Принципы

Свойства систем

Важное следствие иерархической организации состоит в том, что по мере объединения компонентов в более крупные функциональные единицы, у этих новых единиц возникают новые свойства, отсутствовавшие на предыдущем уровне. Такие качественно новые, эмерджентные, свойства биологического уровня или экологической единицы нельзя предсказать, исходя из свойств компонентов, составляющих этот уровень или единицу. Эмерджентные свойства возникают в результате взаимодействия компонентов, а не в результате изменения природы этих компонентов. Части не «сплавляются», а интегрируются, обусловливая появление уникальных новых свойств.

Для иллюстрации эмерджентности приведем два примера. Водород и кислород, соединяясь в определенном соотношении, образуют воду - жидкость, совершенно непохожую по своим свойствам на исходные газы. Водоросли и кишечнополостные животные, эволюционируй совместно, образуют систему кораллового рифа. В результате возникает эффективный механизм круговорота элементов питания, позволяющий такой комбинированной системе поддерживать высокую продуктивность в водах с очень низким содержанием питательных элементов. Следовательно, фантастическая продуктивность и разнообразие коралловых рифов — эмерджентные свойства, характерные только для рифового сообщества.

С другой стороны мы можем говорить о несводимых свойствах. Суть этого понятия заключается в том, что свойства целого невозможно свести к сумме свойств его частей. Хотя данные, полученные при изучении низшего уровня, помогают при изучении следующего, с их помощью никогда нельзя полностью объяснить явления, происходящие на этом следующем уровне.

Пример, нельзя объяснить как функционирует центральная нервная система в целом, изучив физиологию передачи нервного импульса в синапсе.

Рационально также различать эмерджентные и совокупные свойства, представляющие собой сумму свойств компонентов. И те и другие — свойства целого, но совокупные свойства не включают новых или уникальных особенностей, возникающих при функционировании системы как целого.

Пример. Рождаемость (свойство популяции) — пример совокупного свойства, поскольку она представляет собой лишь сумму индивидуальных рождений (свойство организма) за определенный период.

Важный вывод, вытекающий из представления о несводимых свойствах, заключается в принципе непосредственного изучения, или принципе несводимости свойств целого к сумме свойств его частей. Этот принцип должен служить первой рабочей заповедью экологов. Хотя философия науки всегда стремилась быть холистической, рассматривая явления в их целостности, в последние годы практика науки становится все более редукционистской, пытаясь понять явления путем детального анализа все более и более мелких компонентов. Редукционистский подход, преобладавший в науке и технике со времен Исаака Ньютона, дал много полезного, но на современном этапе он исчерпал себя. Насущной проблемой современной науки является синтез знаний. Экология как общебиологическая дисциплина по самой свое природе холестична. По-видимому, возрождение на современном этапе развития науки холистического подхода по крайней мере частично связано с неприязнью общества к ученому — узкому специалисту, который не может переключаться на решение крупномасштабных проблем, требующих неотложного рассмотрения.

Например, исследования на клеточном и молекулярном уровнях создают прочную основу для решения в будущем проблем на организменном уровне. Однако, проводя исследования только на клеточном уровне мы не получим ответов на вопросы, связанные с благополучием или сохранением цивилизации, таких какизлишний рост народонаселения, социальные беспорядки, загрязнение среды и другие формы «рака» общества и окружающей среды. Для этого необходимо изучать механизмы функционирования высших уровней организации.

Рассматривая экологическую систему в целом не следует забывать о необходимости учета специфики компонентов, определяющих совокупные свойства системы. В идеале, следует исходить из принципа дуалистичности исследования - холистический и редукционистский подходы следует использовать в равной мере, не противопоставляя их друг другу. Новая наука — экология — стремится к синтезу,а не кразделению.

Поскольку на всех уровнях функционируют гомеостатические механизмы, а именно корректирующие и уравновешивающие процессы, действующие и противодействующие силы, амплитуда колебаний имеет тенденцию уменьшаться, когда мы переходим к рассмотрению более мелких единиц, функционирующих внутри крупных. Статистически разброс значений целого меньше суммы разброса частей.

Например, интенсивность фотосинтеза леса как целого менее изменчива, чем интенсивность фотосинтеза у отдельных листьев или деревьев его составляющих. Объясняется это тем, что если в одной части интенсивность фотосинтеза снижается, то в другой возможно его компенсаторное усиление.

Если учесть эмерджентные свойства и усиление гомеостаза на каждом уровне, то станет ясно, что для изучения целого не обязательно детально знать все свойства составляющих его компонент – принцип самостоятельности. Это важный момент, поскольку некоторые исследователи считают, что не имеет смысла пытаться изучать популяции и сообщества, не изучив досконально составляющие его более мелкие единицы.

Напротив, изучение можно начать с любой точки спектра при условии, если принять во внимание принцип интегрированности, требующий учитывать свойства не только изучаемого, но и соседних уровней, поскольку, как уже было сказано, некоторые свойства целого можно предсказать, исходя из свойств его частей (совокупные свойства), другие же нельзя (эмерджентные свойства). Идеальное изучение любой экологической системы включает изучение трехчленной иерархии: системы, подсистемы (соседний нижний уровень) и надсистемы (следующий верхний уровень), поскольку некоторые свойства целого можно предсказать, исходя из свойств его частей (совокупные свойства), другие же нельзя (эмерджентные свойства).

1.2. История экологии

1.2.1. Преднаука

Экологическое знание приобрело практический интерес еще на заре развития человечества. В примитивном обществе каждый индивидуум, для того чтобы выжить, должен был иметь определенные знания об окружающей среде, т.е. о силах природы, растениях и животных. Можно сказать, что цивилизация возникла тогда, когда человек научился использовать огонь и другие средства и орудия, позволяющие ему изменять среду своего обитания.

Подобно всем другим областям знания, экология развивалась непрерывно, но неравномерно на протяжении истории человечества. По мере становления биологических знаний шло накопление не только описаний отдельных видов, но и материалов по их образу жизни, а подчас и отдельных обобщений. Труды Гиппократа, Аристотеля и других древнегреческих философов содержат сведения явно экологического характера.

Многие великие деятели «биологического Возрождения» XVIII—XIX веков внесли свой вклад в развитие биологических знаний, способствуя созданию предпосылок для возникновения науки Экология. В начале XVIII в. Антон ван Левенгук, более известный как один из первых микроскопистов, был также пионером в изучении пищевых цепей и регуляции численности организмов. По сочинениям английского ботаника Ричарда Брэдли видно, что он имел четкое представление о биологической продуктивности. Теодор Мальтус описал уравнение экспоненциального роста популяции, на основе которого строил свои демографические концепции. Уравнение логистического роста популяций предложено П.Ф. Ферхюлстом. Жан Батист Ламарк в «Гидрогеологии» фактически предвосхитил представление о биосфере. Французский врач В. Эдварде опубликовал книгу «Влияние физических факторов на жизнь», которая положила начало экологической и сравнительной физиологии, а Ю. Либих сформулировал знаменитый Закон минимума, не потерявший своего значения и в современной экологии.

В России профессор Московского университета Карл Францевич Рулье на протяжении 1841—1858 гг. дал практически полный перечень принципиальных проблем экологии, не найдя, однако, выразительного термина для обозначения этой науки. Он первый четко определил принцип взаимоотношений организма и среды: «Ни одно органическое существо не живет само по себе; каждое вызывается к жизни и живет только постольку, поскольку находится во взаимодействии с относительно внешним для него миром. Это закон общения или двойственности жизненных начал, показывающий, что каждое живое существо Получает возможность к жизни частию из себя, а частию из внешности». При этом механизмы взаимоотношений организмов со средой К.Ф. Рулье обсуждал с позиций, настолько близких к классическим принципам Ч. Дарвина, что его по праву можно считать предшественником Дарвина. К сожалению, труды его практически неизвестны за рубежом, но в России они имели огромное значение, послужив основой формирования мощной когорты экологов-эволюционистов, некоторые из которых были его прямыми учениками (Н.А. Северцов, А.П. Богданов, С.А. Усов).

1.2.2. Экология Эрнста Геккеля

Начало развития экологии как самостоятельной науки следует отсчитывать от трудов немецкого зоолога-эволюциониста Эрнста Геккеля, давшего четкое определение ее содержания. Им же в книге «Всеобщая морфология организмов» было дано определение экологии как науки: «Под экологией мы понимаем общую науку об отношениях организмов с окружающей средой, куда мы относим в широком смысле все «условия существования». Они частично органической, частично неорганической природы; но как те, так и другие … имеют весьма большое значение для форм организмов, так как они принуждают их приспосабливаться к себе. К неорганическим условиям существования, к которым приспосабливаются все организмы, во-первых, относятся физические и химические свойства их местообитаний — климат (свет, тепло, влажность и атмосферное электричество), неорганическая пища, состав воды и почвы и т.д. В качестве органических условий существования мы рассматриваем общие отношения организма ко всем остальным организмам, с которыми он вступает в контакт и из которых большинство содействует его пользе или вредит. Каждый организм имеет среди остальных своих друзей и врагов, таких, которые способствуют его существованию, и тех, что ему вредят. Организмы, которые служат пищей остальным или паразитируют в них, во всяком случае относятся к данной категории органических условий существования».

Надо лишь отметить, что, говоря об «организмах», Геккель, как это было тогда принято, не имел в виду отдельных особей, а рассматривал организмы как представителей конкретных видов. По существу, основное направление, сформулированное Э. Геккелем, соответствует современному пониманию аутэкологии — экологии отдельных видов.

В течение долгого времени основное развитие экологии шло в русле аутэкологического подхода. На развитие этого направления большое влияние оказала теория Ч. Дарвина, показавшая необходимость изучения естественной совокупности видов растительного и животного мира, непрерывно перестраивающихся в процессе приспособления к условиям среды, что является основой процесса эволюции.

В аутэкологическом направлении начала — середины XX в на фоне продолжающихся работ по изучению образа жизни выделяется серия исследований, посвященных физиологическим механизмам адаптации. В России это направление в основном сформировалось в 30-е годы трудами Н.И Калабухова и А.Д. Слонима. Первый из них — зоолог, пришедший к необходимости применения физиологических методов для изучения адаптации; второй — физиолог, понявший необходимость исследования адаптивного значения отдельных физиологических процессов. Такие пути формирования физиологического направления в экологии характерны для мировой науки того времени.

1.2.3. Экология начала XX века

В начале развития экологии как науки исследователи проводили резкую грань между экологией растений и экологией животных. Однако к первой половинеXX в. стала очевидна искуственность такого разделения и начались широкие работы по изучению надорганизменных биологических систем. Их основой послужило формирование концепции биоценозов как многовидовых сообществ живых организмов, функционально связанных друг с другом. Эта концепция в основном создана трудами К. Мёбиуса (1877) и С. Форбса (1887).

В 1916 г. Ф. Клементс показал динамичность биоценозов и адаптивный смысл этого; А. Тинеманн (1925) предложил понятие «продукция», а Ч. Элтон (1927) опубликовал первый учебник-монографию по экологии, в котором четко выделил своеобразие биоценотических процессов, определил понятие трофического уровня и сформулировал правило экологических пирамид. В 1926 г. появилась книга В.И. Вернадского «Биосфера», в которой впервые была показана планетарная роль совокупности всех видов живых организмов — живого вещества.

Начиная с 1935 г. с введением А. Тенсли понятия экосистема экологические исследования надорганизменного уровня стали развиваться особенно широко; примерно с этого времени стало практиковаться возникшее в самом началеXX в. деление экологии на аутэкологию (экологию отдельных видов) и синэкологию (экологические процессы на уровне многовидовых сообществ — биоценозов). Последнее направление широко использовало количественные методы определения функций экосистем и математическое моделирование биологических процессов. В России (30-е годы) под руководством Г.Г. Винберга велись обширные количественные исследования продуктивности водных экосистем.

Уже в монографии Ч. Элтона (1927) впервые отчетливо выделено направление популяционной экологии. Практически все исследования экосистемного уровня строились на том, что межвидовые взаимоотношения в биоценозах осуществляются между популяциями конкретных видов. Еще раньше (1925—1926) А. Лотка и В. Вольтерра создали математические модели роста популяций, конкурентных отношений и взаимодействия хищников и их жертв. В 1934 г.Г.Ф. Гаузе опубликовал книгу «Борьба за существование», в которой экспериментально и с помощью математических расчетов показал принцип конкурентного исключения и исследовал взаимоотношения типа хищник — жертва.

1.2.4. Экология эпохи «динамического бума»

Время пересмотра детерминистской парадигмы в биологии пришлось на 60-8О-е годы. В этот период отмечался бурный всплеск интереса к проблемам динамики сообществ, который был назван «динамическим бумом». «Динамический бум» отражал социальный заказ в связи с резко усилившимся влиянием человека на растительность - понять суть происходящих изменений, чтобы прогнозировать их и поставить под контроль. Кроме того, изучая динамику растительности, исследователь получал ценнейшую информацию о динамике экосистем и давал специалистам других областей знаний, интегрируемых экологией (зоологам, микологам, микробиологам, почвоведам и т.д.), канву, которая облегчает изучение динамики других по трофическому уровню и уровню организации компонентов экосистемы.

Произошла смена парадигм от индивидуалистической на холистическую. Не только развитие организма и его реакции на окружающую среду, но и процессы развития сообществ стали рассматриваться как непрерывные – континуальные. Понятие континуума захватывает все области экологических знаний.

Базируясь на представлении о континуальности развития видов и сообществ изменяются представления об эволюционных процессах. Представления о сопряженной эволюции заменяются на концепцию сеткообразной эволюции. Согласно которой все виды сообщества эволюционируют более или менее независимо и каждый приходит в сообщество своим путем и по-своему уходит из него. Коадаптируют только виды, связанные тесными трофическими связями (например, хозяин-паразит), во всех прочих случаях виды распределены по градиенту ведущих факторов местообитания или вдоль осей пространства экологических ниш. Сообщество в соответствии с моделью сеткообразной эволюции должно восприниматься как сечение через пучок сближенных эволюционных трендов видов.

Получил развитие и антропогенный аспект эволюции (синантропизация) сообществ. Если человек создает новые фитоценотические или биоценотические структуры за счет интродукций или выведения новых сортов, он осуществляет эволюцию, которая идет несоизмеримо быстрее, чем аналогичные процессы в естественных экосистемах. Еще большую роль играет стихийный антропогенный вариант эволюции, когда в естественную растительность внедряются одичавшие интродуценты или непреднамеренно занесенные виды или человек стимулирует флорогенез повышением уровня радиации среды, насыщая атмосферу химическими мутагенамн и т.д.

1.2.5. Экология эпохи социального интереса

Движение, которое лучше всего назвать как «всеобщая озабоченность проблемами окружающей среды», внезапно развернулось в течение двух лет, с 1968 по 1970 г. Казалось, все вдруг заинтересовались загрязнением среды, окружающей природой, ростом народонаселения, вопросами потребления пищи и энергии. Об этом свидетельствовали подробные материалы по проблемам окружающей среды в широкой прессе.

Можно сказать, что у человечества открылись глаза на тот факт, что индустриально развитые страны добились процветания, временно освободив человека от подчинения законам природы, используя конечный и быстро исчерпываемый запас горючих ископаемых, накопленный самой природой. И все же цивилизация продолжает зависеть от окружающей среды, причем не только от энергетических и материальных ресурсов, но и от ее жизненно важных процессов, таких, как круговороты воздуха и воды. Основные законы природы не потеряли своей силы с ростом численности населения и с грандиозным увеличением масштабов потребления энергии, расширившими наши возможности воздействия на окружающую среду, изменилось лишь относительное значение этих законов и усложнилась зависимость от них человека. И теперь сохранение цивилизации зависит от наших знаний о природе и разумных действий, направленных на сохранение и улучшение окружающей среды посредством гармоничного, а не разрушительного вмешательства.

Наступает эпоха глобализации экологического знания. В истории человечества не так уж часто какое-то явление и отражающие его понятия расплываются до глобального масштаба, охватывая все стороны жизни человека, его физический и духовный мир обитания. К сожалению глобализация имеет и свои негативные стороны. Возникла путаница понятий и самого понимания экологии. В одно многовение все стали экологами, при этом каждый вкладывает в термин свой объем понятия. Ситуация приблизительно такова: моя экология - это не твоя экология, но что-то похожее, только слово «экология» ты понимаешь не правильно (в отличии от меня). На фоне низкой экологической грамотности наблюдается глобальная профанация понятия, целей и задачей экологии.

Литература

Одум Ю. Экология. - М.: Мир, 1986. – Т. 1. – с.

Реймерс Н.Ф. Экология (теории, законы, правила, принципы и гипотезы). - М.: Журнал «Россия молодая», 1994. - 367 с.

Шилов И.А. Экология. - М.: Высшая школа, 1998. - 512 с.

Дата добавления: 2014-01-07