Системные законы макроэкологии
Введение
Термин «экология»
ввел в научный обиход в 19 веке немецкий биолог Эрнст Геккель (1834–1919), определив
ее таким образом: «Под экологией мы понимаем… изучение всей совокупности взаимоотношений
животного с окружающей его средой как органической, так и неорганической и, прежде
всего, его дружественных или враждебных отношений с теми животными и растениями,
с которыми он прямо или косвенно вступает в контакт».
В настоящее время
под экологией (греч. ойкос – дом, родина; логос – наука, учение) понимаю т науку
о взаимоотношениях биологических систем между собой и окружающей их неживой природой.
Задачей
экологии является изучение закономерностей размещения живых организмов в пространстве,
изменения численности организмов, потока энергии через живые системы и круговорота
вещества, который происходит при участии живых организмов.
В жизни человеческого
общества экологические знания всегда были значимыми. В древности сведения об образе
жизни животных, свойствах растений передавались изустно от родителей к детям. Когда
возникло сельское хозяйство, стали накапливаться знания об оптимальных сроках посева
семян и сбора урожая, о свойствах почв, о влиянии растений друг на друга и т.д.
Но эти знания еще не были в то время научными.
Постепенно экологические
знания стали относить к совокупностям
организмов –
популяциям, видам, многовидовым сообществам, наконец, к живой природе в целом.
В последние десятилетия,
когда угроза глобального экологического кризиса коснулась самого человека, произошло
быстрое расширение экологии. Вобрав в себя проблемы окружающей среды, она не только
использует достижения других разделов биологии, но и вторгается в смежные с биологией
дисциплины – в науки о Земле, в физику и химию, в различные инженерные отрасли,
предъявляет новые требования к информатике, находит приложения в экономике, политике,
социологии, этике. Экология становится гипернаукой. Этот процесс проникновения идей
и проблем экологии в другие области знания получил название экологизации. Экологизация
отвечает потребности общества в объединении науки и практики для предотвращения
экологической катастрофы. Экологизация отражает также важную тенденцию современной
науки: переход многих ее отраслей к отказу от дальнейшей дифференциации («мир
един») и поискам синтеза, в том числе, между естественными и гуманитарными науками.
В современной
экологии, как науке об окружающей среде. Сталкиваются две системы взглядов, два
разных подхода к проблеме взаимоотношений Человека и Природы.
Согласно первому
подходу эти взаимоотношения строятся по правилам, которые устанавливает сам человек.
Овладевая законами природы, подчиняя их своим интересам, опираясь на свой разум,
социальную организацию и технологическую мощь, человек считает себя свободным от
давления большинства тех сил, которые действуют в живой природе. Возникшие проблемы
окружающей среды представляются только как следствие неправильного ведения хозяйства.
Считается, что все проблемы могут быть устранены путем технологической реорганизации
и модернизации, что законы природы не могут и не должны мешать научно –
техническому и социальному прогрессу человечества.
Этот подход называют
антропоцентрическим, или технологическим, ставящим человека, его технологии,
его «власть над природой» в центр экологических проблем. Он характерен для многих
политиков, экономистов, хозяйственников и представляется естественным для большинства
инженеров.
Согласно второму
подходу человек как биологический вид в значительной мере остается под контролем
главных экологических законов и в своих взаимоотношениях с природой вынужден и должен
принимать ее условия. Развитие человеческого общества рассматривается как часть
эволюции природы, где действуют законы экологических пределов, необходимости и отбора.
Возникновение проблем окружающей человека среды в значительной степени опосредовано
антропогенным фактором (т.е. порожденных самим человеком нарушением
регуляторных функций биосферы). Последние не могут быть восстановлены или изменены
технологическим путем. Прогресс человечества ограничивается экологическим императивом
– требованием подчинения законам природы. Это биоцентрический, или
эксцентрический подход, по существу ставящий в центр экологических проблем
состояние и устойчивость живой природы. биосферы. Он характерен для относительно
небольшого круга профессиональных экологов и системных аналитиков.
Выбор между этими
двумя подходами или компромисс между ними во многом определяет стратегию
дальнейшего развития человеческого общества.
Большинство людей
пока еще склоняется к антропоцентрической точке зрения, так как она выглядит проще,
оптимистичнее и отталкивается от предыдущего практического опыта человечества.
Однако в настоящее время уже существуют веские аргументы в пользу эксцентризма,
пренебрегать которыми нельзя.
Системные законы
макроэкологии
Современная экология
располагает совокупностью правил и законов. Рассмотрим наиболее крупные обобщения,
связанные с фундаментальными законами природы. Мы воспользуемся широко известными
содержательными аксиомами – поговорками американского эколога Б. Коммонера
(1974):
·
Все связано
со всем;
·
Все должно
куда-то деваться;
·
Ничто
не дается даром;
·
Природа
знает лучше.
1.
О всеобщей
связи вещей и явлений в природе и в человеческом обществе.
В мире живых существ
всеобщность связей проявляется особенно ярко. Все живое на Земле подчинено космическим
силам, единому потоку солнечной энергии, его ритмам. Глобальные круговороты веществ,
ветры. Океанические течения, реки. Трансконтинентальные и трансокеанические миграции
птиц и рыб, переносы семян и спор, деятельность человека и влияние антропогенных
факторов – все это в той или иной степени связывает пространственно удаленные природные
комплексы и придает биосфере признаки единой коммуникативной системы.
Можно отметить
несколько важных для экологии следствий всеобщей связи:
·
Закон
больших чисел – большое число случайных факторов приводит, при некоторых общих условиях,
к результату, почти не зависящему от случая, т.е. имеющему системный характер
(Случайное поведение большого числа молекул в некотором объеме газа обуславливает
вполне определенные значения давления и температуры. Мириады бактерий в почве,
воде, в телах растений и животных создают особую, относительно стабильную микробиологическую
среду, необходимую для нормального существования всего живого).
·
Принцип
Ле Шателье – при внешнем воздействии, выводящем систему из равновесия, это равновесие
смещается в сторону, при котором эффект внешнего воздействия уменьшается. На биологическом
уровне этот принцип реализуется в виде способности экологических систем к саморегуляции.
(Любые изменения в природе оказывают прямое или опосредованное воздействие на человека).
2.
О законах
сохранения («Все должно куда-то деваться»)
Закон сохранения
массы вещества одновременно является одним из важнейших требований рационального
природопользования. В отличие от человека, живая природа в целом почти безотходна,
в ней нет такой вещи как мусор. Все опавшие листья, экскременты и трупы животных
становятся пищей для других организмов, разлагаются ими до простых соединений и
в таком виде рано или поздно вновь потребляются растениями. При этом в целом соблюдается
количественный баланс масс и равенство скоростей синтеза и распада. Это означает
высокую степень замкнутости круговорота веществ в биосфере.
Деятельность человека
привела к изменениям химической среды на поверхности планеты, к возникновению необычных
для поверхности земли, воды и воздуха высоких концентраций ряда элементов, к появлению
ряда стойких синтетических соединений, чуждых химизму живых организмов – ксенобиотиков
(от греч. ксенос – чужой). Некоторые из этих веществ являются сильными ядами.
Поскольку из колоссального объема материалов и веществ, извлекаемых из недр, перерабатываемых
и синтезируемых человеком, в природный круговорот попадает лишь малая часть, то
с точки зрения живой природы человечество производит в основном мусор и отраву.
При этом существенно нарушается замкнутость круговорота веществ.
Этой мощной загрязняющей
деятельности природа противопоставляет по существу только функцию разбавления, рассеивание
в атмосфере, на большой площади суши, растворение в воде природных резервуаров.
Существуют различные
технологии очистки и нейтрализации производственных и бытовых отходов. Но все, что
остается в золе и шлаках, в тепловыделяющих элементах ядерных реакторов, все. Что
накапливается в очистных устройствах – на фильтрах, в сорбентах, в осадках –
тоже должно куда-то деваться. Существующие способы изоляции конечных продуктов не
гарантируют от дальнейшего загрязнения, а лишь растягивают его во времени, отодвигая
негативные эффекты в будущее. Дезактивация рассеянных ядовитых веществ в большинстве
случаев невозможна.
Экологическая
интерпретация законов сохранения включает. По меньшей мере два постулата, имеющих
практическое значение:
·
Закон
развития системы за счет окружающей среды гласит: любая природная или общественная
система может развиваться только за счет использования материально –
энергетических и информационных возможностей окружающей среды, абсолютно изолированной
саморазвитие невозможно.
·
Закон
неустранимости отходов или побочных воздействий производства. Этот закон исключает принципиальную
возможность безотходного производства и потребления в современном обществе.
О цене развития
(«Ничто не дается даром»)
В экологическом
контексте за этим утверждение скрывается мысль о качественной направленности эволюции
систем, о их способности к эволюции в сторону усложнения и совершенствования организации.
Но развитие происходит не только за счетокружающей среды. Но и собственных качественных
ресурсов: любое новое приобретение в эволюции системы обязательно сопровождается
утратой какой-то части прежднего достояния и возникновением новых, все более проблем.
Отсюда следуют:
·
Закон
необратимости эволюции (большие системы эволюционируют только в одном направлении –
от простого к сложному)
·
Правило
ускорения эволюции – с ростом сложности организации систем темпы эволюции
возрастают.
Вот примеры платы
за совершенствование в ходе биологической эволюции.
Первые настоящие
клетки – предки цианобактерий (сине – зеленых водорослей), жившие 3,5 млрд. лет
тому назад, были необычайно жизнестойки, выживали в любой, даже самой агрессивной
среде, и не знали естественной смерти, размножаясь простым делением.
Появившиеся вслед за ними ядерные, фотосинезирующие клетки приобрели более совершенную
энергетику, но заплатили за это утратой бессмертия.
С появлением многоклеточных
организмов, образованием царств грибов, растений и животных, выходом их на сушу
еще во много раз увеличилось биоразнообразие. Началось формирование биосферы Земли.
Но вместе с многоклеточностью к живым существам пришли старость и болезни, злокачественные
опухоли, паразитизм.
Теплокровность,
термостатирование мозга у высших животных намного повысили точность нервных
процессов. Появились зачатки рассудочной деятельности и предпосылки интеллекта.
Умение перерабатывать информацию, отделенную от инстинктов, открыло нашему предку
возможность творчества, умение создавать предметы, не встречающиеся в природе. А
материализация информации с помощью речи позволила преодолеть биологический запрет
на наследование приобретенных свойств и обеспечила культурное наследование в виде
обучения.
Человек распространил
эти возможности на все стороны своей жизни, постепенно отгораживаясь от суровых
природных условий, и от законов живой природы, но потребляя при этом все больше
природных ресурсов. Ему ничто не давалось даром, но тем не менее он занял исключительное
положение в природе, и сегодня еще трудно определить цену, которую за это приходится
платить.
Есть еще одна
сторона закона «ничто не дается даром». В экономике природы, как и в экономике человека,
не существует бесплатных ресурсов: пространство, энергия, солнечный свет, вода,
кислород, какими бы «неисчерпаемыми» ни казались их запасы на Земле, неукоснительно
оплачиваются любой расходующей их системой. Оплачиваются полнотой и скоростью возврата,
оборота ценностей, замкнутостью материальных круговоротов – биогенных элементов,
энергоносителей, пищи, денег, здоровья…
О главном критерии
эволюционного отбора («Природа знает лучше»)
Это утверждение
не столь очевидно, но очень важно для понимания взаимоотношений человека и природы.
Люди создали множество
вещей, которых нет в природе. Технический прогресс достиг небывалых высот. Но
его побочным продуктом стала человеческая самонадеянность, убеждение в превосходстве
над природой, идеология природопокорительства. Многое из того, что создал человек,
природа не имеет, но не потому, что не смогла создать, а потому, что не посчитала
нужным. Так быль с колесом, электродвигателем, радиосвязью, ядерной энергией.
Несомненно, человеческая техника превзошла многие возможности живых организмов.
Но по изобретательности использования законов природы, оригинальности, красоте конструктивных
решений, по экономичности и эффективности, по здравому смыслу, технические устройства
намного уступают биологическим системам. После недолгого сопротивления это вынуждена
была признать бионика – наука о применении принципов действия живых систем и биологических
процессов для решения инженерных задач.
Чтобы убедиться
в этом достаточно сопоставить технико – экономические параметры в парах:
автомобиль – лошадь, подводная лодка – дельфин, катализатор – фермент,
солнечная батарея – зеленый лист растения, гидравлический компрессор – сердце, компьютер
– мозг.
Все в природе
– от простых молекул до человека – должно было пройти очень жестокий конкурс на
вакансию в биосфере. Из многих миллионов возможных органических мономеров оставлено
всего несколько десятков; отобрана лишь одна стомиллионная часть возможных белков;
еще на много порядков жестче был отбор нуклеиновых кислот; сегодня нашу планету
населяет лишь одна тысячная часть испытанных эволюцией видов растений и животных.
Главный критерий
этого отбора – вписанность в глобальный биотический круговорот, увеличение его эффективности,
заполненность всех экологических ниш. У любого вещества, выработанного организмами,
должен существовать разлагающий его фермент. И все продукты распада должны вновь
вовлекаться в круговорот. Такова жизнь. С каждым биологическим видом, который нарушал
этот закон, эволюция рано или поздно беспощадно расставалась, находя организмы
– «заместители», способные восстановить замкнутость экологических циклов.
Закон ограниченности
ресурсов («На всех не хватит»)
Этой формулировки
нет среди поговорок – «законов экологии» Б. Коммонера. Но она также отражает
общую системную закономерность.
В природе действует
правило максимального «давления жизни»: организмы размножаются с интенсивностью,
обеспечивающей максимально возможное их число. Репродуктивный потенциал многих организмов
так велик, что если бы на какое то время были сняты ограничения размножения и остановлено
умирание, то за считанные часы масса живого вещества превысила бы массу земного
шара. Этого не происходит из-за ограничения по веществу: масса питательных веществ
для всех форм жизни на Земле конечна и ограничена. Ее не хватает для всех делящихся
клеток, появляющихся спор, семян, яиц, личинок, зародышей. Это означает, что общее
количество живого вещества всех организмов планеты сравнительно мало меняется, во
всяком случае в пределах больших отрезков времени.
Эта закономерность
была сформулирована В.И. Вернадским в виде закона константности живого
вещества: количество живого вещества биосферы (для данного геологического
периода) есть константа. Поэтому значительное увеличение численности и массы каких-либо
организмов в глобальном масштабе может происходить только за счет уменьшения численности
и массы других организмов.
В настоящее
время на нашей планете под угрозой исчезновения находятся около 30 тыс. видов растений
(8 – 10% от существующих), около 10 тыс. видов беспозвоночных, 500 видов моллюсков,
500 видов птиц, 230 видов млекопитающих (6%), 110 видов рыб, 100 видов бабочек,
60 видов амфибий и т.д. В Сибири за последние десятилетия численность муксуна и
стерляди снизилась в 20 раз, нельмы – в 100 раз. Причин этого – много, но главная
– неразумная деятельность человека.
«На всех – не
хватит» – источник всех форм конкуренции, соперничества и антагонизма в природе
и в обществе.
Территория, необходимая
одному человеку, по разным оценкам колеблется от 1 до 5 га. Плотность населения
приближается к одному человеку на 2 га суши. Пригодны же для сельского хозяйства
лишь 24% суши. Отсюда концепция «золотого миллиарда», в соответствие с которой оптимальным
количеством населения является 1 млрд. человек.
Современный оптимистический
прогноз говорит, что максимальное число жителей на планете с учетом предельного
напряжения сельского хозяйства не должно превышать 10 – 14 млрд. Этот прогноз основан
на простой интерполяции накопленных на сегодня данных. Более осторожный прогноз,
учитывает углубляющиеся экологические проблемы и ставит под сомнение возможность
существования такого количества людей в биосфере.
Таким образом,
увеличение населения Земли, стиль жизни и уровень экологического сознания людей
совместно с развитием промышленности являются основными факторами деградации биосферы.