов. Чем выше генетическая разнородность, тем больше ее экологическая пластичность – возможность приспосабливаться к условиям среды. В небольших популяциях возрастает частота близкородственного скрещивания, что уменьшает разнообразие и увеличивает угрозу вымирания. Пространственная структура – характер размещения на территории. Перенаселенность или недонаселенность служат лимитирующими факторами. Образование стай, колоний дают защитный эффект. Экологическая структура – разделение на группы особей: по питанию, по половому, возрастному, двигательной активности. Часто наблюдается распределение функций (разделение труда) при охоте на добычу, уходе за потомством. Для всех популяций характерна фенотипическая дифференциация: сроки сезонных циклов развития и 32 поведения (линька, спячка, половая активность, цветение, плодоношение, листопад). Размер и динамика численности популяции. Популяция обладает минимальной численностью и плотностью, т.е. числом особей на единицу площади или объема. Численность и плотность колеблется во времени – по годам, сезонам, от поколения к поколению. Численность популяции определяется соотношением рождаемости и смертности, на которые влияют внешние и внутренние факторы. Изменение численности популяции определяется разностью относительных величин рождаемости и смертности, т.наз. биотическим или репродукционным потенциалом. При отсутствии сопротивления среды наблюдается экспоненциальный рост популяции, прирост числа особей пропорционален уже имеющемуся числу. У микроорганизмов каждые два дня увеличивается в 10 раз, у амбарного долгоносика удвоение через неделю, у мыши – через 8 недель, у человека – 35 лет. Потенциальная способность к размножению у организмов огромна. У простейших в благоприятных условиях деление сокращается до нескольких минут. Гриб склеропора (паразит кукурузы) рождает до 6 млрд спор в день. Треска откладывает до 4 млн икринок в год, сельдь на протяжении жизни – 8…75 млрд. Млекопитающие – от 1 (слоны, киты, приматы) до 20 особей (серая крыса). Высокая плодовитость компенсируется гибелью родившихся из-за факторов сопротивления среды (недостатка пищи, конкуренции, отклонений в развитии, болезней, паразитов, хищников, нехватки пространства, убежищ). В природных условиях рост популяции рано или поздно прекращается из-за сопротивления среды, которое тем больше, чем больше численность популяции. У видов, живущих в ненадежных местообитаниях, с высоким сопротивлением среды или у паразитов (низшие растения, паразитические черви, рыбы) репродуктивный потенциал чрезвычайно велик. Виды, освоившие среду с малым сопротивлением или виды с развитой заботой о потомстве обходятся малым репродуктивным потенциалом( орлы, киты, крупные копытные, приматы). 3.7. Экосистемы, состав и функциональная структура экосистемы. Популяции входят в состав сообществ, где они сочетаются с представителями других видов. Многовидовые сообщества организмов в природе – биоценозы образованы так, что обеспечивают круговорот веществ и потоки энергии. Этим достигается устойчивость экосистем. Каждая экосистема имеет собственное материально-энергетическое обеспечение и структуру, основанную на пищевых (трофических) взаимоотношениях. Структура составлена несколькими группами организмов, каждая из которых выполняет определенную работу в 33 круговороте веществ. Организмы одного звена образуют трофический уровень, а трофические связи между ними образуют цепи питания. В экосистему входят организмы, различаемые по способу питания – автотрофы и гетеротрофы. Автотрофы – организмы, образующие органическое вещество своего тела из неорганических веществ (углекислого газа, воды, биогенных элементов) в процессах фотосинтеза и хемосинтеза. Автотрофное питание имеют фототрофы и хемотрофы. Фототрофы превращают солнечную энергию в химическую, заключенную в органических молекулах, из которых построены их ткани. Они составляют основную массу биоты и образуют ее органическое вещество, т.е. являются первичными производителями продукции – продуценты экосистем. Фотосинтез осуществляют зеленые растения и микроорганизмы (эвглена зеленая). Хемотрофы для синтеза органических веществ используют энергию химических реакций. Хемосинтез наблюдается у некоторых почвенных и водных бактерий, которые используют в качестве источника энергии ферментативное окисление соединений серы, водорода, железа (сероводородные бактерии, железобактерии). Роль хемотрофов в наземных экосистемах сравнительно невелика. Т.о. синтезированная автотрофами биомасса органического вещества – первичная продукция, а скорость ее образования – биологическая продуктивность экосистемы. Автотрофы образуют первый трофический уровень экосистемы. Гетеротрофы – организмы, потребляющие готовое органическое вещество других организмов и продуктов их жизнедеятельности. Это животные, грибы, большая часть бактерий. Гетеротрофы выступают как потребители и деструкторы мертвых тел и паразиты, использующие органическое вещество живых организмов. Сапрофиты используют для питания органическое вещество мертвых тел; к ним относятся: черви (дождевые), насекомые (осы), микроорганизмы (гнилостные бактерии). Организмы, которые питаются живым органическим веществом хозяина, – паразиты; к ним относятся также черви (гельминты), кровососущие насекомые, патогенные микроорганизмы (стрептококк, холерный вибрион, амеба дизентерийная). Существует два главных типа пищевых цепей – пастбищные и детритные. В пастбищных пищевых цепях первый трофический уровень занимают продуценты (автотрофы). Они служат пищей (источником вещества и энергии) для консументов. Консументы – потребители органического вещества организмов; все консументы относятся к гетеротрофам. Консументы I порядка – растительноядные животные (фитофаги), питающиеся растениями. На суше типичными травоядными являются многие насекомые, рептилии, 34 птицы, млекопитающиеся. В водных экосистемах растительноядными являются моллюски, мелкие ракообразные. Консументы второго порядка – плотоядные животные (зоофаги). Консументы третьего порядка поедают консументов второго порядка. Консументы второго и третьего порядка могут быть хищниками, могут питаться падалью или быть паразитами. Существуют животные со смешанным типом питания. Консументы занимают второй, третий и следующие трофические уровни в экосистеме. Особенную группу консументов составляют паразиты и симбиотрофы; в отличие от паразитов, вызывающих заболевания, а иногда и гибель хозяина, симбиотрофы выполняют жизненно важные функции для хозяина. Это мицелиальные грибы-микоризы, участвующие в корневом питании растений, клубеньковые бактерии бобовых, связывающие молекулярный азот воздуха, микробиальное население кишечников и желудков жвачных животных, повышающее перевариваемость и усвоение поедаемой растительной пищи. Еще одну группу консументов образуют детритофаги (сапрофаги) – животные, питающиеся мертвым органическим веществом – остатками и продуктами жизнедеятельности растений и животных (черви, членистоногие, клещи, личинки насекомых, жуки-копрофаги) и другие животные, выполняющие функцию очищения экосистем. Детритофаги участвуют в образовании почвы, торфа, донных отложений водоемов. Тела погибших растений и животных содержат энергию в органическом веществе. Редуценты – бактерии и низшие грибы – завершают деструктивную работу консументов и сапрофагов, доводя разложение органики до ее полной минерализации и возвращая в экосистему молекулярный азот, минеральные элементы и последние порции двуокиси углерода. Детритная пищевая цепь начинается с отмерших органических остатков и идет далее к организмам, ими питающимися; например: мертвое животное – личинки мух – травяная лягушка. Все группы организмов в любой экосистеме тесно взаимодействуют между собой в потоках вещества и энергии. Если исчезает одна группа организмов, то по закону цепных реакций может сильно измениться или разрушиться экосистема. Но, бывает, после исчезновения на его месте оказываются другие организмы, выполняющие сходную функцию в экосистеме. Это правило замещения, дублирования. Роль дублеров выполняют менее специализированные, экологически более гибкие, адаптивные. Так, копытных в степи заменяют грызуны, на озерах аистов и цапель – кулики. В соответствии со П правилом термодинамики, на каждом этапе трансформации энергии значительная ее часть рассеивается в виде теплоты. Биотические факторы 35 Конкуренция – один организм использует фактор, который был бы доступен для другого и мог бы им потребляться. В результате конкуренции одно живое существо лишает ресурса другое, которое при этом имеет больше шансов погибнуть, медленнее расти, оставляет меньшее число потомков. Конкуренция бывает внутри вида (за пищу, жизненное пространство, за полового партнера) или между видами. Нейтрализм – совместно обитающие виды существуют независимо, их экологические требования различны (полипы и моллюск, рыба прилипала и акула). Хищничество – тип взаимоотношений, при котором особи одних видов преследуют, убивают и пожирают особей других видов. Паразитизм – форма межвидовых отношений, при которой организм паразита получает необходимые питательные вещества от хозяина. Паразитизм распространен достаточно широко, начиная от вирусов, бактерий, кончая высшими растениями и многоклеточными животными. Паразиты подразделяются на облигатных (организмы, для которых паразитический образ жизни является обязательным – гельминты, чесоточный клещ) и факультативных – способных вести свободный образ жизни и лишь при случайном попадании в организм другого вида сохраняют жизнеспособность. Кроме того, различают временных паразитов – нападающих на хозяина только для питания (кровососущие насекомые, клещи), и постоянных, обитающих внутри (эндопаразитов, обитающих в клетках – вирусы, малярийный плазмодий; тканях или полостях тела – лямблии, гельминты, печеночный, легочный сосальщик); или на поверхностях тела хозяина – эктопаразиты(комары, клещи, вши). Симбиоз – сожительство организмов разных видов; он имеет разные формы: – комменсализм – форма симбиоза, при котором один организм использует другой, не причиняя ему вреда. Один может использовать другого для защиты, передвижения, питания. – мутуализм – форма симбиоза, взаимополезное сожительство организмов разных видов, присутствие партнера является обязательным условием существования каждого из них. Зоохория – форма межвидовых отношений, при которых животное содействует растениям и распространении плодов и семян. Аллелопатия – это взаимодействие организмов посредством специфически действующих химических продуктов обмена веществ, которые выделяются во внешнюю среду. Примеры пищевых цепей: фитопланктон–зоопланктон–планктонофаги (черви, ракообразные, моллюски, иглокожие–рыбы (два-три звена)– тюлени–белый медведь. Совокупность трофических уровней моделируются трофическими пирамидами биомасс и энергии. 36 В наземных экосистемах биомасса растений всегда больше биомассы животных, биомасса фитофагов всегда больше биомассы зоофагов. Устойчивость экосистемы тем больше, чем больше она по размеру, чем богаче и разнообразнее ее видовой и популяционный состав. Но экосистемы способны к изменениям, к развитию, переходу от более простых к более сложным формам. Масштабные изменения под влиянием природных катастроф или антропогенным, приводят к последовательным изменениям биоценозов – сукцессиям (англ. последовательность). Наземные экосистемы природно-климатической зоны имеют общую структуру и образуют биомы. Тундры и лесотундры, таежные и горные хвойные леса, лиственно-хвойные леса, широколиственные, субтропические, влажные тропические леса, саванна, степи, прерии, пустыни, пашни, обрабатываемые земли, окультуренные пастбища, воды суши, полярные горные ледники – это основные биомы Земли. 94% всей биомассы Земли сосредоточено в лесах, 10% составляют обрабатываемее земли. 3.4. Биосфера Биосфера – приземный слой атмосферы (несколько десятков м над поверхностью растительного покрова или над океаном), поверхностные слои земной коры(по горизонту грунтовых вод, гидросферу Земли (в океане – фотический слой около 100 м). Биота биосферы обуславливает большую часть химических превращений на планете. В.И. Вернадский об огромной преобразующей геологической роли живого вещества. Биомасса, продуктивность и основные функции биосферы. Суммарная биомасса биосферы (на сухое вещество) около 2 трлн т. Общее количество энергии, преобразуемое биотой 1022 Дж. Благодаря способности трансформировать солнечную энергию в энергию химических связей растения и другие организмы выполняют фундаментальные биогеохимические функции. Газовая функция. Живые организмы постоянно обмениваются кислородом и углекислым газом с окружающей средой в процессах фотосинтеза и дыхания. Растения сыграли решающую роль в смене восстановительной среды на окислительную в геохимической эволюции планеты, в формировании газового состава атмосферы. Они контролируют концентрации кислорода и углекислого газа, оптимальные для биоты. Концентрационная функция. Живые организмы осуществляют биогенную миграцию и концентрирование химических элементов. Ранние этапы эволюции проходили в водной среде. Организмы научились извлекать из водного раствора вещества, многократно увеличивая их концентрацию в своем теле. Окислительно-восстановительная функция живого вещества. Живые клетки имеют в своем составе активные катализаторы химических 37 процессов, например, окислить молекулярный азот в миллионы раз быстрее, чем в лабораторный условиях. Информационная функция живого вещества биосферы. Организмы способны к получению информации путем соединения потока энергии с активной молекулярной структурой , играющей роль программы. Способность воспринимать, хранить и перерабатывать молекулярную информацию совершила эволюцию в природе и стала важнейшим экологическим системо образующим фактором. Суммарный запас генетической информации оценивается в 1015 бит, общая мощность потока молекулярной информации биосферы 1035 бит/с. Перечисленные функции живого вещества биосферы обращены в внешним факторам существования, вместе они образуют мощную средообразующую функцию. Работа растений обусловила состав атмосферы. От состава атмосферы зависит радиационный и тепловой режим на планете, спектральный состав солнечного света. Растительный покров определяет водный Балан, распределение влаги и климатические особенности местности. Живые организмы играют решающую роль в самоочищении воздуха, воды, почвы. Благодаря растениям образовалась почва, поддерживается ее плодородие. Биота одарила человека пищей, одеждой, др. Средообразующая функция биосферы связана с средорегулированием. Биота формирует и контролирует состояние окружающей среды. 3.5. Биотическая регуляция окружающей среды. Поток энергии в биосфере. Правило 1%. Солнце дарит Земле колоссальное количество энергии – 2,5 1024 Дж/год. Только 0,3% ее преобразуется в процессе фотосинтеза в энергию химических связей органических веществ и 0,1% оказывается заключенной в чистой первичной продукции. В соответствии с законом пирамиды или правилом 10% Линдемана (1942) с каждой ступени на последующую приблизительно 10% энергии. Чем больше таких ступеней, тем меньшая доля энергии достается конечному потребителю. Участие разных групп организмов в деструкции органики имеет похожую градацию: около 90% энергии чистой первичной продукции освобождают микроорганизмы, менее 10% – беспозвоночные животные и менее 1% позвоночные – конечные консументы. Правило 1%: для биосферы в целом доля возможного конечного потребления чистой первичной продукции в энергетическом выражении не превышает одного процента Поток солнечной энергии образует глобальные физические круговороты воздуха и воды на Земле. Движение воздушных масс обуславливает аэрогенную миграцию веществ, в первую очередь паров воды и пылевых частиц, аэрозолей. Под действием солнечной радиации в 38 атмосфере происходят различные фотохимические реакции – фотолиз воды, образование озона, образование углеводородных смогов и др. Круговорот воды определяет гидрогенную миграцию веществ, которая состоит из множества процессов. Только вода может находиться в природе в трех фазовых состояниях: твердом, жидком и газообразном. Фазовые переходы воды – ее замерзание, таяние, конденсация водяных паров и испарение, связаны с количеством поступающей в различные районы Земли в различные сезоны года солнечной энергии. Круговорот воды обеспечивает взаимосвязь всех элементов гидросферы: испарение, конденсация, образование облаков, выпадение из них осадков, поверхностный и подземный сток. В глобальный круговорот воды в природе вовлечено около 577 тыс. км3, что составляет 0,04% от всех ее запасов на Земле. С поверхности океана испаряется 505 тысяч км3, суши – 72 тыс. км3, выпадает в виде атмосферных осадков на поверхность океана - 458 тыс.км3, суши – 119 тысяч км3 в год. Разность между осадками и испарением с поверхности океана, равная 47 тыс. км3, представляет собой объем воды, который в виде речного стока поступает в Мировой океан (Г.Уайт, 1990). Круговорот воды объединяет все водные ресурсы планеты, которые находятся в океане, атмосфере, биосфере, земной коре, обеспечивая таким образом единство всех природных вод Земли. Большой круговорот воды состоит из трех составляющих: океанического, атмосферного и материкового. Материковый круговорот включает литогенное, почвенное, речное, озерное, ледниковое, биологическое и хозяйственное звенья, каждое из них отличается определенной скоростью водообмена, специфической структурой всех своих частей. Наиболее активный водообмен отмечается в реках и атмосфере, очень медленный круговорот воды происходит в ледниках, при формировании подземных вод. Биологическое и почвенное звенья круговорота воды обеспечивают жизнь и сельское хозяйство, именно эти звенья подвергаются наибольшему преобразованию при создании водохранилищ, прудов, проведении ирригационных мероприятий. Эти мероприятия проводят с целью искусственного замедления круговорота воды для гарантии устойчивого водообеспечения народного хозяйства и населения. Таким образом, кроме физических круговоротов воды и воздуха, вызываемых потоком солнечной энергии, в них вовлечены круговороты химических элементов. В значительной части этих процессов участвуют живые организмы. Биотический круговорот. В круговорот биогенных элементов вовлечены важные для биоты минеральное элементы и множество различных соединений. Поэтому весь циклический процесс химических превращений, обусловленной биотой, называют биогеохимическим круговоротом. Круговорот полностью замкнут. Главным участником 39 биотического круговорота является углерод, как основа органических веществ. Схема глобального круговорота углерода на рис. Масса углерода в биосфере а настоящее время составляет 4 000 Гт. Из них 1000 Гт приходятся на биомассу. Ежегодная продукция биосферы по углероду составляет 90… 100 Гт. Такое же количество углерода освобождается в процессах дыхания и деструкции. Период обновления биомассы биосферы по углероду составляет 10 лет. Несмотря на то, что фотосинтез и деструкция органики проходят множество промежуточных этапов и связаны с деятельностью колоссального числа различных организмов и экосистем, их равенство в биосфере поддерживается с высокой точностью. Современный газовый состав атмосферы оставался неизменным по меньшей мере 10 4 лет. Круговорот азота. Азот входит в структуру белков, является лимитирующим биогенным элементом. Колоссальный резерв свободного молекулярного азота в атмосфере лишь в ничтожной степени используется в биотическом круговороте. Соотношение связанного и свободного азота 1:100 000. энергия химической связи в молекуле азота очень велика, поэтому азотфиксация требует больших затрат энергии; в присутствии катализаторов при температуре 5000 С и давлении 300 атм. В биосфере фиксация азота осуществляется анаэробными и цианобактериями благодаря высокой эффективности биокатализатора. Считается, что бактерии переводят в связанную форму около 1 млрд т азота в год. Продукт азотфиксации аминогруппа включается в круговорот, являясь основой азотного питания растений. Круговорот азота в природе сопряжен с круговоротом углерода. Он замкнут настолько, насколько постоянны общая биомасса и состав экосферы, т.к. доступные для биоты резервы азота в почве и в воде достаточно велики. Круговорот кислорода. В отличие от углерода и азота доступного для биоты кислорода много, отсутствует дефицит. Биотический круговорот кислорода 250 Гт/год, а общее количество в пределах биосферы 1014 т. Кислород – первый по распространенности элемент. Однако для водных организмов необходим кислород, растворенный в воде, его среднее содержание в фотическом слое гидросферы 4,5 мг/л, что на грани выживания биоты. Некоторый дефицит кислорода возникает только в высокогорье, в зонах интенсивного потребления и в искусственных резервациях. С круговоротом кислорода тесно связано образование озона. В высоких слоях атмосферы под влиянием жесткого ультрафиолетового излучения происходит ионизация и диссоциация части молекул кислорода, образуется атомарный кислород, который немедленно присоединяется к радикалам кислорода, образуя озон. На образование озона тратится 5% поступающей к Земле солнечной энергии. Реакции легко обратимы. 40 Поглощая при своем образовании значительную часть жестких ультрафиолетовых лучей слой озона играет роль защитного экрана для всей биосферы, т.к. многие молекулярные структуры живых организмов разрушаются под действием жесткого ультрафиолета. Круговорот фосфора. Фосфор, как и азот, относится к лимитирующим биогенам, но цикл фосфора существенно разомкнут, так как значительная часть континентального стока фосфатов остается в океанических осадках. Эта разомкнутость существенно усилена антропогенным вмешательством. Такие же отношения наблюдаются в глобальном круговороте серы и других минеральных элементов, природные резервы которых велики, но относительно мало доступны биоте. 3.6. Эволюция биосферы Эволюция биосферы состоит из добиотической фазы, в ходе которой химическая эволюция подготовила возникновение жизни. Добиотическая эволюция. 1.Образование планеты и ее атмосферы (4,5 млрд лет назад). Первичная атмосфера имела высокую температуру, была резко восстановительной и содержала водород, азот, пары воды, метан, аммиак, инертные газы, возможно, оксид углерода, цианистый водород, формальдегид и др. 2.Возникновение абиотического круговорота веществ в атмосфере за счет ее постепенного остывания и энергии солнечного излучения. Появляется жидкая вода, формируется гидросфера, круговорот воды, водная миграция элементов и многофазные химические реакции. Благодаря автокатализу происходит образование и рост молекул. 3. Образование органических соединений в процессах конденсации и полимеризации простых соединений углерода, кислорода, азота, водорода за счет энергии ультрафиолетового излучения Солнца, радиоактивности, электрических разрядов и других энергетических импульсов. Аккумуляция лучистой энергии в органических веществах в результате фотохимических реакций и образование макроэргических соединений. 4.Возникновение круговорота органических соединений углерода, включающего реакции аккумуляции солнечной энергии и окислительновосстановительные реакции – зародыш биотического круговорота биосферы. Дальнейшее усложнение органических веществ и появление устойчивых комплексов макромолекул, обладающих способностью к редупликации, возникновению молекулярных систем самовоспроизведения. Биотическая эволюция 5. Возникновение жизни (3,5 млрд лет назад). Структуризация белков, нуклеиновых кислот с участием биомембран приводит к появлению вирусоподобных тел и первичных клеток, способных к делению – сперва 41 хемотрофных прокариот и первичных клеток, затем эукариот. Возникает биотический круговорот и формируются биосферные функции живых веществ. 6. развитие фотосинтеза и обусловленное им изменение состава среды: биопродукция кислорода обуславливает постепенный переход к окислительной атмосфере. Ускоряется биогенная миграция элементов. Появление многоклеточных организмов, наземных растений и животных приводит к дальнейшему усложнению биотического круговорота. Возникают сложные экологические системы, содержащие все уровни трофической организации. Достигается высокая степень замкнутости биотического круговорота. 7.Увеличение биологического разнообразия и усложнение строения и функциональной организации живых существ и биосферы в целом. Организмами заняты все экологические ниши на планете. Полностью сформировалась средообразующая функция биосферы и биологический контроль ее гомеостаза. Преобразование среды вследствие деятельности организмов оказывает обратное действие на биоту и уравновешивается ее средорегулирующей функцией. 8. Появление человека – лидера эволюции. Возникновение и развитие человеческого общества, вовлечение в техногенез непропорционально больших (по мерам биосферы) потоков вещества и энергии нарушает замкнутость биотического круговорота, вызывает антропогенные экологические кризисы и становится негативным фактором эволюции. Лекция 4. Экологическая среда План 1. Классификация факторов среды 2. Формы реагирования живых систем на изменение факторов среды 3. Экологическая ниша 42 4. Основные типы межвидовых биотических взаимодействий 5. Ресурсы экосистем и биосферы 6. Почему для биоты биосферы важно сохранять заданные парамет ры факторов экологической среды. 4.1. Факторы среды Экологические факторы – это такие свойства компонентов экосистемы и ее внешней среды, которые оказывают непосредственное воздействие на особей данной популяции и на характер их отношений друг с другом и с особями других популяций. Классификация факторов среды. Экологические факторы классифицируют по нескольким критериям. Внешние факторы оказывают влияние на организм, популяцию, экосистему, но не испытывают обратного действия: солнечная радиация, атмосферное давление, скорость течения, ветер. Внутренние связаны со свойствами экосистемы и образуют ее состав: численность популяции, пища, концентрации веществ т др. Выделяют главные и второстепенные. Те из них, без которых невозможна жизнь и развитие организма – пространство, пища, вода, тепло, свет, кислород определяются как условия существования. Количественная оценка и доступность квалифицирует их как ресурсы. Факторы воздейстивия могут не действовать постоянно, но влияют на жизнедеятельность и распространение организмов. По природе источников и характеру действия факторы среды разделяю на биотические и абиотические. Абиотические – факторы неорганической (неживой) природы. Это свет, температура, влажность, давление и др. природа самой среды – воздух, вода, почва. Абиотические факторы – физические поля (гравитационное, магнитное, электромагнитное), ионизирующая и проникающая радиация, движение сред (акустические колебания, волны, ветер, течения, приливы), суточные и сезонные изменения в природе. Они могут быть охарактеризованы количественно и измерены. Биотические факторы обусловлены внутривидовыми и межвидовыми взаимодействиями организмов. Особую группу составляют антропогенные факторы, порожденные деятельностью человека, человеческого общества. Они связаны с хозяйственным изъятием природных ресурсов, нарушением ландшафтов. Это вырубка лесов, распашка степей, осушение болот, промысел растений, рыб, зверей, птиц, замена природных комплексов сооружениями, коммунмкациями, водохранилищами, свалками и пустырями. Это и загрязнение природной среды и среды обитания человека – воздуха, воды, почв отходами производства и потребления. Это связано с применением техники, транспортом, строительства, промышленности и называется техногенными факторами. 43 4.2. Закономерности абиотических воздействий Диаграммы выживания. Каждый живой организм может существовать и продолжать свой род только в определенной области значений факторов. Существуют нижние и верхние пределы температуры, освещенности, концентрации кислорода, атмосферного давления. Это называется диапазоном выживания, зоной толерантности (терпение, выносливость) или биоинтервал фактора. Биоинтервал ограничен крайними экстремальными для организмов значениями, за пределами которых уже невозможно нормальное осуществление жизненных функций. График зависимости степени благоприятности от количественных значений фактора, то получаем вид куполообразной кривой – диаграмма выживания. Значения оптимума и величину биоинтервала определяют экспериментально. В области экстремальных значений фактора возрастает вероятность нарушения отдельных функций и нормальной жизнедеятельности в целом. 4.3. Закономерности биотических воздействий Возможные комбинации взаимодействий в природе: Нейтрализм (0,0) – полное отсутствие зависимости (на первый взгляд); лев – антилопа; белки –клесты. Аменсализм (-,0) – одностороннее угнетение (антибиотики и микроорганизмы, ель и травы под ней, «цветение» воды и гибель гидробионтов). Комменсализм (+,0) –одностороннее благоприятствование (птицы в дуплах деревьев, грифы-падальщики, рыбы-прилипалы, животные, транспортирующие пыльцу и семена. Конкуренция (-,-) один из главных мехнанимов регулирования численности организимов в природе. Совпадение ниш – внутривидовая конкуренция, которая хорошо выражена во многих популяциях растений и животных. Предмет конкуренции – пространство и пища. Межвидовая конкуренция идет по пути конкурентного исключения либо замещения, которые сопровождаются пространственным разобщением или территориальным вытеснением. Взаимное угнетение видов, которое приводит к установлению конкурирующего равновесия. Ресурс – эксплуататор (+,-), соединяются и противостоят благоприятствование и угнетение (растение и растительноядное животное, жертва и хищник, организм хозяина и паразит. Этими отношениями обусловлены цепи питания и трофические уровни. Мутуализм (+,+) – взаимное положительное воздействие, широко распространено (лишайник – симбиоз гриба и водоросли, цветковые 44 инасекомые-опылители, нитрификаторы. тли и пастухи-муравьи, бобовые и 4.4. Ресурсы биосферы Краткие характеристики важных экологических факторов ресурсов экосистем и биосферы с точки зрения приспособления к ним живых организмов. Энергия. Главный источник – солнечный свет и пища, является практически неисчерпаемым ресурсом. Ее доступность обусловлена солнечной постоянной и климатом, первичной продукцией биосферы. Солнечная радиация. Плотность потока солнечного излучения, достигающих атмосферы, составляет 1360 Вт/м2, эта величина называется солнечной постоянной. Часть энергии отражается атмосферой, другая часть поглощается ей и идет на ее нагревание. Около 56% радиации идет на испарение воды, 44% расходуется на нагрев воздуха, воды, земли; менее 1% поглощается при фотохимических реакциях. При прохождении солнечного излучения через атмосферу озоновым слоем поглощается коротковолновое ультрафиолетовое излучение, облачным покровом – инфракрасное. Для биосферы радиационный баланс, сложившийся за млн лет является необходимым условием жизни. Свет. Свет – источник энергии для фотосинтеза. Растения приспособлены к определенной освещенности, которая зависит от сезонной и годовой суммы радиационного баланса. Продолжительность светлого времени суток – фотопериодизм в высоких широтах 14…15 час, в тропиках 10…11 час. Фотопериод и температура обуславливают волны жизни. Пища. Она – источник энергии и материал для построения и обновления клеток, для продукции и размножения. Количество пищи определяется чистой первичной продукцией растений. Это 140 млрд т в год сухого вещества фитомассы, в которой заключено 2,3 1021 Дж энергии. Все это количество используют гетеротрофы, биомасса их на 2 порядка меньше. Климатические факторы. Теплофизические процессы в атмосфере реализуются в виде климата. В эколого-климатическую характеристику местности входят колебания температуры, количество осадков, испаряемость, сила и направление ветров, влажность, солнечная радиация. Температура. Имеет наибольшее экологическое значеие, оказывая большое влияние на энергетику биоты. Диапазон на Земле от -88,3 (ст. Восток, Антарктида0 до +58,7 (Ливия). Средняя годовая температура воздуха (без Антарктиды) +15,70С, средняя температура гидросферы +3,30С. 45 Максимальный температурный диапазон активной жизни для большинства – от 0 до 500С, в горячих источниках микроорганизмы – до 850С. Диапазон неактивного состояния длительное время от 0 до 4000К (криобиоз). Это семена, споры, свободные клетки, низшие беспозвоночные, рыбы, амфибии. Используется в восстановительной хирургии, создании генных и репродукционных банков. Адаптации к температуре. Эктотермы – подчиненные внешней температуре; эндотермы – поддерживают постоянную высокую температуру тела, песец, полярная сова, белый гусь могут поддерживать разность температур тела и среды в 1000 и более. Приспособление к высокой температуре ограничено, разница на единицы градусов. Вода. Преобладающее большинство живых существ нуждается в пресной воде, суммарный мгновенный объем около 180 тыс км3 это 0,013% общего количества воды на планете. Ресурсы распределены крайне неравномерно, годовое количество осадков – от 0 до 12 500 мм. Более 66% площади суши занимают территории с отрицательным водным балансом, где испарение превышает выпадение осадков. Все организмы так или иначе несут в себе отпечаток водного происхождения жизни. Особенности водной среды вырабатывают у ее обитателей разнообразные приспособления к температурному, газовому, солевому составу и перемещению в плотной среде, давлению. У кальмаров, рыб, китообразных настолько совершенны средства передвижения в водной среде (морфология, энергетика мышц, колебательная кинематика тела, плавников, водореактивные движители, что их до сих пор не могут превзойти технические средства ни по энергетической эффективности, ни по скорости. Кислород. Важное физиологическое значение. Концентрация в воздухе – 21%, в почве и глубоких норах – до 15%. Мощные механизмы адаптации у ныряющих животных, морские черепахи в воде 6 час, змеи – 2,5 час, кашалоты 2 час, глубина погружения до 1000 м. Самые ранние формы были анаэробами. Почва значительно менее динамична. По Вернадскому – биокостное вещество (4 фазы). Почвы неустойчивы, сильно зависит от связанного с ней сообществ и восстанавливается намного медленнее, чем другие биологические ресурсы. 46 Техносфера и поглощение природных ресурсов 47 ЗАКОНЫ ЭКОЛОГИИ ЗАКОН БИОГЕНЕТИЧЕСКИЙ (Геккеля и Мюллера) – организм (особь) в индивидуальном развитии (онтогенезе) повторяет (в сокращенном и закономерно измененном виде) историческое (эволюционное) развитии своего вида (филогенез). В экологии этот закон имеет подобное значение как исторический предшественник системогенетического закона. ЗАКОН БИОГЕННОЙ МИГРАЦИИ АТОМОВ ( В. И. Вернандского) – миграция химических элементов на земной поверхности и в биосфере осуществляется при непосредственном участии живого вещества – биогенная миграция. Она также протекает в среде геохимические особенности которой (О2, CO2 , H2) обусловлены живым существом, как тем, которое в настоящее время населяет биосферу, так и тем, которое действовало на земле в течении всей геологической истории. Примечание: закон биогенной миграции атомов имеет важное теоретическое и практическое значение. Согласно ему, понимание общих химических процессов, протекавших и протекающих на поверхности суши, в атмосфере и в заселенных организмами глубинах литосферы и вод, а так же геологических слоях, сложенных прошлой деятельностью организмов, невозможно без учета биотических и биогенных факторов, в том числе эволюционных. Поскольку люди прежде всего воздействуют на биосферу и её живоё население, они тем самым изменяют условия биогенные миграции атомов, создавая предпосылки для ещё более химических перемен. В исторической перспективе. Таким образом процесс может стать саморазвивающимся, не зависящим от желания человека, и практически, при глобальном размахе, не управляемым. Отсюда из самых насущных потребностей – сохранение живого покрова Земли в относительно не измененное состояние. Тот же закон определяем и необходимость учета прежде всего воздействии на биоту при любых проектах преобразования природы. В этом случае происходят региональные и локальные изменения в химических процессах, при любых крупных ошибках, ведущие к деградации среды – опустыниванию. Этот закон дает в руки человечества ключи для сознательного и активного предотвращении нежелательных биохимических процессов на планете и управление ими в её регионах. Там, где раньше были сделаны упущения и среда жизни деградировала, на его основе возможно активное ( но постепенное) выправление сложившегося положения, главным образом с помощью «мягкого», опосредованного управления природными процессами. 48 ЗАКОН ВНУТРЕННЕГО ДИНАМИЧЕСКОГО РАВНОВЕСИЯ – вещество, энергия, информация – и динамические качества отдельных природных систем и их иерархия связанны на столько, что любое изменение одного из этих показателей вызывает сопутствующие функционально – структурные количественные и качественные перемены, сохраняющие общую сумму вещественно – энергетических, информационных и динамических качеств систем, где эти изменения происходят или в их иерархии. Эмпирические следствия этого закона: 1. Любое изменение среды (вещества, энергии, информации, динамических качеств экосистем) неизбежно приводит к развитию природных цепных реакций, идущие в сторону нейтрализации производственного изменения или формирования новых природных систем, образование которых при значительный изменениях среды может принять необратимый характер. 2. Взаимодействие вещественно – энергетических экологических компонентов (энергии, газов, жидкости, субстратов, организмов продуцентов, консументов и редуцентов), информации и динамических качеств природных систем количественно и не линейно, то есть слабое воздействие или изменение одного из показателей может вызвать сильное отклонение в других (и во всей системе в целом). 3. Производимые в крупных экосистемах перемены относительно необратимы, проходя по иерархии снизу вверх - от места воздействия до биосферы в целом, они меняют глобальные процессы и тем самым переводят их на новый эволюционный уровень. 4. Любое местное преобразование природы вызывает в глобальной совокупности биосферы и в ее крупнейших подразделения ответные реакции, приводящие к относительной неизменности эколого – экономического потенциала («правило Тришкина кафтана»), увеличение которого возможно лишь путем возрастания энергетических вложений (см закон снижения энергетической эффективности природопользования). Искусственный рост эколого – экономического потенциала ограничен термодинамической устойчивостью природных систем. Примечание: З. в. Д. р. – одно из узловых положений в природопользовании. Пока изменение среды слабы и произведены на относительно не большой площади, они или ограничиваются конкретным местом, или «гаснут» в цепи иерархии экосистем, но как только перемены достигают существенных значений для крупных экосистем, например, 49 происходит в масштабах больших речных бассейнах или в размерах, ограниченных правилах 1-10%, они приводят к существенным сдвигам в этих обширных природных образованиях, а через них, согласно второму следствию из этого закона и во всей биосфере Земли. Будучи относительно необратимыми (3-е следствие из З. В. Д. Р.), изменение в природе в конечном итоге показываются и трудно нейтрализуемыми с социально экономической точки зрения: их выправление требует больших материальных средств и физических усилий. Иногда возникает даже ситуация, сформулированная автором в виде афоризма «Чем больше мы пустынь превратим в цветущие сады, тем больше цветущих садов мы превратим в пустыне», если, конечно, мы не пользуемся З В. Д. Р. Для разумного управления природными процессами. Сдвигая динамически равновесное (квазистационарное) состояние природных систем ( см. равновесие природное – 4 и равновесие экологическое) с помощью значительных значений энергии (например, путем распашки и других агротехнических приемом), люди нарушают соотношение экологических компонентов, достигая увеличения полезной продукции (урожая) или состояния среды, благоприятного для жизни и деятельности человека. Если эти сдвиги «гаснут» в иерархии природных систем ( от элементарных биогеоцинозов до биосферы и экосферы планеты в целом) и не вызывают термодинамического разлада в данной природной системе, положение благоприятно. Однако излишнее вложение энергии и возникающие в результате вещественно – энергетический разлад ведут к снижению природно – ресурсного потенциала вплоть до опустынивания территории, происходящего без компенсации: вместо цветущих садов возникают пустыни. В связи с нелинейностью, неполной пропорциональностью взаимоотношения экологических компонентов и возникновением цепных природных реакций эффект ожидаемый при преобразовании природы может не возникнуть или оказаться намного сильнее, чем необходимо. В первом случае местная реакция как бы начнёт скользить по иерархии природных систем, растворяться в ней и достигнув уровня всей биосферы или её крупных подразделений, исчезнет она становиться не измеряемой при наших возможностях распознания перемен в природе. Во втором случае наоборот, надсистемы усиливают процесс сверху вниз, он делается острее, заметнее. Это заставляет при проектировании рассчитывать не только местные вещественно – энергетические балансы, но и вероятные 50 изменения в надсистемах. В противном случае игнорировать З. В. Д. Р. Приводит к ошибкам в природопользовании. Например при перегораживании пролива Кара – Богаз –Гол глухой плотиной для уменьшения потерь Каспийской воды от испарения не были учтены 1-е, 2-е и 3-е следствия З. В. Д. Р. Что вызвало к жизни действие 4го закона. Согласно ему, следовало либо вовсе не возводить плотину, либо сразу строить водорегулирующие шлюзы. Ныне материальные и энергетические затраты и потери следствия и потери значительно превзошли те, что были изначально необходимы. См.правило цепные реакции при жестком управлении природой Противоположный пример дает агролесомелиорация степных и пустынных пространств, особенно вторичного, антропогенного происхождения. Тут восстановление бывшей когда-то лесистости приводит к значительному улучшению водного режима, повышению влажности воздуха, уменьшению скорости ветры и другим положительным явлениям, увеличивающим продуктивность земель. Причем, согласно 2ому следствию З. В. Д. Р. Положительные изменения приправильной организации работ могут значительно превысить расчетный результат. ЗАКОН ВСЕ ИЛИ НИЧЕГО: (Х. Боулича) – подпороговые раздражения не вызывают нервного импульса («ничего») в возбуждаемых тканях, а пороговые стимулы или суммированные подпороговых воздействий создают условия для формирования максимального ответа («все»). Физиологический в своей первооснове этот закон при перенесении на широкий круг систем (что соответствует эмпирическим данным) в формулировке слабые воздействия могут не вызывать у природной системы ответных реакций до тех пор, пока, накопившись, они не приведут к развитию бурного динамического прогресса полезен при экологическом прогнозировании. Закон отнюдь не абсолютен. Даже подпороговые воздействия, энергия которых ниже теоретически необходимой для выведения природных систем из равновесного состояния (например в случае воздействия радиации на живую клетку), иногда вызывают непропорционально сильные ответные реакции. См. устойчивость экосистемы. ЗАКОН ГЕНЕТИЧЕСКОГО РАЗНООБРАЗИЯ – все живоё генетически различно и имеет тенденцию к увеличению биологической разнородности. Двух генетически абсолютных особей (кроме однояйцовых близнецов, немутирующих клонов, вегетативных линий и немногих других исключений), а тем более видов живого в природе быть не может. Примечание: Этот закон кажется примитивным и общеизвестным. Его действие всегда учитывается при сохранении чистых культур микроорганизмов мутагенезу (противопоставляют отборпо специфическим 51 признаками сортов например картофеля путем вегетативного размножения под контролем тщательного отбора). Однако в природопользовании этот закон нередко игнорируют. Это особенно опасно в область биотехнологии (в генной инженерии, производстве боипрепаратов на основе непатогенных организмов), поскольку результат не всегда предсказуем. Высока и опасность внезапного возникновения новых болезнетворных форм при применении лекарственных средств из-за мутаций в популяциях болезнетворных организмов. Не исключен и переход микроорганизмов , применяемых для борьбы с нежелательными формами, на полезные людям виды, процесс распространения среди нех эпизоотий. Закон как бы действует напротив закона физико – химического единства живого вещества и совместный учет этих основополагающих правил позволяет избежать многих ошибочных решений в природопользовании. ЗАКОН ГЕОГЕНЕТИЧЕСКИЙ (Д. В. Руенквиста) – минералогические процессы в короткие интервалы времени как бы повторяют (в измененном виде, со своим «акцентом») общую историю геологического развития, или, другими словами, геологические процессы развития однонаправлены во всех масштабах геоэволюции. Примечание. Различают 8 масштабов геоэволюции: 1) Общая эволюция Земли – млрд. лет; 2) Эволюция в рамках геологического мегацикла – сотни млн – 1 млрд. лет; 3) Эволюция в ходе развития тектоно-магматического цикла – десятки – сотни млн. лет; 4) Эволюция процессов становления генетически взаимосвязанной серии магматических пород и связанной с ними минирализации – млн. – десятки млн. лет; 5) Эволюция процессов становления интрузивного комплекса и связанной с ним минерализации – сотни тыс. – немногие млн. лет; 6) Эволюция этапов минерализации месторождений – десятки – сотни тыс. лет; в ходе формирования 7) Эволюция внутри стадий минерализаций – тыс. –десятки тысяч лет; 8) Эволюция внутри ритмов минерализации – 1 тыс. лет и меньше. 52 В силу общественного закона ускорения и эволюции длительность все более молодых ее периодов закономерно сокращается. Этот закон важен для понимания формирования полезных ископаемых и их целенаправленного поиска. ЗАКОН ГЕОХИМИЧЕСКИЙ ОСНОВНОЙ (В.М. Гольдшмита) – абсолюные количества химических элементов, т.е. кларки химических элементов, зависят от строения атомных ядер; распределение элементов, связанное с их миграцией – от наружных электронов. Кларки элементов в земной коре зависят как от структуры атомного ядра, так и от строения электронных оболочек, определяющих химические свойства атомов, но ведущая роль все же принадлежит ядерным свойствам – устойчивости ядер атомов, содержанию в них небольшого четного числа протонов и нейтронов, особенно кратное. Миграция элементов зависит также от всего строения атома, электронная структура играет при этом ведущую роль. В первоначальной формулировке закон геохимический основной справедлив лишь для космоса в целом. ЗАКОН ГОМОЛОГИЧЕСКИХ РЯДОВ В НАСЛЕДСТВЕННОЙ ИЗМЕНЧИВОСТИ (Н.И. Вавилова): «1. Виды и роды, генетически близкие, характеризуются сходными рядами наследственной изменчивости с такой правильностью, что, зная ряд форм в пределах одного вида, можно предвидеть нахождение параллельных форм у других видов и родов. Чем ближе генетически расположены в общей системе роды и линнеоны ( виды- Н.Р.), тем полнее сходство в рядах их изменчивости. 2. Целые семейства растений в общем характеризуются определенным циклом изменчивости, проходящей через все роды и виды, состовляющее семейство» (Вавилов Н.И. Избр. соч. М., 1966 С. 84) В современной формулировке: «Родственные виды, роды, семейства и т. к. обладают гомологичными генами и порядками генов в хромосомах, сходство которых тем полнее, чем эволюционно ближе сравниваемые таксоны. Гомология генов у родственных видов проявляется в сходстве рядов их наследственной изменчивости» (Природа. 1987. .М 10. С. 65). З г. р. в н. и. важен как предпосылка для формулирования системопериодического закона и понимания эколого-классификационных закономерностей в формировании природных систем, их биогеографического районирования. Гомологические ряды, аналогичные генетическим имеются и среди экосистем, сформировавшихся в сходных условиях существования. Примечание. Гомологические ряды возникают на основе эволюционного родства и того обстоятельства, что на близкие воздействия природные системы дают сходный цвет. Странное на первый взгляд «однообразие» (отсутствие «фантазии» у природы) объясняется жесткими ограничениями, налагаемыми как надсистемами, так и соответствующими подсистемами. 53 Напр., структура растения ограничена внешними физическими, химическими, биологическими и информационными факторами (солнечный свет, диапазон почвенных разностей и т. п.) и общими для всех растений аматомо-физическими особенностями. ЗАКОН ЕСТЕСТВЕННОИСТОРИЧЕСКИЙ –– внутренняя устойчивая связь явлений природы, обусловливающая их существование и развитие: необходимое, существенно, устойчиво повторяющееся отношение между явлениями: направленность или порядок следования событий во времени. З. е. может быть менее общим, действующим в ограниченной области, более общим и всеобщим, универсальным. Диалектический материализм исходит из того, что З. е. имеет объективный характер. ЗАКОН ИСТОРИЧЕСКОЙ НЕОБРАТИМОСТИ –– процесс развития человечества как целого не может идти от более поздних фаз к начальным, т.е. общественно-экономические формации не могут сменяться в обратном порядке. Отдельные элементы социальных отношений (напр., рабство) в истории повторялись, возможно повторение и уклада хозяйства (возвращение от оседлого к кочевому хозяйству), но общий процесс развития однонаправлен. З.и.н. есть объективное следствие, вытекающее из диалектического материализма. ЗАКОН КИРАЛЬНОЙ ЧИСТОТЫ (Л. Пастера) — живое вещество состоит из кирально чистых структур. Напр., сахара, вырабатываемые живыми организмами, всегда поляризуют свет вправо и только вправо. З. к. ч.— очень важный частный случай более общего закона физикохимического единства живого вещества (В. И. Вернадского). ЗАКОН КОНСТАНТНОСТИ (В. И. Вернадского) — количество живого вещества биосферы (для данного геологического периода) есть константа. З.к. тесно связан с законом внутреннего динамического равновесия, являясь количественным выражением для масштабов всей биосферы Земли. Согласно З.к., любое изменение количества живого вещества в одном из региона биосферы неминуемо влечет за собой такую же по размеру его перемену в каком-либо регионе, но с обратным знаком. Полярные изменения могу быть использованы в процессах управления природой, но следует учитывать, что не всегда происходит адекватная замена, О6ычно высокоразвитые экосистемы вытесняются другими, стоящими на относительно эволюционно (для экосистем –– сукцессионно) более низком уровне (и крупные организмы более мелкими), а полезные для человека формы — менее полезными, нейтральными или даже вредными. Следствием из З. к. является правило обязательного заполнения экологических ниш, а косвенно и принцип заключения ( Г.Ф.Гаузе). 54 ЗАКОН КОРРЕЛЯЦИИ (Ж. Кювье) –– в организме, как целостной системе все его части соответствуют друг другу как по строению (закон соподчинения органов), так и по функциям (закон соподчинения функций). Изменение одной части организма или отдельной функции неизбежно влечет за собой изменение других частей и функций. Для экологии З. к. имеет значение как аналог и смысловая предпосылка для формулирования Закона эко-логической корреляции и Закона внутреннего динамического равновесия. ЗАКОН МАКСИМИЗАЦИИ ЭНЕРГИИ (Г. и Э. Одумов) –– в соперничестве с другими системами выживает (сохраняется) та из них, которая наилучшим образом способствует поступлению энергии и использует максимальное ее количество наиболее эффективным способом. С этой целью система: 1) создает накопители (хранилища) высококачественной энергии; 2) затрачивает (определенное количество.— Н. Р.) накопленной энергии на обеспечение поступления новой энергии; 3) обеспечивает кругооборот различных веществ; 4) создает механизмы регулирования, поддерживающие устойчивость системы и ее способность приспособления к изменяющимся условиям; 5) налаживает с другими системами обмен, необходимый для обеспечения потребности в энергии специальных видов (Одум Г., Одум Э. Энергетический базис человека и природы. М., 1978. С. 72—73). Следует заметить, что З. м. э. справедлив и в отношении информации, поэтому его можно рассматривать и как З. м. э. информации: наилучшими шансами на самосохранение обладает система, в наибольшей степени способствующая поступлению, выработке и эффективному использованию энергии и информации. Максимальное поступление вещества как такового не гарантирует успеха системе в конкурентной группе др. аналогичных систем. ЗАКОН МАКСИМУМА БИОГЕННОЙ ЭНЕРГИИ (В. И. Вернадского, Э. С. Бауэра) — любая биологическая и «биокосная» система (система с участием живого), находясь в состоянии «устойчивой неравновесности», т. е. динамического подвижного равновесия с окружающей ее средой, и эволюционно развиваясь, увеличивает свое воздействие на среду. Примечание. З.м.6.э. сформулирован на основе биогеохимических принципов В. И. Вернадского: «…б. Геохимическая биогенная энергия стремится в биосфере к максимальному проявлению (первый биогеохимический принцип). 7. При эволюции видов выживают те организмы, которые своей жизнью увеличивают биогенную геохимическую энергию (второй биогеохимический принцип)» (Вернадский В. И. Проблемы биогеохимии // Тр. биогеохимической лаборатории. 1980. Т. 16. С. 260). 55 Эти принципы В. И. Вернадского дополнены положениями «устойчивой неравновесности» биологических систем Э. С. Бауэра: «Живые системы никогда не бывают в равновесии и исполняют за счет своей свободной энергии полезную работу против равновесия, требуемого законами физики и химии при существующих внешних условиях» (Бауэр Э. С. Теоретическая биология. М.— Л., 1935. С. 43) и максимума эффекта внешней работы в ответ на полученную из внешней среды единицу энергии. (Следует иметь а виду, что Э. С. Бауэр понимал термины «равновесие» как физическое состояние абсолютного покоя, а «динамическое равновесие» в химическом, смысле — как состояние неизменности системы при отсутствии внешних воздействий. Ныне термин «динамическое равновесие» трактуется как квазистационарное:, состояние, гомеостаз, колебания вокруг определенного вещественноэнергетического уровня, сопровождающиеся непрерывным изменением системы, т. е. как «устойчивая неравновесность» Э. С. Бауэра.) З.м.б.э., как и Закон увеличения размеров... Копа и Денера, внешне служит антиподом Принципа направленности эволюции (Л. Онсагера), так как увеличение массы отдельных особей видов и их совокупного воздействия на среду, как и увеличение биогенной энергии (т. е. также воздействие организмов на среду жизни, снижает энтропию био- и экосистем лишь на первых (эволюционно восходящих) этапах процесса, ведущих к некоторому оптимальному состоянию (максимально рациональному размеру, сукцессионной фазе климакса и т. п.), далее возникают противоречия между надсистемой и системой (или системой и подсистемой, в зависимости от масштаба подхода), напр., между меняющимися глобально-космическими условиями, экзосферой планеты и ее биосферой или между измененным биотопом и старым биоценозом, и требуется новый максимум биогенной энергии для данных условий (он может быть в конкретных условиях и ниже, чем предыдущий максимум). Однако внешняя противоположность упомянутых теоретических обобщений термодинамически их объединяет, поскольку во всех случаях выдерживается правило минимума энтропии в биосистеме (экосистеме), иначе она погибла бы до перехода в иное состояние (не дала бы потомства или преемственных экосистем). З.м.б.э. служит обширным частным случаем Закона максимизации энергии —для эволюции и развития биосистем и систем с участием живого. Он был сформулировал намного раньше этого закона и фактически, несмотря на более частную формулировку, служит его полноценным предшествевнникомэквивалентом. При кажущейся отвлеченности З. м. б. э. играет большую роль в понимании биосферно-экосистемных процессов, давая вместе с другими фундаментальными положениями основу для разработки стратегии природопользования, выработки рациональной экополитики. 56 ЗАКОН МИГРАЦИИ РЕЧНОГО РУСЛА (К. М. Бэра — Ж. Бабине) –– реки в результате отклоняющего действия вращения Земли вокруг ее оси имеют тенденцию смещать свое русло в сев. полушарии вправо, а в южн.–– влево. В результате у рек сев. полушария правый берег крут в обрывист, а левый, откуда река отступает, пологий к низкий. ЗАКОН (Ы) МИНИМУМА (Ю. Либиха) –– основной закон: выносливость организма определяётся самым слабым звеном в цепи его экологических потребностей, т е. жизненные возможности лимитируют экологически факторы, количество и качество которых близки к необходимому организму или экосистеме минимуму; дальнейшее их снижение ведет к гибли организма или деструкции экосистемы. Дополнительное правило взаимодействия факторов: организм в определенной мере способен заменить дефицитное вещество или другой действующий фактор иным функционально близким веществом или фактором (напр., одно вещество другим, функционально и химически близким). Примечание. Выяснение слабого звена цепи чрезвычайно важно в экологическом прогнозировании, планировании и экспертизе проектов. Правило взаимодействия факторов позволяет рационально производить замену дефицитных веществ и воздействий на менее дефицитные, что важно в процессах эксплуатации природных ресурсов. ЗАКОН НАПРАВЛЕННОСТИ ЭВОЛЮЦИИ — общий ход эволюции всегда направлен на приспособление к геохронологически меняющимся условиям существования и ограничен ими. З. н. з. вместе с принципом направленности эволюции (Л. Онсагера) объясняет, почему наблюдается закономерное изменение форм живого (направленность доминирует над случайностью, хотя изменчивость в ряде случаев случайна). ЗАКОН (ПРАВИЛО) НЕОБРАТИМОСТИ ЭВОЛЮЦИИ (Л. Долло) — организм (популяция, вид) не может вернуться к прежнему состоянию, уже осуществленному в ряду его предков. В экологии З. н. э. тесно связан с 3-м следствием закона внутреннего динамического равновесия. Очевидно, З. н. э. должен быть распространен на иерархию экологических систем, которые также в эволюционном ряду не могут повторяться хотя бы в силу того, что эволюционно неповторимы организмы, их составляющие. ЗАКОН НЕОБХОДИМОГО РАЗНООБРАЗИЯ — любая система не может сформироваться из абсолютно одинаковых элементов. Из этого 57 закона вытекает закон неравномерности развития систем, поскольку это один из способов увеличения разнообразия, а также закон (правило) полноты составляющих (компонентов, элементов) системы и правило оптимальной компонентной дополнительности. ЗАКОН (ЗАКОНОМЕРНОСТЬ) НЕОГРАНИЧЕННОСТИ ПРОГРЕССА — развитие от простого к сложному неограниченно. В пределах биологической формы движения материи З. н. п. может быть сформулирован как вечное, непрерывное и абсолютно необходимое стремление живого к относительной независимости от условий среды существования. То же наблюдается в рамках социальной формы движения материи. Примечание. З. н. п. не следует понимать буквально, так как никакие организмы в тон числе человек, не могут полностью освободиться от воздействия среды жизни (см. Правило соответствия условий среды генетической предопределенности организма). Каждая новая, более эвлюционно-исторически высокая форма движения материи лишь затушевывает (в философии говорят «снимает») действие законов более низких форм движения материи, но не отменяет их. З.н.п. предполагает, что всегда можно найти новые пути развития, если не допускать крупных катастроф. В частности, многие проблемы решаются методом альтернативы. Напр., наведение засухоустойчивых сортов хлопчатника, выращиваемых на богаре, вместо увеличения водопользования при расширении хлопковых плантаций. ЗАКОН НЕРАВНОМЕРНОСТИ РАЗВИТИЯ СИСТЕМ, или ЗАКОН РАЗНОВРЕ-МЕННОСТИ РАЗВИТИЯ (ИЗМЕНЕНИЯ) ПОДСИСТЕМ В БОЛЬШИХ СИСТЕМАХ — системы одного уровня иерархии (как правило подсистемы системы более высокого уровня организации) обычно развиваются не строго синхронно: в то время как одни из них достигли более высокого уровня развития, другие еще остаются в менее развитом состоянии. Напр., эволюционный уровень развития видов различен, экосистемы суши имеют разную эволюционную и историческую давность формирования, общественно-экономическое развитие народов и государств в различных частях планеты неравномерно и т. д. Значение обсуждаемого закона для природопользования в том, что он запрещает абсолютное однообразие (так же как и закон необходимого разнообразия), пространственно создаваемое человеком (напр., сплошная распашка, т. е. равномерное предельное сукцессионное омоложение экосистем на огромных площадях), а в области управления производством «требует» неравномерного внимания к его различным сторонам, в том числе неравномерности капиталовложений для повышения эффективности хозяйства. 58 Примечание. Закон неравномерности развития систем в виде биологического закона аллометрии был сформулирован Дж. Хаксли в 30-х годах ХХ в. и характеризовал отклонения в равномерности пропорционального развития организмов как патологическую аномалию. Однако относительная неравномерность развития, созревания и старения органов характерна и для самого организма, что особенно заметно в процессах акселерации. Очевидно, и в комплексе физического здоровья человека отдельные системы органов требуют особого внимания по сравнению с остальными. ЗАКОН ОБЕДНЕНИЯ РАЗНОРОДНОГО ЖИВОГО ВЕЩЕСТВА В ОСТРОВНЫХ ЕГО СГУЩЕНИЯХ (Г. Ф. Хильми) — «индивидуальная система, работающая в... среде с уровнем организации, более низким, чем уровень самой системы, обречена: постепенно теряя свою структуру, система чёрез некоторое время растворится в окружающей... среде» (Хильми Г. Ф. Основы физики биосферы. Л., 1966. С. 272). Примечание. Исходя из этого закона, для осуществления охраны исчезающих видов, как частей живого вещества, и редких биотических сообществ в пределах особо охраняемых природных территорий, находящихся среди природы, нарушенной человеком (среди монокультур и пр.), необходима достаточно обширная территория. Из этого же закона следует, что любые сложные биотические сообщества, сохраненные на незначительных пространствах, обречены на постепенную деградацию. В практике природопользования рассматриваемый закон диктует необходимость создания буферных зон как при ведении интенсивного хозяйства, так и особенно при создании заповедников, долгосрочных заказников и др. особо охраняемых территорий для обеспечения высокой надежности их функционирования. В целом закон дает ключ для разработки целенаправленной стратегии управления живой природой ее количественного и качественного обеднения. ЗАКОН (Ы) ОБ ОХРАНЕ ПРИРОДЫ — свод основных юридических норм, регулирующих государственные мероприятия, направленные на охрану, рациональное использование и расширенное воспроизводство природных ресурсов. ЗАКОН ОБЪЕМОВ — в глубинных слоях земной коры образуются минералы и их комбинации с меньшим молекулярным объемом (атомный вес, деленный на удельный вес), чем в верхних ее слоях. З. о.— частный случай принципа Ле Шателье — Брауна — существен для понимания залегания вещества Земли в условиях глубинного метаморфизма. ЗАКОН ОГРАНИЧЕННОСТИ ПРИРОДНЫХ РЕСУРСОВ –– все природные ресурсы (и условия) Земли конечны. Закон основан на том, что, поскольку планета представляет собой естественно ограниченное целое, на ней не могут существовать бесконечные части. Следовательно, категория «неисчёрпаемых» природных ресурсов возникла по недоразумению. К этим ресурсам относят, напр., 59 энергетические, полагая, что солнечная энергия даёт практически неисчерпаемый источник получения полезной энергии. Ошибка состоит в том, что не учитываются ограничения, накладываемые самой энергетикой биосферы, антропогенное изменение которой сверх допустимого предела по правилу одного процента чревато серьезными последствиями. Искусственное привнесение энергии в биосферу в наше время достигло уже значений, близких к предельным (отличающихся от них не более чем на 1 математический порядок — в 10 раз). ЗАКОН ОДНОНАПРАВЛЕННОСТИ ПОТОКА ЭНЕРГИИ — энергия, получаемая сообществом (экосистемой) и усваиваемая продуцентами, рассеивается или вместе с их биомассой необратимо передается консументам первого, второго и т. д. порядков, а затем редуцентам с падением потока на каждом из трофических уровней в результате процессов, сопровождающих дыхание. Поскольку в обратный поток (от редуцентов к продуцентам) поступает ничтожное количество изначально вовлеченной энергии (не более 0,25%), говорить о «круговороте энергии» нельзя. ЗАКОН ОПТИМАЛЬНОСТИ — с наибольшей эффективностью любая система функционирует в некоторых пространственно-временных пределах (или: никакая система не может сужаться и расширяться до бесконечности). Фундаментальное положение теории систем, связанное с тем, что размер любой системы должен соответствовать ее функциям. Напр., млекопитающее не может быть мельче и крупнее тех размеров, при которых оно способно рождать живых детенышей и вскармливать их своим молоком. Никакой целостный организм не в состоянии превысить критические размеры, Обеспечивающие поддержание его энергетики (у животных они зависят от поиска достаточного количества пищи, у растений они определяются скоростью усвоения и передачи питательных веществ). З. о. тесно связан с законом увеличения размеров и веса (массы, роста) организмов в прогрессивной филогенетической ветви (Копа и Денера) и с законом обеднения разнородного живого вещества в островных его сгущениях (Г. Ф. Хильми). Примечание. Согласно З. о., любая сверхкрупная (для системного размера) однородность распадается на функциональные части (подсистемы), размеры которых могут быть различными. При значительном числе и разнородности элементарных составляющих (напр., видов в тропическом лесу) монотонная с виду экосистема может занимать огромные пространства, так как повторения элементарных комбинаций в ней чрезвычайно редки (два дерева одного вида в очень богатом видами тропическом лесу соседствуют как исключение, обычно они широко разбросаны по территории). При относительной бедности элементов (в северной лесной полосе) возникают закономерные территориальные смены 60 сообществ (а долинах рек — одни растения в животные, на водоразделах — другие и т. д.) или резкие сезонные аспекты (в степи, в тундре), меняющие функциональные свойства экосистемы, разбивающие ее на части если не в пространстве, то во времени. В природопользовании З. о. диктует необходимость поиска наилучших с точки зрения продуктивности размеров для культивируемых полей, выращиваемых растений, с.-х. животных и т. п. В некоторых случаях общий пахотный клин приходится разбивать на индивидуальные поля, засеиваемые различными культурами или в разное время. Многопольные системы земледелия (засевание одних полей и оставление других под паром) основываются на эмпирическом (опытном) знании 3. о. Игнорирование З.о. в природопользовании — создание огромных площадей лесных и с.-х. монокультур‚ «выравнивание» среды массовой застройкой и т.п. –– приводит к неестественному ее однообразию на слишком больших пространствах, что вызывает функциональные срывы. Как правило, они выражаются в геофизических или биологических аномалиях — климатических (микро- и мезо-) перемена, массовых размножениях организмов и т. п. явлениях. При этом очень жестко действует и Закон внутреннего динамического равновесия со всеми его следствиями. Все это заставляет четко следовать З.о. в природопользовании, выявляя оптимальные размеры всех эксплуатируемых природных систем. В силу их разнокачественности и разнообразия условий этой среды эти размеры всегда конкретны и не могут быть жестко заданны. Существует лишь придержки, на основе которых производится экологическое (или «экологизированное») проектирование (районные планировки, планы землепользования и др.). ЗАКОН ПАДЕНИЯ ПРИРОДНО-РЕСУРСНОГО ПОТЕНЦИАЛА –– в рамках одной общественно-экономической формации (способа производства) и одного типа технологий природные ресурсы делаются все менее доступными и требуют увеличения затрат труда и энергии на их извлечение и транспортировку. Примерами могут служить минеральные богатства, истощающиеся в густонаселенных и комфортных областях планеты, добываемые из все более глубоких пластов, с.-х. производство, куда вкладывается относительно большое количество (до 20% от производимой) энергии гидрогеологическое хозяйство, страдающее от все более глубокого залегания (истощения) подземных вод и т. д. ЗАКОН (ПРАВИЛО) ПЕРЕХОДА В ПОДСИСТЕМУ (ПРИНЦИП КООПЕРАТИВНОСТИ) –– саморазвитие любой взаимосвязанной совокупности, ее формирование в систему приводят к включению ее как подсистемы в образующуюся или существующую надсистему — относительно однородные системные единицы образуют общее целое. Примеры: популяции и сообщества в природе, промышленные объединения в экономике, различные формы кооперации и т. п. «Кооперативный эффект» проявляется на всех уровнях организации 61 материи, и его часто называют системным или системообразующим эффектом. Примеры: образование глобальной антропосистемы, формирование иерархии экосистем и вообще систем и др. В природопользовании обсуждаемый закон необходимо учитывать как при управлении природными ресурсами, так и при организации самого использования природных ресурсов, так как «кооперативный эффект» дает значительный вещественно-энергетический выигрыш. Это касается и мирового сообщества государств, для которого кооперация усилий — один из путей выхода из экологических затруднений и др. кризисных явлений. ЗАКОН ПЕРИОДИЧЕСКИЙ ГЕОГРАФИЧЕСКОЙ ЗОНАЛЬНОСТИ (А. А. Григорьева — М. И. Будыко) — со сменой физико-географических поясов аналогичные ландшафтные зоны и их некоторые общие свойства периодически повторяются. Установленная законом периодичность проявляется в том, что величины индекса сухости меняются в разных зонах от 0 до 4—5, трижды между полюсами и экватором они близки к единице - этим значениям соответствует наибольшая биологическая продуктивность ландшафтов. ЗАКОН ПЕРИОДИЧЕСКИЙ ХИМИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ (Д. И. Менделеева) — свойства химических элементов (проявляющиеся в простых веществах и соединениях) находятся в периодической зависимости от заряда ядер их атомов. Заряд атомного ядра равняется атомному (порядковому) номеру химического элемента в периодической системе элементов. В экологии З. п. х. э., как и закон гомологических рядов..., важен как одно из важнейших проявлений системопериодического закона. ЗАКОН ПИРАМИДЫ ЭНЕРГИЙ (Р. Линдемана) –– с одного трофического уровня эко-логической пирамиды переходят на др. ее уровень в среднем не более 10% энергии. З. п.э позволяет дёлать расчеты необходимой земельной площади для обеспечения населения продовольствием и др. эколого-экономические подсчеты. ЗАКОН (ПРАВИЛО) ПОЛНОТЫ СОСТАВЛЯЮЩИХ (компонентов, элементов) СИСТЕМЫ — При распространении этого закона на все системы его можно сформулировать следующим образом: число функциональных составляющих системы и связей между ними должно быть оптимальным — без недостатка и избытка. ЗАКОН ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТИ ПРОХОЖДЕНИЯ ФАЗ РАЗВИТИЯ — фазы развития природной системы могут следовать лишь в эволюционно закрепленном (исторически экологически обусловленном) порядке, обычно от относительно простого к сложному, как правило, без выпадения промежуточных этапов (но, возможно, с очень быстрым их прохождением или эволюционно закрепленным отсутствием). Напр., метаморфоз насекомых с полным превращением может идти лишь в направлении яйцо — личинка — куколка — имаго без выпадения или смен последовательности любой из фаз. Этот закон— логическое следствие 62 диалектической историчности природы: ничто не может индивидуально сначала умереть, а потом лишь родиться или пройти развитие от старости к молодости. Это следует особо четко осознавать при рассмотрении экологических процессов типа сукцессии. Примечание. З, п. п. ф. р. нередко игнорируют, напр. пытаясь вырастить хвойные лесные культуры там, где, согласно природному алгоритму смены пород, им должны предшествовать в сукцессионном процессе др. виды древесных растений. Иногда такие культуры удается вырастить, но они либо заболевают, либо оказываются столь не жизнестойкими, что погибают от малейших отклонений в среде жизни. Как общесистемный З. п. п. ф. р. приложим и к социально-экономическому развитию. В области природопользования он указывает на то, что нельзя «обходить» все этапы развития. Напр., бессмысленно бороться с развитием автомобилизации, вообще с общественно обусловленными формами природопользования. Их в случае необходимости можно и нужно «смягчать» по негативному воздействию на природу (через нее и на человека), но развивать приходится обязательно. ЗАКОН РАВНОЗНАЧНОСТИ ВСЕХ УСЛОВИЙ ЖИЗНИ –– все природные условия среды, необходимые для жизни, играют равнозначную роль. Смысл 3. р. в. у. ж. совершенно очевиден, но он нередко игнорируется при планировании природопользования. Напр., при применении тяжелых с.-х. машин долго не учитывалось их воздействие на структуру почвы, гидрологический режим. Между тем именно в сельском хозяйстве особенно актуально применение частного случая 3. р. в. у. ж. –– Закона совокупности действия факторов. ЗАКОН РАДИОАКТИВНОГО РАСПАДА –– со временем число атомных ядер элемента убывает по экспоненте: N=N0E–λt , где N –– число атомов радиоактивного элемента, не распавшихся через интервал времени t; N0 –– число атомов данного элемента в любой, произвольно принятый за нулевой момент времени; λ — постоянная распада (статистическая распада атома за единицу времени, связанная с периодом полураспада Т1/2 соотношением =О,б93/Т1/2 ) данного радиоактивно элемента; Е— основание натуральных логарифмов. З. р. р. вероятностен, т.е. справедлив лишь статистически для очень большого числа распадающихся атомов. Он важен для определения абсолютного возраста геологических пород. ЗАКОН РАЗВИТИЯ ПРИРОДНОЙ СИСТЕМЫ ЗА СЧЕТ ОКРУЖАЮЩЕЙ ЕЕ СРЕДЫ –– любая природная система может развиваться только за счет материально-энергетических и информационных возможностей окружающей ее среды. Абсолютно изолированное саморазвитие невозможно. Закон есть следствие из начал термодинамики. Он имеет чрезвычайно важное теоретическое и практическое значение благодаря основным своим следствиям: 1. Абсолютно безотходное производство невозможно (оно равнозначно созданию «вечного» двигателя). 63 2. Любая более высокоорганизованная биотическая система (напр., вид живого), используя и видоизменяя среду жизни, представляет потенциальную угрозу для более низкоорганизованных систем (благодаря этому в земной биосфере невозможно повторное зарождение жизни - она будет уничтожена существующими организмами). 3. Биосфера Земли как система развивается не только за счет ресурсов планеты, но и непосредственно за счет и под управляющим воздействием космических систем (прежде всего Солнечной). Примечание. Согласно первому следствию мы можем рассчитывать лишь на малоотходное производство, поэтому первым этапом развития технологий должна быть их малая ресурсоемкость (как на входе, так и на выходе — экономность и незначительные выбросы), вторым этапом будет создание цикличности производств и третьим – организация разумного захоронения неминуемых остатков и нейтрализация неустранимых энергетических отходов. Согласно второму следствию рассматриваемого закона, воздействие человека на природу требует мероприятий по нейтрализации этих воздействий, поскольку они могут оказаться разрушающими для остальной природы и, согласно правилу соответствия условий среды генетической предопределенности организма, угрожают и самому человеку. В связи с этим охрана природы — одна из обязательных составляющих социальноэкономического развития высокоразвитого общества. Третье следствие закона имеет особое значение для долгосрочного прогнозирования. Оно должно учитываться при рассмотрении всех процессов, происходящих на Земле. Однако необходимо сознавать, что космические воздействия преломляются земными процессами, и выявление здесь прямых связей носит вероятностный характер. Напр., в годы высокой солнечной активности не обязательно будет проявляться весь аспект явлений, наблюдавшихся в предыдущий цикл такой же активности светила. Они лишь могут возникнуть и статистически вероятны. ЗАКОН (ЗАКОНОМЕРНОСТЬ) РАСТУЩЕГО ПЛОДОРОДИЯ УРОЖАЙНОСТИ ––агротехнические и др. прогрессивные приемы ведения сельского хозяйства, появляющиеся в практике земледелия, ведут к увеличению урожайности полей. (Само плодородие как свойство почв не увеличивается, поэтому правильнее говорить о закономерности, или тенденции, растущей урожайности полей). В истории человечества наблюдалось постепенное увеличение урожайности, однако неравномерное. Во времена Древнего Рима средняя урожайность зерновых достигала 15 ц/га, позже средние урожаи тут были намного ниже (7—8 ц/га). Сейчас в наиболее развитых странах Западной Европы они держатся па уровне 50—60 и до 80 ц/га. Высокие урожаи обеспечиваются огромными энергетическими вложениями, порой угрожающими серьезными экологическими последствиями, если, конечно, 64 не учитываются экологические ограничения и объективные законы природы. Закон справедлив для исторических периодов возможного роста в практически не лимитированных системах. При любых ограничениях в энергетике, вещественном составе и информации природных систем рост урожайности в рамках существующих технологий прекращается, и человечество переходит к новым агроприемам, вновь снимающим ограничения и дающим возможность для дальнейшего увеличения урожайности. При этом резко возрастает количество используемой энергии. Примечание. Как указано выше, 3. р. п.— у. исторически ограничен. Не исключено, что в древности урожаи зерновых культур превышали современные рекорды. В древних хрониках возможны преувеличения и не исключена неточность при переводе из единицы сам-столько-то в абсолютную урожайность (в древности могли сеять не по 2 ц/га зерновых, а меньше), но и в этом случае урожаи была очень высокими при минимуме технических средств обработки земли. ЗАКОН СИСТЕМОГЕНЕТИЧЕКИЙ — многие природные системы ( в том числе геологические образования, особи, биотические сообщества и др.) в индивидуальном развитии повторяют в сокращенной форме эволюционный путь развития своей системной структуры. З. с. обусловливает необходимость учета при управлении природными процессами закономерного прохождения ими определенных (в том числе промежуточных) фаз, исключение которых ведет к невозможности достижения желаемых целей. Напр., восстановление леса в тайге нередко происходит со сменой пород: сначала прорастают кустарники, затем лиственные деревья, затем хвойные деревья, замещаемые основными лесообразоватеями ( в горной Сибири: кустарники — береза или осина — сосна — кедр или пихта; в равнинной Сибири: кустарники — береза или осина — ель). Если желательно ускорение процесса восстановления темнохвойных лесов (кедрово-пихтовых), предыдущие фазы, подготавливающие условия для их произрастания, не следует слишком резко искусственно укорачивать. Это приведет лишь к задержке в достижении цели. ЗАКОН СИСТЕМОПЕРИОДИЧЕСКИЙ — принципы структурного построения и управления однородных природных систем в иерархическом соподчинении, и особенно сложения таких же природных систем одного уровня организации (иерархии), повторяются с некоторой правильностью зависимости от действия единого (комплекса) системообразующего фактора. Частными проявлениями этого общего закона служит периодический закон химических элементов (единый фактор — заряд атомного ядра), и закон гомологических рядов… (единый фактор — генетическая структура) и др. сходные закономерности. Этот закон имеет значение для прогнозирования поиска аналогичных систем и составления 65 их период таблиц (такие таблицы возможны не только для химических элементов). Предпосылкой для этой работы служит составление схемы глобальной иерархии природных систем. Значение подобных исследований огромно, так как они служат основой для более глубокого понимания сложения и функционирования природных систем, их соподчиненности, дают количественные выражения для закона оптимальности. ЗАКОН (ЗАКОНОМЕРНОСТЬ) СНИЖЕНИЯ ПРИРОДОЕМКСТИ ГОТОВОЙ ПРОДУКЦИИ –– удельное содержание природного вещества и усредненной единице общественного продукта исторически неуклонно снижается (филос.) Это не означает, что вовлекается меньше природного вещества в процесс производства.. Наоборот, его количество увеличивается – выбрасывается до 95—98% потребляемого в производстве природного вещества. Однако в конечных аналогичных продуктах общественного производства вероятно, в наши дни усреднено меньше природного вещества, чем в отдаленном прошлом. Объясняется это миниатюризацией изделий, заменой естественных материалов и продуктов синтетическими, сменой вещественных отношений информационными (напр., вместо поездки за информацией — сначала письма, затем телеграф, наконец, радио и телевидение) и др. явлениями. Поскольку точных расчетов пока не сделано (методически они затруднительны), 3. с. п. г. п. имеет характер экспертного умозаключения. ЗАКОН СНИЖЕНИЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРИРОДОПОЛЬЗОВАНИЯ — с ходом исторического времени при получении из природных систем полезной продукции на ее единицу в среднем затрачивается все больше энергии. (Увеличиваются и энергетические расходы на одного человека.) Расход энергии па одного человека (в ккал/сут.) в каменном веке был порядка 4 тыс., в аграрном обществе — 12 тыс., в индустриальную эпоху — 70 тыс., а в передовых развитых странах Настоящего времени — 230— 250 тыс., т. е. в 58—62 раза больше, чем у наших далеких предков. С начала нашего века количество энергии, затрачиваемое на 1 единицу с.-х. продукции, в развитых странах мира возросло в 8—10 раз, на 1 единицу промышленной продукции — в 10—12 раз. Общая энергетическая эффективность с.-х. производства (соотношение вкладываемой и получаемой с готовой продукцией энергии) в промышленно развитых странах примерно в 30 раз. ниже, чем при примитивном земледелии. В ряде случаев увеличение затрат энергии на удобрения обработку полей в десятки раз приводит к незначительному (на 10-15%) повышению урожайности. Подосновой З. е. э. э. п. служит принцип Ле Шателье — Брауна и Закон внутреннего динамического равновесия. Закон перекликается с четвертым «законом» экологии Б. Коммонера: «Ничего не дается даром». 66 Закон имеет еще одно весьма важное практическое следствие: рост энергических затрат не может продолжаться бесконечно. Значит, можно рассчитать вероятный момент неизбежного перехода на новые, энергосберегающие технологии промышленного и с.–х. производства избежав тем самым термодинамического (теплового) и экологического кризиса. З. е. э. э. п. в самом общем виде сформулировал украинский экономист-марксист прошлого века С. А. Подолинский ЗАКОН СОВОКУПНОСТИ (СОВМЕСТНОГО) ДЕЙСТВИЯ ПРИРОДНЫХ ФАКТОРОВ (Э. Митчерлиха — А. Тинемана –– Б. Бауле): 1) величина урожая зависит не от отдельного, пусть даже лимитирующего фактора, но от всей совокупности экологических факторов одновременно. Вес (коэффициент действия) каждого отдельного фактора в их совокупном влиянии различен и может быть подсчитан. Хотя рассматриваемая закономерность справедлива лишь для случая монотонного действия при условии максимального проявления каждого фактора при неизменности остальных в рассматриваемой совокупности, она весьма существенна в прикладной экологии и природопользовании. Ее учет показывает, что в рамках многофакторного анализа при стабильности значений всех других воздействий влияние одного фактора после достижения пика неминуемо снижается; 2) тот из необходимых факторов окружающей природной среды определяет плотность популяции биологического вида (от нуля до максимальной численности) который действует на стадию (фазу) развития организмов, имеющую наименьшую экологическую валентность, притом воздействует в количестве и с интенсивностью наиболее далеко отстоящими от оптимума, необходимого виду на данной стадии (фазе) развития. В такой формулировке закон справедлив лишь при условии, что организмы сами активно не избирают необходимое им из окружающей их среды и не способны изменять ее. ЗАКОН СОГЛАСОВАНИЯ РИТМИКИ ЧАСТЕЙ (подсистем), или ЗАКОН СИНХРОНИЗАЦИИ И ГАРМОНИЗАЦИИ СИСТЕМНЫХ СОСТАВЛЯЮЩИХ — в системе как самоорганизованном единстве индивидуальные характеристики подсистем согласованы между собой. Иллюстрациями конкретными проявлениями этого общесистемного закона служит закон корреляции Ж. Кювье и закон экологической корреляции. ЗАКОН СООТВЕТСТВИЯ МЕЖДУ УРОВНЕМ РАЗВИТИЯ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНЫХ СИЛ И ПРИРОДНО-РЕСУРСНЫМ ПОТЕНЦИАЛОМ – развитие производительных сил происходит относительно постепенно до момента резкого истощения природноресурсного потенциала-2, который характеризуется как экологический кризис. Кризис разрешается через революционное изменение производительных сил (техническая, промышленная революция). 67 ЗАКОН СООТВЕТСТВИЯ ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ ОТНОШЕНИЙ ХАРАКТЕРУ И УРОВНЮ РАЗВИТИЯ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНЫХ СИЛ ”В общественном производстве своей жизни люди вступают в определенные, необходимые, от их воли не зависящие отношения – производственные отношения, которые соответствуют определенной ступени развития их материальных производительных сил” (Маркс К., Энгельс Ф. Соч. Т. 13. С. б.) Противоречие между производительными силами и производственными отношениями приводят к социальноэкономическому кризису, который разрешается в ходе социальной революции. В условиях общего кризиса капитализма в числе кризисных явлений выступает и глобальный экологический кризис (в который вовлечены и социалистические страны, поскольку экологические воздействия, как и все другие глобальные природные явления, ”не признают” государственных границ). Экологический аспект 3.с.п.о.х.у.р.п.с. возникает в связи с тем, что эколого-социальноэкономическое развитие (социоэкологической системы)подчиняется динамической формуле: Природно-ресурсный Производственные потенциал Производительные силы отношения Это было доказано еще классиками марксизма-ленинизма: “До тех пор пока существуют люди, история природы и история людей взаимно обуславливают друг друга”(Маркс К., Энгельс Ф. Соч. Т. 3. С. 16). ЗАКОН СУБЪЕКТИВНОЙ КОЛИЧСТВЕННОЙ ЦЕНКИ РАЗДРАЖИТЕЛЯ (Э. Вебера Г. Фехнера) — чем сильнее раздражитель, тем труднее субъективно оценить его количественно. Чем чувствительнее принимающее устройство, тем ниже предел, за которым наступает насыщение и перестают различаться оттенки раздражителя. Чем контрастнее фон, тем легче улавливается раздражение (напр., слабый источник света виден только в темноте). Закон имеет существенное значение для объяснения пределов развития некоторых признаков организмов, напр., предельного развития полового диморфизма (яркости окраски самцов, размеров рогов оленей и т. п.) в тех случаях когда явление не находит чисто механического или физиологического толкования. ЗАКОН СУКЦЕССИОННОГО ЗАМЕДЛЕНИЯ –– процессы, идущие в зрелых равновесных системах, находящихся в устойчивом состоянии, как правило, проявляют тенденцию к замедлению. Отсюда бесперспективность попыток «торопить» природу при хозяйственных мероприятиях без 68 выведения ее систем из равновесного состояния или создания др. особых условий для проведения хозяйственных акций. Напр., акклиматизация нового вида дает эффект на начальной фазе, особенно при благоприятном для вида антропогенном изменении природы (биотехнических мероприятиях и т. п.), но затем популяционный взрыв угасает, происходит саморегуляция на уровне экосистемы, н. если вид не становится массовым вредителем, то ёго хозяйственное значение резко снижается. Любой вид мелиорации первоначально дает увеличение продукции, но затем прирост сокращается, и продукция стабилизируется на некотором уровне. При осуществлении. Жестких природопользовательских акций (см. Управление жесткое), когда природные системы выводятся из равновесия, а затем стремятся к нему, следует учитывать постепенное падение биологической продуктивности и хозяйственной производительности угодий в ходе формирования нового равновесия. Это особенно актуально в тех случаях, когда устанавливается равновесие, нежелательное для экономики. Напр., устойчивым состоянием может оказаться максимальная засоленность полей при их орошении. Вместе с тем дальнейшее осолонение сверх какого-то масштаба будет идти медленнее, чем на первых этапах, если не привносится дополнительная для данной экосистемы вода. В связи с этим идея межбассейновой переброски вод рек Сибири в Среднюю Азию и северных рек на юг европейской территории СССР для целей орошения теоретически не только бесперспективна, но ее осуществление может вызвать переход к устойчивому состоянию засоления на значительно больших площадях, чем при имеющихся водных ресурсах. Экономический ущерб при этом достигнет, неоправданно больших размеров. ЗАКОН ТОЛЕРАНТНОТИ (В.Шелфорда) — лимитирующим фактором процветания организма (вида) может быть как минимум, так и максимум экологического воздействия, диапазон между которыми определяет величину выносливости (толерантности) организма к данному фактору. Смысл З. т. очевиден: грубо говоря, плохо и недокормить перекормить, все хорошо в меру. Его применение необходимо при оценке успешности культивирования растений, выращивания с.-х. животных, оценке возможностей акклиматизации диких видов и в др. подобных случаях З. т. определяет и положение, по которому любой избыток вещества или энергии оказывается загрязняющим среду. Так избыток воды даже в засушливых районах вреден, и вода может рассматриваться как обычный загрязнитель ,хотя в оптимальных количествах она тут полезна. «ЗАКОН» УБЫВАЮЩЕГО (естественного) ПЛОДОРОДИЯ: 1) в связи с постоянным изъятием урожая и нарушением естественных процессов 69 почвообразования, а так же при длительной монокультуре в результате накопления вредных веществ, выделяемых растениями, на культивируемых землях постепенно происходит снижение естественного плодородия почв; см. Почвоутомление. Этот процесс частично нейтрализуется накоплением биомассы подземных частей культурных растений, но главным образом внесением удобрений (создание искусственного плодородия). Ряд с.-х. культур (например, кукуруза) не выделяют токсичных для себя веществ, но не предохраняют почву от усиленной эрозии. К настоящему времени плодородие в той или иной степени потерянно приблизительно у 50% всех пахотных угодий мира (от 1,5-1,6 до 2 млрд га) при средней скорости потерь в 70-х годах 6,8, в 80-х ок. 7 млн га в год. Интенсификация сельского хозяйства позволяет получать все большие урожаи при меньших затратах человеческого труда и частично нейтрализовать действие «З».у. (е.)п.-1 но в то же время падает энергетическая эффективность производства (см. Закон снижения энергетической эффективности природопользования). Научно обоснованные приемы агротехники помогают расчетливо вести сельское хозяйство, сохранять и повышать с помощью улучшенной агротехники, рациональных севооборотах и др. методов почвенное плодородие (вернее, урожайность полей). Правильное применение этих методов позволяет не только сохранять существующую урожайность, но и даже увеличивать отдачу с единицы площади, что и выражается в противоположной исторической закономерности – законе растущего плодородия – урожайности; 2) каждое последующее прибавление какого либо полезного для организма фактора дает меньший результат, чем эффект, полученный от предшествующей дозы того же фактора, уже бывшего в достаточном (для организма) количестве. «З».у. (е.)п.-2 – частный случай доказывающий действенность закона минимума(Ю. Либиха)и закон толерантности (В. Шелфорда). Он справедлив в тех случаях количество, напр., удобрений на поля превышает способность растений их усваивать. Это приводит к вымыванию химических веществ и загрязнению (эфтрофикации) вод. Примечание. «З».у. (е.) п. в природопользовании не следует смешивать с законом убывающей отдачи. «ЗАКОН» УБЫВАЮЩЕЙ ОТДАЧИ (А. Тюрго-Т. Мальтуса)- приход на земельный участок дополнительного работника (т. е. удвоение числа лиц, обрабатывающих единицу с.-х. площади) не ведет к соответствующему (вдвое), а лишь дает получить некоторую его прибавку. Мальтус неверно считал это утверждение всеобщим экономическим законом. З. у. о. справедлив лишь при не заметном уровне развития производительных сил и производственных отношений, т. е. при отсутствии социально-экономического прогресса и стабильности 70 технологий. В другие периоды он не действует, так как снижение числа производителей с ростом научно-технической вооруженности может сопровождаться резким увеличением урожайности (см. закон (закономерность) растущего плодородия-урожайности),, однако при сопутствующем падении энергетической эффективности земледелия (см. закон снижения энергетической эффективности природопользования и Вложение энергии в земледелие) Примечание. Нередко З. у. о. в популярной литературе называют законом убывающего плодородия, что в природопользовании терминологически и понятийно неправомочно: в нем последнее явление имеет иное название. ЗАКОН (ЗАКОНОМЕРНОСТЬ) УВЕЛИЧЕНИЯ ОБОРОТА ВОВЛЕКАЕМЫХ ПРИРОДНЫХ РЕСУРСОВ — в историческом процессе развития мирового хозяйства быстрота оборачиваемости вовлеченных природных ресурсов (вторичных, третичных и т. п.) непрерывно возрастает на фоне относительного уменьшения объемов их вовлечения в общественное производство (относительно темпов роста самого производства). Ср. Закон (закономерность) снижения природоемкости готовой продукции. Закон указывает на увеличение интенсификации цикличности производства. В этом процессе требуется все больше энергии для ускорения оборачиваемости вовлеченных природных ресурсов, что служит одной из предпосылок действия закона падения энергетической эффективности природопользования. ЗАКОН УВЕЛИЧЕНИЯ РАЗМЕРОВ (роста) и ВЕСА (массы) ОРГАНИЗМОВ В ФИЛОГЕНЕТИЧЕСКОЙ ВЕТВИ (Копа и Денера) — «по мере хода геологического времени выживающие формы увеличивают свои размеры (а следовательно, и вес) и затем вымирают (Вернадский В. И. Живое вещество. М., 1978. С. 92). Происходит это потому, что, чем мельче особи, тем труднее им противостоять процессам энтропии (ведущим к равномерности распределения энергии), закономерно организовывать энергетические потоки для осуществления жизненных функций. Эволюционно размер особей поэтому увеличивается. Однако крупные организмы с большой массой требуют для поддержания этой массы значительных количеств энергии, фактически пищи. Борьба с энтропией приводит к укрупнению организмов, а это укрупнение вызывает отход от закона оптимальности в большую сторону и, как правило, к вымиранию слишком крупных организмов. Поскольку понятия крупный и мелкий имеют относительное значение (во отношению к факторам среды), могут вымирать и не гиганты, а лишь организмы, вышедшие за рамки закона оптимальности для данных условий. Закон Кони и Денера может иметь и отрицательный знак, т. е. в ряде случаев е ходом геологического времени 71 отдельные формы эволюционно мельчают, что дает им большие возможности для приспособления к среде обитания. Если они преступают в этом процессе закон оптимальности в меньшую сторону, они или вымирают или теряют четко выраженную биологическую форму организации, превращаясь в «полуживые» органические молекулы и их агрегаты типа некоторых вирусоподобных образовании. Закон Нона и Денера очень тесно связан с законом оптимальности. Для экологических систем, также эволюционирующих, он, видимо, тоже несправедлив: слишком мелкие из них теряют свое «лицо» и эволюционно исчезаю, а слишком крупные прогрессируют до достижения аномальных размеров и распадаются на более мелкие природные системы, теряя свою первоначальную гомогенность. Закон Копа и Денера объясняет массовое вымирание организмов (напр., древнейших пресмыкающихся) весьма незначительными естественными изменениями среды жизни без привлечения каких либо катастрофических причин (хотя вполне возможно и их действие — см. Принцип катастрофического толчка) В месте с тем он дает ключ к управлению такими экосистемами, которые являются объектами промысла. Так, массовая добыча криля в Мировом океане может сравнительно быстро сделать невозможным существование популяции китов (и так уже разреженной), так как при своих крупных размерах они нуждаются в высокой плотности расселения объектов их питания. Этот же закон вместе с законом оптимальности объясняет причину принципа обманчивого благополучия. Примечание. За приведенным законом, согласно формулировке В. И. Вернадского, закрепились имена Копа и Денера. Э. Коп (184О-1897) – американский зоолог палеонтолог. Никаких данных о Денере ни авторусоставителю словаря ни др. советским исследователям (см., напр., именной указатель в книге В. И. Вернадского «Живое вещество»в литературе обнаружить не удалось. Возможно, это описка В. И. Вернадского, а имеется в виду французский геолог и палеонтолог иностранный членкорреспондент АН СССР Ш. Деперэ (1854—1927). Однако пока утвердилось название «Закон Копа и Денера». ЗАКОН (ПРИНЦИП) УВЕЛИЧЕНИЯ СТЕПЕНИ ИДЕАЛЬНОСТИ (Г. В. Лейбница), или «ЭФФЕКТ ЧЕШИРСКОГО КОТА» (Льюиса Кэрролла) — гармоничность отношений между частями системы историко-эволюционно возрастает (система может сохранять функции при минимизации размеров ––кот тая с хвоста, уже исчез, а его улыбка еще видна). Общесистемный принцип, указывающий на то что человечество, превращаясь в глобальную геологическую силу, неминуемо должно консолидировать свои силы, перейти от конфронтации к сотрудничеству (что дает переход от экстенсивного к интенсивному росту качества). В технике этот принцип обуславливает тенденцию к миниатюризации габаритов устройств с сохранением (и развитием) их 72 функциональной значимости. Пример из природы – генетический код составлен всего четырьмя элементами, дающими практически неисчерпаемые разнообразия. ЗАКОН УПОРЯДОЧЕННОСТИ ЗАПОЛНЕНИЯ ПРОСТРАНСТВА И ПРОСТРАННСТВЕНН - ВРЕМЕННОЙ ОПРЕДЕЛЕННОСТИ –– заполнение пространства внутри природной системы в силу взаимодействия между ее подсистемами упорядоченно таким образом, что позволяет реализоваться гомеостатическим свойствам системы с минимальными противоречиями между частями внутри ее. Из этого закона следует невозможность длительного существования (ненужных) случайностей в природе, в том числе созданных человеком. Нарушение естественной упорядоченности заполнения пространства в природных системах в ходе их использования требует дополнительных средств и сил для их поддержания в продуктивном состоянии. (Это служит одной из причин действия закона снижения энергетической эффективности природопользования.) ЗАКОН УСКОРЕНИЯ ЭКОЛЮЦИЯ — скорость формообразования с ходом геологического времени увеличивается, а средняя длительность существования внутри более крупной систематической категории снижается; или: более высокоорганизованные формы существуют меньшее время, чем более низкоорганизованные. З. у. э., как и все подобные обобщения, не абсолютен, а вероятен. Его использование целесообразно в периоды между временными интервалами очевидного действия принципа катастрофического толчка, когда эволюция резко убыстряется. Ускорение эволюции предполагает и более быстрое исчезновение видов, их вымирание, которое, тем не менее, очевидно, шло с темпом, меньшим, чем формообразование. В результате число видов в составе биосферы в ходе ее эволюции росло. Увеличение скорости вымирания не следует путать с возрастанием темпов их истребления человеком. ЗАКОН УСЛОЖНЕНИЯ ( системной ) ОРГАНИЗАЦИИ ОРГАНИЗМОВ ( К.Ф. Рулье) –– историческое развитие живых организмов приводит к усложнению их организации путем нарастающей дифференциации функций и органов (подсистем), выполняющих эти функции. Распространение З.у.(с.)о.о. на более широкий круг природных систем, такое же усложнение наблюдается в развитии экосистем (а также многих социальных и технических систем). В экологии и природопользовании этот закон диктует необходимость сохранения возможностей для усложнения организации, понимание опасности ее искусственного обращения. З.у.(с.)о.о. входит в число тех законов эволюции К.Ф. Рулье. ЗАКОН ФИЗИКО–ХИМИЧЕСКОГО ЕДИНСТВА ЖИВОГО ВЕЩЕСТВА (В. И. Вернадского) — все живое вещество Земли физикохимически едино. Из З. ф.-х. е. ж. в. естественно вытекает следствие: вредное для одной части живого не может быть различно для другой его 73 части, или: вредное для одних видов существ вредно и для других. Отсюда любые физико-химические агенты, смертельные для одних организмов, не могут не оказывать вредное влияние на другие организмы. Вся разница состоит лишь в степени устойчивости видов к агенту. Поскольку в любой многочисленной популяции всегда находятся разнокачественные особи, в том числе менее и более устойчивые к физико-химическим влияниям, скорость отбора по выносливости популяции к вредному агенту прямо пропорциональна скорости размножения организмов, быстроте чередования поколений. Исходя из этого, при растущем воздействии физико-химического фактора, к которому организм с относительно медленной сменой поколений устойчив, на менее устойчивый, но более размножающийся вид их способность противостоять рассматриваемому фактору уравнивается. Менее очевиден, но вполне возможен и другой вывод –– следствие из З. ф.-х. е. ж. в., заключающееся в том, что внутри глобального живого вещества имеется важная взаимосвязь, – в данный геологический период существует как бы единая «сеть жизни». Разрывы этой «сети» создают в ней нечто подобное дырам –– снижают устойчивость всей системы. До определенного времени это компенсируется видами – функциональными аналогами. ЗАКОНЫ СИСТЕМЫ ХИЩНИК — ЖЕРТВА (В. Вольтера): 1) Закон периодического цикла — процесс уничтожения жертвы хищником нередко приводит к периодическим колебаниям численности популяций обоих видов, зависящим только от скорости роста популяции хищника и жертвы и от исходного соотношения их численностей; 2) закон сохранения средних величин—средняя численность популяции для каждого вида постоянна, независимо от начального уровня при условии, что специфические скорости увеличения численности популяций, а также эффективность хищничества постоянны; 3) закон нарушения средних величин — при аналогичном нарушении популяций хищника и жертвы (напр., рыб в ходе промысла пропорционально их численности) средняя численность популяции жертвы растет, а популяции хищника — падает. ЗАКОНЫ ЭВОЛЮЦИИ (К. Ф. Рулье): 1) закон общения животного с внешним ми-ром, или закон двойственности живых элементов: Для совершения полного круга раз-вития нужно обоюдное участие двоякого рода элементов, принадлежащих животному, и элементов, для него внешних 2) закон постепенного образования всего сущего — в природе нет ничего вечного, все имеет свою историю: «все последующее является развитием предыдущего, с добавлением нового»; 3) закон усложнения организации. Первый и второй З. э. К. Ф. Рулье в наши дни представляют гл. обр. исторический интерес. ЗАКОН ЭВОЛЮЦИОННО-ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ НЕОБРАТИМОСТИ — экосистема, потерявшая часть своих элементов 74 или сменившая другой в результате дисбаланса компонентов, не может вернуться к первоначальному своему состоянию, если в ходе изменений произошли эволюционные (микроэволюционные) перемены в экологических элементах (сохранившихся или временно утерянных). Закон важен в том отношении, что, поскольку вернуть экосистему к прежнему состоянию невозможно, к ней нужно подходить как к новому индивидуальному природному образованию, на которое неправомерно переносить выясненные ранее закономерности. Напр., реакклиматазация видов нередко производится (через много лет) фактически в обновленную экосистему и функционально соответствует обычной акклиматизации вида, а не возвращению его в прежние ценозы. ЗАКОН ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ КОРРЕЛЯЦИИ — в экосистеме, как и в любом другом целостном природно-системном образовании, особенно в биотическом обществе, все входящие в нее виды живого и абиотические экологические компоненты функционально соответствуют друг другу. Выпадение одной части системы неминуемо ведет к исключению всех тесно связанных с этой частью системы других его частей и функциональному изменению целого в рамках закона внутреннего динамического равновесия. З. э. к. особенно важен в сохранении видов живого, никогда не исчезающих изолированно, но всегда взаимосвязанной группой. Действие З. э. к. приводит к скачкообразности в изменении экологической устойчивости: при достижении порога изменения функциональной целостности происходит срыв (часто неожиданный) –– экосистема теряет свойство надежности. ЗАКОН (ПРИНЦИП) «ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ ПРОВОДИМОСТИ»— поток вещества, энергии и информации в системе как целом должен быть сквозным. Очевидно, это условие сложения и саморегуляции любой системы, едва ли требующее особого доказательства. «ЗАКОНЫ» ЭКОЛОГИИ Б. КОММОНЕРА: 1) все связано со всем; 2) все должно куда-то деваться; 3) природа «знает» лучше; 4) ничто не дается даром. Примечание. Первый «3.» э. Б. Коммонера обращает внимание на всеобщую связь процессов и явлений в природе; он близок по смыслу к части сформулированного выше закона внутреннего динамического равновесия. Второй «3.» э. Б. Коммонера также близок к только что упомянутому закону, а также закону развития природной системы за счет окружающей ее среды, особенно первому его следствию. Третий «3.» э. Б. Коммонера говорит о том, что, пока мы не имеем абсолютно достоверной информации о механизмах и функциях природы, 75 мы, подобно человеку, незнакомому с устройством часов, но желающему их починить, легко вредим природным системам, пытаясь их улучшить. Он призывает к предельной осторожности. Иллюстрацией третьего «3.» э. Б. Коммонера может служить то, что один лишь математический расчет параметров биосферы требует безмерно большего времени, чем весь период существования нашей планеты как твердого тела. Природа пока «знает» лучше нас. Четвертый «3.» э. Б. Коммонера вновь касается тех проблем, которые обобщает закон внутреннего динамического равновесия, и особенно его четвертое следствие, а также законы константности (В. И. Вернадского) и закон развития природной системы за счет окружающей ее среды. В. Коммонер так более широко разъясняет свой четвертый «З.» э.: ...глобальная экосистема представляет собой единое целое, в рамках которого ничего не может быть выиграно или потеряно и которое не может являться объектом всеобщего улучшения все, что было извлечено из нее человеческим трудом, должно быть возмещено. Платежа по этому векселю нельзя избежать; он может быть только отсрочен (Коммонер Б. 3амыкающийся круг. Л., 1974. С.32). ЗАКОН ЮРИДИЧЕСКИЙ (правовой) В ПРИРОДОПОЛЬЗОВАНИИ — свод основных юридических норм, регулирующих пользование, какими-то природными ресурсами (атмосферы, недр, лесов, животного мира и др.) в масштабах государства, его республик ведомства административных подразделений. На основе законов Союза ССР и союзных республик ведомства издают подзаконные акты, определяющие конкретные правила пользования природными ресурсами. . 76
