БИОСФЕРА. Итак, при изменении условий внешней среды происходит смена одних экосистем — биогеоценозов другими

Итак, при изменении условий внешней среды происходит смена одних экосистем — биогеоценозов другими. А изменение одной экосистемы вызывает изменение других связанных с ней экосистем, изменение их сочетания, а затем по иерархии системы процесс может коснуться и биосферы в целом. Эти проблемы напрямую встали перед современным человечеством. В результате смен, идущих по иерархии снизу вверх, от биогеоценозов к биосфере, биосфера в значительной мере уже перестала следовать принципу Лешателье-Брауна. Если глобально это пока еще не очень заметно, то регионально началось саморазрушение, например опустынивание планеты. Человечество уже вынуждено думать, как исправить положение, как управлять природными процессами, чтобы сохранить действие принципа Лешателье-Брауна, т.е. сохранить среду обитания на планете. Иначе необратимость изменения среды ведет к изменению (уничтожению) самого человека, как биологического вида, как элемента системы биогеоценоза.

Закон растворения системы в чужой среде был сформулирован советским геофизиком Г.Ф.Хильми в 1966 г. Это очень важное обобщение было известно и раньше, и все-таки предполагалось, что выделяемые небольшие заповедные участки можно сохранить как эталон природы. Оказалось, что чем меньше остров охраняемой экосистемы в преобразованной природе, тем быстрее он разрушается. На островах, среди океана, действует сходная закономерность — правило Дарлингтона.

Мир живого и неживого огромен. Разнообразие его неисчислимо. Но он четко структуризирован и подчиняется общим закономерностям бытия. Иначе быть не может. Хаотично перемещающиеся в броуновском движении молекулы или атомы не могут сложить ни кристалла, ни клетки, ни организма. Все вокруг регламентировано естественно научными законами. Природное разнообразие всегда закономерно.

Движущей силой в любой материальной системе служит энергия. Она приходит прежде всего от Солнца и привносится человеком. Вместе с газами атмосферы и водой энергия определяет климатические, чаще — физико-химические характеристики среды.

Все живое на планете опирается на что-то. Такую опору называют субстратом. Это может быть земная твердь, вода, ее капельки в атмосфере — все, на чем и в чем существует жизнь.

Современная наука основывается на системной парадигме, которая и положена в основу всех наших понятий в том числе в основу понятия экосистемного строения биосферы.

ЗАКОНЫ МИРОЗДАНИЯ

Каждая эпоха порождает свои представления о мире, свою парадигму(от греч. paradigma — пример, образец), т.е. свою систему понятий, или совокупность теоретических предпосылок, определяющих конкретное научное мышление, тип научного мышления. Например, долго господствовавшая вера, что все создано Богом, для своего времени была оправданна и лежала в основе всего миропонимания.

Определим понятие системы. Система (от греч. sistema целое, составленное из частей) саморазвивающаяся и саморегулирующаяся, определенным образом упорядоченная материально-энергетическая совокупность, существующая и управляемая как относительно устойчивое единое целое за счет взаимодействия, распределения и перераспределения имеющихся, поступающих извне и продуцируемых совокупностью веществ, энергии и информации, и обеспечивающая преобладание внутренних связей (в том числе перемещений веществ, энергии и информации) над внешними. Или проще это множество элементов, образующих определенную целостность, единство.

Упоминание элемента требует его определения. В рамках системы это, условно, далее не делимая ее часть. Например, для индивида, как самостоятельно существующего - это клетка, а для клетки это цитоплазма или ядро, клеточная мембрана, биологическая макромолекула, для макромолекулы атом, для атома элементарная частица. Для экосистемы элементом является организм, т.е. индивидуальная консорция, для биосферы биогеоценоз (от греч. био..., гео..., koinos — общий), т.е. однородный участок земной поверхности с определенным составом живых и неживых компонентов, динамически взаимодействующих между собой (обмен веществ и энергии). Таким образом, биогеоценоз, как экосистема, состоит не только из живого, но и из неживого, как писал В.И.Вернадский, из живого и косного вещества.

Рис.3 Экологические компоненты

Поток энергии Солнца воспринимается растениями, и лишь местами на Земле сохранились древние организмы — хемосинтетики, использующие энергию химического синтеза. Они создают свои ткани из двуокиси углерода без участия солнечной энергии, за счет энергии, получаемой при окислении неорганических соединений (аммиака, водорода, соединений серы, закисного железа). Таким образом, растения и хемосинтетики создают органическое вещество из неорганических составляющих. Их называют продуцентами (от лат. producentis — производящий), в отличие от противоположно действующего звена, или экологического компонента, редуцентов организмов, разлагающих органическое вещество на неорганические минеральные составляющие (от лат. reducentis — восстанавливающий). Их называют также минерализаторами или деструкторами. Это в основном микроорганизмы. Если бы существовали только продуценты, то планета скоро была бы завалена негниющими и нераспадающимися телами. Редуценты служат на Земле санитарами и замыкают биогеохимический круговорот веществ.

Таким образом, одни растения и хемосинтетики создают органическое живое вещество, другие организмы-редуценты разлагают его на минеральные составляющие для дальнейшего обновления. Такова логика вечно молодой жизни. Но соотношение производитель разрушитель очень неустойчиво. То растения произведут слишком много органики и редуценты за ними не поспевают, то наоборот редуценты оказываются столь активными, что начинают разрушать не мертвое, а живое вещество. Необходим какой-то управляющий балансир. Он был эволюционно найден природой в лице консументов-потребителей органического вещества (от лат. consumo — потребляю). Они представлены в основном различными животными-травоядами, вообще растительноядными организмами. К консументам относятся и многочисленные паразиты-животные и растения.

Основной поток энергии (рис.4) идет в направлении от солнца к растениям-продуцентам (ПР), животным консументам (КО), редуцентам (РЕ) (тонкие сплошные стрелки на рис.4), от них к животным и от животных к деструкторам-редуцентам (широкие сплошные стрелки).

Кроме обмена энергией происходит обмен веществ между растениями и организмами-деструкторами. И он неравновелик: энергия идет главным образом от растений, лишь очень тоненький ее ручеек течет в обратном направлении (пунктирная стрелка на рис.4). Вещество же перетекает по кругу: минеральные составляющие (МС) — растения-животные-редуценты (стрелки малыми окружностями на рис.4), а также растения-редуценты. Штрих-пунктирными линиями на рис.4 показано управление консументами соотношений между редуцентами и продуцентами. К консументам относится и человек. Живое и косное вещество как бы встречаются на границе твердого субстрата. Тут образуется почва биокосное образование (по В.И.Вернадскому).

Рис.4 Закон вечно молодой жизни

По законам кибернетики управляющая подсистема не может быть проще управляемых. Консументы-балансиры в экосистеме играют роль такого управляющего звена. Следовательно, они должны быть очень сложно устроены и многочисленны по числу видов и особей. Так и есть — основную массу видов живого составляют именно животные — не менее трех четвертей всего видового богатства мира (около 1,5 млн. видов).

Если материальными потоками движет энергия, то взаимоотношение между организмами и их с косной средой основывается на информации энергетически и физико-химически слабых взаимодействиях, воспринимаемых как сигнал о возможности многократно более мощных процессах изнутри или извне и вызывающих ответные реакции. Информация и ответы на нее очень разнообразны. Это и ограничения, накладываемые на системы, например, Солнцем на земные явления и физико-химические процессы типа генетических; и сообщения, получаемые через органы чувств; это и врожденные реакции протоплазмы, клеток, тканей, органов, их систем, всей особи; и более или менее осмысленные действия, основанные на приобретенном опыте. Без информации живое вещество не может существовать или в лучшем случае оно будет угнетено, застопорено. Например, животное, перенесенное из одной окружающей среды в другую, угнетается этой средой. Информация, как и энергия, — невещественный экологический компонент. Она наиболее совершенна у животных — управляющего звена экосистемы. Животные имеют развитые органы чувств и максимальную в мире живого возможность реакции, в том числе через подвижность и даже разумную деятельность.

Итак,биогеоценоз это система (экосистема), а не просто хаотичная структура. Деление мира на элементы системы доказывается функциональностью этих отдельностей и их системной целостностью, взаимозависимостью, самоорганизацией. Груда кирпичей это не дом, набор органов не организм. Это совершенно очевидно. А вот то, что тундра или любая другая экосистема есть не случайное, а совершенно закономерное сочетание экологических компонентов и их элементов, понять сложнее. Хотя и доказывать нет особой нужды. Аксиома системной целостности, или организованности, — первая в ряду рассматриваемых нами законов природы.

Любая система, кроме конечной в ряду иерархии (элементарная частица), состоит из подсистем. Целое и его часть могут быть очень похожи (закон подобия части и целого), и, главное, хотя часть потенциально может представлять все целое (например, голубь — свой вид), тем не менее еще древние говорили, что “целое больше суммы его частей”. И эта истина не требует доказательств. Она аксиоматична.

Индивид не включает в себя всего генетического разнообразия популяции, вида. Простая сумма индивидов еще не вид, совокупность органов не организм. И мое Я не есть сумма ног, рук, сердца, печени и т.д. Из-за организованности целого, оно действительно больше суммы его частей. Этот вывод называют постулатом или аксиомой эмерджентности (от англ. emergent -внезапно возникающий).

Экосистема состоит из многих подсистем, например видов живого. Мир разделен на системные разности, которые стремятся к самостоятельности — сепаратизму. Как утверждает закон системного сепаратизма, разнокачественные составляющие всегда структурно относительно независимы. Сепаратизм очень ограничен: так все системы тесно взаимосвязаны, имеют общую судьбу в пределах одной надсистемы, но все же относительно самостоятельны.

Отдельные части — подсистемы — не могут быть беспредельно большими и маленькими, что определяется необходимостью выполнять определенные функции, информационными и энергетическими ограничениями. Так, млекопитающее не может быть меньше того размера, который необходим для рождения живых детенышей или производства развитого яйца, как яйценесущие утконосы и ехидна, размер млекопитающего диктуется необходимостью выкармливать детенышей молоком и к тому же успевать поддерживать свой обмен веществ, который тем интенсивнее, чем меньше размеры индивида. Слишком крупным млекопитающее также не может быть — излишне много требуется корма, а его необходимо собирать, затрачивая на это энергию. Затраты энергии на жизнеобеспечение при слишком большом размере животного будут больше прихода энергии от съеденной пищи. Итак, необходимо оптимальное соотношение размеров и обмена энергией. Этот закон оптимальности непреложен. В соответствии с ним система не может бесконечно сужаться или расширятся, она с наибольшей эффективностью функционирует только в некоторых характерных для нее пространственно-временных пределах, называемых характерным размером системы. Диапазон разброса велик: слон отличается по биомассе от землеройки, а колибри от страуса соответственно в 2 млн. и почти в 50 тыс. раз. Крупнейшие звезды больше карликов в тысячи раз. Однако нет млекопитающего или птицы размером со звезду.

Все развивается в одном направлении, т.е. однонаправленно, это утверждает закон вектора развития. Нельзя прожить жизнь наоборот: от смерти к рождению.

Индивидуальное развитие элемента системы сокращенно повторяет ход эволюционного изменения всей системы, к которой относится данный вид. Это системогенетический закон, в соответствии с которым любой индивид повторяет развитие, эволюцию своих предков, например в развитии зародыша человека наблюдаются фазы развития одноклеточного существа, рыбообразного организма и так далее (биогенетический закон Э.Геккеля — Ф.Мюллера). Также развиваются, например, экосистемы на обезвоженных берегах озер, морей и рек, т.е. на любых безжизненных пространствах: сначала одноклеточное, затем отдельные растения и животные, потом луговая и лесная растительность. Даже развитие горных пород следует системогенетическому закону: минералогические процессы в короткие интервалы времени как бы повторяют общую историю геологического развития земли (геогенетический закон Д.В.Рундквиста).

По закону последовательности прохождения фаз развития фазы развития очень строго определены: не может вылететь бабочка сразу из гусеницы, только из куколки. Сложные системные структуры мира развиваются согласно системопериодическому закону: природные системы одного уровня организации (все атомы, все особи и т.д.) составляют периодический, или повторяющийся, ряд морфологически аналогичных структур. Классическими примерами этого является периодическая система элементов Д.И.Менделеева и закон гомологических рядов Н.И.Вавилова. Обобщений может быть столько, сколько существует рядов в иерархии систем, а наличие самой иерархии — очевидная истина, аксиома.

Развиваясь, система существует за счет окружающей среды, своей надсистемы, т.е. только за счет внутренних запасов вещество может развиваться лишь при поступлении энергии извне. Так развивается куколка бабочки. Внешне она безжизненна, но внутри нее идут бурные процессы энергообмена, оставь куколку на морозе — и она в конце концов погибнет, во всяком случае, не сможет развиваться: необходимо тепло. Если какая-то экосистема, например участок леса, находится в чуждой для нее среде (в случае леса среди лугов), то она постепенно деградирует. Лес сначала теряет лесные виды трав и животных, затем изреживается, приобретает парковый характер, наконец сменяется лугом.

Любая система яростно сопротивляется воздействиям извне. Чем больше угроза, тем сильнее сопротивление. Это хорошо известно из обыденной жизни: например, не следует дразнить животное, если не хотите пострадать от его нападения. В физике, рассматривающей неживые системы, лишенные эмоций был сформулирован аналогичный принцип Лешателье-Брауна: при внешнем воздействии, выводящем систему из состояния устойчивого равновесия, равновесие смещается в том направлении, при котором эффект внешнего воздействия ослабляется. Системы живого лишь аналогичны физическим, но действие принципа Лешателье-Брауна в них наблюдается, однако, лишь до тех пор, пока внешнее влияние не превышает какого-то порога, далее происходит саморазрушение. Особенно заметно это на экосистемах: если вначале тот же лес среди луга поддерживает лесную среду жизни, то позже под полог его проникают луговые виды, которые препятствуют возобновлению лесных растений и поражают оставшиеся деревья, что ведет к замене леса лугом.

Развитие человеческой цивилизации до сих пор осталось на парадигме управления природой, ее эксплуатации по принципу “мы не можем ждать милости от природы, взять у нее — наша задача”. В нас всех заложено технократическое мышление: наводнение предотвращается с помощью плотин и дамб. Строятся ветроломы и каналы, укрепляются берега бетонными стенами, а инженерные сооружения не являются самоорганизующимися системами, так как не входят в систему биогеоценоза. Технократическая парадигма все больше входит в противоречия с системной парадигмой.

Люди привыкли приказывать природе, исправлять ее техническими средствами. До определенных пределов это разумно и оправдано, но следует помнить, что природа, откуда вышел человек и частью которой он остается, всегда была и будет сильнее человека, своего сына. Поэтому человеку необходимо от технических средств управления средой жизни, т.е. жесткого управления, все в большей степени переходить к мягким формам управления при системном подходе. Рассмотрим это на примере.

Давно подмечено, что море съедает сушу. Особенно это заметно для Средиземного, Черного, Каспийского морей и Атлантики, где вдоль побережий построена масса берегоукрепляющих сооружений. Так, черноморское побережье обезображено бетонными ребрами-бонами и в результате холодный мертвый бетон во многих местах сменил теплый песок, пляж уносит море. Например, на африканском побережье Атлантики в Гане случилась катастрофа. Город Кета на реке Вольта, расположенный в трех километрах от устья реки, был смыт водами Гвинейского залива. Причина была — в строительстве на реке Вольта гидроэлектростанции. Воды реки перестали нести в залив материалы так называемого твердого стока: камешки, песок, ил. Берег начал интенсивно размываться. И никакие преграды и технические ухищрения не были способны остановить этот процесс: строить плотины на таких реках, как Вольта, недопустимо.

Еще пример. К концу 20-х началу 30-х годов ХХ века в США было настроено уже много плотин, дамб, ирригационных сооружений; то же было сделано и в СССР к 40-м годам. Это казалось техногенным успехом. Но в 30-е годы в США, а вначале 40-х годов в СССР начали свирепствовать стихийные явления; происходило бурное опустынивание берегов, наводнения заливали огромные площади. И только тогда стало ясно, что не технические, а экологические решения могут исправить положение. С этой целью были посажены лесные полосы и залесены пески, в верховьях рек и вдоль их берегов также был высажен лес, т.е. были приняты меры к восстановлению саморазрушающейся экосистемы, было отрегули-ровано соотношение экологических компонентов экосистемы. Стихийные явления возникли от дисбаланса приходящей энергии, воды, атмосферы, живых субстратов, т.е. составляющих экосистемы. Если бы в данном случае возобладал соблазн продолжать технически “командовать” природой, а такой соблазн существует и сейчас, опустынивание не оставило бы никаких надежд на успех. Мягкое исправление соотношения экологических компонентов системы дало эффект: пыльные бури были приостановлены, уменьшились и наводнения. Пока успех здесь не полный и не окончательный, но это связано с тем, что программы не были доведены до конца.

Человек, плохо знающий законы природы, в своих начинаниях склонен к гигантизму, что приводит к нарушению закона оптимальности. Невозможно безнаказанно нарушить закон последовательности прохождения фаз развития, например, сразу вырастить хвойный лес, минуя подготовительную фазу лиственных насаждений. Принцип природопользования, основанный на неограниченном изымании благ у природы, бесперспективен, ресурсы природы не являются неисчерпаемыми. Попытки природоохранителей защитить природу в крошечных заповедниках, дает кое-что, но не является выходом: необходимо создавать большую систему природных охраняемых территорий на основе закона оптимальности. Нельзя преобразовывать слишком большие пространства. Сохранить природу возможно, лишь отдав ей львиную долю площадей. В учете принципа Лешателье-Брауна спасение человечества. Само разрушение среды жизни гибельно для самого человека. Только мягкое управление спасает от стихийных сил природы. Если не знаешь, куда идти, никуда не придешь. Знание законов природы указывает пути движения к безопасному будущему.

Дата добавления: 2014-11-06