Жанр: Электронное издание
Глава 11.
Концепция биосферы и экология
С точки зрения уровня организации, о которой шла
речь в предыдущей главе, биосфера представляет
собой наиболее обширное объединение живых
существ. Продолжая линию прежних рассуждений, биосферу
можно определить как систему биогеоцензов, или живых сообществ.
Ввиду сложности такого объединения представления
о биосфере менялись и уточнялись с развитием науки, но главным
в них оставалась идея обширной и целостной картины живой
природы, а также взаимодействия живых систем со средой
их обитания. Последние вопросы составляют содержание экологических
исследований.
11.1. Эволюция представлений о биосфере
В буквальном переводе термин "биосфера" обозначет
сферу жизни и в таком смысле он впервые был введен в
науку в 1875 г. австрийским геологом и палеонтологом
Эдуардом Зюссом (1831-1914). Однако задолго до этого
под другими названиями, в частности "пространство
жизни","картина природы","живая оболочка Земли" и т.
п., его содержание рассматривалось многими другими
естествоиспытателями.
Первоначально под всеми этими терминами подразумев
алась только совокупность живых организмов, обит
ающих на нашей планете, хотя иногда и указывалась их
/&2
связь с географическими, геологическими и космическими
процессами, но при этом скорее обращалось внимание на
зависимость живой природы от сил и веществ неорганической
природы. Даже автор самого термина "биосфера"
Э. Зюсс в своей книге"Лик Земли", опубликованной спустя
почти тридцать лет после введения термина (1909 г.), не замеч
ал обратного воздействия биосферы и определял ее как
"совокупность организмов, ограниченную в пространстве и
во времени и обитающую на поверхности Земли".
Первым из биологов, который ясно указал на огромную
роль живых организмов в образовании земной
коры, был ЖлБ. Ламарк (1744-1829). Он подчеркивал,
что
все вещества, находящиеся на поверхности земного
шара ч образующие его кору, сформировались благодаря
деятельности живых организмов.
Постепенно идея о тесной взаимосвязи между живой и
неживой природой, об обратном воздействии живых организмов
и их систем на окружающие их физические, химические
и геологические факторы все настойчивее проникала
в сознание ученых и находила реализацию в их конкретных
исследованиях. Этому способствовали и перемены, произошедшие
в общем подходе естествоиспытателей к изучению
природы. Они все больше убеждались в том, что обособленное
исследование явлений и процессов природы с позиций
отдельных научных дисциплин оказывается неадекватным.
Поэтому на рубеже XIX-XX вв. в науку все шире проникают
идеи холистического, или целостного, подхода к изучению
природы, которые в наше время сформировались в
системный метод ее изучения.
Результаты такого подхода незамедлительно сказались
при исследовании общих проблем воздействия
биотических, или живых, факторов на абиотические,
или физические, условия. Так, оказалось, например, что
состав морской воды во многом определяется активностью
морских организмов. Растения, живущие на песчаной
почве, значительно изменяют ее структуру. Живые
организмы контролируют даже состав нашей атмосферы.
Число подобных примеров легко увеличить, и все
j83
они свидетельствуют о наличии обратной связи между
живой и неживой природой, в результате которой живое
вещество в значительной мере меняет лик нашей Земли.
Таким образом, биосферу нельзя рассматривать в отрыве
от неживой природы, от которой она, с одной стороны
зависит, а с другой - сама воздействует на нее. Поэтому
перед естествоиспытателями возникает задача -
конкретно исследовать, каким образом и в какой мере
живое вещество влияет на физико-химические и геологические
процессы, происходящие на поверхности Земли
и в земной коре. Только подобный подход может
дать ясное и глубокое представление о концепции биосферы.
Такую задачу как раз и поставил перед собой
выдающийся российский ученый Владимир Иванович
Вернадский (1863-1945).
11.2. Концепция Вернадского о биосфере
Центральным в этой концепции является понятие о
живом веществе, которое В. И. Вернадский определяет
как совокупность живых организмов.
Кроме растений и животных, В.И. Вернадский включ
ает сюда и человечество, влияние которого на геохимические
процессы отличается от воздействия ост
альных живых существ, во-первых, своей интенсивностью,
увеличивающейся с ходам геологического времени;
во^торых, тем воздействием, какое деятельность
людей оказывает на остальное живое вещество.
Это воздействие сказывается прежде всего в создании
многочисленных новых видов культурных растений
и домашних животных. Такие виды не существовали
раньше и без помощи человека либо погибают, либо
превращаются в дикие породы. Поэтому Вернадский
рассматривает
геохимическую работу живого вещества в неразрывной
связи животного, растительного царства и культурного
человечества как работу единого целого.
По мнению В.И. Вернадского, в прошлом не придав
али значения двум важным факторам, которые характеризуют
живые тела и продукты их жизнедеятельности:
открытию Пастера о преобладании оптически активных
соединений, связанных с дисимметричностью
пространственной структуры молекул, как отличительной
особенности живых тел, о чем говорилось в предыдущей
главе;
явно недооценивался вклад живых организмов в
энергетику биосферы и их влияние на неживые тела.
Ведь в состав биосферы входит не только живое вещество,
но и разнообразные неживые тела, которые В.И.
Вернадский называет косными (атмосфера, горные породы,
минералы и т. д.), а также и биокосные тела, образов
анные из разнородных живых и косных тел (почвы,
поверхностные воды и т. п.). Хотя живое вещество по
объему и весу составляет незначительную часть биосферы,
но оно играет основную роль в геологических процесс
ах, связанных с изменением облика нашей планеты.
Поскольку живое вещество является определяющим
компонентом биосферы, постольку можно утверждать,
что оно может существовать и развиваться только в
рамках целостной системы биосферы. Не случайно поэтому
В.И. Вернадский считает, что
живые организмы являются функцией биосферы и теснейшим
образом материально и энергетически с ней
связаны, являются огромной геологической силой, ее
определяющей^.
Исходной основой существования биосферы и происходящих
в ней биогеохимических процессов является
астрономическое положение нашей планеты и в первую
очередь ее расстояние от Солнца и наклон земной оси к
эклиптике, или к плоскости земной орбиты. Это про'
Вернадский В.If. Начало и вечность жизни. - М.: Республика,
1989. - С.156.
185
странственное расположение Земли определяет в основном
климат на планете, а последний в свою очередь -
жизненные циклы всех существующих на ней организмов.
Солнце является основным источником энергии биосферы
и регулятором всех геологических, химических и биологических
процессов на нашей планете. Эту ее роль образно
выразил один из авторов закона сохранения и превращения
энергии Юлиус Майер (1814-1878), отметивший, что
жизнь есть создание солнечного луча.
Решающее отличие живого вещества от косного заключ
ается в следующем:
изменения и процессы в живом веществе происходят
значительно быстрее, чем в косных телах. Поэтому
для характеристики изменений в живом веществе
используется понятие исторического, а в косных
телах -геологического времени. Для сравнения отметим,
что секунда геологического времени соответствует
примерно ста тысячам лет исторического;
в ходе геологического времени возрастают мощь
живого вещества и его воздействие на косное вещество
биосферы. Это воздействие, указывает В.И.
Вернадский, проявляется прежде всего "в непрерывном
биогенном токе атомов из живого вещества в
косное вещество биосферы и обратно";
только в живом веществе происходят качественные
изменения организмов в ходе геологического времени.
Процесс и механизмы этих изменений впервые нашли
объяснение в теории происхождения видов путем естественного
отбора Ч. Дарвина (1859 г.);
живые организмы изменяются в зависимости от
изменения окружающей среды, адаптируются к ней
и, согласно теории Дарвина, именно постепенное
накопление таких изменений служит источником
эволюции. В. И. Вернадский высказывает предположение,
что живое вещество, возможно, имеет и
свой процесс эволюции, проявляющийся в изменении с
ходом геологического времени, вне зависимости от изменения
среды'.
' Вернадский В.И. Биосфера и ноосфера. - М.: Наука, 1989. - С.185.
Для подтверждения своей мысли он ссылается на непрерывный
рост центральной нервной системы животных
и ее значение в биосфере, а также на особую организованность
самой биосферы. По его мнению, в упрощенной
модели эту организованность можно выразить так, что ни
одна из точек биосферы "не попадает в то же место, в ту
же точку биосферы, в какой когда-нибудь была раньше"'.
В современных терминах это явление можно описать как
необратимость изменений, которые присущи любому процессу
эволюции и развития.
Непрерывный процесс эволюции, сопровождающийся
появлением новых видов организмов, оказывает воздей-
ствие на всю биосферу в целом, в том числе и на природные
биокосные тела, например, почвы, наземные и
подземные воды и т. д. Это подтверждается тем, что почвы
и реки девона совсем другие, чем третичной и тем
более нашей эпохи. Таким образом, эволюция видов постепенно
распространяется и переходит на всю биосферу.
Поскольку эволюция и возникновение новых видов
предполагают существование своего начала, постольку
закономерно возникает вопрос: а есть ли такое начало у
жизни? Если есть, то где его искать - на Земле или в
Космосе? Может ли возникнуть живое из неживого?
Над этими вопросами на протяжении столетий задумыв
ались многие религиозные деятели, представители
искусства, философы и ученые. В.И. Вернадский подробно
рассматривает наиболее интересные точки зрения,
которые выдвигались выдающимися мыслителями разных
эпох, и приходит к выводу, что никакого убедительного
ответа на эти вопросы пока не существует. Сам он как
ученый вначале придерживался эмпирического подхода к
решению указанных вопросов, когда утверждал, что
многочисленные попытки обнаружить в древних геологических
слоях Земли следы присутствия каких-либо переходных
форм жизни не увенчались успехом. Во всяком
случае некоторые останки жизни были обнаружены даже
в докембрийских слоях, насчитывающих 600 миллионов
лет. Эти отрицательные результаты, по мнению В.И. Вер*
Вернадский В.И. Биосфера и ноосфера. - М.: Наука, 1989. - С.181
надского, дают возможность высказать предположение, что
жизнь как материя и энергия существует во Вселенной
вечно и поэтому не имеет своего начала. Но такое предположение
есть не больше, чем эмпирическое обобщение,
основанное на том, что следы живого вещества до сих пор
не обнаружены в земных слоях. Чтобы стать научной гипотезой,
оно должно быть согласовано с другими результатами
научного познания, в том числе и с более широкими
концепциями естествознания и философии. Во всяком
случае нельзя не считаться со взглядами тех натуралистов и
философов, которые защищали тезис о возникновении
живой материи из неживой, а в настоящее время даже выдвиг
ают достаточно обоснованные гипотезы и модели
происхождения жизни.
Предположения относительно абиогенного, или неорг
анического, происхождении жизни делались неоднокр
атно еще в античную эпоху, например, Аристотелем,
который допускал возможность возникновения мелких
организмов из неорганического вещества. С возникновением
экспериментального естествознания и появлением
таких наук, как геология, палеонтология и биология,
такая точка зрения подверглась критике как не
обоснованная эмпирическими фактами. Еще во второй
половине XVII в. широкое распространение получил
принцип, провозглашенный известным флорентийским
врачом и натуралистом Ф. Реди, что все живое возникает
из живого. Утверждению этого принципа содействов
али исследования знаменитого английского физиолога
Уильяма Гарвея (1578-1657), который считал, что всякое
животное происходит из яйца, хотя он и допускал
возможность возникновения жизни абиогенным путем.
В дальнейшем, по мере проникновения физикохимических
методов в биологические исследования снов
а и все настойчивее стали выдвигаться гипотезы об
абиогенном происхождении жизни. Выше мы уже говорили
о химической эволюции как предпосылке возникновения
предбиотической, или предбиологической, стадии
возникновения жизни. С указанными результатами
не мог не считаться В.И. Вернадский, и поэтому его
взгляды по этим вопросам не оставались неизменными,
но, опираясь на почву точно установленных фактов, он
не допускал ни божественного вмешательства, ни земного
происхождения жизни. Он перенес возникновение
жизни за пределы Земли, а также допускал возможность
ее появлении в биосфере при определенных условиях.
Он писал:
Принцип Реди... не указывает на невозможность
абиогенеза вне биосферы или при установлении наличия
в биосфере (теперь или раньше) физико-химических явлений,
не принятых при научном определении этой
формы организованности земной оболочки'
Несмотря на некоторые противоречия, учение Верн
адского о биосфере представляет собой новый крупный
шаг в понимании не только живой природы, но и
ее неразрывной связи с исторической деятельностью
человечества.
11.3. Переход от биосферы к ноосфере
Превращение разума и труда человечества в геологическую
силу планетного масштаба происходило в рамк
ах биосферы, составной частью которой они являются.
В.И. Вернадский в своих исследованиях неизменно
подчеркивал, какое огромное воздействие человечество
оказывает на расширение жизни путем создания новых
культурных видов растений и животных. Опираясь на
его идеи о биогеохимической основе биосферы, французский
математик и философ Эдуар Леруа (1870-1954)
ввел в 1927 г. понятие ноосферы, или сферы разума, для
характеристики современной геологической стадии развития
биосферы. Его позицию разделял также крупнейший
французский геолог и палеонтолог Пьер Тейяр де Шарден
(1881-1955), впоследствии в своем труде "Феномен человек
а" определивший ноосферу как одну из стадий эволюции
мира. Признавая, что эта стадия, как и сам человек,
является результатом тысячелетней истории развития орга'
Вернадский В.И. Биогеохимические очерки. - М., 1940. - С.49.
нического мира, он считал движущей силой эволюции целеустремленное
сознание ("ортогенез").
В отличие от него В.И. Вернадский рассматривает
возникновение сознания как закономерный результат
эволюции биосферы, но, однажды возникнув, оно затем
начинает оказывать все возрастающее влияние на биосферу
благодаря трудовой деятельности человека.
Ноосфера есть новое геологическое явление на нашей
планете. В ней впервые человек становится крупней-
шей геологической силой. Он может и должен перестр
аивать своим трудом и мыслью область своей
жизни, перестраивать коренным образом по сравнению
с тем, что было раньше^.
Первоначальные представления о направленности
эволюционного процесса в сторону возникновения
мыслящих существ и признания геологической роли
человечества высказывались многими учеными и до
В.И. Вернадского. Так, уже в XVIII в. известный французский
естествоиспытатель Ж. Бюффон высказал идею
о царстве человека, которая в XIX в. была развита основ
ателем современной геологии Жаном Луи Агассисом
(1807-1873). Хотя эти идеи и опирались на признание
все возрастающей роли человечества в изменении лика
Земли, но не были связаны с принципом направленности
эволюции живого вещества биосферы.
Этот принцип в качестве эмпирического обобщения
выдвинул американский ученый Джеймс Дана (18131895),
который еще до появления труда Ч. Дарвина
впервые четко заявил, что эволюция живого вещества
идет в определенном направлении. Основываясь на своих
исследованиях ракообразных и моллюсков, Д. Дана
пришел к выводу, что на протяжении по крайней мере
двух миллиардов лет происходили усовершенствование
и рост центральной нервной системы животных, начин
ая от ракообразных и кончая человеком. Этот процесс
он назвал цефализацией, при которой достигнутый уровень
организации нервной системы никогда не снижаетВерн
адский В.И. Начало и вечность жизни. - М. - С.184.
j90
ся. Хотя при этом возможны и остановки, и скачки, но
направление эволюции не идет вспять. Его последователь
Ле Конт, основываясь на принципе направленности эволюции,
назвал эру, связанную с появлением на Земле
человека, психозойской. Ближе к нашему времени известный
русский геолог Алексей Петрович Павлов (18541929),
оценивая чрезвычайно возросшую роль человечеств
а как мощного геологического фактора, в последние
годы жизни настойчиво говорил об антропогенной эре в
эволюции биосферы. Подобных высказываний можно
было бы привести много, но за немногими исключениями
они ограничиваются лишь констатацией разрозненных
фактов, не рассматривают их в системе и не дают им
теоретического объяснения.
Концепция Вернадского впервые привела все известные
эмпирические факты, данные и результаты в
единую целостную систему знания, которая убедительно
объясняет, какие факторы способствовали переходу от
биосферы к ноосфере. Она основывается на признании
решающей роли человеческой деятельности, труда и
мысли в эволюции биосферы, а через последнюю и в
изменении происходящих на Земле геологических процессов
и лика Земли в целом. Важно подчеркнуть, что
В.И. Вернадский не ограничивается исследованием
влияния трудовой, производственной деятельности на
процессы, происходящие в биосфере и на земной поверхности.
Хорошо сознавая, что труд представляет собой
целесообразную деятельность, основанную на мысли
и воле, он указывает, что ноосфера, или сфера разум
а, будет все больше и больше определять не только
прогресс общества, но и эволюцию биосферы в целом, а
через нее и процессы, совершающиеся на Земле. Недаром
он рассматривает мысль как планетное явление.
Эволюционный процесс получает особое геологическое
значение благодаря тому, что он создал новую геологическую
силу - научную мысль социального человечеств
а... Под влиянием научной мысли и человеческого труда
биосфера переходит в новое состояние - в ноосферу'.
' Вернадский В.И. Научная мысль как планетное явление// Начало
и вечность жизни. - С. 131.
^
Каким же образом человеческая деятельность влияет
на процессы в биосфере, как она способствует ее эволюции?
Почему именно эта деятельность придает эволюции
биосферы направленный характер?
Прежде всего отметим, что биологическая эволюция
присуща лишь живому веществу биосферы, т. е. различным
видам растений и животных и, разумеется, человеку
в той мере, в какой он развивался до возникновения
цивилизации и превращения в Homo sapiens (человека
разумного). В дальнейшем биологическая эволюция человек
а переходит в эволюцию социальную.
Эволюция живого вещества биосферы приводит к
возникновению новых видов растений и животных, которые,
как и остальные виды, неразрывно и непрерывно
связаны с окружающей их средой прежде всего питанием
и дыханием как наиболее характерными процессами
обмена веществ. Такой обмен приводит к миграции,
движению атомов от живого вещества к неживому, в
особенности к биогенному, в котором живые элементы
объединены с неживыми. Нельзя также забывать, что во
время эволюции молекулы и атомы живого вещества не
остаются неизменными. А все это во многом меняет хар
актер взаимодействия живого вещества биосферы не
только с ее неживой частью, но и с остальными сферами
оболочки Земли.
В период перехода от биосферы к ноосфере на сцену
выступает такой мощный геохимический фактор, как
постоянно увеличивающееся количество зеленого живого
вещества в биосфере, получаемого посредством
расширения посевных площадей и интенсификации
земледелия. В результате искусственного отбора новых
сортов растений и пород животных значительно ускоряются
процессы эволюции, быстрее возникают новые
виды. А это в свою очередь в еще большей мере способствует
ускорению процессов обмена между живым и
косным веществом в биосфере.
По-видимому, постепенный переход к ноосфере нач
ался еще сотни тысяч лет назад, когда человек овладел
огнем и стал изготовлять первые, весьма несовершенные
еще орудия производства и охоты. Благодаря этому
он получил огромное преимущество перед животными,
но с геологической точки зрения гораздо более важным
был длительный процесс приручения диких стадных
животных и создания новых сортов культурных растений.
Как известно, именно этот процесс положил начало
скотоводству и земледелию, которые исторически
привели к первому наиболее значительному разделению
общественного труда и систематическому обмену его
продуктами между разными племенами. В.И. Вернадский
указывает.-
Человек этим путем стал менять окружающий его мир
и создавать для себя новую, не бывшую никогда на планете
живую природу. Огромное значение этого проявилось
еще и в другом - в том, что он избавился от голод
а новым путем, лишь в слабой степени известным животным
- сознательным, творческим обеспечением от
голода и, следовательно, нашел возможность неограниченного
проявления своего размножения^.
Что же касается борьбы с животными, то человек
одержал в ней победу по существу с изобретением огнестрельного
оружия и поэтому теперь он должен предприним
ать особые меры, чтобы не допустить истребления
всех диких животных. Еще большие усилия необходимы
для сохранения самой биосферы в связи с многокр
атно возросшими техногенными нагрузками на нее. В
связи с этим возникает общая для всего человечества
глобальная проблема сохранения окружающей среды и
прежде всего живой природы.
11.4. Современная концепция экологии
О проблемах экологии по-настоящему заговорили в
70-е годы нашего века, когда не только специалисты, но
и рядовые граждане почувствовали, какую возрастающую
угрозу несет нынешнему и будущим поколениям
' Вернадский В.И. Биосфера и ноосфера. С. 193.
13 Рузавин Г. И. j93
техногенная цивилизация. Загрязнение атмосферы, отр
авление рек и озер, кислотные дожди, все увеличив
ающиеся отходы производства, в особенности использов
анных радиоактивных веществ и многое другое - все
это не могло не повлиять на рост интереса широких
слоев населения к проблемам экологии. В связи с этим
изменился и сам взгляд на предмет экологии. Сам термин
"экология" был введен Э. Геккелем свыше ста лет
назад и как самостоятельная научная дисциплина она
сформировалась еще в 1900 г., тем не менее долгое время
она оставалась чисто биологической дисциплиной. В
настоящее время экология вышла уже из этих узких рамок
и стала по сути дела междисциплинарным направлением
исследований процессов, связанных с взаимодействием
биосферы и общества. Как указывает известный
специалист по этим вопросам Ю. Одум, сейчас
экология оформилась
в принципиально новую интегрированную дисциплину,
связывающую физические и биологические явления и обр
азующую мост между естественными и общественными
науками^.
О связи экологии с общественными и гуманитарными
науками свидетельствует появление таких ее разделов,
как социальная, медицинская, историческая, этическ
ая экологии.
Более полное представление об экологии и ее задач
ах мы получим, если будем рассматривать структуру и
динамику различных экологических систем, а также
разные уровни их организации и иерархии.
G)MkM)MVMCfmecuomRMM
uuxomfMfMmyfta
К экологическим системам обычно относят все живые
системы вместе с окружающей их средой, начиная
от отдельной популяции и кончая биосферой. Все они
1 Одум Ю. Экология. - М.: Мир, 1986. - С.13.
являются открытыми системами, которые обмениваются
с окружающей природной средой веществом, энергией
или информацией. Наименьшей единицей экологии
является совокупность организмов определенного вида,
которые взаимодействуют между собой внутри вида, а
вид как целостная система - с окружающей средой.
Следовательно, ни молекулярный, ни клеточный, ни
организменный уровни, о которых шла речь выше, не
рассматриваются в экологии, хотя и живая молекула, и
клетка, и тем более организм представляют собой открытые
системы, которые могут существовать благодаря
взаимодействию со средой. Даже отдельные популяции
в чистом виде выделить трудно, поскольку в естественной
природе они объединяются в более обширные сообществ
а живых систем и взаимодействуют также с неживыми
факторами среды.
На популяционном уровне, как мы видели, различ
ают такие сообщества, или экологические системы, как
биоценозы и биогеоценозы, в которых сообщества живых
организмов исследуются в тесной связи с неорганическими
условиями их существования, например, почвой,
микроклиматом, гидрологией местности и т. п.
Еще более крупным системным объединением в экологии
считается биом, который включает в свой состав
живые системы и неживые факторы на обширной территории,
например, лиственные породы деревьев на
среднерусской возвышенности. Наконец, биосфера охв
атывает, согласно В.И. Вернадскому, все живое, биокосное
и косное вещество на поверхности нашей планеты.
И хотя она в известных пределах функционирует
автономно, но в конечном итоге может существовать и
развиваться только за счет энергии Солнца и потому
является также открытой системой, которую в отличие
от других систем называют экосферой.
В экологии наибольшее значение для изучения
структуры ее систем приобретает анализ тех трофических,
или пищевых, связей, которые соединяют различные
популяции друг с другом. О них кратко говорилось
выше, но теперь мы обратимся к более подробной классифик
ации, чтобы выяснить механизм функционирования
трофических связей. Как и раньше, будем различать
13* ^95
автотрофные и гетеротрофные организмы соответственно
тому, питаются ли они самостоятельно за счет преобр
азования неорганической энергии, или же поедают
другие живые организмы. Поэтому в экосистеме можно
выделить два уровня:
на верхнем, автотрофном уровне, который назыв
ают также зеленым поясом, мы встречаемся с растениями,
содержащими хлорофилл и перерабатывающими
солнечную энергию и простые неорганические вещества
в сложные органические соединения;
на нижнем, гетеротрофном уровне происходит
преобразование и разложение этих органических соединений
в простые.
Таким образом, в механизме трофических связей
можно выделить следующие элементы:
продуценты автотрофных организмов, главным обр
азом зеленых растений, которые могут производить
пищу из простых неорганических веществ;
фаготрофы, к которым принадлежат гетеротрофные
животные, питающиеся другими живыми организм
ами, растительными и животными;
сапротрофы, которые получают энергию путем разложения
мертвых тканей или растворенного органического
вещества.
В связи с этим гетеротрофные организмы разделяют
на биофагов, поедающих живые организмы, и сапрофагов,
питающихся мертвыми тканями.
Одна из характерных черт всех экосистем состоит в
том, что в них происходит постоянное взаимодействие
автотрофных и гетеротрофных подсистем организмов.
Такое взаимодействие приводит к круговороту вещества
в природе, несмотря на то, что иногда организмы разделены
в пространстве. Как мы видели, автотрофные процессы
наиболее интенсивно протекают на зеленом ярусе
системы, где растениям доступен солнечный свет, в то
время как на нижнем ярусе усиленно протекают гетеротрофные
процессы. Аналогичный разрыв между этими
процессами может происходить и во времени, причем
значительный разрыв между производством органического
вещества автотрофами и гетеротрофами приводит
к его накоплению. Именно благодаря такому временно196
му разрыву на нашей планете образовались огромные
запасы ископаемого топлива.
Взаимодействия между частями и целым в экологических
системах могут исследоваться двумя путями. С
одной стороны, изучением свойств частей и экстраполяцией
их на свойства целого. Такое сведение свойств
целого к сумме свойств его частей представляет собой
типичный случай редукционизма и потому сталкивается
с немалыми трудностями. С другой стороны, признание
специфичности свойств целого, несводимости их к
свойствам частей открывает значительные перспективы
для исследования и получения эффективных новых результ
атов. Обычно в конкретных исследованиях системный
метод изучения становится совершенно необходимым
в тех случаях, когда части целого настолько тесно
связаны между собой, что их трудно отделить друг от
друга и посредством такого приема получить знание о
свойствах системы в целом. В противоположность этому
суммативный метод используется тогда, когда отдельные
части совокупности могут изучаться относительно независимо
друг от друга и поэтому свойства целого можно
выявить путем суммирования свойств частей.
Отсюда становится ясным, что каждый из этих методов
следует применять на своем месте, в зависимости от
конкретных условий исследования, а следовательно, они
не исключают, а предполагают и дополняют друг друга.
Суммативный подход часто оказывается целесообразным
при проведении экспериментов с такими экологическими
совокупностями, которые исследуют, например,
воздействие различных внешних факторов на систему.
Системный подход нередко используется при построении
теоретических моделей, когда необходимо выяснить
взаимодействие различных частей экосистемы.
Моделирование представляет собой абстрактное выр
ажение реальных процессов, происходящих в природе.
Оно может осуществляться в словесной форме с помощью
соответствующих понятий и величин, характеризующих
поведение и развитие экосистем. Нередко для
большей ясности и наглядности в этих же целях используются
графические модели. Поскольку важной целью
моделирования является предсказание поведения систе197
мы в различных условиях и в разные периоды времени,
постольку в последние годы в экологии стали чаще прибег
ать к построению математических моделей, начиная от
простейших, типа так называемого черного ящика, и конч
ая сложнейшими, в которых учитывается действие большого
числа переменных. Для их расчета используются
мощные компьютеры и другая вычислительная техника.
Ов^аи^млдейст^иеэпюсистельм
лом^мркдлошрйеефедм
В биологических исследованиях, в особенности в классической
теории эволюции, обычно делается упор на изучение
воздействия окружающей среды на живые организмы
и их системы. Именно под таким углом зрения рассм
атривается действие различных факторов на их эволюцию.
Однако живые системы отнюдь не являются пассивными
в этом взаимодействии. Они в свою очередь оказыв
ают мощное воздействие на окружающую их среду.
В наибольшей степени такое воздействие можно
проследить на примере больших экосистем. Именно на
такого рода факты опирается известная гипотеза Геи,
выдвинутая в 1970-е гг. физиком и изобретателем
Джеймсом Лавлоком и микробиологом Линн Маргулис.
Свое название эта гипотеза получила от древнегреческого
слова "гея", обозначающего землю. Она предлагает
совершенно иной подход к причинам и факторам
становления жизни на нашей планете. Если традиционно
допускают, что жизнь на Земле появилась после того,
когда возникла сначала атмосфера со значительным
содержанием в ней кислорода, то, согласно гипотезе
Геи, образование кислорода и атмосферы в целом обяз
ано воздействию тех простейших живых организмов,
которые в анаэробных, т. е. бескислородных, условиях
стали выделять в окружающее пространство кислород.
Свое предположение авторы гипотезы подтверждают
ссылкой на то, что на близких к Земле планетах Марсе
и Венере их атмосфера состоит соответственно на 95 и
98% из углекислого газа, кислорода же Марс содержит
0,13%, а на Венере замечены лишь его следы. Примерно
такая же картина наблюдалась бы на безжизненной
Земле. Конечно, гипотеза Геи нуждается в дальнейших
разработке и обосновании, но опирается она на важную
и в общем виде признаваемую многими идею, что
жизнь обеспечивает условия для своего дальнейшего
существования и развития. Эта идея отнюдь не является
чистым умозрением, а подтверждается многочисленными
фактами из истории развития органического мира.
Факты также свидетельствуют, что экосистема не
только испытывает воздействие со стороны окружающей
среды, но в свою очередь оказывает обратное дей-
ствие на нее и соответствующим образом ее формирует.
Поскольку экосистема - система открытая, она не
может не взаимодействовать со своим окружением и тем
самым не влиять на него. Только постоянное и непрерывное
взаимодействие со средой поддерживает жизненные
процессы в любой экосистеме. В результате такого
взаимодействия осуществляется постоянный обмен
энергией и веществом между экосистемой и средой, что
проявляется, во-первых, в усвоении абиотических, или
неорганических, факторов среды (солнечная энергия,
вода, минеральные вещества и т. п.), во-вторых, биотических,
или органических, факторов посредством тех
трофических (пищевых) связей, которые существуют
между разными живыми системами. Функционирование
и эволюция экосистем зависят не только от круговорота
вещества и энергии, существующего в природе. Чтобы
выжить, а тем более развиваться, экосистемы должны
соответствующим образом регулировать свою деятельность
и управляться, а это требует установления информ
ационных связей между различными подсистемами
и элементами системы.
^^щfcofьлuш^^лu,'^ftlфaслeмwG
^этсист^мял
Наряду с потоками энергии и круговоротом веществ
а экосистемы связаны также информационными сетями.
Управление и регулирование в них осуществляется с
помощью физических и химических элементов. Такие
управляющие системы по своему функциональному назн
ачению можно рассматривать как кибернетические.
Однако в отличие от искусственных систем, созданных
человеком, в природных экосистемах элементы управления
рассредоточены внутри самой системы и поэтому
процесс регулирования и управления в них происходит
не из внешнего специального органа управления, как в
технических кибернетических системах.
Согласно кибернетическим принципам, всякий процесс
управления связан с передачей и преобразованием
информации. Для устойчивого динамического функциониров
ания системы необходимо, во-первых, наличие
прямых сигналов, несущих информацию от управляющего
к исполнительному устройству, во-вторых, обратных сигн
алов, которые информируют управляющее устройство об
исполнении команд. Получив такие сигналы, управляющее
устройство отдает команду о корректировке системы,
если ее положение отклоняется от заданного или установленного.
Именно таким способом осуществляется автом
атическое регулирование не только в кибернетических
системах, но и в живых организмах. В физиологии этот
способ поддержания динамического равновесия был
сформулирован американским физиологом Уолтером
Кенноном (1871-1945) в виде принципа гомеостаза, согл
асно которому все важнейшие параметры организма
(температура тела, частота пульса и дыхания, состав крови
и кровяное давление и др.) поддерживаются на постоянном
уровне благодаря обратным сигналам, поступающим
из органов в головной мозг.
Кибернетика обобщила это положение в виде принцип
а обратной связи. Нетрудно понять, что указанный
принцип объясняет лишь процесс достижения и сохранения
динамического равновесия в любой системе, но
для того чтобы понять, как происходят эволюция и развитие
систем, необходимо признать возникновение изменений
в состоянии и структуре систем. А для этого
следует ввести принцип положительной обратной связи,
согласно которому непрерывные воздействия на систему,
постепенно накапливаясь, приводят к разрушению
прежних связей между ее частями и возникновению новой
ее структуры.
В экосистемах живой природы действие этих принципов
приобретает более сложный характер, поскольку,
как мы видели, регулирующие центры в них диффузны,
или распределены внутри всей системы, а наличие избыточности,
когда одна и та же функция выполняется
несколькими компонентами, обеспечивает необходимую
стабильность системы. Эта стабильность зависит от
множества условий, но определяющие среди них - степень
сопротивления внешней среды и эффективность
работы управляющих механизмов самой системы. Для
более конкретной характеристики стабильности экосистем
обычно вводят понятие резистентной устойчивости,
которая определяется как способность системы сопротивляться
внешним нагрузкам и оставаться при этом
устойчивой. Понятие упругой устойчивости характеризует
способность системы быстро восстанавливать свою
устойчивость. При благоприятных условиях внешней
среды экосистемы обычно повышают свою сопротивляемость
усложнением внутренней структуры. Внезапные
и случайные изменения внешней среды (например
штормы) могут резко снизить устойчивость экосистемы
и даже разрушить ее. Таким образом, тесная взаимосвязь
и взаимодействие между живыми организмами и окруж
ающей средой представляют собой характерную особенность
всех экосистем. Хотя отдельный организм, будучи
открытой системой, также взаимодействует с окружением,
тем не менее взаимодействие экосистемы со
средой имеет более эффективный и устойчивый характер.
Эта особенность проявляется прежде всего в достижении
большей стабильности функционирования и развития
экосистем в сравнении с отдельными организмами
в результате установления информационных связей между
отдельными организмами в рамках системы, возникновения
иерархических отношений между отдельными ее
подсистемами, которые приводят к усложнению ее структуры.
В связи с этим еще раз следует подчеркнуть, что
любая экосистема, начиная от популяции и кончая экосферой,
представляют собой надорганизменный уровень
организации живого в природе, качественно отличающийся
от отдельного организма. Именно в результате
объединения отдельных организмов в рамках целого, их
взаимодействия друг с другом экосистема приобретает
2.01
новые, системные свойства, которые отсутствуют у отдельных
организмов. Соответственно этому меняются и
различные отношения и связи экосистемы с окружающей
средой. Наиболее важными и по существу решающими
являются энергетические связи.
о)пержтимеспаяшфшст?^мстмпа
эпослютем,
Если проследить процессы превращения и получения
энергии в экосистемах, то нельзя не придти к тому
выводу, который сделал упоминавшийся выше Майер,
утверждавший, что жизнь есть создание солнечного луч
а. Действительно, лучистая энергия Солнца посредством
фотохимического синтеза сначала преобразуется
зелеными растениями в органические соединения, которые
впоследствии служат пищей для растительноядных
животных, а последние в свою очередь - пищей
для других животных. Кроме того, задолго до этого орг
аническое вещество, заготовленное на протяжении тысячелетий
растениями, как и сами растения, особенно
деревья, подверглись многочисленным химическим превр
ащениям и образовали то ископаемое топливо, которое
до сих пор служит важнейшим источником энергии
для общества.
В экосистемах происходит постоянное преобразование
рассеянной в пространстве солнечной энергии в
более концентрированные ее формы сначала автотрофными
растениями, а затем гетеротрофными животными
и человеком. При этом на каждой стадии превращения
энергии происходит также ее диссипация, или рассеяние,
в окружающее пространство. Для характеристики
этих процессов нам необходимо привлечь законы термодин
амики, которые мы изучали в гл. 6, но их необходимо
конкретизировать применительно к экосистемам.
Закон сохранения энергии полностью применим и к
этим системам, ибо никогда не наблюдались случаи
создания энергии из ничего. Энергия может лишь превр
ащаться из одной формы в другую, но она никогда и
никуда не исчезает.
Второй закон термодинамики, который в физике обычно
формулируют с помощью понятия энтропии, в экологии
предпочитают выражать посредством утверждения о преобр
азовании концентрированной энергии в рассеянную. Процесс
концентрации рассеянной солнечной энергии происходит,
как уже говорилось выше, в различных живых систем
ах и охватывает длительный период времени. Полученная
концентрированная энергия может быть в дальнейшем использов
ана в экосистемах в виде пищи, а в технике - как
ископаемое топливо. В обоих случаях будет происходить
преобразование концентрированной энергии в рассеянную.
Какую энергию можно считать концентрированной?
С экоиюгической точки зрения, энергия по способу своего
получения будет тем больше концентрированной,
чем дальше отстоит источник ее получения, например
пища, от начала превращения рассеянной солнечной
энергии, т. е. от автотрофных организмов, а именно
зеленых растений и микроорганизмов.
В физических терминах концентрированную энергию
можно определить как обладающую низкой степенью энтропии,
т. е. характеризующуюся меньшей степенью беспорядк
а. Ведь в результате концентрации энергии происходит
выведение беспорядка из системы во внешнюю среду.
Поэтому если беспорядок в системе уменьшается, то во
внешней среде он увеличивается.
В отличие от концентрации рассеяние энергии сопровожд
ается возрастанием беспорядка в системе. Поэтому
если система останется закрытой, то она окажется
полностью дезорганизованной, т. е. придет в состояние
максимального беспорядка, соответствующего установлению
теплового равновесия в системе.
Таким образом, с энергетической точки зрения системы
могут описываться не только количественно, но и
качественно, причем высококачественными будут счит
аться наиболее концентрированные формы энергии,
которые могут обладать более высоким рабочим потенци
алом, т. е. возможностью произвести соответствующую
работу. Так, например, ископаемое топливо обла203
дает большим рабочим потенциалом, чем рассеянная
солнечная энергия. Аналогично этому животная пища
является более качественной, чем растительная. Опосредов
анно качество используемой энергии определяется
химической структурой ее источника.
Все приведенные выше рассуждения показывают, что
при энергетическом подходе задача экологии по сути дел
а сводится к изучению связи между рассеянным солнечным
излучением и экосистемами, а также процессами
последовательного превращения менее концентрированных
форм энергии в более концентрированные.
Поскольку материальное производство общества существенным
образом зависит от использования энергии,
постольку представляется целесообразным провести классифик
ацию экосистем с точки зрения применения их
энергии в интересах развития общества и прежде всего
его производительных сил. На этой основе можно выделить
четыре фундаментальных типа экосистем.
1. Природные системы, полностью зависящие от энергии
солнечного излучения, которые можно назвать системами,
движимыми Солнцем. Несмотря на то что такие системы не
в состоянии поддерживать достаточную плотность населения,
они тем не менее важны для сохранения необходимых
экологических условий на планете. Следует также отметить,
что такие природные системы занимают огромную
площадь на земной поверхности. Ведь только одни океаны
покрывают 70% этой поверхности.
2. Природные системы, движимые Солнцем, а также
получающие энергию из других природных источников, к которым
относятся прибрежные участки морей и океанов,
большие озера, тропические леса и некоторые другие экосистемы.
Кроме солнечной энергии, такие системы функционируют
и растут за счет энергии, например, морских
прибоев, приливов, глубоководных течений, рек, дождей,
ветра и тому подобных источников.
3. Природные системы, движимые Солнцем и получ
ающие энергию от ископаемого топлива (нефть, уголь,
древесина и др.). Исторически такие смешанные естественные
и искусственные экосистемы впервые возникли
в сельском хозяйстве для возделывания культурных растений
и улучшения пород домашних животных. Сначала
там применялась мышечная сила человека и животных,
а впоследствии и энергия машин, работающих на ископ
аемом топливе.
4. Современные индустриально-городские системы, использующие
главным образом энергию ископаемых горючих,
преимущественно нефти, угля, газа, а также радиоактивных
веществ для получения атомной энергии. В этих систем
ах производится основное богатство страны в виде
разнообразных промышленных товаров, а также переработк
а пищевых продуктов для питания больших масс
сконцентрированного в городах и индустриальных центр
ах населения. Сырье для такой переработки они получ
ают из сельскохозяйственных экосистем. Энергетическ
ая зависимость индустриальных центров от Солнца
минимальна, так как энергоносители они получают от
добывающей промышленности, а продукты питания - от
сельского хозяйства.
Интенсивный рост промышленности в развитых
странах сопровождается все возрастающим потреблением
энергии и одновременно все увеличивающимися отход
ами производства. Загрязнение атмосферного воздух
а, отравление водных источников, накопление радио-
активных отходов - неизбежные спутники жизни в
крупных индустриальных центрах. Хищническая эксплу
атация быстро сокращающихся запасов ископаемого
топлива, погоня за прибылью любой ценой и особенно
за счет нарушения экологического баланса в окружающей
среде - все это с особой остротой выдвигает перед
человечеством и прежде всего перед промышленно развитыми
странами глобальную экологическую проблему
сохранения динамического равновесия биосферы и
нормального жизнеобеспечения людей. Поскольку сей-
час наша цивилизация находится в процессе перехода от
биосферы к ноосфере, когда разум становится определяющей
силой общества, то вполне естественно задум
аться над глобальной стратегией и перспективами
дальнейшего развития мира. Хотя строить прогнозы
всегда рискованно, тем не менее они необходимы для
того, чтобы наметить основные направления, по которым
с определенной степенью вероятности можно эффективно
подготовиться к встрече будущего.
Недостатка в таких прогнозах и сценариях будущего
развития не ощущается. Одни из них имеют оптимистический
характер и делают ставку главным образом на
то, что новая технология будет принципиально отлич
аться от современной, станет безотходной, менее
энергоемкой и более совершенной по другим параметр
ам. Другие считают, что при установившейся тенденции
развития никакая технология не спасет общество,
если люди будут непрерывно увеличивать потребление,
предприниматели добиваться получения максимальной
прибыли, а промышленно развитые страны неизменно
стремиться к экономическому росту.
Выход из надвигающегося экологического кризиса
многие видят в радикальном изменении сознания людей,
их нравственности, в отказе от взгляда на природу
как объект бездумной эксплуатации ее человеком. Одн
ако одного изменения и совершенствования взглядов и
нравственности людей явно недостаточно для выхода из
экологического кризиса и решения экологических проблем
в будущем. Для этого необходимо прежде всего,
чтобы общество в своей экономической деятельности
учитывало не только непосредственные материальные и
трудовые ресурсы, затрачиваемые на производство товаров
и услуг, но и тот вред, который наносится окруж
ающей среде в результате такого производства. Все
признают, что рыночная экономика пока еще не научил
ась это делать. Очевидно, что экономия энергоносителей
и других быстро уменьшающихся запасов сырья, создание
малоотходной и безотходной технологии, поиски и использов
ание альтернативных источников энергии - все
это во многом сможет помочь решению экологической
проблемы, по крайней мере ослабить ее остроту.
В этой связи заслуживает особого внимания инициатив
а ученых и общественных деятелей, объединившихся
в рамках Римского клуба, участники которого собрались
в 1968 г. для обсуждения актуальных глобальных проблем
человечества. Первый же доклад "Пределы роста ",
представленный американскими учеными Деннисом и
Донеллой Медоузами в 1972 г., вызвал сильнейший шок
среди многих политических деятелей и представителей
общественности. Основываясь на фактических данных и
тенденциях экономического, технического и социального
развития, авторы построили компьютерную модель
современного общества, в которой были учтены связи
между различными подсистемами общества и воздействие
на них разных факторов роста. Они показали, что
если потребление ресурсов и промышленный рост вместе
с увеличением численности населения будут продолж
аться прежними темпами, то будет достигнут
"предел роста", за которым неизбежно последует катастроф
а. Хотя многие специалисты критиковали доклад
за то, что в нем не учитываются усилия общества по
совершенствованию технологии, поискам новых источников
энергии и сырья и т.д., но все вынуждены были
признать, что в нем содержится обоснованная тревога за
будущее человечества.
Во втором докладе - "Человечество на перепутье",
представленном Михаилом Месаровичем и Эдуардом
Пестелем, преодолены некоторые недостатки первого и
намечены перспективы развития не столько мирового
сообщества, сколько отдельных его регионов. Такой
подход учитывает конкретные особенности и условия
роста отдельных регионов мира и поэтому лучше подходит
для решения экологических, энергетических, сырьевых
и других глобальных проблем. В последующих докл
адах обсуждались более конкретные проблемы, касающиеся
отношений со слаборазвитыми странами, переработки
отходов, использования энергии и другие.
Деятельность Римского клуба привлекла внимание
широкой публики к актуальным глобальным проблемам
современности, в частности, к такой жизненной для
всего человечества проблеме, как сохранение окружающей
природной среды. Участники клуба наметили также
возможные пути решения проблем, однако поставив правильный
диагноз возникшим трудностям и болезням современного
общества, они мало преуспели в том, чтобы
убедить общество следовать их советам и предпринять
конкретные действия по реализации выдвинутых ими
программ и рекомендаций.
Закладка в соц.сетях
