152

СОДЕРЖАНИЕ

Лекция 1. Введение в дисциплину. Фундаментальные законы природы и основные понятия экологии	4
Лекция 2. Характеристика основных абиотических факторов, их лимитирующая роль в хозяйственной деятельности	26
Лекция 3. Понятия экосистемы и биосферы	43
Лекция 4. Экология эволюции человека.	60
Лекция 5. Диалектика эволюции типов природопользования и социальных отношений	77
Лекция 6. Экологическая характеристика капиталистического товарного производства	95
Лекция 7. Структура среды обитания современного человека	104
Лекция 8. Характеристика современного экологического кризиса	113
Лекция 9: Основные принципы рационального природопользования	124
Лекция 10.Международное сотрудничество в экологии и экологическая политика России	136
Библиографический список	146

Лекция 1. Введение в дисциплину. Фундаментальные законы природы и основные понятия экологии

План:

1.1. Предмет экологии, цели и задачи ее изучения в процессе подготовки специалистов в области экономики.

1.2. Понятия среды обитания и экологических факторов.

1.3. Фундаментальные законы физики в экологии. Закон сохранения энергии.

Экология - наука о взаимоотношениях живых организмов между собой и с окружающей средой. Термин был предложен немецким зоологом Э. Геккелем в 1866-1868 г.г. для определения "общей науки об отношении организмов к окружающей их среде, куда мы относим в широком смысле все условия существования. Они частично органической природы, частично - неорганической, но как те, так и другие имеют весьма большое значение для различных форм организмов, так как принуждают приспосабливаться к себе". Слово "экология" происходит от греческого слова «эйкос» - жилище, местопребывание. Экология является одновременно самой молодой и одной из самых старых естественных наук. С одной стороны, первые попытки обобщения сведений об образе жизни, зависимости от внешних условий, характере распространения животных и растений встречаются уже в трудах Аристотеля (384-322 г. до нашей эры) и Теофраста (371-280 г. до нашей эры). С другой стороны - действительно научный анализ экологических проблем стал возможен только в конце 19-го - в 20-ом веках на основе данных всего комплекса биологических наук от биохимии и физиологии до систематики, генетики популяций и теории эволюций.

Почти одновременно с классической биоэкологией и даже несколько раньше, хотя и под другим названием, возникла экология человека. В настоящее время она сформировалась в двух ипостасях - собственно экологии человека как организма и социальной экологии.

Современная экология из строго биологической дисциплины превратилась в цикл знаний, вобрав в себя разделы географии, геологии, химии, физики, социологии, теории культуры, экономики и даже теологии. В ней выделяют следующие основные направления:

1. общая экология – изучает закономерности существования и развития экосистемы.

2. глобальная экология – изучает закономерности существования, формирования и развития глобальной экосистемы планеты Земля – биосферы.

3. социальная экология - изучает закономерности взаимоотношений природы и общества.

4. Экология человека – изучает взаимоотношения организма человека со средой его обитания.

Основные понятия общей экологии

Среда обитания - это та часть природы, которая окружает живой организм и с которой он непосредственно взаимодействует.

В земных условиях существует четыре среды обитания:

1. Водная.

2. Наземно-воздушная.

3. Почвенная.

4. Тело другого организма, используемое экто - и эндопаразитами.

Составные части и свойства среды многообразны и изменчивы.

Экологические факторы - отдельные свойства или элементы среды, воздействующие на организм.

Экологические факторы разделяются на абиотические, биотические и антропогенные.

Абиотические факторы - это все, влияющие на организм элементы неживой природы: температура, свет, радиоактивное излучение, давление, влажность воздуха, химический состав водных растворов, ветер, течения, рельеф местности и т. д.

Биотические факторы - это формы воздействия живых существ друг на друга. Каждый организм постоянно испытывает на себе прямое или косвенное влияние других видов - растениями, животными, микроорганизмами, зависит от них и сам оказывает на них воздействие.

Антропогенные факторы - это формы деятельности человека, человеческого общества, приводящие к изменению среды обитания других видов и самого человека, или непосредственно сказывающиеся на их жизни. Любое живое существо живет в сложном меняющемся мире, постоянно приспосабливаясь к нему и регулируя свою жизнедеятельность в соответствии с его изменениями.

Отдельные экологические факторы создают комплексное воздействие на организм, которое, на первый взгляд, является абсолютно случайным и непредсказуемым. Однако в этом воздействии наряду со случайностью есть и определенные закономерности, связанные с фундаментальными законами природы, открытыми современной физикой.

В процессе развития физики как естественной науки выявился целый ряд противоречий между причинно-следственными связями в различных явлениях материального мира. Это привело к временному условному делению объектов изучения на явления макромира, микромира и мегамира.

1. МЕГАМИР - мир космических скоростей и масштабов.

2. МАКРОМИР - мир объектов, соизмеримых с масштабом человеческого опыта.

3. МИКРОМИР - мир предельно малых объектов. Относится изучение элементарных частиц, входящих в состав атома.

В результате, главной задачей современной физики стало открытие законов, общих для всех этих явлений.

Одним из важнейших открытий в природе микромира оказался принцип неопределенности, в соответствии с которым одинаковые частицы в одинаковых условиях ведут себя по-разному. То есть, выяснилось, что случайность событий – это не отсутствие знания конкретной причины данного следствия, а неотъемлемое свойство материи. В то же время процессы, происходящие в микромире, подчиняются статистическим закономерностям: если при воздействии на одинаковые частицы одних и тех же сил определить местоположение и состояние конкретной частицы нельзя, то наиболее вероятное местоположение и состояние большинства этих частиц будет закономерным. В явлениях макромира эти статистические закономерности часто приобретают характер абсолютной причинно-следственной зависимости, что, однако, не исключает, а, наоборот, предусматривает возможность абсолютно случайных отклонений от этой зависимости.

Наиболее фундаментальным и разработанным законом природы является закон сохранения и превращения энергии.

Закон сохранения энергии свидетельствует о неуничтожимости движения и материи, существовании взаимных превращений между видами энергии и движения, невоз­можности создания чего-либо из ничего. Он объясняет при­роду механической работы и справедлив для всех явлений природы.

Благодаря открытию закона сохранения энергии были сделаны новые ценные открытия, созданы механизмы и устройства нового типа, приведены в единую систему фи­зические представления о мире. Закон имеет исключитель­ное значение для естествознания, поскольку на нем осно­ваны основные положения современной физики, химии, прочих смежных наук. Все знания о веществе, разного рода превращениях, феноменах и процессах опираются на пред­ставления о сохранении энергии. Одновременно этот за­кон объединяет и разные формы энергии: лучистую, ядер­ную, электромагнитную, механическую, химическую, тепло­вую и т.д.

Закон этот неукосни­тельно соблюдается во всей бесконечной Вселенной. За­медление времени, искривление пространства, сверхтеку­честь и сверхпроводимость, а также прочие физические «штучки», нарушающие привычные представления о мире, на закон сохранения не распространяются. Он универса­лен. Если какие-то расчеты показывают, что энергия бе­рется из ниоткуда или уходит в никуда, значит они про­сто неверны. Закон сохранения при всей своей простоте непоколебим и категоричен. Исключений из него не су­ществует и не может существовать даже чисто предполо­жительно!

Невозможно представить себе случай, когда закон сохранения не действовал бы. Материя пребывает в движении, которое выражается в переходах энергии из одного состояния в другое. Поэтому, если бы случилось нечто фантасти­ческое, и закон сохранения энергии перестал бы работать, это означало бы исчезновение материи и Вселенной.

Обобщенная форма закона гласит: Внутри замкнутой системы энергия передается от одного тела к другому, претерпевая превращения и принимая новые формы. Количество ее всегда ос­тается неизменным.

При этом системой называется совокупность объектов (предметов и/или явлений), объединенных единым процессом.

Если процесс обратимый или циклический - система замкнутая. Все материальные системы, как естественного природного происхождения, так и созданные человеком, в той или иной степени взаимодействуют с внешними по отношению к системе объектами, то есть являются открытыми и составляют вместе с этими «внешними» объектами более сложную систему или надсистему, по отношению к которой будут являться подсистемой. Процесс, объединяющий компоненты в элементарную систему может быть и необратимым. Например: система, состоящая из органического вещества – целлюлозы (спичка) и кислорода, объединенных необратимой химической реакцией (горения) превращения их в углекислый газ, минеральные соли и пары воды. Такая система, образованная необратимым процессом, будет называться незамкнутой. Однако процесс, необратимый в рамках данной элементарной системы, может оказаться обратимым в рамках одной из надсистем более высокой иерархии. А так как все процессы, в какой бы форме они ни протекали, - это в итоге процессы перехода и превращения энергии, то, по сути, все материальные системы являются замкнутыми. Смысл закона заключается в том, чтобы следить за приходом и расходом энергии внутри выбранной систе­мы. Энергией называется способность какого-либо тела или системы совершать работу. Известно, что работа в физике — это дей­ствие приложенной к телу силы на каком-то отрезке пути А = FS (F – сила, S - расстояние, А - работа).

Частный вариант закона — для механики — утвер­ждает, что полная механическая энергия всех тел системы остается неизменной.

Тела взаимодействуют друг с другом механически (как шестеренки в часах) и при этом передают друг другу энер­гию. Передача ее и взаимодействие такого рода называет­ся механическим процессом. Не участвующие в процессе тела, если они как-то иначе влияют на систему, изменяют ее энергию. Но тела внутри системы этого не могут: коли­чество энергии постоянно при чисто механическом про­цессе.

Для объяснения смысла закона сохранения механичес­кой энергии обратимся к связи между работой и потенци­альной энергией.

Выделяют два основных вида энергии: потенциальную и кинетическую. Потенциальную энергию тело или система приобретают в результате работы, совершенной против действия какой-либо силы. Например, для того чтобы тело приобрело потенциальную энергию, его нужно поднять на определенную высоту, т. е. совершить работу против силы тяжести.

.

Кинетическая энергия приобретается в процессе движения тел или систем обладающих массой и зависит от скорости этого движения

.

Такой энергией обладает брошенный камень. Можно сказать, что кинетическая энер­гия есть энергия движущегося тела.

Энергия означает способность тела или системы совершать работу. Пока тело (система) не совершает никакой работы, его энергия пере­ходит из потенциальной в кинетическую, и - наоборот, — до бесконечности (пример: идеальный маятник)

Но любое взаимодействие порождает расход энергии тела. Кинетическая энергия уменьшается, переходя в работу, то же самое может произойти и с потенциальной энергией. Полная энергия тела или системы тел, как несложно понять, равна сумме их кинетической и потенциальной энергии.

Поэтому как бы ни менялось количество кинетической и потенциальной энергий, полная энергия неизменна. Имен­но это и утверждает закон сохранения механической энер­гии. В системе она лишь передается от тела к телу. Способ передачи механической энергии — это и есть работа, кото­рая всегда равна величине изменения энергии. Физики формулируют это утверждение так: работа служит мерой передачи энергии при механических процессах.

Нет такого механизма, который бы давал «выигрыш» работе. Нельзя из бензобака получить больше энергии, чем там есть! Нельзя извлечь больше энергии из атомного реак­тора, чем это возможно.

Потенциальная и кинетическая энергия могут проявляться в различных формах механической, химической, электрической, тепловой, атомной. При этом все эти формы могут переходить друг в друга и в конечном итоге в механическую работу и/или тепловую энергию, т. е. в макромире возможны принципиально только 2 способа перехода энергии в другую форму: через тепловую форму энергии или через тепловую энергию и механическую работу. В связи с вышесказанным закономерности превращения тепловой энергии в другие формы энергии и работы носят всеобщий характер. Этим объясняется революционное научное значение законов термодинамики – науки, изучающей тепловые и энергетические проявления в любых физических процессах.

Природа тепловой формы энергии.

Все вещества и тела состоят из атомов и молекул, находящихся в постоянном движении, соответственно, каждая молекула в процессе движения приобретает определенную, в зависимости от своей массы и скорости беспорядочного движения, кинетическую энергию. Поэтому, даже если само тело находится в покое и имеет нулевую потенциальную и кинетическую энергию, оно обладает внутренней энергией, связанной с движением атомов и молекул. Суммарная кинетическая энергия молекул вещества и представляет собой тепловую (внутреннюю) энергию этого вещества или тела. Если мы изменим, состояние системы и заставим атомы и молекулы двигаться более интенсивно, мы говорим, что добавили в систему тепловой энергии, увеличивая ее внутреннюю энергию.

В 18-м веке инженерная мысль открыла возможность превращения тепла в механическую работу. Согласно одному историческому анекдоту, Дж. Уатт создал первую паровую машину, увидев прыгающую крышку на кастрюле с кипятком. Он построил автоматическое паровое устройство для непрерывной работы, основными частями которого были поршневой цилиндр и устройство для периодического вы­броса отработавшего пара. Паровые машины оказались чересчур прожорливыми, неэкономными в плане расхода топлива. Их эффек­тность оказалась сравнительно невелика, да и точного способа измерить ее у физиков в распоряжении не имелось. С целью совершенствования тепловых машин проводились исследования работы пара, что привело к возникновению нового направления в физике: термодинамики.

Термодинамика (греч. «терме» — тепло, «динамис» — сила) — физическая наука, изучающая тепловые и энергетические проявления в любых физических процессах. Перенос вещества, передача энергии, выделение или поглощение теплоты сопровождают самые разнообразные природные феномены, среди которых можно назвать хи­мические реакции, обмен веществ в живых организмах, из­лучение, изменение агрегатного состояния, механические реформации и т. д. Всеми этими процессами, их энергетической стороной занимается термодинамика. Термодинамика отвечает на главные вопросы, связанные с протеканием и самим существованием природных процессов.

Во-первых, возможен ли рассматриваемый процесс при определенных условиях. Во-вторых, в каком направле­нии станет развиваться реально существующий процесс при изменении условий. В-третьих, каково будет заверше­ние этого процесса. Конечная стадия известна физикам заранее — это тепловое равновесие. Термодинамика уста­навливает, как тело (система) приходит к тепловому рав­новесию. Великий А. Эйнштейн писал: «Классическая термоди­намика производит на меня очень глубокое впечатление. Это — единственная общая физическая теория, и я убеж­ден, что в рамках применимости своих основных положе­ний она никогда не будет опровергнута». Термодинамика обладает фантастическим охватом. Она затрагивает буквально все, что только происходит в мире.

Можно сказать, что термодинамика изучает тепло и энер­гию как формы движения материи. Эта физическая дис­циплина основана на «трех китах» — трех законах, кото­рые носят название начал термодинамики, поскольку оп­ределяют всеобщие свойства материи и ее движение. Три начала термодинамики справедливы для всей Вселенной, они управляют процессами, событиями, превращениями, живой и неживой природой, самим ходом времени и свой­ствами пространства. Каждый из этих законов касается какого-либо свойства движения энергии.

Первое начало касается процесса энергообмена, его количественной стороны. Оно указывает, сколько энергии участвует в превращениях, на что она расходуется и как переходит от тела к телу.

Сообщенное телу (или системе) количе­ство теплоты увеличивает внутреннюю энергию этого тела и заставляет его совершать работу. При этом работа не может превышать количество сообщенной телу тепловой энергии, т. е. «вечный двигатель первого рода» невозможен.

Второе начало указывает направление движения энергии: от каких тел, в каком соотношении, через какие формы. Основные положения второго начала термодинамики формулируются следующим образом:

1. Тепловая энергия передается только в одном направлении – от теплого к менее теплому.

2. Превращаться в работу может только часть тепловой энергии, передаваемой от теплого к холодному. То есть главным условием работы тепловой энергии является не источник тепла («нагреватель»), а «холодильник».

Следствиями этих положений являются:

а) полное преобразование любой формы энергии в работу или другую форму энергии, за исключением тепловой, невозможно; часть энергии обязательно теряется в форме тепла.

б) совершение работы за счет внутренней энергии замкнутой системы возможно только при неравномерном распределении этой энергии внутри системы.

С целью увеличения К.П.Д. тепловых машин были предприняты теоретические исследования работоспособности идеальных закрытых тепловых систем, т. е мысленных систем, полностью изолированных от возможности обмена энергией с внешней средой, общее количество внутренней энергии которых не может измениться. В результате этих мысленных экспериментов были сделаны следующие выводы, также ставшие основными положениями второго начала термодинамики:

• Невозможно использовать для работы внутреннюю энергию вещества путем его охлаждения, так как даже если энергия, потраченная на работу по охлаждению (работу «холодильника») будет равна отдаваемому веществом теплу (идеальный случай), в полезную работу может быть преобразована только часть этого, отданного веществом тепла. Следовательно, реализация проектов, предлагающих использовать внутреннюю тепловую энергию природных объектов (например водоемов) путем их охлаждения – проекты вечного двигателя второго рода – невозможна.

• Работоспособность замкнутой закрытой системы, не смотря на сохранение исходного количества внутренней энергии, неизбежно снижается до нуля. Другими словами, внутренняя энергия системы необратимо обесценивается, хотя никуда и не исчезает.

Для определения меры этого необратимого обесценивания энергии было введено новое физическое понятие – энтропия.

Представьте себе замкнутую изолированную тепловую систему в виде химически однородного предмета, одна часть которого значительно теплее другой его части (допустим: +90⁰ – одна часть, и +45⁰ – другая часть), полностью изолированного от какого бы то ни было теплового обмена с окружающей средой. Данное неравномерное распределение тепловой энергии внутри системы (предмета) на молекулярном уровне можно себе представить как упорядоченное распределение молекул вещества в зависимости от скорости их беспорядочного движения. Молекулы с высокой скоростью движения и соответственно более высокой кинетической энергией сосредоточены в одной части системы (предмета), а молекулы с низкой скоростью и энергией – в другой. В силу беспорядочного движения и неизбежных столкновений и тех и других молекул друг с другом между ними идет постоянный обмен частью кинетической энергии, в результате которого скорость движения и кинетическая энергия одних молекул повышается, а других понижается, то есть идет передача энергии от теплой части предмета к холодной. Часть этого тепла в соответствии со вторым началом термодинамики может быть использована в работе. Но, по мере того как разница температур между частями предмета уменьшается, распределение тепла внутри системы становится все более равномерным, и количество тепловой энергии, передаваемое в единицу времени от теплой части предмета к холодной, становится все меньше, способность внутренней энергии системы совершать работу снижается. Когда разница в тепловой энергии между частями системы полностью нивелируется, продолжение работы станет невозможно, так как, хотя общее количество энергии в системе не изменилось, переход энергии от теплого к холодному прекратился. В условиях тепловой однородности системы (предмета) скорость движения молекул не может быть одинаковой в силу передачи части энергии одних молекул другим при неизбежных столкновениях. В то же время в силу беспорядочного, случайного непредсказуемого характера движения молекул наиболее вероятным является статистически равномерное распределение внутри системы (предмета) молекул с разной скоростью движения и кинетической энергией.

Таким образом, наиболее вероятным, а значит, и устойчивым состоянием изолированной (закрытой) замкнутой тепловой системы является максимально беспорядочное движение молекул, что приводит к равномерному распределению внутри системы тепловой энергии и невозможности использования этой энергии в работе.

В качестве другого примера представим себе две соединенные трубкой емкости с двумя разными газами, допустим, водородом и азотом. Такое состояние является наименее вероятным и потому неустойчивым, но зато высокоупорядоченным. При равенстве температур оба газа постепенно распределятся равномерно во всей системе, так как это состояние наиболее вероятно и устойчиво.

Таким образом, понятие энтропии, отражавшее абстрактный умозрительный процесс «деградации и обесценивания» энергии становится отражением реального процесса перехода систем от неустойчивого упорядоченного состояния с неравномерным распределением энергии к устойчивому беспорядочному состоянию с равномерным распределением энергии. С учетом всеобщности и фундаментальности закона сохранения и превращения энергии, энтропии можно дать определение как меры перехода системы от упорядоченного состояния к хаосу, или меры беспорядка в системе.

Следовательно, третьим основным положением второго начала термодинамики будет:

3. В замкнутых закрытых системах энтропия неизбежно возрастает или остается на максимальном уровне. Другими словами, любая закрытая упорядоченная система неизбежно стремится к беспорядку.

Законы термодинамики носят статистический вероятностный характер и не отрицают возможности случайного формирования более упорядоченного состояния системы. Именно в условиях максимально беспорядочного непредсказуемого поведения движущихся частиц и квантов энергии максимально высока вероятность их случайного временного неравномерного (упорядоченного) распределения. Так, в нашем примере со смесью газов, в силу беспорядочного непредсказуемого движения молекул, всегда есть вероятность их временного неравномерного распределения между сосудами. Так как это состояние маловероятно, а значит неустойчиво, молекулы быстро распространятся опять по всему объему и система вернется к равновесию и максимальной энтропии. Такие случайно возникающие временные зоны упорядоченности в равновесных системах называют флуктуации. В замкнутых закрытых системах флуктуации всегда носят временный характер, так как в соответствии с законом возрастания энтропии случайно образовавшаяся зона упорядоченности и неравномерного распределения энергии неизбежно переходит к равномерному распределению энергии и максимальному беспорядку.

Однако, рассматривая реальные природные замкнутые системы, мы видим, что закон неизбежного возрастания энтропии не проявляется. Почему вода на Земле существует в жид­ком состоянии, хотя должна была уже несколько милли­ардов лет тому назад перейти в пар — состояние с макси­мальной энтропией? Потому что это было бы возможно только в полностью изолированной системе. Вода есть система из бесчисленного множества молекул. Но она вза­имодействует с окружающей средой, в частности с воздухом. Вместе они образуют новую систему, в которой яв­ляются всего лишь отдельными телами. И эти тела ни­чем не изолированы друг от друга, поэтому их энтропия стремится к наиболее вероятному состоянию в конкрет­ных земных условиях. Закрытые изолированные системы существуют только как идеальные мысленные системы. Все реально существующие системы изолированными не являются, так как полностью исключить возможность обмена разных систем веществами и/или энергией невозможно. Этим обменом веществами и энергией каждая система связана с множеством других систем. При этом каждая система является окружающей средой для элементарных систем, являющихся ее составной частью, (подсистем) и одновременно подсистемой (составной частью) для системы более высокой иерархии (надсистемы). Таким образом, все реально существующие системы являются открытыми, так как постоянно обмениваются веществами и/или энергией с другими системами.

Равновесие замкнутых открытых систем

При определенных параметрах обмена энергией и/или веществами в замкнутой открытой системе за счет этого обмена упорядоченное состояние и неравномерное распределение энергии может сохраняться неопределенно долго. Рассмотрим тот же пример с неравномерно нагретым предметом только в качестве не изолированной, а открытой системы. Представим себе, что в силу этой открытости, к более теплой части предмета постоянно поступает определенное количество тепла, а вся система в целом отдает определенное количество тепла в окружающую среду. Допустим, что количество тепла, получаемое системой, эквивалентно тепловой энергии, переходящей от теплой части предмета к холодной, и количеству энергии, отдаваемому всей системой среде. В этих условиях, несмотря на постоянный переход энергии внутри системы от теплой части к холодной, неравномерное распределение энергии в системе будет сохраняться, а, значит, сохранится и работоспособность системы. (По сути, мы получили упрощенную схему тепловой машины, например паровой, в которой непрерывно сжигаемое топливо подает в систему новые порции тепла, а выбрасываемый в окружающую среду отработанный пар отдает свое тепло этой среде.) При этом, поскольку переход энергии от теплой части системы (предмета) к холодной не прекращается, также непрерывно идет и процесс выравнивания распределения энергии и возрастания энтропии в системе. Вот только за счет обмена тепловой энергией с внешней средой также непрерывно идет процесс восстановления неравномерного распределения энергии и уменьшения энтропии. Если процессы увеличения и уменьшения энтропии в системе будут эквивалентны, общая энтропия системы изменяться не будет, и степень упорядоченности системы не изменится. Такое состояние системы, в котором суммарное изменение энтропии равно нулю, называется стационарным и является неустойчивым, так как изменение любого из параметров обмена энергией со средой приведет к изменению распределения энергии в системе.

Самым устойчивым будет состояние при минимальном значении термодинамических функций. Иными словами. тела должны прийти в тепловое равновесие. Поэтому вода не может все время быть плавящимся льдом или все вре­мя кипеть, хотя именно в этих температурных точках на­растает ее энтропия. Зато между точками кипения и плав­ления находится жидкое состояние, которое обладает дос­таточной беспорядочностью (в сравнении с льдом) и не стре­мится к большему беспорядку в конкретных условиях.

Так же, отапливая зимой комнату, мы не увеличиваем внутреннюю энергию помещения, которая постоянно уходит в процессе теплового обмена с наружной средой, а поддерживаем постоянную температуру, то есть неустойчивое состояние. Энтропия обогреваемого помещения не максимальна и не постоянна, но ее постоянное изменение во времени равно нулю. Вернемся к примеру с двумя соединенными емкостями, заполненными смесью азота и водорода и подогреем одну емкость и охладим другую. В результате, из-за разницы температур, в одной емкости будет больше водорода, а в другой азота. В данном случае мы имеем дело с диссипативным процессом, который, с одной стороны, творит беспорядок и одновременно, с другой, потоком тепла создает порядок: водород в одной емкости, азот — в другой. Порядок и беспорядок, таким образом, оказываются тесно связанными — один включает в себя другой. И эту констатацию мы можем оценить как главное изменение, которое происходит в нашем восприятии универсума сегодня.

Изменение параметров обмена энергией со средой приведет к изменению распределения энергии в системе и выходу системы из сложившегося состояния равновесия. Система, выведенная внешним воздействием из состояния с минимальным производством энтропии, стимулирует развитие процессов, направленных на ослабление внешнего воздействия и восстановление состояния с минимально возможной при данных новых условиях энтропией. Структурная особенность системы, позволяющая сохранять и восстанавливать свою упорядоченность в определенном диапазоне меняющихся условий, называется аттрактором, а само равновесие динамическим. Изменение внешних условий может смещать динамическое равновесие как в сторону процессов уменьшения энтропии, так и в сторону увеличения энтропии.

Допустим, мы повышаем температуру одного сосуда, не изменяя температуры второго. Соотношение молекул разных газов в каждом сосуде изменится, но неравномерность распределения этих газов между сосудами будет сохраняться, не смотря на общее увеличение энтропии в системе. В то же время, повышая температуру одного сосуда и одновременно понижая температуру другого, мы можем добиться максимального разделения смеси газов, то есть состояния с минимальной энтропией в системе. Однако это состояние будет чрезвычайно не устойчивым, так как малейшее смещение разности температур приведет к уменьшению упорядоченности в распределении молекул. Достигаемое в рамках аттрактора новое неустойчивое равновесие, однако, неизбежно ведет к общему увеличению энтропии или в самой системе (увеличение порядка в одной части системы сопровождается соответствующим увеличением беспорядка в другой части системы) или в надсистеме, являющейся для изучаемой системы внешней средой. В примере с двумя сосудами мы не можем, нагревая один, не повышать одновременно температуру окружающего систему воздуха, конвекция которого рано или поздно нарушит эквивалентность охлаждения второго сосуда нагреву первого. То есть, повышая упорядоченность созданной нами системы, мы увеличили энтропию (беспорядок) в окружающей среде (надсистеме), что становится фактором, выводящим нашу систему из стационарного состояния.

Человечество — это живая динамическая система, часть биосферы. А любая система потенциально содержит в себе как порядок, так и его противоположность - беспорядок. Че­ловеческое сообщество, развиваясь, снижает меру своей не­упорядоченности через постепенные реформы или быстрые революции, достигая все большей организации, регла­ментации и управляемости. Казалось бы, это очень хорошо. Да, если бы не один вопрос: а куда же девался внутренний беспорядок?

Об этом редко кто задумывается, а зря. Дело в том, что бес­порядок, отрицательная сторона деятельности людей по улучшению своей жизни, не исчезает «в никуда», а просто пе­рекладывается в другое место и, представьте себе, может вер­нуться обратно с совершенно неожиданной стороны. Вот небольшой бытовой пример. Ваша квартира сияет чистотой, вы навели в ней полный порядок. А беспорядок? Вы его выки­нули: мусор, грязь и пыль — на помойку, мыльную воду и хи­мические чистящие средства — под ближайший куст или, че­рез канализацию, в реку. А тараканов прогнали к вашим же соседям. Потом вы будете пить воду из этой речки, есть ягоды с того же куста и снова знакомиться со своими тараканами, когда их прогонит ваш сосед.

Всегда при уменьшении энтропии в данной системе лишний беспорядок «выкидывается» вовне, тем самым энт­ропия внешнего мира увеличивается. Производственная деятельность людей увеличивает беспорядок в биосфере: состояние окружающей среды ухудшается.

Так возникает определенное противоречие между развити­ем общества и генерируемым им беспорядком. Это происхо­дит при взаимодействии системы «человек - среда». Это проис­ходит на внутригосударственном уровне: чем больше упорядо­чено «наверху», тем больше беспорядка внизу. Это происходит и на международном уровне: для поддержания своей структуры общество (государство) скидывает на другие государства «нега­тив» — социальную напряженность, избытки вещества, отходы и избыточную энергию — в виде подавления соседей и созда­ния беспорядка у них. Какого порядка добились в СССР и Гер­мании к концу 30-х годов прошлого века! И чем он обернулся для мира? Громадным беспорядком — Мировой войной.

Синергетика – наука о зарождении порядка из хаоса

Несмотря на беспорядочное движение частиц, атомов, молекул в природе нет и не может быть абсолютного рав­новесия.

В чем, кстати, легко убедиться на простейшем экспери­менте. Если смешать шары двух цветов в коробке и час­тым встряхиванием довести эту физическую систему до полной энтропии, то в любой части коробки окажется оди­наковое число шаров обоих цветов. Это и будет равномер­ное распределение.

Однако при увеличении числа шаров будет расти и слу­чайность их распределения в отведенном пространстве. Если довести их количество до одной или нескольких ты­сяч, то легко будет обнаружить методом взятия пробы в любой части коробки некоторую разницу в количестве шаров.

Например, можно найти один лишний шар, который бу­дет образовывать пару с другим. Пара — это уже система, упорядоченность. Число шаров в пределах 10—100 тыс. даст большое количество пар. Именно таким образом слу­чай, определяющий вероятностный характер энтропии, при­водит к самопроизвольному возникновению отдельных упорядоченностей среди сплошного хаоса.

В работах величайшего ученого 20-го века И. Пригожина доказывается: при определенных условиях уменьшение энтропии в случайной зоне упорядоченности за счет притока вещества и энергии извне может превысить ее внутреннее увеличение. Появляется неустойчивость внутреннего состояния, что повышает вероятность новых флуктуаций. Так, из хаоса могут возникать структуры, которые начнут последовательно переходить во все более упорядоченные. Еще раз вернемся к примеру с сосудами и смесью газов. Случайно возникающие флуктуационные потоки теплого воздуха все чаще выводят нашу систему из упорядоченного состояния. Все больше молекул за счет увеличивающейся скорости оказывается в трубке на пути от холодного сосуда к теплому (упорядоченность стала меньше – энтропия выросла). При этом молекулы с более высокой скоростью оказываются ближе к теплому сосуду, чем молекулы с меньшей скоростью (возникла новая зона упорядоченности – флуктуация). В результате, в трубке между сосудами возникает новая зона упорядоченности: линейно изменяющееся соотношение быстрых и медленных молекул одного и другого газа, а значит, и температура трубки будет понижаться с линейной закономерностью от теплого сосуда к холодному. Какой будет эта линейная закономерность? Наиболее вероятной будет та, при которой нагревание воздуха вокруг системы будет наиболее равномерным, и, следовательно, вероятность непредсказуемых флуктуационных потоков воздуха, выводящих систему из упорядоченного состояния, уменьшится. Таким образом, при увеличении беспорядка в системе возникла новая упорядоченная подсистема, позволяющая поддерживать неравномерное распределение газов между сосудами, нарушенное флуктуациями в окружающей среде. При этом из множества вариантов линейной упорядоченности в этой подсистеме естественным путем отбирается не та, что делает всю систему максимально упорядоченной с максимальным разделением газов, а та, что при сохранении определенной степени разделения сводит к возможному минимуму флуктуации внешней среды, способные нарушить эту упорядоченность. То есть, из множества возникающих в хаосе систем, сохраняется та, чей выброс энтропии во внешнюю среду минимален. Образование этих структур происходит не из-за внешнего воздействия, а за счет внутренней перестройки системы. При этом энтропия системы убывает. Внешнее воздействие на стационарную систему может нарушить сложившуюся упорядоченность, что приведет к повышению вероятности флуктуаций в системе. Причем, если сила внешнего воздействия такова, что система не может восстановить стационарное состояние на новом уровне, система выходит из зоны аттрактора и переходит в зону или состояние бифуркации, характеризующееся резким увеличением энтропии, а значит, и вероятности флуктуаций. В результате этих флуктуаций система может эволюционировать в новое стационарное состояние с обновленной более упорядоченной структурой, позволяющей сохранять зону аттрактора (стационарное состояние) при тех же внешних воздействиях, которые вывели из нее предшествующую систему. Однако увеличение порядка в наблюдаемой нами системе сопровождается соответствующим увеличением беспорядка в надсистеме, являющейся для изучаемой системы внешней средой. В результате увеличения энтропии в надсистеме в свою очередь растет вероятность флуктуаций и формирования на их основе упорядоченных стационарных структур, а также и число и разнообразие факторов, способных вывести наблюдаемую систему из ее уже качественно нового стационарного состояния вновь в состояние бифуркации. Таким образом, во всех природных системах (начиная со Вселенной, наиболее глобальной из известных науке, для которой все остальные являются подсистемами различного иерархического уровня) идет постоянное чередование стационарного состояния и состояния бифуркации. В результате состояния бифуркации отдельные системы могут полностью разрушаться или за счет флуктуаций эволюционировать в более сложные и преобразовываться в структурно новые системы большей упорядоченности и меньшей энтропии. То есть, идет непрерывный процесс совместной эволюции (коэволюции) всех систем в направлении формирования структур, позволяющих сохранять стационарное состояние, несмотря на рост разнообразия и силы воздействия факторов, выводящих систему из этого состояния. При этом целью эволюции и естественного отбора является сохранение устойчивости надсистемы или более глобальной системы в целом, а не максимальная устойчивость отдельной упорядоченной структуры. В результате формируются системы, сохраняющиеся в стационарном состоянии все более длительное время и все реже переходящие в состояние бифуркации. Так, возникновение, а затем формирование все более сложных и устойчивых форм жизни сопровождалось ростом химической и физической стабильности внешних геосфер Земли. Для понимания процесса эволюции природных систем необходимо учитывать, что в основе эволюции лежит случайность флуктуаций и, следовательно, в состоянии бифуркации прогноз направления дальнейшей эволюции и преобразования системы невозможен. Тем же случайным характером флуктуаций обусловлен необратимый и неповторимый характер эволюции природных саморегулирующихся систем. Иерархический порядок природных систем, при котором каждая малая система является частью крупной, приводит к тому, что по мере объединения компонентов в более крупные функ­циональные единицы на новых ступенях иерархической лестни­цы возникают новые свойства, отсутствующие на предыдущих ступенях. Эти свойства нельзя предсказать исходя из свойств компонентов, составляющих новый уровень. Этот принцип по­лучил название эмерджентности. Суть его: свойства целого не­возможно свести к сумме свойств его частей. Например, водород и кислород, находящиеся на атомарном уровне, образуют молекулу воды, обладающую уже совершенно новыми свойствами.

Теория возникновения и самоорганизации и эволюции упорядоченных структур из хаоса получила название синергетика. При этом только хаос, случайность могут привести к возникновению упорядоченных структур, и только случайные флуктуации могут обеспечить эволюцию стационарной системы в ответ на такие же непредсказуемые внешние воздействия.

Выводы синергетики и законы термодинамики, закономерности сохранения устойчивости экосистем заставляют пересмотреть сложившиеся представления о прогрессе и эффективности:

• прогрессивной является та система, которая обладает наибольшей устойчивостью в данных условиях, что не всегда связано с усложнением структуры системы;

• устойчивость системы обеспечивается не максимальной продуктивностью и аккумуляцией энергии (то есть, ни максимальным К.П.Д. и «производительностью труда») на том или ином пищевом уровне, а оптимальным распределением энергетических и вещественных ресурсов между всеми компонентами системы, позволяющим эффективно реагировать на изменения внешних условий;

• так как стационарное состояние сложной открытой системы обеспечивается множеством чисто случайных факторов, любые действия направленные на еще большую упорядоченность отдельных элементов системы, приведут к нарушению стационарного состояния и возрастанию энтропии. Отсюда делается вывод, что управление сложными самоорганизующимися системами невозможно

Лекция 2: Характеристика основных абиотических факторов, их лимитирующая роль в хозяйственной деятельности

План:

2.1. Характеристика основных абиотических факторов.

2.2. Оценка значения экологических факторов в жизни организмов и хозяйственной деятельности.

2.3. Климат как фактор рентабельности хозяйственной деятельности человека.

Планета Земля – замкнутая открытая система, равновесие которой определяется постоянным обменом энергии с надсистемой – космосом и другими системами Вселенной. В основе энергетического равновесия планеты лежит постоянный приток солнечной энергии.

Характеристика основных экологических факторов и их роли в хозяйственной деятельности человека

Основные абиотические факторы:

Свет. Солнечный свет - основной источник энергии, обеспечивающий все жизненные процессы на земле. Ядерные реакции Солнца дают 0,4 октиллиона Дж ежесекундно (Дж — Джоуль, единица энергии и работы). Эта ядерная энергия превращает­ся в излучение, которое непрерывным потоком частиц и электромагнитных волн уносится с поверхности звезды в мировое пространство.

Земля потребляет из указанного количества 0,3 квин­тиллиона Дж. Точно такое же количество выделяется ядер­ными реакциями внутри планеты. Внутренняя энергия дает тепло недр, которое расходуется «на химию» — дегазацию мантии и «на механику» — тектонические процессы (го­рообразование, вулканизм и т. д.), а также на инфракрас­ное планетное излучение. Если принять солнечную энергию, достигающую земли, за 100%, то 19% ее поглощается при прохождении через атмосферу, 34% отражается обратно в космическое пространство и 47% достигает земной поверхности в виде прямой и рассеянной радиации.

Взаимодействием солнечной энергии с глубинной энергией Земли и осуществляется перераспределение вещества между биосферой и более глубокими горизонтами 3емли.

Осадочные горные породы, образованные за счет выветривания магматических пород, в подвижных зонах земной коры вновь погружаются в зону высоких температур и давлений. Там они переплавляются и образуют магму — источник новых магматических пород.

После поднятия этих пород на земную поверхность и действия процессов выветривания вновь происходит трансформация их в новые осадочные породы. Символом круговорота веществ является спираль, а не круг. Это означает, что новый цикл круговорота не повторяет в точности старый, а вносит что-то но­вое, что со временем приводит к весьма значительным из­менениям.

Большой круговорот — это и круговорот воды между су­шей и океаном через атмосферу. Влага, испарившаяся с по­верхности Мирового океана (на что затрачивается почти поло­вина поступающей к поверхности Земли солнечной энергии), переносится на сушу, где выпадает в виде осадков, которые вновь возвращаются в океан в виде поверхностного и подзем­ного стока. Круговорот воды происходит и по более простой схеме: испарение влаги с поверхности океана — конденсация водяного пара — выпадение осадков на эту же водную поверх­ность океана.

Подсчитано, что в круговороте воды на Земле ежегодно участвует более 500 тыс. км³ воды.

Круговорот воды в целом играет основную роль в форми­ровании природных условий на нашей планете. С учетом транспирации воды растениями и поглощения ее в биогеохимиче­ском цикле, весь запас воды на Земле распадается и восста­навливается за 2 млн. лет.

На Земле 66,6% полученной от Солнца энергии расхо­дуется на нагрев воды, а 23,1% на нагрев суши. Почти ровно 10% уходит на нагрев воздуха. Т.о., осуществляется баланс температур на земной поверхности. Климатичес­кие пояса и режим погоды в них сформировались за счет этих 99,7% солнечного тепла. Энергия ветров, циклонов, морских течений, волн, прибоев, рек возникла из тепловой энергии Солнца. Биохимическая энергия от­дельных живых организмов и целых экосистем Земли, по­требляют на продуцирование белка 0,3% принимаемой планетой энергии.

Прямая солнечная радиация - это электромагнитное излучение с длинами волн от 0,1 до 30000 нм. На ультрафиолетовую часть спектра приходится от 1 до 5% потока радиации, падающего на Землю, на видимую - от 16 до 45%, на инфракрасную - от 49 до 84%. Распределение энергии по спектру зависит от массы атмосферы и высоты солнца.

Действие разных участков спектра солнечного излучения на живые организмы:

Ультрафиолетовые лучи (УФЛ)

До поверхности Земли доходят только длинноволновые (290-380 нм) УФЛ. Губительные для всего живого коротко волновые УФЛ поглощаются на высоте около 20-25 км озоновым экраном.

Длинноволновые УФЛ, обладающие большой энергией фотонов, имеют высокую химическую активность. Большие дозы их вредны для организмов, а небольшие - необходимы многим видам. В диапазоне 250-300 нм УФЛ оказывают мощное бактерицидное действие, у животных и у человека вызывают образование «антирахитического» витамина Д. При длине волны 200-400 нм ультрафиолет вызывает у человека загар, который является защитной реакцией кожи.

Инфракрасные лучи. Лучи с длиной волны более 750 нм оказывают тепловое действие.

Видимая радиация. Видимый солнечный свет несет приблизительно 50% суммарной энергии. Область видимой (воспринимаемой человеческим глазом) радиации (300-800 нм). В этих пределах выделяют область активной фотосинтетической радиации (ФАР). Видимый свет имеет разное экологическое значение для автотрофных и гетеротрофных организмов. Зеленым растениям свет нужен для процессов фотосинтеза или воздушного питания. Он также влияет на газообмен, синтез белков и нуклеиновых кислот, ростовые процессы и развитие растений, определяет сроки цветения и плодоношения.

Для животных солнечный свет не является таким необходимым фактором, как для зеленых растений, так как, в конечном счете, все гетеротрофы существуют за счет энергии, накопленной растениями. Свет для животных и человека - необходимое условие видения, зрительной ориентации в пространстве. Рассеянные, отраженные от окружающих предметов лучи, воспринимаемые органами зрения, дают значительную часть информации о внешнем мире. Развитие зрения у животных шло параллельно с развитием нервной системы. Для человека свет является внешним раздражителем, который через зрительный анализатор влияет на состояние нервной системы, повышая активность коры больших полушарий.

С экономической точки зрения важнейшим показателем является К.П.Д. фотосинтеза, повысить который в данной природной зоне ни какими путями невозможно. В свою очередь КПД фотосинтеза зависит от множества других факторов: режима выпадения осадков, влагоемкости и водопроницаемости почвы, температуры, влажности, скорости и направления движения воздуха, атмосферного давления, соотношения пасмурных и солнечных дней в году.

Средний КПД фотосинтеза составляет 0.1%, однако в разных регионах Земли может составлять от 13% до 0,01%.

Возможности использования энергии солнечного излучения в производственных целях ограничены, так как современные гелиоэлектростанции, солнечные батареи по своей себестоимости превосходят стоимость извлекаемой ими энергии.

Вода

Протекание всех биохимических процессов в клетках и нормальное функционирование организма в целом возможно только при достаточном обеспечении его водой.

Дефицит влаги - одна из наиболее существенных особенностей наземно-воздушной среды. Вся эволюция наземных организмов шла под знаком приспособления к добыванию и сохранению влаги. Режимы влажности среды на суше очень разнообразны - от полного и постоянного насыщения воздуха водяными парами в тропиках до практического отсутствия в воздухе пустынь.

Водообеспечение наземных организмов зависит также от режима выпадения осадков, наличия водоемов, запасов почвенной влаги, грунтовых вод и т.д. В среднем 0,5% воды идет на фотосинтез, а остальная - на восполнение испарения и поддерживание внутреннего давления клеток.

В целом запасы воды на Земле значительны: до 80% поверхности планеты занято водой, однако пресная вода составляет от этих запасов только 3%.

На долю Мирового океана приходится 71% земной поверх­ности. Водная среда отличается от наземной плотностью и вяз­костью. Плотность воды в 800 раз, а вязкость в 55 раз больше плотности воздуха. Наряду с этим важнейшими особенностями водной среды являются: подвижность, температурная стратифи­кация, прозрачность и соленость, от которых зависят фотосин­тез бактерий и фитопланктона и своеобразие среды обитания гидробионтов.

При этом пресные водоемы распределены очень неравномерно. Например, 80% пресной воды на территории России сосредоточены в одном - единственном водоеме - озере Байкал. Последние годы возник острый дефицит пресной воды, связанный прежде всего с увеличением ее расходов в сельском хозяйстве (орошение) и в промышленности. Происходящее при этом загрязнение водоемов усугубляет дефицит. Все водоемы постоянно загрязняются естественным путем продуктами выделений и мертвыми остатками организмов, смывами с поверхности почвы. Однако это естественное природное загрязнение нейтрализуется процессами самоочищения водоемов, включающих растворение и разбавление, осаждение нерастворимых компонентов, поэтапную утилизацию основной массы органических и минеральных веществ всем комплексом населяющих водоем организмов.

Антропогенное загрязнение воды превышает естественные возможности водоемов к самоочищению.

Наземные водоемы обладают существенным запасом потенциальной энергии. Однако возможности ее эффективного использования зависят от рельефа местности, длительности и глубины замерзания рек и озер. Так, рельеф большей части территории России – равнинный, перепад высот в наших реках меньше, чем даже в Западной Европе, большая часть рек зимой замерзает.

Воздух

Газовый состав воздуха в приземной атмосфере по содержанию основных компонентов однороден (азот - 78,1%, кислород - 21%, аргон - 0,9%, углекислый газ - 0,04-0,03% по объему) благодаря постоянному перемешиванию конвекционными и ветровыми потоками.

Азот для большинства обитателей среды является инертным газом, но ряд микроорганизмов способен связывать его и вовлекать в биологический круговорот.

Кислород необходим для окислительных процессов в организмах. Благодаря постоянному высокому содержанию не является фактором, лимитирующим жизнь в наземной среде, за исключением высокогорных районов.

Углекислый газ имеет чрезвычайно большое значение в связи с потреблением растениями в процессе фотосинтеза. Его содержание может изменяться в отдельных участках приземного воздуха в значительных пределах. Низкое содержание СО2 тормозит фотосинтез, излишнее - токсично. Углекислый газ относится к числу так называемых «парниковых» газов, и его концентрация в атмосфере существенно влияет на характер теплового обмена планеты с окружающей средой.

Различные газообразные, капельно-жидкие и пылевидные примеси, поступающие в воздух, могут существенно влиять на живые организмы. Основным источником этого загрязнения атмосферы является производственная деятельность человека. У живых организмов на земле нет механизмов, позволяющих приспособиться к другому химическому составу воздуха.

Растительный и животный мир нашей планеты эволюционировал при барометрическом давлении 740-760 мм рт. ст. (на уровне моря) и большинство современных видов приспособлено к данному атмосферному давлению. С высотой давление уменьшается и на высоте 5800м равно половине нормального, что ограничивает распространение видов в горах. Это нарушает снабжение организма человека кислородом, снижая его работоспособность.

Влажность воздуха влияет на его плотность и теплопроводность. Скорость движения воздуха и его теплопроводность влияют на уровень отдачи тепла. Направление движения воздуха определяют его температуру и режим выпадения осадков.

Антропогенные изменения атмосферы

Производственная деятельность человека приводит к изменениям в постоянном газовом составе атмосферы.

СО2. Увеличение концентрации СО2 в атмосфере происходит вследствие широкомасштабного сжигания топлива. В течение 20-го века его концентрация увеличилась с 0,03% до 0,04%. Поскольку отраженные от поверхности Земли солнечные лучи задерживаются молекулами углекислого газа, то указанное увеличение концентрации ведет к развитию так называемого "парникового эффекта" и повышению среднегодовой температуры на 1,2 градуса. Такое общее потепление климата на планете неизбежно приводит к нарушению сложившегося равновесия в атмосфере и непредсказуемым погодным и климатическим изменениям.

О_2. Годовой расход кислорода на Земле в 1000 раз превышает его образование зелеными растениями. И хотя изменений концентрации кислорода в атмосфере пока не наблюдается, экологи считают, что дальнейшее уменьшение площадей лесных массивов (особенно в экваториальном поясе) в сочетании с увеличением потребления неизбежно приведет к снижению доли кислорода в атмосфере.

Температурный режим

Температура отражает среднюю кинетическую скорость атомов и молекул в какой-либо системе. От температуры окружающей среды зависит температура организмов и, следовательно, скорость всех химических реакций, составляющих обмен веществ. Однако эффективность химических реакций в клетках определяется не только температурой, но и участием катализаторов – белков-ферментов. Поэтому границы существования жизни - это температуры, при которых возможно нормальное строение и функционирование белков, в среднем от 0 до +50⁰С. Колебания температуры на земном шаре достаточно велики. В пустынях Африки и Австралии температура нередко превышает 50-60⁰С. Самая низкая температура на Земле достигает – (-)70-80⁰С. Эти крайне низкие и крайне высокие температуры неприемлемы для жизни подавляющего большинства организмов. Относительно нормальная человеческая деятельность возможна лишь на так называемой «эффективной территории», которая находится ниже 2000м над уровнем моря со среднегодовой температурой не ниже -2⁰с. В России эффективной является треть территории, вытянутая с запада на восток сравнительно узкая полоса.

Любая система, от организма до любого предприятия и жилья, существует только при наличии определенного количества внутренней энергии и работоспособна при ее неравномерном распределении внутри системы. Но изолированных систем не существует. Любая система отдает часть своего внутреннего тепла окружающей среде. Величина теплоотдачи зависит от разницы температур между поверхностью системы и окружающей среды и от площади поверхности.

Сохранить постоянство, а значит, и работоспособность системы, можно только за счет уменьшения отдачи тепла (теплоизоляция между рабочей частью системы и ее поверхностью) и за счет постоянной подачи тепловой энергии в рабочую часть системы. При этом, чем больше разница температур, тем больше подача тепла в систему.

Почва и рельеф местности

Почвой называют рыхлый поверхностный слой земной коры, обладающий плодородием, представляющий комплекс минеральных и органических частиц, заселенный множеством микроорганизмов, простейших и беспозвоночных (нематод и насекомых). Минеральными компонентами служат измельченные частички горных пород. Органическая часть слагается из растительных и животных организмов, их мертвых остатков и гумуса. Механическое строение почвы (размеры минеральных частиц и их пористость) определяет ее такие экологически значимые свойства, как: воздухопроницаемость, водопроницаемость и влагоемкость (способность удерживать воду в порах).

От типа почвы и ее химического состава зависят растительность местности, химический состав пищевых продуктов растительного и животного происхождения. Недостаток или избыток тех или иных химических элементов в почве приводит к их недостатку или избытку в воде и пищевых продуктах, что оказывает влияние на здоровье населения. Пониженное или повышенное содержание ряда элементов приводит к развитию геохимических эндемических заболеваний: эндемическая зобная болезнь (недостаток йода), флюороз (избыток фтора), эндемическая подагра (избыток молибдена) и др. Чаще всего от этих заболеваний страдает сельское население, потребляющее продукты питания местного происхождения.

Почвенная микрофлора, как правило, состоит из безвредных сапрофитов. В то же время почва постоянно инфицируется патогенными микробами и яйцами гельминтов, попадающими в нее вместе с продуктами выделений инфицированных организмов или их трупами. Гибель большинства болезнетворных микроорганизмов в почве обусловлена воздействием солнечных лучей (на поверхности), неблагоприятными температурой и влажностью, недостатком питательных веществ, конкуренцией с сапрофитами. Не образующие спор патогенные микробы (возбудители кишечных заболеваний, чумы, туберкулеза, бруцеллеза, туляримии и др.) погибают в зависимости от конкретных условий в течение нескольких дней, недель или месяцев.

Постоянное загрязнение почвы продуктами жизнедеятельности живых организмов и их мертвыми остатками не приводит к накоплению этих отходов благодаря непрерывному процессу самоочищения почвы.

Самоочищение почвы - это длительный многоступенчатый процесс превращения мертвых органических остатков в воду, углекислый газ, минеральные соли и гумус.

Экологические факторы

Один и тот же фактор среды имеет различное значение в жизни совместно обитающих организмов разных видов. Например, сильный ветер зимой неблагоприятен для крупных, обитающих открыто, животных, но не действует на более мелких, которые укрываются в норах или под снегом. Солевой состав почвы важен для питания растений, но безразличен для большинства наземных животных и т. п.

Некоторые экологические факторы остаются относительно постоянными на протяжении длительных периодов времени эволюции видов: сила тяготения, солевой состав океана, основные свойства атмосферы. Однако большинство экологических факторов изменчивы в пространстве и во времени.

Несмотря на большое разнообразие экологических факторов, в характере их взаимодействия на организмы и в ответных реакциях живых существ можно выявить ряд общих закономерностей.

Закон оптимума

Каждый фактор имеет лишь определенные пределы положительного влияния на организм. Как недостаточное, так и избыточное действие фактора отрицательно сказывается на жизнедеятельности особей.

Зона оптимума (или оптимум) экологического фактора - благоприятная сила воздействия для организмов данного вида.

Чем сильнее отклонения от оптимума, тем больше выражено угнетающее действие данного фактора на организмы (зона пессимума). Максимально и минимально переносимые значения фактора - это критические точки, за пределами которых существование уже невозможно и наступает смерть. Пределы выносливости за критическими точками называют экологической валентностью живых существ по отношению к конкретному фактору среды.

Представители разных видов сильно отличаются друг от друга и по оптимуму и по экологической валентности. Одна и та же сила проявления фактора может быть оптимальной для одного вида, пессимальной для другого и выходить за пределы выносливости третьего.

Закон лимитирующих факторов

Факторы среды, имеющие в конкретных условиях пессимальное значение, особенно ограничивают возможность существования вида в данных условиях, вопреки и несмотря на оптимальное сочетание других отдельных условий.

Этот закон справедлив не только для существования естественных природных систем, но и для хозяйственной деятельности человека. Особенно значимы в этом отношении абиотические климатические факторы, ограничивающие рентабельность, а нередко и саму возможность отельных видов хозяйственной деятельности.

Прежде чем рассмотреть этот вопрос, необходимо уточнить некоторые основные экономические понятия.

Эффективность производства - это не полезность продукции, а соотношение между издержками и выручкой.

Капитал – это факторы производства: сырье, оборудование, персонал, энергия, помещения. Из валютно-денежных ресурсов к капиталу относятся только те, что расходуются на приобретение факторов производства. То, что расходуется на личное потребление - это не капитал. В эффективной экономике недопустима утечка капиталов (факторов производства), допустим лишь обмен одних факторов производства на другие. Продажа сырья, энергии, оборудования, квалифицированных специалистов и покупка на вырученные деньги продуктов, бытовой техники, других товаров, удовлетворяющих потребности человека, такая же утечка капитала, как и вложение этой выручки в другие предприятия и отрасли.

Конкурентоспособность - это превышение доходов над расходами. Следовательно, главным в конкурентной борьбе являются не новые технологии, изобретения или уровень гражданских свобод, а минимальность издержек. То есть, если труд рабов обходится дешевле роботехники при производстве товаров того же качества, то рабовладельческое хозяйство в конкуренции выиграет. Конкуренция лишь тогда действенна, когда она разоряет и губит отстающих. С появлением фондовой биржи, когда появилась возможность относительно свободно и анонимно перемещать капиталы из предприятия в предприятие, из отрасли в отрасль, выживание рентабельного, но менее прибыльного по сравнению с конкурентами, предприятия стало невозможно. Это положение распространяется и на уровень национальных государственных экономик.

В свободном рынке готовая продукция стоит примерно одинаково во всем мире, а вот издержки на производство этой продукции разные. Поэтому капиталы перетекают туда, где издержки ниже. Причины высоких издержек могут быть разными: лень, пьянство работников, плохая организация работы и т. п. Среди всех этих причин есть причины, не зависящие от людей: масштабы и характер территории, распределение природных ресурсов, климат.

Совокупность этих факторов составляет пространственно-географический фактор рентабельности.

Важнейшим фактором рентабельности любого производства являются транспортные расходы. Самый дешевый вид транспорта в мире – морской, следующий по дешевизне – речной. Следовательно, перевезти норильский никель в Лондон или даже в Южную Америку дешевле, чем в Москву. С точки зрения транспортных расходов, российские источники сырья для российской же промышленности расположены не ближе, чем для западноевропейской или южноазиатской, так как основными транспортными средствами являются железные дороги, трубопроводы и автотранспорт, которые в силу географических и климатических условий чрезвычайно дороги и энергоемки. Что касается рек, то они, во-первых, на длительное время замерзают, во-вторых, текут в основном в меридиональных направлениях и являются скорее препятствием для сухопутных видов транспорта.

Распределение природных ресурсов чрезвычайно разнообразно,но неравномерно как по вертикали, так и по горизонтали. Поэтому, если в расчете на страну Россия богата сырьевыми и энергетическими ресурсами, то в пересчете на единицу площади это далеко не так. Залежи отдельных видов ресурсов, необходимых для конкретного производства, разбросаны по огромной территории, на разной глубине, в труднодоступных пластах земной коры, в неблагоприятных для жизнедеятельности климатических условиях. С учетом транспортных расходов это приводит к высоким внутренним ценам на сырье и энергоносители. Очевидно, что в условиях мирового рынка цены на сырье примерно одинаковы. Следовательно, инвестиции в сырьевую отрасль подчиняются той же закономерности – перетекают туда, где издержки добычи данного сырья ниже. Соответственно эффективность и конкурентоспособность сырьевой отрасли зависят не только от объемов и общего количества природных ресурсов, но и от издержек добычи сырья. Отсюда практически нерентабельной является разработка в России новых месторождений золота, так как требует больше затрат, чем стоят запасы. Производство никеля и меди в Норильске, алюминия в Красноярске рентабельно только в силу искусственно заниженных по сравнению с мировыми внутренних цен на газ и электроэнергию. В то же время себестоимость добычи нефти, газа, угля, а значит и электроэнергии примерно в 2,5 раза выше средней в мире. Поэтому со стороны инвесторов мы видим заинтересованность не во вложениях в разработку месторождений (разработка продолжается в основном за счет инфраструктуры советского периода), а в средства транспортировки ресурсов: в газо- и нефтепроводы, в распределение электроэнергии.

Климат

Погодные изменения – это постоянное варьирование сочетания таких факторов среды, как температура, влажность воздуха, облачность, осадки, сила ветра, атмосферное давление. Для погодных изменений наряду с закономерным сезонным чередованием в годовом цикле характерны непериодические колебания, что усложняет существование наземных организмов. Многолетний режим погоды характеризует климат местности. В это понятие входят не только средние значения метеорологических явлений, но также их годовой и суточный ход, отклонение от него и их повторяемость. Климат определяется географическими условиями района. Зональное разнообразие климатов осложняется действием ветров, распределением циклонов и антициклонов, рельефом местности, степенью удаления от океана (континентальность) и многими другими факторами. Очень часто местные элементы среды (рельеф, освещенность, наличие водоемов и т. п.) так изменяют в конкретном участке режим температуры, света, влажности, движения воздуха, что он значительно отличается от климатических условий местности. Такие локальные модификации климата называются микроклиматом.

Климат как фактор рентабельности хозяйственной деятельности человека

Эффективной для хозяйственной деятельности человека территорией по международным оценкам считают территорию, которая находится ниже 2000 м над уровнем моря, со среднегодовой температурой не ниже -2° С. -2° С - и есть среднегодовая температура воздуха в России. Но это средний показатель по огромной стране. У нас есть регионы, где среднегодовая температура + 10-16°, а есть области, где она -10-14°. С этой точки зрения только треть территории России является эффективной, но и она является самой холодной в мире. В результате площади оленьих пастбищ в нашей стране (19%) больше, чем земель пригодных для сельского хозяйства (13%).

Существенным фактором являются средние зимние и летние температуры.

На евразийском материке изотермы изменяются не столько с севера на юг, сколько с запада на восток. Главная причина - Гольфстрим. Благодаря этому в Ленинграде, теплее, чем в Москве, а в Хельсинки зимой теплее, чем в Орле. Под Вильнюсом в июне созревает черешня, а в Московской области она просто не растет – вымерзает. Широта почти одна и та же, но Вильнюс на 1000 км западнее. Обобщая можно сказать, что по суровости зимнего периода север Норвегии, юг Швеции, Дания, Нидерланды, Бельгия, Западная Германия (кроме Баварии), Восточная и Центральная Франция, север Италии, Хорватия, Албания, северная Греция, приморские районы Турции, южный берег Крыма и побережье Северного Кавказа одинаковы – их средняя январская температура от +2 до +5 градусов. Западные регионы Европы: Англия, Западная Франция, Испания, Португалия, юг Италии, Греции, Турции имеют в январе температуру от+5 до +10 градусов. При этом важно отметить, что здесь не бывает весенних возвратов холодов и поэтому земледельческие работы начинаются довольно рано. Летом в Северной Европе регулярно образуется зона низкого давления, поэтому засух здесь не бывает, а большое количество пасмурных дней в весенне-летний период компенсируется удлинением светового дня («белыми ночами»).

Кроме средней годовой или сезонной температуры, имеет значение суровость климата – то есть перепад зимних и летних температур. В прибрежных районах Европы разница максимальных и минимальных отмеченных температур –40 градусов; в остальной Западной Европе –50 градусов; в Финляндии, Прибалтике, Польше и Словакии –60 градусов. В России до Урала –свыше 70, а в Сибири 80-90 градусов. Летом в Подмосковье перепад температур бывает от +30 днем до +5 ночью, а на 40% территории Западной Европы максимальный перепад зимней и летней температур составляет около 30 градусов. При средней январской температуре (-)2о на Кубани ночные заморозки при дневной плюсовой температуре достигают 7-10 градусов мороза. А ведь замерзают и люди, и животные, и растения, и вода (в трубах) при низкой температуре, независимо от того, как она повысится днем. На отопление каждого жителя России расходуется около 4 тонн условного топлива, в Западной Европе менее 1/5 тонны. В Голландии, Бельгии, 2/3 Франции и Англии системы отопления (камины не считаются, т. к. играют декоративную роль) не предусмотрены.

В условиях более сурового климата резко возрастают затраты любого производства. При создании рабочей температуры, например, в доменной печи требуется больше энергии для компенсации неизбежной отдачи тепла окружающей среде. Безлюдных производств мало, учебных заведений и жилищ не бывает. А когда разница между температурой внутри здания и снаружи составляет 40-50 градусов, то практически равны всем остальным производственным издержкам.

Глубина закладки фундамента, прокладка всех коммуникаций должны быть ниже уровня промерзания почвы. Минимальная глубина промерзания в России – 110 см., в Западной Европе (кроме севера Норвегии и Шпицбергена) максимальная – 50 см. В Англии трехэтажные особняки строят без фундамента, в Ирландии и в Малайзии без фундамента возводят заводские цеха – просто на бетонированной площадке.

Толщина стен обеспечивает необходимую теплоизоляцию. В Англии достаточно одного кирпича – 20 см, на Кубани два кирпича – 50 см., в Москве 3,5 кирпича – 90 см. Но чем массивнее стена, тем мощнее фундамент. В результате российский одноэтажный дом весит и требует строительного материала как европейский трехэтажный. Практически мы, русские, живем в самых дорогих домах в мире, хотя и не в таких комфортабельных.

В условиях сурового климата растут необходимые потребности в одежде и питании. Даже в сочинских субтропиках зимой не обойтись без зимней одежды и обуви. Рацион жителя России должен содержать в три раза больше углеводов и животных жиров, чем среднемировой рацион.

В результате себестоимость буквально всего, включая образование и научные разработки в России выше чем в других странах.

Стабильность климата. Климат Западной Европы определяется атлантическими циклонами с длительными осадками летом и оттепелями зимой. Недостаток ясных солнечных дней компенсируется суммой положительных температур (дни с температурой выше +10° составляющих 9 месяцев в году). Сельхоз работы идут с ранней весны до поздней осени. Пастбищное кормление всех видов домашних животных до 8-9 месяцев. Засухи и весенние заморозки происходят не чаще одного раза в 20 лет. Восточная Европа – зона столкновения атлантических циклонов с арктическими антициклонами. Сумма положительных температур оставляет на все сельхоз работы не более 48 дней в год; пастбищное кормление животных - не более трех месяцев. Летняя засуха сменяет холодное дождливое лето раз в три-четыре года. Нестабильность климата главное препятствие для перехода к товарному сельскому хозяйству.

Лекция 3. Понятия экосистемы и биосферы

План:

3.1. Экосистема, круговорот веществ в экосистеме. Роль продуктивности экосистем в хозяйственной деятельности.

3.2.Устойчивость экосистем, понятие коэволюции.

3.3. Биосфера.

Экосистемы

Организмы связаны между собой и с неорганической природой теснейшими материально-энергетическими связями. Растения могут существовать только за счет постоянного поступления в них углекислого газа, воды, кислорода, минеральных солей. Гетеротрофные организмы живут за счет автотрофных, но нуждаются в поступлении таких неорганических соединений как кислород и вода. В любом конкретном месте обитании запасов неорганических соединений, необходимых для поддержания жизнедеятельности населяющих его организмов, хватило бы ненадолго, если бы эти запасы не возобновлялись. Возврат биогенных элементов в среду происходит как в течение жизни организма, так и после его смерти, в процессе разложения трупов и растительных остатков. Таким образом, поток веществ, вызываемый деятельностью живых организмов, имеет тенденцию замыкаться в круговорот. Система живых организмов и неживой природы, в которой осуществляется опосредованный живыми организмами круговорот, называется экосистема.

Все автотрофные организмы экосистемы, способные синтезировать органические вещества из неорганических компонентов неживой природы называются продуценты. Единым источником энергии является Солнце. Благодаря способности молекул хлорофилла клеток растений возбуждаться энергией фотонов видимого солнечного света, клетки растений используют эту энергию в двух направлениях:

а) разложение воды:

б) синтез органических веществ:

Таким образом, энергия солнечных лучей видимой области спектра благодаря процессу фотосинтеза преобразуется зелеными растениями в энергию химических связей простейших органических соединений.

.

Все гетеротрофные организмы черпают энергию, потребляя готовые органические вещества, синтезируемые продуцентами. Таким образом, прохождение органических веществ по пищевой цепочке отражает основной поток энергии в экосистеме. Вся масса органических веществ, синтезируемых продуцентами в единицу времени при данной скорости фотосинтеза, составляет валовую первичную продукцию (ВПП) экосистемы. Количество валовой первичной продукции определяется коэффициентом полезного действия фотосинтеза, который в свою очередь зависит от таких климатических факторов, как длительность и эффективность солнечного излучения, температуры, количества воды, поступающей в клетки растений, содержания углекислого газа, то есть от тех факторов среды, которые в целом не зависят от человека. Следовательно, К.П.Д. фотосинтеза для данной зоны является главным фактором, ограничивающим производительность сельского хозяйства в данной зоне.

ВПП расходуется самими продуцентами в двух направлениях:

В ходе длинного ряда реакций молекул сахара с поступающими из почвы минеральными солями постепенно синтезируются аминокислоты, жирные кислоты и другие органические соединения, из которых строятся биополимеры клетки (белки, жиры, углеводы, нуклеиновые кислоты). Синтез биополимеров обеспечивает деление клеток и прирост массы продуцентов. Прирост массы всех продуцентов в единицу времени составляет чистую первичную продукцию экосистемы. Но для синтеза сложных органических соединений требуется дополнительная энергия, источником которой становится остальная часть ВПП.

Большая часть ВПП вступает в реакции энергетического обмена веществ, в ходе которых молекулы сахара расщепляются до углекислого газа и воды с выделением энергии.

Чистая первичная продукция является единственным источником энергии и пластических материалов для всех других (гетеротрофных) организмов экосистемы. При этом количество чистой первичной продукции ограничивается, с одной стороны, количеством валовой первичной продукции, а с другой – количественным и качественным составом доступных минеральных солей, постоянно присутствующих в почве (плодородием почвы).

Те гетеротрофные организмы, источником энергии и строительным материалом которых являются органические вещества продуцентов или других гетеротрофных организмов, называются консументами. Перенос веществ и энергии пищи от ее источника - зеленых растений - через ряд организ­мов, от одного звена потребителей к другому, называется пище­вой или трофической цепью. Трофическая структура экосистемы состоит из ряда парал­лельных и переплетающихся пищевых цепей и называется пище­вой, или трофической сетью.

Пища, потребляемая консументами, усваивается не полностью. Не усвоенная часть пищи выделяется во внешнюю среду и включается в другие пищевые цепи. Усвоенная часть пищевых белков, жиров, углеводов расщепляется в процессе пищеварения до мономеров, которые разносятся кровью по всем клеткам организма. Расходование этих веществ в клетках консумента идет в двух направлениях: большая часть ее расходуется на обеспечение жизнедеятельности организма энергией, а меньшая идет на синтез собственных жиров, белков, углеводов, нуклеиновых кислот и, следовательно, обеспечивает прирост массы консумента. Этот прирост массы всех консументов экосистемы на данном пищевом уровне в единицу времени составляет вторичную продукцию экосистемы на данном пищевом уровне. Несмотря на разнообразие экосистем, их продуктивность всегда подчиняется правилу пирамид продукции экосистем: На каждом трофическом (пищевом) уровне, создаваемое в единицу времени количество биопродукции, всегда меньше, чем на предыдущем.

Из этого правила следует, что

1. (Пирамида биомасс.) Биомасса всех продуцентов экосистемы всегда больше суммарной биомассы всех растительноядных. А биомасса всех хищников всегда меньше биомассы их потенциальных жертв.

2. (Пирамида чисел, справедлива только для пищевых цепей, в которых господствует отношение типа «хищник – жертва».) Общее количество хищников экосистемы всегда меньше числа их потенциальных жертв.

Гетеротрофные организмы, потребляющие мёртвое органическое веществ, в виде продуктов выделения или мёртвых останков продуцентов и консументов, называются редуценты. Это, в основном, почвенные членистоногие, их личинки, черви, грибы, дрожжи, бактерии. Потребляемое ими мёртвое органическое вещество также расходуется в двух направлениях: одна часть преобразуется в собственные биополимеры, обеспечивая рост и размножение редуцентов, а другая расходуется в качестве источника энергии. Однако, по мере прохождения по пищевым путям редуцентов, часть, расходуемая на энергию, расщепляется не только до углекислого газа и воды, но и до тех минеральных солей, которые в своё время были взяты из почвы продуцентами. То есть, редуценты полностью замыкают круговорот веществ в экосистеме. Так как количество мёртвой органики постоянно колеблется, то значительная часть редуцентов, размножившихся в период обилия питательных веществ, в период их дефицита погибает и превращается в органическое вещество особого рода – гумус. Гумус также может использоваться некоторыми другими видами редуцентов, но самое главное, гумус может постепенно превращаться в углекислый газ, воду и минеральные соли без участия живых организмов, за счет спонтанных химических реакций. Поэтому его минерализация идёт очень медленно и примерно с постоянной скоростью, что обеспечивает постоянный приток в почву одного и того же количества минеральных солей. Поэтому именно гумус является основой плодородия почвы. Скорость и интенсивность образования гумуса зависит от материнской горной породы и климатических факторов, определяющих, динамику круговорота веществ в экосистеме.

Понятие продуктивности экосистем позволяет сделать существенные выводы о пределах возможностей хозяйственной деятельности человека, в частности сельского хозяйства.

1. Чистая первичная продукция, а значит и максимальная урожайность с/х культур ограничена коэффициентом полезного действия фотосинтеза в данной природной географической зоне ( при этом К.П.Д. фотосинтеза колеблется от 12% до 0,02% ) повысить который невозможно.

2. Суммарная масса производства пищевого животного белка не может быть выше производства растительных пищевых продуктов, как бы ни развивалась и ни совершенствовалась биотехнология.

3. Возможности биосферы Земли обеспечить питанием растущее численно человечество ограничены естественными природными непреодолимыми факторами.

Существует принципиальная разница в поведении энергии и вещества в экосистеме. Вещество циркулирует в системе: элементы и вещества, входящие в состав живого, имеют свои циклы, свои круговоро­ты. Энергия, однажды использованная экосистемой, превраща­ется в тепло и утрачивается для системы.

Приспособленность всех живых организмов экосистемы выражается в определенном сходстве требований к важнейшим абиотическим компонентам экосистемы и зависит от замкнутости круговорота веществ, осуществляемого ими же. Участие всех организмов экосистемы в едином круговороте веществ заставляет их приспосабливаться к совместному существованию и объединяет их в систему – биоценоз. Биоценоз является подсистемой экосистемы. Приспособленность к совместному существованию выражается в формировании комплекса связей и взаимоотношений между организмами.

Основные биоценотические связи

1. Трофические связи возникают, когда один вид питается мертвыми остатками, продуктами жизнедеятельности или живыми особями другого вида.

1. Топические связи характеризуют любое физическое или химическое изменение условий существования одного вида в результате жизнедеятельности другого.

2. Форические связи отражают участие одного вида в распространении другого.

3. Фабрические связи проявляются, когда один вид использует для создания своих сооружений продукты выделения, мертвые остатки или живых особей другого вида.

Основные биоценотические отношения

Нейтрализм - форма отношений, при которых сожительство двух видов на одной территории не влечет для них ни отрицательных, ни положительных последствий.

Отношения типа "хищник - жертва", "паразит - хозяин" отражают прямые двусторонние пищевые связи, которые для одного из партнеров имеют отрицательные, а для другого - положительные последствия.

Конкуренция - взаимоотношения, возникающие между видами со сходными экологическими требованиями. Формы конкурентного взаимодействия разнообразны: от мирного соревнования до прямой физической борьбы. Однако при любой форме конкуренция отрицательно сказывается на обоих видах. В конечном итоге один из конкурентов вытесняет другого, так как даже у очень близких видов экологические спектры никогда не совпадают полностью. Тот вид, который в данной обстановке имеет хотя бы небольшое преимущество, оказывается победителем в конкурентной борьбе. Другим результатом конкуренции может быть разделение экологических ниш в ходе эволюции.

Мутуализм - взаимоиспользование, или взаимовыгодные отношения, ярким проявлением которых являются различные типы симбиоза.

Организмы каждого вида, входящего в состав биоценозов в свою очередь представляют собой подсистему биоценоза – популяцию. Таким об­разом, популяция, биоценоз, экосистема располагаются в иерархическом порядке от малых систем к крупным. В основе объединения организмов одного вида в популяцию лежат мутуалистические и конкурентные отношения.

Роль этих отношений в пределах вида - предмет специального раздела - экологии популяций.

ПОПУЛЯЦИЯ - это группа особей одного вида, находящихся во взаимодействии между со­бой и совместно населяющих общую территорию. Чем сложнее рассечен ареал обитания вида, тем больше возможностей для обособления популяции. Степень обособленности со­седних популяций вида различна. В некоторых случаях они разделены территорией, не при­годной для обитания и тогда четко локализованы в пространстве (например, рыбы в изоли­рованных водоемах). В других, непригодные для жизни участки легко преодолеваются при расселении. Вычленять границы популяций можно только условно, по плотности засе­ления. Главным критерием популяции является возможность беспрепятственного скрещивания. К основным характеристикам популяций относят численность, плотность, рождаемость, смертность, прирост популяции, темп роста. Популяции свойственна определенная структура: распределение групп по территории, соотношение групп по полу, возрасту, морфологическим, поведенческим и генетическим особенностям, в целом, отражая специфику внутривидовых отношений, как мутуалистиче­ских (взаимополезных), так и конкурентных. Каждая популяция запрограммирована на ши­рокий диапазон естественных изменений среды вплоть до катастрофических. Поддержание определенной численности особей в популяции получило название гомеостаза популяции и является авторегулируемым процессом. Для любой популяции в конкретных условиях свойственен определенный средний уровень численности, вокруг ко­торого происходят колебания. Отклонения от среднего уровня имеют разный размах, но по­сле каждого отклонения численность популяции начинает изменяться с обратным знаком.

Модифицирующие факторы - факторы, вызывающие изменение численности популяции, сами не испытывающие влияния этих изменений. Сюда относятся все абиотические воздей­ствия на организм и их последствия, выраженные в изменении количества и качества кор­мов, количества и активности конкурентов.

Регулирующие факторы не просто изменяют численность популяции, а сглаживают ее колебания после очередного отклонения от оптимума. В качестве регулирующих сил выступают межвидовые и внутривидовые отношения. Разные типы отношений определяют быстроту ответных реакций на изменение численности популяции.

Природная регуляция численности имеет 2 особенности:

• Регуляторные механизмы действуют в ответ на происшедшее изменение и эффект дос­тигается с некоторым опозданием.

• Регуляция имеет одностороннее действие, направленное на ограничение роста популя­ции. Подъем численности после сильного снижения происходит за счет уменьшения силы действия регуляторов.

Устойчивость экосистем

Система – это совокупность объектов и / или явлений, объединенных единым процессом.

Если процесс, объединяющий компоненты системы, является обратимым, система называется замкнутой.

Если замкнутая система связана с другими системами, обеспечивающими возможность ее обмена с ними веществами и энергией, такая система является замкнутой открытой системой.

Стационарное состояние замкнутых открытых систем – это равновесие двух противоположных процессов: увеличения беспорядка в системе (увеличение энтропии) и соответствующего восстановления упорядоченности (уменьшения энтропии), то есть когда изменение степени упорядоченности системы (энтропии) стремится к 0.

Приток энергии и веществ в любую природную замкнутую открытую систему может быть постоянным только статистически, а, значит, в разные моменты существования системы он может приводить к усилению то одной, то другой стороны обратимого процесса.

Исходя из закона сохранения энергии, любое усиление одного из этих процессов (хоть порядка, хоть беспорядка) выводит систему из стационарного состояния и в конечном итоге ведет к снижению ее упорядоченности.

Сохранение стационарного состояния естественных природных замкнутых открытых систем в постоянно меняющихся условиях обеспечивается тем, что при выходе системы из равновесия и увеличения энтропии (беспорядка) повышается вероятность случайного возникновения новых зон упорядоченности (флуктуаций – неравновесного и неустойчивого распределения энергии внутри системы). За счет этих случайных процессов и происходит эволюция систем в сторону разнообразия форм распределения энергии и повышения их устойчивости к разнообразным случайным воздействиям.

Любая экосистема – это замкнутая открытая система, упорядоченность которой обеспечивается статистически постоянным притоком солнечной энергии, аккумулируемой фотосинтезом. Стационарное состояние экосистемы возможно только при равновесии двух противоположных процессов: создания высокоупорядоченных структур в виде органических веществ и организмов, с одной стороны, и распада этих структур, их обратного преобразования в неорганические вещества неживой природы – с другой.

То есть, условием устойчивости экосистемы является максимальная замкнутость круговорота веществ, когда состав и количество компонентов возвращаемых организмами в неживую природу в единицу времени максимально близок составу и количеству тех же компонентов, потребляемых ими за тот же промежуток времени. Внешним проявлением устойчивости и равновесия экосистемы является постоянство видовой структуры биоценоза (постоянное воспроизводство одних и тех же видов растений, животных и т. д. в тех же количественных соотношениях).

Однако статистически постоянный приток солнечной энергии может и часто непредсказуемо изменяется (погодные изменения, нехарактерные для данного сезона в данной местности). Это может привести к массовой гибели видов, неустойчивых к данным условиям, и последующему нарушению замкнутости круговорота веществ во всей пищевой цепи. Так и происходит, например, на полях при неожиданных заморозках или засухах. Однако, в отличие от агросистем, созданных человеком, в природных экосистемах большая часть подобных погодных колебаний не выводит их из равновесия. Это объясняется тем, например, что в степи (природной экосистеме) произрастает (в отличие от полей) не один, а множество видов трав, обладающих разной степенью устойчивости к разным климатическим факторам. При массовой гибели одного - двух видов и снижении объема круговорота веществ в соответствующих пищевых цепях происходит расширенное воспроизводство других видов трав и увеличение объемов круговорота других пищевых цепей.

Таким образом, максимальная замкнутость круговорота веществ в экосистеме может быть обеспечена только максимальным разнообразием видов живых организмов. В свою очередь разнообразие видов ограничено минимальной численностью популяций, необходимой для ее стабильного воспроизводства и ограниченностью ресурсов экосистемы, ее продуктивностью. Поэтому может иметь место только разнообразие видов, необходимое для устойчивости экосистем в ограниченных пределах изменений условий жизни.

Непредсказуемые климатические изменения, катастрофы (пожары, наводнения и т. п.), вмешательство человека могут быть такой силы, что нарушение замкнутости круговорота веществ не может быть компенсировано сохранившимися или занесенными извне (при полной гибели исходной экосистемы) видами. Массовое размножение этих видов при отсутствии замкнутости круговорота веществ неизбежно приведет к изменению условий их существования в неблагоприятную для них сторону и заставит уступить большую часть ресурсов другим видам. Такая последовательная смена видового состава биоценоза называется сукцессия, и она будет продолжаться до тех пор, пока не установится разнообразие, обеспечивающее максимальную замкнутость круговорота веществ и переход экосистемы к равновесию.

Важнейшая термодинамическая характеристика организмов, экосистем и биосферы в целом — способность создавать и поддерживать высокую степень внутренней упорядоченности, т. е. со­стояние с низкой энтропией. Низкая энтропия достигается по­стоянным и эффективным рассеянием легко используемой энергии (например, энергии света или пищи) и превращением ее в энер­гию, используемую с трудом (например, в тепловую). Упорядо­ченность экосистемы, т. е. сложная структура биомассы, поддер­живается за счет дыхания всего сообщества, которое постоянно «откачивает из сообщества неупорядоченность». Таким образом, экосистемы и организмы представляют собой открытые неравно­весные термодинамические системы, постоянно обменивающиеся с окружающей средой энергией и веществом, уменьшая этим эн­тропию внутри себя, но увеличивая энтропию вовне в согласии с законами термодинамики. Фундаментальные концепции физики, сформулированные в пре­дыдущих лекциях, — это важнейшие из законов природы, имею­щие универсальное значение. Насколько нам известно, из этих физических законов нет исключений и никакие технические изо­бретения не могут их нарушить. Любая искусственная или естест­венная система, не подчиняющаяся этим законам, обречена на гибель. Все разнообразие проявлений жизни сопровождается превра­щениями энергии, хотя энергия при этом не создается и не унич­тожается (первый закон термодинамики). Энергия, получаемая в виде света поверхностью Земли, уравновешивается энергией, из­лучаемой с поверхности Земли в форме невидимого теплового излучения. Сущность жизни состоит в непрерывной последова­тельности таких изменений, как рост, самовоспроизведение и син­тез сложных химических соединений. Без переноса энергии, со­провождающего все эти изменения, не было бы ни жизни, ни эко­логических систем. Наша цивилизация — лишь одно из замечательных явлений природы, зависящих от постоянного при­тока концентрированной энергии. Если бы, потеряв способность добывать и хранить достаточное количество высококачественной энергии, человеческое общество стало закрытой системой, оно в соответствии со вторым законом термодинамики вскоре утратило бы упорядоченность.

Экология, по сути дела, изучает связь между светом и эколо­гическими системами и способы превращения энергии внутри системы. Таким образом, отношения между растениями - проду­центами и животными - консументами, между хищником и жерт­вой, не говоря уже о численности и видовом составе организмов в каждом местообитании, лимитируются и управляются потоком энергии, превращающейся из ее концентрированных форм в рас­сеянные. Особое внимание экологов привлекают вопросы преобра­зования энергии горючего, атомной энергии и других форм кон­центрированной энергии в индустриализованном обществе. Таким образом, все типы экосистем регулируются теми же основными законами, которые управляют и неживыми системами, скажем, электромоторами и автомобилями. Различие заключается в том, что живые системы, используя часть имеющейся внутри них до­ступной энергии, способны самовосстанавливаться и «откачивать» неупорядоченность, а машины приходится чинить и заменять, используя при этом внешнюю энергию. Восхищаясь машинами, мы забываем, что уменьшение энтропии в результате использова­ния машин требует затраты значительных энергетических ре­сурсов.

Самой крупной экосистемой, предельной по размерам и масштабам, является биосфера. Биосферой называют активную оболочку Земли, включающую все живые организмы Земли и находящуюся во взаимодействии с неживой средой (химической и физической) нашей планеты, с которой они составляют единое целое. Биосфера нашей планеты существует 3 млрд. лет, она растет и усложняется наперекор тенденциям холодной энтро­пийной смерти; она несет разумную жизнь и цивилизацию. Биосфера существовала задолго до появления человека и может обойтись без него. Напротив, существование человека невоз­можно без биосферы.

Все остальные экосистемы находятся внутри биосферы и яв­ляются ее подсистемами. Крупная региональная экосистема, ха­рактеризующаяся каким-либо основным типом растительности, называется биомом. Например, биом пустыни или влажного тро­пического леса. Гораздо меньшей системой является популяция, включающая группу особей одного вида, т. е. единого происхо­ждения, занимающая определенный участок. Более сложной системой, чем популяция, является биоценоз, который включа­ет все популяции, занимающие данную территорию. Таким об­разом, популяция, сообщество, биом, биосфера располагаются в иерархическом порядке от малых систем к крупным. Биосфера - это глобальная экосистема планеты, поддерживающая глобальный круговорот веществ.

Важное следствие иерархической организации состоит в том, что по мере объединения компонентов в более крупные функ­циональные единицы на новых ступенях иерархической лестни­цы возникают новые свойства, отсутствующие на предыдущих ступенях. Эти свойства нельзя предсказать исходя из свойств компонентов, составляющих новый уровень. Этот принцип по­лучил название эмерджентности. Суть его: свойства целого не­возможно свести к сумме свойств его частей. Например, водород и кислород, находящиеся на атомарном уровне, при соединении образуют молекулу воды, обладающую уже совершенно новыми свойствами. Другой пример. Некоторые водоросли и кишечно­полостные образуют систему коралловых рифов. Огромная про­дуктивность и разнообразие коралловых рифов — эмерджентные свойства, характерные только для рифового сообщества, но ни­как не для его компонентов, живущих в воде с низким содержа­нием биогенных элементов.

Деятельность организмов в экосистеме приспосабливает геохи­мическую среду к своим биологическим потребностям. Тот факт, что химический состав атмосферы и сильно забуференная физиче­ская среда Земли резко отличаются от условий на любой другой планете Солнечной системы, позволил сформулировать гипотезу Геи. Согласно этой гипотезе именно живые организмы создали и поддерживают на Земле благоприятные для жизни условия. Скорее всего, зеленые растения и некоторые микроорганиз­мы сыграли основную роль в формировании земной атмосферы с ее высоким содержанием кислорода и низким содержанием углекислого газа. Гипотеза Геи подчеркивает важность изучения и сохранения этих регулирующих механизмов, которые позво­ляют атмосфере приспосабливаться к загрязнениям, обусловлен­ным деятельностью человека.

В биосфере очень важна роль биогеохимических циклов. Биогенные элементы — С, О, N, P, S, СО2, H2О и другие — в отличие от энергии удержива­ются в экосистемах и совершают непрерывный круговорот из внешней среды в организмы и обратно во внешнюю среду. Эти замкнутые пути называют биогеохимическими циклами. В биогеохимических круговоротах следует различать две части, или как бы два среза: 1) резервный фонд — это огром­ная масса движущихся веществ, не связанных с организма­ми; 2) обменный фонд — значительно меньший, но весьма активный, обусловленный прямым обменом биогенным ве­ществом между организмами и их непосредственным окру­жением. Если же рассматривать биосферу в целом, то в ней можно выделить: 1) круговорот газообразных веществ с ре­зервным фондом в атмосфере и гидросфере (океан) и 2) оса­дочный цикл с резервным фондом в земной коре (в геологи­ческом круговороте). В ходе биогеохимических циклов благодаря жизнедеятельности живых организмов происходит локальное концентрирование и накопление веществ, содержащих определенные элементы, приводящее к формированию месторождений энергетических и сырьевых ресурсов хозяйственной деятельности человека. В течение многих миллионов лет существования жизни живая материя превратила огромное количество солнечной энергии в механическую и химическую, определила состав атмосферы, осадочных пород почвы, гидросферы, неузнаваемо изменила общий облик планеты. Следовательно, можно говорить о неразрывной связи между неорганической и органической материей. Устойчивость стационарного состояния биосферы подчиняется тем же законам, что и устойчивость любой экосистемы. Формирование множества локальных экосистем и глобальной экосистемы планеты – Биосферы, представляло собой всеобъемлющую сукцессию, в ходе которой создавалось разнообразие видов, необходимое для максимально замкнутого круговорота веществ. В результате за относительно короткий (700 млн. лет) срок разнообразие видов достигло современного уровня (около 2 млн. видов). С тех пор отдельные экосистемы Земли и Биосфера в целом не раз переходили от состояния равновесия к сукцессии, при этом нередко происходило вымирание как отдельных видов, так и более крупных таксономических групп растений и животных. На их место в экологических нишах приходили новые виды, и каждый раз переход Биосферы к равновесию сопровождался восстановлением разнообразия видов на среднем уровне в 2 млн. видов.

Рациональное поведение звеньев трофической цепи определяется не эффективностью добывания пищи, а умеренностью. Поэтому в экосистемах остаются лишь виды, хорошо выполняющие свои биологические функции — живущие и дающие жить другим. Особенности человека как биологического вида в трофических цепях состоят в следующем:

• человек всеяден и может жить то за счет одних, то за счет других звеньев трофической цепи; это снимает с него узду умеренности;

• он может приближать к себе ресурсы с помощью одомаш­нивания растений и животных или привозить их, выходя из-под контроля среды в месте проживания;

• он может уходить из нарушенной им цепи в другую. Это дает человеку чувство свободы, однако, это свобода от не­медленного ответного воздействия и от ответственности перед потомками.

Понятие о продуктивности и устойчивости экосистем позволяет сделать существенные выводы о пределах возможностей хозяйственной деятельности человека.

1. Устойчивость экосистем обеспечивается необходимым для максимальной замкнутости круговорота веществ разнообразием видов живых организмов. Устойчивость глобальной экосистемы планеты Земля – Биосферы обеспечивается разнообразием порядка двух млн. видов. Любая деятельность человека, ведущая к снижению численности и разнообразия видов на Земле ведет к нарушению равновесия Биосферы. Страшно не то, что наши дети не увидят живыми тех или иных цветов и животных, а то, что выход Биосферы из равновесия приведет ее к такой глобальной сукцессии, в результате которой придется кардинально изменять практически все сложившиеся технологии природопользования и жизнеобеспечения человека.

2. Использование потока энергии экосистемы направлено на максимально возможное сохранения равновесия. Следовательно, любой вид, обеспечивающий свое выживание за счет возможности воспроизводства других видов экосистемы («сильнейший»), приведет к нарушению равновесия экосистемы, исчерпанию ресурсов, необходимых для его существования и в итоге прекратит свое существование. С эволюционной точки зрения приспособленным является тот вид, который, обеспечивая свое воспроизводство, не препятствует воспроизводству других видов экосистемы.

3. Использование того же потока энергии в хозяйственной деятельности направлено на его перераспределение в сторону получения максимума продукции в необходимых человеку пищевых цепях (господству избранных человеком видов за счет невозможности существования других), поэтому вмешательство человека в природные экосистемы не может не нарушать их равновесия.

4. Формирование и восстановление равновесия экосистем - это саморегулируемый процесс, базирующийся на случайностях (случайный занос семян или случайная миграция животных, случайные наследственные изменения свойств организмов в результате мутаций и рекомбинаций генов).

5. Любая попытка изменить равновесие экосистемы в сторону упорядоченности (как ее понимает человек) приведет к соответствующему увеличению непредсказуемости и беспорядка в других частях той же системы. То есть, предпринимая любые преобразования природы для решения своих насущных проблем, человек должен быть готов к неизбежному появлению новых и совершенно неожиданных проблем.

6. Чистая первичная продукция, а значит и максимальная урожайность с/х культур ограничена коэффициентом полезного действия фотосинтеза в данной природной географической зоне (при этом КПД фотосинтеза колеблется от 12% до 0,02% ) повысить который невозможно.

7. Суммарная масса производства пищевого животного белка не может быть выше производства растительных пищевых продуктов, как бы ни развивалась и ни совершенствовалась биотехнология.

8. Возможности биосферы Земли обеспечить питанием растущее численно человечество ограничены естественными природными непреодолимыми факторами.

Лекция 4. Экология эволюции человека

План:

4.1. Экология биологической эволюции и происхождения человека.

4.2. Экология возникновения и эволюции социальных отношений.

4.3. Возникновение двух типов природопользования, экологическая характеристика охоты и собирательства.

Изучение экологии человека самым непосредственным образом связано с основным рассмотрением аспектов его эволюции как биологического вида, так как именно взаимоотношения наших предков с постоянно изменяющимися условиями среды обитания привели к формированию современного человека и человечества. Начнем с места человека как биологического вида среди других живых организмов. В соответствии с современной биологической классификацией, человек принадлежит к типу хордовых, классу млекопитающих, отряду приматы, подсемейству гоминиды, семейству гоминоиды, роду человек, виду — человек разумный. Данные ДНК-гибридизации показывают, что уровень гомологии ДНК человека составляет с ДНК макак 66%, с ДНК гиббонов — 76%, с ДНК гориллы — 96%, с ДНК шимпанзе — 99%. В соответствии с этими результатами и принятыми в современной биологии критериями человек должен быть объединен в один род с шимпанзе и гориллой и сохранение приведенной выше классификации можно объяснить, пожалуй, только антропоцентристскими предрассудками ученых.

Те же данные ДНК-гибридизации неопровержимо свидетельствуют о наличии у людей и, по крайней мере у шимпанзе, общего предка.

Рассмотрение эволюции человека обычно начинают с сопоставления основных биологических особенностей вида Homo Sapience и видов близких ему приматов как современных, так и исчезнувших. Наиболее существенные характеристики Homo Sapience: относительно крупные размеры тела и относительно крупная голова, вертикальное положение тела и хождение на двух ногах, гибкие кисти рук, приспособленные к совершению сложных движений, хорошо развитый головной мозг. Совокупность этих признаков чрезвычайно расширила адаптационные возможности нашего вида, прежде всего за счет поведенческого пути адаптации и расширения трофических, фабрических и топических связей.

Перед рассмотрением эволюционных событий, приведших к развитию вышеназванных биологических особенностей, вспомним некоторые положения теории биологической эволюции.

Отбор действует только на живые организмы. Он не может начинать заново с каждым новым поколением, а затем модифицировать и поддерживать уже существующие мутации. Это значит, что особенности фенотипа, полученные в результате мутации, зависят от природы исходного фенотипа. У амебы не может произойти мутация, которая привела бы к появлению человеческого интеллекта. Предки человека и шимпанзе не могли эволюционировать в изменившихся условиях в кошачьих или собак, при всем различии адаптаций они оставались и остаются приматами.

Рассмотрим, исходя из вышесказанного, основные особенности биологии и экологии всех современных высших приматов, и тех исчезнувших, чьи исследованные ископаемые остатки позволяют судить об основных биологических свойствах предков человека, как основы их эволюции к биологии современного человека.

Это относительно крупные млекопитающие и, следовательно, имеют хорошо развитую ЦНС и более крупный головной мозг.

Хорошо приспособлены к древесному образу жизни: когти заменены ногтями, кисти имеют пять хорошо развитых пальцев с противопоставлением одного другим, что позволяет совершать хватательные движения. Основной способ передвижения – вертикальные прыжки – брахиация; передвижения по земле на четырех конечностях менее эффективно, чем у наземных млекопитающих.

Передние конечности не только орган передвижения, но и орган исследования предметов, собирания плодов, поднесения пищи ко рту.

Всеядность с преимущественным потреблением высокопитательной растительной пищи в виде сочных плодов. В силу необходимости освободить передние конечности для сбора плодов и поднесения их ко рту: способность к длительному вертикальному сидению и кратковременному передвижению на задних конечностях.

Крупный череп, укорочение челюстей, редукция клыков и органов обоняния, увеличение остроты зрения.

Древесный образ жизни требует всесторонней информации об окружающей среде, совершенствования сенсорного восприятия, ускорения двигательных центров коры головного мозга.

Сложное поведение, наличие социобиологических структур в сообществах. Все перечисленные свойства, каждое в отдельности требуют более высокого уровня развития центральной нервной системы млекопитающего животного. Следовательно, центральная нервная система наших общих с человекообразными обезьянами предков, если и уступала в своем развитии центральной нервной системе современных шимпанзе или орангутангов, существенно превосходила существенно превосходила центральную нервную систему других млекопитающих, обеспечивая нашим предкам высокую гибкость приспособительного поведения

Таким образом, у наших общих с человекообразными обезьянами предков были достаточно серьезные преадаптации для дальнейшей эволюции, как в сторону шимпанзе, так и в сторону человека. В реконструкции основных этапов эволюции предков человека к современному человеку еще достаточно «белых пятен», но главные факторы, сделавшие невозможным другое направление этой эволюции определены вполне достоверно. Принципиальными отличиями современного человека от животных являются прямохождение, способность к труду, наличие интеллекта и особый тип отношений между людьми, не свойственных никаким другим животным (социальные отношения). С другой стороны, те же исходные биологические свойства предков человека и человекообразных обезьян ограничивали разнообразие возможных направлений эволюции.

Естественный отбор оперирует в сжатые сроки. Организмы отбираются на основе непосредственных требований окружающей среды. Таким образом, реконструируя эволюцию тех или иных адаптаций, нужно всегда помнить, что отбор организмов идет на основе непосредственных требований среды и поэтому объяснять происхождение тех или иных характерных признаков человека, исходя из требований образа жизни современного человека, будет непростительной ошибкой.

Рассмотрению причинно-следственных связей, обусловивших возникновение этих отличий, и будет уделено главное внимание.

Предполагается, что гоминиды дивергировали от гоминоидов от 10 до 4 млн. лет назад. Нужно отметить, что по времени это совпадает с эволюцией и образованием множества современных видов млекопитающих. Господствовавшее утверждение, что человек — это самый молодой вид, ни что иное как тоска по библейскому понятию "венца творения". Всплеск видообразования в ту эпоху связан с глобальными климатическими изменениями, приведшими в Центральной Африке к сокращению площадей тропического леса и превращению их в лесостепи — "саванны". В этой ситуации общего уменьшения всех жизненных ресурсов и соответствующего обострения конкуренции между всеми обитателями тропического леса происходит снижение численности популяций всех видов, биологически неприспособленных к выживанию в новых условиях. Таким образом, перед нашими предками, адаптировавшимся к жизни в условиях тропического леса, лежала альтернатива: сокращение численности в соответствии с ресурсами сохранившегося тропического леса или попытка приспособиться к новым условиям среды не за счет биологических свойств организма, а исключительно за счет высокой гибкости поведения.

В условиях саванны предкам человека пришлось не только перейти от жизни на деревьях к наземному образу жизни, но и изменить пищевой рацион. Главным отличием условий обитания в саванне от тропического леса является более выраженная сезонность. Если в тропическом лесу количество сочных высокопитательных кормов примерно одинаково в течение всего года, то в саванне периоды обилия плодов, клубней корнеплодов сменяются периодами их дефицита. У наших предков было два возможных пути адаптации:

1. Перейти на постоянное потребление больших количеств низко питательной растительной пищи (травы, побегов, листьев), т.е. на образ жизни жвачных животных, когда основное время уходит на потребление пищи. Однако предки человека проигрывали конкуренцию за пастбища предкам современных копытных.

2. Перейти на потребление еще более питательной пищи. Постоянным источником такой пищей в саванне могло быть только мясо животных. В этом случае основное время тратится на поиск и добывание пищи. Но отсутствие необходимых для эффективного охотничьего поведения биологических свойств полностью исключало какую-либо успешную конкуренцию с хищниками.

Всеядность наших предков, позволявшая совмещать охоту с поиском в благоприятный сезон плодов, клубней и других видов высокопитательной растительной пищи, не могла решить эту проблему. Выжить в таких условиях предкам человека позволила уникальная ситуация, когда на базе высокого разнообразия множества видов и разновидностей хищников в саванне шел жесткий естественный отбор наиболее приспособленных из них, непосредственных предков той немногочисленной группы видов, которые господствуют на вершине пищевой пирамиды в современной саванне. Как доказано многочисленными наблюдениями, межвидовая конкуренция отрицательно сказывается на конкурирующих видах и не позволяет им использовать имеющийся жизненный ресурс в полной мере. Именно за счет этого остаточного, не использованного хищниками ресурса, смогли выжить предки человека в течение первых 4-5 млн. лет обитания в саванне. Однако конкуренция оставалась настолько жесткой, что предкам человека приходилось вести поиск пищи на гораздо большей территории, чем любому хищнику. Это требовало высокоэффективного способа передвижения на большие расстояния с относительно высокой средней скоростью, что и стало главным фактором отбора в сторону прямохождения.

Прямохождение. С физиологической и анатомической точки зрения прямохождение человека – биологический нонсенс. Высоко поднятый центр тяжести делает вертикальное положение тела чрезвычайно неустойчивым, которое усугубляется практически одной точкой опоры при ходьбе. Поэтому прямохождение требует во много раз больше энергозатрат, чем передвижение на четырех конечностях и не позволяет достигнуть высоких скоростей (горилла, опираясь в беге на передние конечности, развивает скорость, недоступную спринтерам). Внутренние органы брюшной полости лежат не на брюшной стенке, как у всех четвероногих животных, а друг на друге, что является причиной многих широко распространенных в наше время заболеваний. Повышенная нагрузка на нижние конечности и позвоночник нередко становится причиной плоскостопия, расширения ножных вен, заболеваний позвоночника.

В силу всего перечисленного, трудно представить, что в ходе естественного отбора признаков, повышающих жизнеспособность организма, эволюция могла привести четвероногих предков человека к прямохождению. Одна из наиболее распространенных версий была высказана в конце 19 века Ф. Энгельсом: предки человека вынуждены были перейти к прямохождению из-за необходимости освободить передние конечности для использования и изготовления орудий. Однако отбору подвергаются только те признаки, которые жизненно важны в данный момент, а не те, что проявят свою полезность, когда сформируются. Вопрос о факторах отбора, направивших эволюцию к прямохождению, удалось решить на базе анализа изменившихся условий обитания и образа жизни предков человека и биомеханических и биоэнергетических особенностей их организма.

Изучение биомеханики и биоэнергетики способов передвижения современных человекообразных обезьян показало достаточно высокую скорость и эффективность их четвероногого бега на короткие дистанции и прогрессирующую энергозатратность, утомительность, низкую среднюю скорость такого же бега на большие расстояния. Это связано с теми особенностями анатомии общего предка человека и человекообразных обезьян, сформировавшимися в течение миллионов лет путем накопления множества случайных изменений в генетической информации в процессе приспособления к жизни на деревьях. Эти особенности делали невозможным усовершенствование бега на четырех конечностях путем дальнейшей биологической эволюции, но оставляли возможность дальнейшего совершенствования способности к передвижению на двух задних конечностях. Это и привело к естественному отбору особей, лучше приспособленных к новому типу передвижения. Переход к преимущественно мясной пище обеспечивал компенсацию больших затрат энергии, а постоянная высокая двигательная активность обеспечивала такой уровень мышечного развития, который частично нейтрализовал отрицательные последствия прямохождения для здоровья организма.

Формирование потребности в трудовой активности

Необходимость перехода предков человека от случайного к постоянному использованию орудий, а затем к их изготовлению, связана с тем, что в ходе жесткой межвидовой конкуренции разнообразие видов хищников постепенно снижалось. Менее приспособленные отсеивались естественным отбором, а оставшиеся более приспособленные избегали конкурентной борьбы, распределяя экологические ниши. Данное направление эволюции для предков человека было невозможно в силу низкой конкурентоспособности по сравнению с любым хищником. В то же время остаток пищевого ресурса, который не использовался хищниками в предыдущий период жесткой межвидовой конкуренции и позволил выжить предкам человека на первых этапах приспособления к жизни в саванне, стал исчезать. В этих условиях единственную возможность выжить предкам человека давало расширение диапазона потенциальной добычи. За счет расширения диапазона потенциальной добычи предки человека могли брать из потенциального рациона всех видов хищников такой несущественный минимум, который позволил избежать бесперспективной конкуренции с определенным видом хищников за определенную экологическую нишу и одновременно обеспечить необходимый для выживания уровень питания. Наиболее перспективным было включение в рацион крупных травоядных копытных животных, так как даже одно такое животное обеспечивало достаточное питание довольно большой первобытной группы в течение нескольких дней. Но включение в рацион крупных животных требует их разделки, что при отсутствии клыков и когтей без постоянного использования и изготовления пригодных для разделки орудий невозможно.

Освобождение передних конечностей позволило перейти от свойственного многим животным случайного использования орудий, к их постоянному использованию, а затем и к изготовлению. Этому способствовала общая для всех приматов функция передних конечностей, которые используются не только как средство передвижения, но и как орган исследования предметов и поднесения пищи ко рту.

Активное поведение любого животного направлено на удовлетворение анатомо-физиологических потребностей организма (например, в питании), что в итоге приводит к возникновению простейшей положительной эмоции (чувству удовлетворения). Однако, если животное будет проявлять жизненную активность только при необходимости удовлетворения физиологических потребностей, его поведение окажется малоэффективным и не приведет к положительному результату. В процессе эволюции у животных сформировался ряд биологических поведенческих потребностей (в двигательной активности, в информации, в игре, в общении с себе подобными), удовлетворение которых вызывает положительные эмоции вне связи с непосредственным удовлетворением физиологических потребностей. Врожденные поведенческие потребности повышают эффективность адаптивного поведения животных в различных ситуациях. Трудовая деятельность отличается от любых типов поведения животных. Совершенствование орудий труда и охоты требует постоянной, тяжелой, не всегда успешной, напряженной физической и нервной деятельности, результаты которой сказываются на возможностях удовлетворения биологических потребностей в сравнительно отдаленном будущем. Поэтому в условиях жесткой борьбы за существование преимущества имели те особи, которые в силу врожденных особенностей нервной системы и темперамента были способны испытывать положительные эмоции и от результатов деятельности, не связанной с непосредственным удовлетворением физиологических потребностей организма. Так сформировалась чисто человеческая биологическая поведенческая потребность испытывать эмоции от деятельности, иногда вообще никак не связанной с удовлетворением физиологических потребностей.

Возникновение интеллекта

Охота и связанная с ней потребность к запоминанию и анализу территории, поведению дичи, сложное индивидуальное и коллективное поведение во время охоты, использование и изготовление примитивных орудий – все это содействовало отбору особей с более развитой центральной нервной системой, создавая анатомо-физиологические предпосылки к возникновению интеллекта. Однако ни одно животное, каким бы сложным и разнообразным ни было его индивидуальное и коллективное поведение, не приобрело в процессе эволюции ничего похожего на интеллект.

Эволюция человека шла в условиях жесткой межвидовой конкуренции с хищниками, которая обычно или приводит к вытеснению менее приспособленного вида, или стимулирует биологическую эволюцию в сторону разделения экологических ниш. Именно различие экологических ниш, в частности узкий видовой диапазон потенциальной добычи, сделал возможным совместное процветание в африканской саванне львов, леопардов и гепардов. Предки человека были в саванне пришельцами, не имеющими своей экологической ниши, и никакие орудия не могли им обеспечить победу в конкуренции за пищевые ресурсы ни с одним видом хищников. Однако использование орудий позволяло расширить диапазон потенциальной добычи, что давало возможность не вступать в жесткую конкуренцию с каким-либо одним видом хищников, а отбирать часть потенциальной добычи у многих видов. Расширение диапазона добычи стало главным фактором естественного отбора не просто особей с более высоким уровнем развития центральной нервной системы, но и с зачатками интеллекта. Высокая эффективность индивидуального и коллективного охотничьего поведения животных развивается на базе врожденных наследственных инстинктов путем родительского и игрового воспитания и по мере накопления индивидуального жизненного опыта. У предков человека не было закрепленных в наследственности охотничьих инстинктов. Широкий диапазон добычи делал бессмысленным их формирование в процессе перехода к охотничьему образу жизни, так как в этом случае ограниченного набора приемов охоты, закрепленных генетически в виде инстинктов, не хватало. Поэтому эффективность охотничьего поведения определялась исключительно врожденными способностями к обучению в процессе воспитания и накопления жизненного опыта, а также способностью принимать верное решение на основе анализа информации из прошлого и настоящего, то есть от наличия врожденных элементов интеллекта. Отсутствие инстинктов коллективного охотничьего поведения, с одной стороны, и необходимость высоко согласованных действий во время коллективной охоты, с другой, требовали развития средств взаимного обмена информацией и общения, что привело к отбору особей, биологически способных к формированию и развитию второй сигнальной системы. Все это стало основными факторами отбора особей, обладающих интеллектом, без которых выживание вида было невозможно.

Так (по разным подсчетам), около 4 млн. – 150 тыс. лет назад появились организмы, биологически идентичные современному человеку, имеющие такое же анатомическое и физиологическое строение, такой же интеллект, способные изготавливать и использовать примитивные орудия труда, общаться друг с другом, которые вели стайный или стадный образ жизни охотников и собирателей. Однако эти результаты биологической эволюции поставили человека как вид на грань вымирания.

Формирование социальных отношений

Прямохождение, а также необходимость долгого обучения навыкам охоты и поведения в стае сделали чрезвычайно длительным период детства (14-15 лет) по отношению к средней продолжительности жизни первобытного человека (22-23 года). Поэтому даже самая сильная интеллектуальная и приспособленная к жизни пара не могла довести свое потомство до необходимого для выживания уровня зрелости и обеспечить себе продолжение рода. В этих условиях задача воспитания и выживания молодого поколения ложилась на всю стаю. Общая забота о всем молодом поколении присутствует в стаях и стадах всех коллективных животных, но она в основном ограничена их защитой от общей опасности. Как известно, поддержание оптимальной численности любой популяции в соответствии с жизненными ресурсами экосистемы происходит за счет жесткой конкуренции между особями. Если в силу каких–то факторов (например, суровой зимы) ресурсы экосистемы резко уменьшаются, соответственно сокращается и численность популяции за счет усиления конкуренции. Сокращение численности идет в основном из-за гибели наименее приспособленных, то есть в основном молодых и старых особей. Восстановление обычных условий и жизненных ресурсов уменьшает конкуренцию и приводит к восстановлению численности популяции. Однако, действие такого механизма регуляции численности в стае первых людей, где абсолютно не приспособленными к жизни и нормальной конкуренции оказывались все, кто младше 14 лет, привело бы к тому, что через несколько лет выжившие в период кризиса особи начинали бы уходить из жизни, и зрелого, способного на продолжение рода поколения просто не существует. Разрешить создавшиеся противоречия биологическая эволюция уже не могла, поэтому давление естественного отбора на популяцию первых людей сместилось. Наибольшие шансы передать свои гены потомкам могли не самые приспособленные к жизни особи, а члены стаи или стада, в которых в любых обстоятельствах обеспечивалась забота о молодом поколении, доходящая до отказа взрослых от полного удовлетворения собственных физиологических потребностей в пользу всего молодого поколения независимо от того, чьи это дети.

Таким образом, продолжение рода и выживание особи стали зависеть от выживания всей стаи, а жизнеспособность стаи зависела от эффективности коллективного поведения. Единственным способом передачи информации о накопленном жизненном опыте, навыках охоты, изготовлении орудий, выживании в разных условиях была речь и процесс межличностного общения, а носителями наиболее обширной информации являлись редкие представители старшего дряхлеющего поколения. Более того, при низкой средней продолжительности жизни редкие старики становились носителями уникального опыта адаптивного коллективного поведения в нестандартных, редких, катастрофических ситуациях, и наличие или отсутствие такого старика определяли выживание или гибель коллектива. Естественно, наши далекие дикие предки не могли сознательно сформировать это новое отношение к плохо приспособленным молодым и старым сородичам. Но те объединения первых людей, в которых чисто случайно острота конкуренции была ниже, где сложились стереотипы поведения, связанные с упорядоченным дележом пищи, а не с вырыванием ее из глотки соплеменника, продолжали жить в своих потомках, тогда как другие вымирали. Другими словами, естественный отбор вел к ликвидации самого себя внутри стаи. Так, в человеческом обществе возникли принципиально новые отношения между особями, которых нет и не может быть в остальном живом мире и которые отрицают внутривидовую биологическую конкуренцию внутри сначала стаи, а потом рода, племени и более развитых сообществ. Эти качественно новые отношения, свойственные только человеческому обществу, и называются социальными отношениями. Современным языком суть этих отношений можно определить как приоритет интересов всей стаи (коллектива) над интересами особи (личности) ради реализации удовлетворения основных жизненных потребностей этой особи (личности). Именно на базе этих первых общечеловеческих принципов построения отношений между людьми могли развиться такие чисто человеческие качества, как альтруизм и героизм, такие отношения, как любовь и дружба. С этого момента природа человека имеет двойственный характер – и биологический, и социальный. С этого момента представители биологического вида «Гомо сапиенс» стали Людьми.

Трансформировавшись из стаи в общество, человечество превратилось в универсальную адаптирующуюся систему, когда адаптация достигается не изменениями организма, а изменением поведения в соответствии с меняющимися условиями природной среды.

Естественно, развитие социальных отношений не ликвидировало конкуренцию как таковую, а, скорее, изменило ее характер, перенеся основную остроту проявления с отношений между индивидуумами на отношения между коллективами. Географические условия исключали равномерное заселение земли. Выбирались наилучшие с точки зрения первых людей районы. Отдельные племена, жившие в большей или меньшей удаленности друг от друга, использовали одни и те же ресурсы и видели друг в друге соперников. Увеличение численности людей, борьба между группами, родами, племенами за жизненные ресурсы способствовали миграции этих групп в новые регионы и, следовательно, в новые условия существования. Адаптация к новым условиям обитания всех живых организмов идет за счет естественного отбора организмов с новыми случайно возникшими в результате мутаций приспособительными биологическими свойствами. Отсутствие биологической конкуренции внутри групп закрыло человечеству этот путь адаптации, но существенно расширило возможности поведенческого пути. При этом главным фактором выживания человека в новых условиях было не совершенство индивидуального поведения, а гибкость коллективного поведения. Чем сильнее новые условия отличались от прежних, тем сложнее становилось индивидуальное и коллективное поведение людей, тем больше требовалось организованности в их коллективных действиях и, соответственно, сложнее и совершеннее становились социальные отношения.

В результате расселения и адаптации людей к различным природным условиям сложилась первая форма человеческого общества – родоплеменное общество охотников и собирателей.

Экологические основы социальной структуры общества охотников и собирателей

Индивидуальное жизнеобеспечение охотой и собирательством зависит от множества случайностей и поэтому чрезвычайно нестабильно. В сочетании с невозможностью индивидуального выживания и продолжения рода (из-за низкой средней продолжительности жизни) и необходимостью общей заботы всех взрослых о всем подрастающем поколении, это привело к формированию в качестве элементарной социальной единицы РОДА – объединения родственников, в котором все собранное и добытое каждым объединялось в «общий котел» и уравнительно распределялось между всеми. Социальные отношения ликвидировали все проявления биологической конкуренции между людьми, кроме одного – конкуренции за партнера по продолжению рода. Конфликты, связанные с проявлением этой разновидности биологической конкуренции, были губительны для всего Рода, а, значит, и для нормального воспроизводства в новых поколениях в целом. Поэтому естественный отбор привел к повсеместному (так показало изучение образа жизни все существующих сегодня родоплеменных сообществ) закреплению ряда традиций, упорядочивающих половые отношения внутри Рода. В первую очередь это было «табу» (запрет) на половые отношения внутри Рода между юношами и девушками, мужчинами и женщинами, не составляющими супружескую пару. При этом пара формировалась исключительно с представителем другого рода. В зависимости от того, мужчина при этом уходил из своего Рода в Род выбранной женщины и становился братом всех мужчин и женщин ее Рода, или женщина – в Род мужчины, этнографы ввели термины: патриархата и матриархата. Этот неписаный «закон крови» (так назвали его этнографы) как правило, предусматривал за его нарушение мучительную казнь, или изгнание (что на практике было тем же самым) и привел к возникновению внутри Рода достаточно стабильной парной (моногамной или полигамной) семьи. При этом семья, не играя существенной социальной роли, выполняла важнейшую биологическую функцию – производство преимущественно генетически здорового потомства, так как формировалась на основе взаимного соответствия индивидуальных сексуальных потребностей и исключала близкородственные половые связи.

Эффективность жизнеобеспечение охотой и собирательством ограничены численностью рода в 70-90 человек. Поэтому, при росте численности Рода сверх этих показателей и снижении уровня жизнеобеспечения, довольно большая группа преимущественно молодых людей уходила в поисках новых территорий и становилась ячейкой нового Рода. Новый Род, формируя новые стереотипы поведения, соответствующие новым территориальным условиям, устанавливая связи с новыми соседями для заключения брачных союзов, сохранял в своей коллективной памяти основные традиции, элементы языка, кровное родство с тем Родом, из которого вышел и с теми Родами, с которыми заключались брачные союзы его предками. Так формировались объединения Родов в племена.

Экологическая характеристика охоты и собирательства как способа природопользования

1. Охота и собирательство основаны исключительно на использовании тех жизненных ресурсов, которые имеются в освоенной людьми экосистеме, поэтому охота и собирательство исключают какое-либо производство и накопление ресурсов.

2. Однако ресурсы любой экосистемы при таком способе выживания очень невелики. Есть такое понятие «демографическая емкость» экосистем при данном способе производства, которая показывает, сколько человек обеспечено необходимыми для жизни ресурсами на площади в 100 км² данной экосистемы. Расчеты показывают, что при занятии охотой и собирательством, 100км² тундры могут обеспечить жизнь менее двух человек, сибирской тайги - не более трех человек, смешанной лесной зоны - около семи человек, лесостепной зоны - около семнадцати человек. Развитые социальные отношения ликвидировали в человеческом обществе действие механизмов регуляции численности популяции на основе внутривидовой конкуренции. В результате эволюции человечество пережило не один экологический кризис, выразившийся в исчезновении ряда видов животных. Уменьшение ресурсов охоты и собирательства в сочетании с невозможностью дальнейшей миграции из-за отсутствия свободных от других групп территорий или непреодолимых географических преград стало основным толчком для перехода к примитивному сельскому хозяйству в виде огородничества и скотоводства большинства населения Земли.

3. Одновременно, как показало изучение сохранившихся первобытных сообществ, вместо саморегуляции численности за счет внутривидовой конкуренции в них сформировались механизмы «сознательного» ограничения рождаемости и роста численности населения в оптимальных для данной экосистемы количествах. Такими механизмами стали различные традиции, правила и запреты, разрешение вступать в брак и иметь детей только в определенном возрасте и после прохождения обряда инициации (испытаний, которые показывают, что данный представитель молодого поколения готов к выполнению своих функций в племени); традиции общего заключения браков только в определенный сезон года, раздельная жизнь мужчин и женщин длительные периоды года; запрет иметь второго ребенка до достижения первым определенного возраста; такие жестокие обряды, как ритуальные жертвоприношения. Однако к саморегуляции рождаемости и численности в пределах экологической емкости общество охотников и собирателей шло путем длительной эволюции в условиях жесткого естественного отбора стереотипов коллективного поведения, содействовавших сдерживанию роста численности населения.

Так сформировались две основные стратегии приспособительного поведения:

1. приспособление к среде обитания;

2. преобразование среды обитания.

Жизнь охотников и собирателей, на первый взгляд полная трудностей и опасностей, как показало изучение существующих сообществ, на самом деле легче, чем жизнь земледельцев. Так, в сохранившихся племенах бушменов на юге Африки мужчина – охотник на обеспечение себя, семьи, рода тратит около 15 часов в неделю. Живущий рядом, «вооруженный» всеми достижениями агротехники белый фермер, тратит на обеспечение своей семьи 72 часа в неделю. Таким образом, при сохранении стабильных условий в экосистеме, у представителей развитого родоплеменного общества охотников и собирателей не может возникнуть потребности к переходу на более эффективный, но и трудный способ существования (например, земледелие). Этим и объясняется то, что подобные сообщества сохранились и сохраняются на Земле. Переход к земледелию мог произойти и происходил в результате внешнего толчка.

Лекция 5. Диалектика эволюции типов природопользования и социальных отношений

План:

5.1. Экологические и социальные последствия перехода от охоты и собирательства к сельскому хозяйству. Эволюция экологических связей и отношений человека.

5.2. Формирование и эволюция социоэкосистем, неустойчивость социоэкосистем как главный фактор их ускоренной и неравномерной эволюции.

5.3. Диалектическое единство социальных, экономических и экологических проблем.

Элементы сельского хозяйства еще долго носили вспомогательный характер. Главным источником жизнеобеспечения продолжали оставаться охота и собирательство. Но при резком ухудшении условий в результате климатических изменений, которые приводили к значительному уменьшению ресурсов освоенной экосистемы, вторая стратегия выходила на первое место. В регионах, в которых развились первые земледельческие цивилизации (Египет, Аравия, Междуречье) таким внешним толчком явилось наступление пустыни и уменьшение площади богатых ресурсами экосистем. Если в животном и растительном мире это приводило к уменьшению численности популяции за счет обострения внутривидовой конкуренции, то в человеческом обществе социальные отношения этого не допускали. Единственным способом прокормить в новых условиях прежнее количество людей был переход к сельскому хозяйству, причем даже самое примитивное мотыжное земледелие повышало демографическую емкость в несколько десятков раз по сравнению с охотой и собирательством. В то же время вынужденный переход к сельскому хозяйству был возможен далеко не везде, а только там, где расширение доли сельского хозяйства в жизнеобеспечении в силу природных условий могло быть достигнуто исключительно ручным трудом (мотыжное земледелие) или развитием кочевого скотоводства.

Экологические последствия перехода от охоты и собирательства к сельскому хозяйству

Сельское хозяйство позволяет прокормить на той же площади большее количество людей при той же продуктивности экосистемы исключительно за счет изменения структуры биоценоза в пользу человека; т. е. на той площади, на которой произрастало множество разных видов растений, обеспечивающих питание разных видов консументов и редуцентов, человек стал выращивать один вид растений, который использовал исключительно сам. Таким образом, первым неизбежным следствием с/х является уменьшение видового разнообразия экосистем, а значит, их способности к поддержанию устойчивости и равновесия.

Выращивание монокультуры на площади, ранее занятой множеством видов растений и животных, приводит к снижению замкнутости круговорота веществ в экосистеме. Единовременное изъятие из круговорота большей части чистой первичной продукции во время уборки урожая приводит к тому, что значительная часть веществ, обеспечивающих плодородие почвы на площади посева, не возвращается в нее. Поэтому вторым неизбежным следствием сельского хозяйства является постепенное снижение плодородия почв. Снижению плодородия почв способствует и их эрозия, т. е. вымывание и выветривание плодородного слоя с распаханных площадей в период между всходами посевов.

Третье неизбежное следствие сельского хозяйства: выращивание больших количеств монокультуры способствует быстрому размножению и эволюции организмов, паразитирующих на этой культуре или использующих ее в пищу. Т. е. занявшись сельским хозяйством, человек способствовал одновременно и формированию «вредителей сельского хозяйства». Снижение плодородия почв, широкое распространение вредителей привело в 20 веке к использованию в сельском хозяйстве искусственно синтезированных удобрений и средств защиты – ядохимикатов. Поскольку создать ядохимикаты, вызывающие гибель только вредителей невозможно, их применение приводит к гибели и значительной части редуцентов (организмов, обеспечивающих восстановление плодородия почв). Более того, при избыточном внесении ядохимикатов и минеральных удобрений они могут накапливаться в тканях растений и, следовательно, в продуктах питания, вызывая, в зависимости от концентрации, острые или хронические отравления, провоцируя канцерогенез или аллергические заболевания.

Переход к сельскому хозяйству привел к качественному изменению основных экологических связей и отношений человека с другими организмами. Отношения конкуренции или отношения типа «хищник – жертва» с не одомашненными животными и растениями потеряли свое исходное значение в жизни людей.

Четвертое неизбежное следствие перехода к сельскому хозяйству - постоянный рост энергозатрат на производство единицы пищевой продукции. Постепенное снижение плодородия почвы ведет к уменьшению урожая при тех же затратах труда и энергии. Если вначале человек затрачивал на добывание или производство пищи исключительно свою собственную мышечную энергию, которую мог возместить, потребляя произведенную пищу, то по мере истощения плодородия получаемых продуктов начинает не хватать для полного воспроизводства организма. Расширение посевных площадей, совершенствование методов обработки почвы, внесение удобрений требуют дополнительных трудозатрат и других источников энергии, а, кроме того, усугубляют снижение способности экосистем к саморегуляции. Первым и самым доступным источником дополнительной энергии мог стать еще один человек. Это и стало главной причиной возникновения рабства. Раб – человек, достигший расцвета сил за счет ресурсов одной экосистемы, принуждается к труду по преобразованию другой экосистемы. Энергозатраты организма раба при этом полностью питанием не возмещаются. Другим внешним источником энергии стали рабочие животные. Затраты энергии их организма возмещаются полностью, но за счет ресурсов ближайшей природной экосистемы (луг). То есть, практически энергия, аккумулированная фотосинтезом на природном пастбище, переносится на обрабатываемые человеком поля. По мере развития сельскохозяйственных технологий, затраты энергии на производство 1 пищевой калории постоянно увеличивались за счет внешних источников. Производство с/х техники, минеральных удобрений, энергообеспечение работы этой техники, промышленная переработка продукции – все это привело к тому, что потребляемая в виде пшеничного хлеба 1 калория производится путем затрат 6,5 тыс. кал.

Движущие силы социальной эволюции

В условиях практического отсутствия биологической конкуренции между особями дальнейшее приспособление к новым условиям обитания путем биологической эволюции стало невозможно. При этом естественный отбор не ушел из человеческого общества полностью. Просто отбору подвергались не наследственные биологические особенности отдельного организма или генетически родственной группы, а те стереотипы индивидуального и коллективного поведения, которые в большей степени способствовали выживанию и продолжению рода человеческой группы. Эффективность такого отбора в отношении вида, не имеющего жестких сложных поведенческих инстинктов, в котором поведение особей базировалось исключительно на воспитании, обучении и жизненном опыте, многократно превышала скорость отбора и распространения в популяции приспособительных наследственных биологических свойств. При этом естественный отбор сохранил свои основные направления с той разницей, что теперь стабилизирующий отбор в стабильных условиях обитания консервировал не набор уже сформировавшихся биологических свойств, а набор стереотипов индивидуального и коллективного поведения. Именно в этом лежат истоки человеческой культуры, понимаемой как совокупность результатов сознательной деятельности людей. В конечном итоге это те социальные, материальные и духовные ценности, которые сформировались в ходе взаимодействия отдельного человеческого общества с определенными природными условиями. В свою очередь в изменяющихся условиях среды особую ценность приобретала способность изменять свое поведение в соответствии с новыми условиями. Однако высокая гибкость индивидуального поведения, направленного исключительно на максимальное удовлетворение личных потребностей без учета интересов других членов общества, не позволяла обеспечить себе выживание и продолжение рода по выше указанным причинам. Следовательно, главная роль в приспособлении людей к меняющимся условиям отводилась тем личностям, которые могли использовать свою высокую способность корректировать поведение в соответствии с новыми условиями, прежде всего, в интересах общества, обеспечивая коллективное выживание и продолжение рода. Такое поведение могло сформироваться только на базе способности принимать решения не только в соответствии с требованиями условий настоящего момента, но с учетом сложившихся в данном обществе традиций поведения, обеспечивавших его выживание в прошлом. Таким образом, естественный отбор внутри человеческих групп в зависимости от условий обитания способствовал выживанию и продолжению рода тех, кто лучше приспосабливал свое поведение к общему стереотипу, или тех, кто свою способность к гибкому изменению поведения в разных условиях использовал в интересах не только своих, но и всего общества.

Особи, ставившие свои личные интересы выше интересов группы, были обречены, так как или изгонялись, или ликвидировались соплеменниками.

Необходимо уточнить, что различия в способности принимать решения на той или другой основе развиваются не столько в силу генетических особенностей интеллекта, сколько на базе воспитания, образования и образа жизни.

Итак, с точки зрения современной экологии движущей силой социальной эволюции остается естественный отбор. Базой этого отбора являются различия в стереотипах поведения людей, составляющих данное общество. В общественном поведении выделяют три основных типа в зависимости от преобладающего способа принятия решения о том, как себя вести в различных ситуациях:

1. Решения принимаются преимущественно на основе сложившихся культурных традиций, закрепленных воспитанием, а значит, неизбежно отражающих интересы всего общества.

2. Решения принимаются преимущественно на основе анализа текущей ситуации, в соответствии с собственными индивидуальными интересами.

3. Решения принимаются преимущественно на основе анализа текущей ситуации, в соответствии с теми культурными традициями, которые и раньше обеспечивали данному обществу устойчивость и выживание.

Последующая социальная эволюция показала, что в разных природных и исторических ситуациях в отдельных обществах или народах могла количественно преобладать любая из трех поведенческих групп. При этом:

1. В случае преобладания второй (индивидуалистической) группы цивилизация, народ, государство прекращали свое существование.

2. К аналогичному результату приводило и полное преобладание первой (традиционалисты) группы в условиях, когда обществу для выживания требовалась максимальная гибкость и новаторство поведения.

Наиболее устойчивым и жизнеспособным оказывались общества, значительную часть которых представляла третья группа (социально ориентированных новаторов), способная изменить общественное поведение в соответствии как с новыми условиями жизни, так и с наиболее значимыми культурными ценностями этого общества.

Социальные последствия перехода от охоты и собирательства к сельскому хозяйству

1. Отказ от регулирования рождаемости и сдерживания роста численности населения. Даже самые примитивные формы сельского хозяйства: мотыжное земледелие и кочевое скотоводство – увеличивают демографическую емкость экосистем в 20-30 раз. При таком резком росте демографической емкости сознательное ограничение рождаемости потеряло необходимость, тем более что в примитивном сельском хозяйстве дети – дополнительные рабочие руки.

2. Возникновение семьи как элементарной социальной ячейки. Стабильность и качество жизнеобеспечения на базе сельскохозяйственной деятельности в одинаковых погодно-климатических условиях в большей степени зависят от индивидуальной работоспособности, чем удовлетворение тех же потребностей путем охоты и собирательства. В этих условиях сохранение «общеродового котла» с его уравнительным потреблением становится нерациональным и появляются тенденции к индивидуализации жизнеобеспечения. Сельское хозяйство требует постоянного интенсивного труда, который при удовлетворительных погодных условиях обеспечивает более стабильное жизнеобеспечение, и одновременно делает повседневную жизнь более однообразной, менее рискованной, чем охота и собирательство.

Это приводит к существенному увеличению средней продолжительности жизни до 31 – 33 лет. Таким образом, тенденция к индивидуализации хозяйственной деятельности совпадает с появлением у отдельной семьи возможности подготовить своих детей к самостоятельной жизни. Жизнеобеспечение приобретает индивидуальный характер, что приводит к утрате Родом функций первичной хозяйственной единицы. Первичной хозяйственной, а значит и социальной единицей становится патриархальная семья.

3. Возникновение частной собственности и товарообмена. Сельское хозяйство решает проблему обеспечения потребностей организма в основных питательных веществах: углеводах, жирах и белках, но не позволяет обеспечить полноценный качественный состав пищевого рациона, так как разнообразие производимых продуктов питания на любой конкретной территории всегда ограничено. По тем же причинам сельское хозяйство не позволяет в полной мере удовлетворить и ряд других потребностей, сложившихся в условиях охоты и собирательства и ставших необходимыми (нехватка или отсутствие возможности производства сырья для изготовления орудий, одежды). Сезонный характер сельского хозяйства требует создания запасов продукции, то есть производства прибавочного продукта, питательный энергетический ресурс которого существенно превышает затраты энергии работника на его производство. Источником энергии необходимой для производства прибавочного сельскохозяйственного продукта является солнечная энергия, аккумулированная фотосинтезом. В разных экосистемах, в зависимости от исходного к.п.д. фотосинтеза, архаические, крестьянские (натуральные) формы ведения сельского хозяйства позволяют получать такое количество продуктов питания, суммарная калорийность которых в 5 -16 раз выше затрат энергии организма работника, требующих регулярной компенсации в виде пищи. Производство прибавочной сельскохозяйственной продукции позволило перейти к разделению труда как в самом сельском хозяйстве, решая проблему недостаточного качественного разнообразия пищевого рациона, так и к разделению труда на сельскохозяйственный и ремесленный труд. Возникают товарообмен и торговля. В ходе товарообмена удовлетворение основных биологических потребностей человека стало товаром, цена на который определялась законами рынка. В силу рыночной конъюнктуры один и тот же товар должен продаваться по одной общей цене, а затраты на его производства из-за различий в природных ресурсах отличаются. Следовательно, производство одинаковых товаров в разных условиях позволяет производителю удовлетворять свои потребности в разной степени и не всегда соответственно затратам труда и энергии.

4. Возникновение новых социальных групп. Распад рода и превращение семьи в элементарную социальную и хозяйственную ячейку общества, накопление излишков и развитие рынка товаров привело к возникновению имущественного неравенства, собственности и традициям ее наследования. Охрана этой личной собственности членов общества, соблюдение правил ее наследования и передачи, возникновение новых социальных групп, интересы которых часто противоречили, усложнили социальные отношения. Поэтому управление таким обществом, регулирование отношений между социальными группами требовали совершенствования его организации, больше времени и квалификации от руководителей. Наличие излишков продукции позволило постепенно освободить лидеров (вождей) общества от производительного труда и возложить на них функцию регулирования и управления. Так появились зачатки государства и бюрократии (профессиональных управленцев).

Главным фактором, определяющим пути и возможности дальнейшей эволюции общества, базирующегося на производящем способе природопользования, стал неизбежный рост энергозатрат на производство пищевой единицы и различия в показателях этого роста в зависимости от продуктивности исходной экосистемы.

Интересно, что изучение природных экологических условий, в которых осуществлялся переход населения к сельскому хозяйству в разных регионах Земли, позволяет объяснить многие различия между цивилизациями в формах государственного устройства.

Преобразование человеком природных экосистем нарушает их способность к сохранению равновесия при сохранении прежней структуры.

Так уже в самом начале своих преобразований природы человечество столкнулось с проблемами, возникшими исключительно в результате этих преобразований, для решения которых потребовалось новое совершенствование и усложнение социальных отношений и структуры общества.

Именно рост энергозатарат на производство пищевой единицы, различия этого показателя в разных географических природных зонах стали главным фактором естественного отбора в социальной эволюции.

Социальная система, как и любая открытая система, стремится к сохранению стационарного состояния, которое обеспечивается, с одной стороны, притоком вещества и энергии извне (природными ресурсами), а с другой - необходимым разнообразием упорядоченных форм внутри системы (ее социальной структурой и организацией), которые должны обеспечить равновесие системы при разнообразных воздействиях извне.

Естественно, социальная структура при этом должна соответствовать как качеству и количеству природных ресурсов, так и оптимальным способам их использования. Это и стало источником культурных различий между цивилизациями и народами.

Так, стабильность мягких климатических условий, высокий КПД фотосинтеза, высокое плодородие почв способствовали развитию в Западной Европе индивидуальной формы сельского хозяйства и соответственно частной собственности на землю. В большинстве восточных регионов стабильность сельского хозяйства достигалась коллективным созданием масштабных гидросистем, что привело к монархической или государственной собственности на землю.

Различия в господствующих формах собственности определяли и различия в государственном устройстве: восточные деспотии и западные демократии (античные, феодальные, современные). Различия в основных способах природопользования и в социальном устройстве становились факторами отбора различных поведенческих групп. Так, на Востоке масштабные коллективные преобразования природы позволяли удовлетворять основные потребности людей относительно продолжительное время, что при наличии деспотического управления способствовало отбору первой поведенческой группы, то есть тех, кто предпочитает решать все проблемы традиционными способами. В этих условиях для представителей второй и третьей групп было мало возможностей для формирования. Высокое разнообразие и доступность сырьевых ресурсов в Западной Европе содействовали ускоренному разделению труда, товарообмена и рыночных капиталистических отношений, что стимулировало рост товарных потребностей человека, а значит, и дальнейшее развитие производства.

На Западе преобладание частной собственности, высокая степень разделения труда и рыночных отношений создавали иллюзию, что успешность природопользования носит исключительно индивидуальный характер, что способствовало преобладанию второй группы людей, которые, отбрасывая традиции, проявляли высокую гибкость поведения в удовлетворении личных потребностей мало считаясь с интересами других людей и с природными ресурсами. Здесь истоки прогресса и агрессивности Западной цивилизации, здесь же истоки и современного экологического кризиса. Надо сказать, что оба пути социальной эволюции и западный и восточный, не раз приводили к общественно-политическим экономическим и экологическим кризисам или к исчезновению отдельных цивилизаций. И расширение традиционных преобразований природы на Востоке, и углубление преобразований природы за счет использования новых технологий на Западе уменьшают разнообразие жизненных форм, обеспечивающее устойчивость экосистем. В результате равновесие экосистем восстанавливается за счет изменения их видового состава, что в свою очередь может потребовать от человека полного изменения способов природопользования и стать причиной соответствующих изменений в структуре общества и социальных отношений.

Формирование двух основных форм производственно-хозяйственной деятельности

Разделение труда и возникновение товарообмена привело к появлению двух путей удовлетворения потребностей человека: результатами собственного труда по преобразованию и потреблению ресурсов экосистемы и приобретением на рынке результатов труда другого человека. В зависимости от преобладания того или иного пути в общем объеме удовлетворения потребностей сформировались две основные формы хозяйственной деятельности: натуральное хозяйство и товарное производство.

Экологическая характеристика натурального и товарного хозяйства..

Цель – производство ради удовлетворения жизненных потребностей отдельного человека или общества в целом за счет собственного труда по преобразованию и потреблению ресурсов находящейся в пользовании экосистемы. На рынке приобретается удовлетворение только тех потребностей, которые невозможно удовлетворить результатами собственного труда. Реализуются на рынке преимущественно излишки собственного производства, поэтому объем товаров на рынке ограничен. Натуральное хозяйство поэтому неизбежно носит многопрофильный комплексный характер.

Неизбежное снижение плодородия почвы требует расширения посевных площадей, совершенствования методов обработки почвы, внесения удобрений, то есть требуют дополнительных трудозатрат и источников энергии. В условиях преобладания в сельском хозяйстве ручного труда (мотыжное земледелие) снижение плодородия верхнего обрабатываемого слоя почвы происходит особенно быстро. Самым доступным источником дополнительной энергии мог стать только еще один человек. Это и стало главной причиной возникновения рабства. Энергозатраты организма раба при этом полностью не возмещаются, обеспечивается только сохранение его работоспособности в течение ограниченного, экономически обоснованного времени. Потерявший работоспособность раб выбрасывается и заменяется новым. Именно постоянное обновление поголовья рабов позволяет получать прибавочную продукцию. Рабство позволяет решать проблему роста энергозатрат экстенсивными путями (увеличение посевных площадей за счет увеличения числа рабочих рук), но не интенсивными, так как полностью отсутствует заинтересованность рабов в качестве труда. Поэтому, классическая форма рабства, использующая человека так же как сегодня, используется горючее для работы сельскохозяйственной техники, могло обеспечить достаточную производительность только путем разделения единой производственной цепи на простые, не требующие квалификации трудовые операции, качество выполнения которых легко контролируется надсмотрщиками. Однако, таким образом, рабство стало как причиной, так и стимулом дальнейшего разделения труда и увеличения доли товарообмена в удовлетворении потребностей. Но рабовладение невозможно без соответствующего развития государственных структур, обеспечивающих регулярный захват и поставку рабов на рынок, их повиновение. Таким образом, специфика труда рабов привела к преобразованию натурального хозяйства в товарное, но эта же специфика привела классическое рабовладельческое общество к краху, так как исключало качественное развитие технологий производства и поиски новых источников внешней энергии, не связанных с возобновляемыми ресурсами экосистем. Поэтому дальнейший рост энергозатрат, распространяющийся в силу замкнутости цикла производства и потребления с производства продуктов на все товары, оказался для рабовладельческого способа производства неразрешимой проблемой. Единственным выходом был возврат к натуральному хозяйству с его ограниченным по сравнению с товарным производством прибавочным продуктом и неспособностью содержать такую же долю населения, не участвующую в производстве продуктов питания. Этим объясняется кризис, распад и гибель Римской и других классических рабовладельческих систем.

Другим возобновляемым внешним источником энергии были рабочие животные. Затраты энергии их организма возмещаются полностью, но за счет ресурсов ближайшей природной экосистемы (луг). С помощью плуга или даже сохи можно исходное плодородие почв использовать более эффективно и продолжительно чем в ходе мотыжного земледелия. Но такая сложная технология неприменима в системе классического рабства, так как требует определенной ответственности за качество всего рабочего цикла и поэтому исключает дробление производственного процесса на элементарные операции и полное отсутствие заинтересованности работника. Вот и пришлось на закате Римской империи превращать рабов в аналог крепостных крестьян – колонов, ведущих натуральное сельское хозяйство с его низким по сравнению с товарным производством прибавочным продуктом.

Натуральное хозяйство, в силу своей многопрофильности, в меньшей степени нарушает стационарное состояние сохраняющихся природных экосистем, т. к. главным фактором стабильности экосистемы является разнообразие видов. Одновременно, натуральное хозяйство зависит от сохранения природных экосистем в определенных масштабах, т. к. нуждается в постоянном потреблении их ресурсов для собственного воспроизводства, а, значит, нуждается и в воспроизводстве природных экосистем.

Это ограничивает возможности повышения производительности труда в натуральном хозяйстве. Дальнейшее повышение производительности труда неизбежно нарушает равновесие экосистемы и требует дополнительного труда и затрат энергии на воспроизводство хозяйства. Натуральное хозяйство вынуждено жертвовать производительностью ради сохранения стабильности экосистемы и своей природной базы.

Эти особенности натурального хозяйства наложили отпечаток и на социальные отношения. В условиях зависимости каждого семейного хозяйства от сохранности и характера общего пользования природной экосистемой растет взаимозависимость земледельцев, одинаково использующих ресурсы одной экосистемы, что ведет к ослаблению родственной взаимозависимости и постепенной замене «родовой» общины «соседской». Кровное родство, при котором на первом месте стоят интересы и благосостояние родственников, не может эффективно ограничивать развитие индивидуального производства в интересах всех землепользователей. При этом как степень ослабления родственных связей, так и уровень диктата внутриобщинных связей зависят от природных условий, в которых ведется натуральное хозяйство. Чем ниже продуктивность и устойчивость экосистемы, производительность натурального хозяйства, тем выше роль общины, тем меньше роль сохраняющихся родовых связей (Восточная Европа). Чем выше производительность натурального хозяйства за счет продуктивности и устойчивости эксплуатируемой экосистемы, тем меньше роль общины в жизни каждого, тем большую роль играют сохраняющиеся родственные связи (Западная Европа). Сохранению родственных связей способствует постоянный рост населения и социальной конкуренции за земельные ресурсы. Этим объясняется сохранение значимости родовых (клановых) отношений среди кочевников (кочевое скотоводство носит исключительно семейный характер) и горцев (общинный характер земледелия и скотоводства ограничен самими природными условиями).

Необходимость глобального разделения труда на сельское хозяйство и ремесла, формирование рыночных отношений в сочетании с необходимостью ограничить производительность сельского хозяйства, привели к формированию цеховых структур ремесленников – аналогу сельской соседской общины, ограничивающему стремление к доходу, превышающему уровень, необходимый для удовлетворения потребностей и воспроизводства ремесленной деятельности.

Относительное равновесие натурального хозяйства и природной экосистемы делает жизнеобеспечение человека при сохранении той же численности населения более стабильным и менее зависимым от колебаний внешних условий. Этим объясняется, то почему в отдельных регионах и цивилизациях натуральное крестьянское хозяйство сохранялось тысячелетиями и сохраняется до сих пор.

Экологические и социальные факторы, определяющие необходимость и возможность перехода к товарному производству.