Современная концепция экологии.

О проблемах экологии по-настоящему заговорили в 70-х гг. XX в., когда не только специалисты, но ирядовые граждане почувствовали, какую возрастающую угрозу несет существующему и будущим поколениям техногенная цивилизация. В связи с этим изменился и сам взгляд на предмет экологии. Хотя термин «экология» был введен Э. Геккелем свыше столетия назад и как самостоятельная научная дисциплина она сформировалась еще в 1900 г., тем не менее, долгое время экология оставалась чисто биологической дисциплиной. В настоящее время она вышла уже из этих узких рамок и стала, по сути дела, междисциплинарным направлением исследований процессов, связанных с взаимодействием биосферы и общества.

Более полное представление об экологии, ее задачах и проблемах мы получим, если будем рассматривать структуру и динамику различных экологических систем, а также разные уровни их иерархической организации.

Экологические системы и их структура. К экологическим системам обычно относят все живые системы вместе с их экологической нишей, т. е. окружающей средой, начиная от отдельной популяции и кончая биосферой. Все они являются открытыми системами, которые обмениваются с окружающей природной средой веществом, энергией или информацией. Наименьшей единицей экологии является популяция.

На популяционном уровне различают такие сообщества, как биоценозы и биогеоценозы, в которых сообщества живых организмов исследуются не только во взаимодействии между собой, но и в тесной связи с неорганическими условиями своего существования: 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.

Наконец, биосфера охватывает, согласно Вернадскому, все живое, биокосное и косное вещество на поверхности нашей планеты. И хотя она в известных пределах функционирует автономно, но, в конечном счете, может существовать и развиваться только благодаря 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. Обратимся к их более подробной классификации, чтобы выяснить механизм функционирования трофических связей. Как и раньше, будем различать автотрофные и гетеротрофные организмы соответственно тому, питаются ли они самостоятельно за счет преобразования неорганической энергии или же поедают другие живые организмы. Поэтому в экосистеме можно выделить два уровня:

- на верхнем, автотрофном уровне, который называют 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, неорганические.

- Таким образом, в механизме трофических связей можно выделить следующие элементы:

- продуценты автотрофных организмов, главным образом зеленых растений, которые могут производить пищу из простых, неорганических веществ;

- фаготрофы, гетеротрофные животные, к которым принадлежат животные, питающиеся другими живыми организмами, растительными и животными;

- сапротрофы, организмы, 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. Автотрофные процессы наиболее интенсивно протекают на зеленом ярусе системы, где растениям доступен солнечный свет, а на нижнем ярусе усиленно протекают гетеротрофные процессы. Причем значительный временной разрыв между производством органического вещества автотрофами и его использованием приводит к его накоплению. Именно благодаря такому временному разрыву на нашей планете образовались огромные запасы ископаемого топлива, которые до сих пор служат важнейшим источником энергии для человечества.

Взаимодействие экосистемы и окружающей ее среды. 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 рассматривается действие различных факторов на эволюцию. Однако живые системы отнюдь не являются пассивными в этом взаимодействии. Они, в свою очередь, оказывают мощное воздействие на окружающую их среду.

В наибольшей степени такое воздействие можно проследить на примере больших экосистем. Поскольку экосистема – система открытая, то 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 выражается:

- во-первых, в усвоении системой абиотических, или неорганических, факторов среды (солнечная энергия, вода, минеральные вещества и т. п.);

- во-вторых, биотических, или органических, факторов посредством тех трофических, или пищевых, связей, которые существуют между разными живыми системами.

Функционирование и эволюция экосистем зависит 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 информационных связей между различными подсистемами и элементами системы.

Информация и управление в экосистемах. Управление и регулирование в экосистемах осуществляется с помощью физических и химических элементов. Такие управляющие системы по своему функциональному назначению можно рассматривать как кибернетические. Однако в отличие от искусственных систем, созданных человеком, в природных экосистемах элементы управления рассредоточены внутри самой системы.

Согласно кибернетическим принципам, всякий процесс управления связан с передачей и преобразованием информации. Для устойчивого динамического функционирования системы необходимо наличие, во-первых, прямых сигналов, несущих информацию от управляющего к исполнительному устройству, во-вторых, обратных сигналов, 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 автоматическое регулирование не только в кибернетических системах, но и в живых организмах. Принцип такого динамического равновесия был сформулирован американским физиологом У. Кенноном (1871-1945) в виде принципа гомеостаза, согласно 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 принципа отрицательной обратной связи. Нетрудно понять, что указанный принцип объясняет лишь процесс достижения и сохранения динамического равновесия в любой системе, но для того чтобы понять, как происходит 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 отмечали, регулирующие центры в них 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 живых организмов и окружающей среды 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. Наиболее важными и, по существу, решающими являются энергетические связи между экосистемой и средой.

Энергетическая характеристика экосистем. Если проследить процессы превращения и получения энергии в экосистемах, то нельзя не прийти к тому выводу, который сделал упоминавшийся выше Майер, утверждавший, что жизнь есть создание солнечного луча. 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.

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 термодинамики, с которыми мы уже знакомы, но их необходимо конкретизировать применительно к экосистемам.

Закон сохранения энергии полностью применим и к экологическим системам, ибо никогда не наблюдались случаи создания энергии из ничего. Энергия может лишь превращаться из одной формы в другую, но она никогда и никуда не исчезает.

Поскольку материальное производство общества существенным образом зависит от использования энергии, постольку представляется целесообразным провести классификацию экосистем с точки зрения использования 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 самостоятельное энергетическое существование живых организмов, 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 тропические леса и некоторые другие экосистемы. Кроме солнечной энергии такие системы функционируют за счет энергии морских прибоев, приливов, глубоководных течений, рек, дождей, ветра и т. п.

3. Природные системы, движимые Солнцем и получающие 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 ископаемом топливе.

4. Современные индустриально-городские системы, которые используют главным образом энергию ископаемых горючих, преимущественно нефти, угля, газа, а также радиоактивных веществ для получения атомной энергии. В этих системах производится основное богатство страны в виде разнообразных промышленных товаров, а также переработка пищевых продуктов для питания большого количества населения, сконцентрированного в городах и индустриальных центрах. Сырье для такой переработки они получают из сельскохозяйственных экосистем. Энергетическая 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 отходами производства. Хищническая эксплуатация 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 сейчас наша цивилизация находится в процессе перехода от биосферы к ноосфере, когда разум становится определяющей силой общества, то вполне естественно задуматься 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 отличаться от современной, станет безотходной, менее энергоемкой и более совершенной по другим параметрам. 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. Однако 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 окружающей среде в результате такого производства. Все признают, что рыночная экономика пока еще не научилась это делать. Очевидно, что экономия энергоносителей и других, быстро уменьшающихся запасов сырья, создание малоотходной и безотходной технологии, поиски и использование альтернативных источников энергии – все это во многом сможет помочь решению экологической проблемы и, по крайней мере, ослабить ее остроту.

В этой связи заслуживает особого внимания инициатива ученых и общественных деятелей, объединившихся в рамках Римского клуба, участники которого собрались в 1968 г. для обсуждения актуальных глобальных проблем человечества. 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 продолжаться прежними темпами, то будет достигнут «предел роста», за которым неизбежно последует катастрофа.

Деятельность Римского клуба привлекла внимание широкой публики к актуальным глобальным проблемам современности, в частности к такой жизненно важной для всего человечества проблеме, как сохранение окружающей природной среды. Участники клуба наметили также возможные пути решения проблем, однако мало преуспели в том, чтобы убедить общество следовать их советам и сделать конкретные усилия по реализации выдвинутых ими программ и рекомендаций.