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.
Сам ученый называл их законами экологии. Они не претендуют на системологическую строгость, но выражают важные закономерности.
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).
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.
Подвижность животных, их гибкое поведение на основе переработки сигнальной информации многократно раздвинули сферу жизни. Появился мозг – живой компьютер, органы чувств и совершенные двигательные реакции. Но за большое число степеней свободы и богатство выбора пришлось заплатить необычайно возросшей напряженностью жизни, остротой борьбы за существование, постоянным риском гибели.
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.