2.3. Законы экологии

Как уже указывалось, экосистемы Земли существенно различаются по размерам, но все они входят в единую глобальную экосистему – биосферу. Равновесное состояние биосферы обуславливает нормальные условия существования всего живого. Функционирование всего иерархического ряда экосистем и особенно биосферы как глобальной экосистемы подчиняется определённым законам. Знание этих законов необходимо для дальнейшего нормального существования человечества. Сейчас известно более 200 экологических законов, принципов и теорем. Большинство из них носит биологический характер. Среди законов природы встречаются обычные в науке законы детерминистского типа, которые жестко регулируют отношения между компонентами экосистем, но большинство из них представляют собой законы-тенденции, которые выполняются не во всех случаях. Далее рассмотрим самые важные из них.

Исторически первым законом для экологии стал закон, который устанавливает зависимость живых существ от факторов, которые ограничивают их развитие (так называемые лимитирующие факторы).

Закон минимума (Определен Ю. Либихом в 1840 г). Устойчивость организма определяется самым слабым звеном в цепи его экологических требований. Закон минимума в настоящее время распространен на любые экологические факторы, но дополнен двумя ограничениями:

1. он относится к системам, находящимся в стационарном состоянии;

2. он относится не только к одному фактору, но и к комплексу факторов, различных по своей природе и воздействию на организмы и популяции.

Закон ограничивающих факторов, или закон Ф. Блехмана (1909). Факторы среды, имеющие в конкретных условиях максимальное значение, особенно затрудняют (ограничивают) возможности существования вида в данный момент.

Закон толерантности Шелфорда (1913 г). Наравне с влиянием недостатка – минимума экологических факторов, негативным может бить и влияние избытка, т.е. максимума факторов, таких как свет, тепло, влага и др.

Чем сильнее отклонение от оптимума, тем больше выражено угнетающее действие данного фактора на организм. Как недостаточное, так и избыточное действие фактора отрицательно сказывается на жизнедеятельности особей. Невозможность развития экосистем определяется не только недостатком, но и избытком любого экологического фактора (рис. 2). Диапазон между минимумом и максимумом экологических факторов принято называть диапазоном толерантности или зоной оптимума экологического фактора или просто оптимумом для данного вида. Чем сильнее отклонение от оптимума, тем более выражено угнетающее действие данного фактора на организм. Максимально и минимально

Рис. 2. Общая схема действия экологических факторов на живой организм: 1 – точка минимума; 2 – точка оптимума; 3 – точка максимума.

Переносимые значения фактора – это критические точки, за пределами которых существование уже невозможно, наступает смерть. Предел выносливости между критическими точками называют экологической валентностью живых существ по отношению к конкретному фактору среды. Представители разных видов значительно отличаются друг от друга, как по положению оптимума, так и по экологической валентности.

Неоднозначность действия фактора на разные функции. Любой фактор по-разному влияет на функции организма. Оптимум для одних процессов может являться пессимумом для других.

Правило взаимодействия факторов. Сущность его заключается в том, что одни факторы могут усиливать или смягчать силу действия других факторов. Например, избыток тепла может смягчаться повышенной влажностью, недостаток света для фотосинтеза - компенсироваться повышенной концентрацией углекислого газа в воздухе и др. Из этого, однако, не следует, что факторы могут взаимно заменяться. Они не взаимозаменяемы.

Правило лимитирующих факторов. Фактор, находящийся в недостатке или избытке (вблизи критических точек) отрицательно влияет на организмы и, кроме того, ограничивает возможность силы других факторов, в том числе и находящиеся в оптимуме. Например, если в почве имеются в достатке все необходимые для растения химические элементы, кроме одного, то рост и развитие растения будет обуславливаться тем химическим элементом, который находиться в недостатке.

Человек своей деятельностью часто нарушает практически все из перечисленных закономерностей действующих факторов. Особенно это относится к лимитирующим факторам.

Выявление ограничивающих факторов очень важно, поскольку знание этих факторов – ключ к управлению жизнедеятельностью организмов.

Закон биогенной миграции атомов Вернадского: «Миграция химических элементов на земной поверхности и в биосфере в целом осуществляется или при непосредственном участии живого вещества (биогенная миграция) или же она протекает в среде, геохимические особенности которой (О₂, СО₂, Н₂ и т.д.) обусловлены живым веществом, как тем, которое в настоящее время населяет биосферу, так и тем, которое действовало на Земле в течение всей геологической истории». Согласно этому закону, понимание общих химических процессов, протекающих и протекавших на поверхности суши, в атмосфере и в заселённых глубинах литосферы и гидросферы, а также геологических слоях, сложенных прошлой деятельностью организмов, невозможно без учёта биотических и биогенных факторов, в том числе эволюционных. Воздействие человека на биосферу и её живое вещество изменяет тем самым условия биогенной миграции атомов, которые в исторической перспективе могут вызвать ещё более глубокие химические перемены. В итоге процесс может стать саморазвивающимся, независимым от желания человека и практически неуправляемым.

Таким образом, из этого закона вытекает жизненная для человечества потребность сохранения биосферы планеты в относительно неизменном состоянии и необходимость учёта всех воздействий при любых проектах преобразования природы.

Закон внутреннего динамического равновесия: «Вещество, энергия, информация и динамические качества отдельных природных систем и их иерархии взаимосвязаны настолько, что любое изменение одного из этих показателей вызывает сопутствующие функционально-структурные количественные и качественные перемены, сохраняющие общую сумму вещественно-энергетических, информационных и динамических качеств в самой системе или в иерархии систем.»

Из этого закона вытекают следующие эмпирические следствия:

1. Любое изменение среды (вещества, энергии, информации, динамических качеств экосистем) неизбежно приводит к развитию природных цепных реакций, идущих в сторону нейтрализации произведенного изменения или формирования новых природных систем, образование которых при значительных изменениях среды может принять необратимый характер.

2. Взаимодействие вещественно-энергетических экологических компонентов (энергии, газов, жидкостей, организмов консументов, продуцентов и редуцентов) информации и динамических качеств природных систем количественно не линейно, т.е. слабое воздействие или изменение одного из показателей может вызвать сильное отклонение в других и во всей системе в целом.

3. Производимые в крупных экосистемах перемены относительно необратимы. Проходя по иерархии снизу вверх (от места воздействия до биосферы в целом), они меняют глобальные процессы и тем самым переводят их на новый эволюционный уровень.

4. Любое местное преобразование природы вызывает в глобальной совокупности биосферы и в её крупнейших подразделениях ответные реакции, приводящие к относительной неизменности эколого-экономического потенциала. Увеличение этого потенциала возможно лишь путём значительного возрастания энергетических вложений. Искусственный рост эколого-экономического потенциала ограничен термодинамической устойчивостью природных систем.

Закон внутреннего динамического равновесия – одно из узловых положений в природопользовании. В соответствии с ним в случае незначительного вмешательства в природную среду её экосистемы способны саморегулироваться и самовосстанавливаться, но если это вмешательство превышает определённые пределы и уже не может “погаситься” в иерархической цепи экосистем, то оно приводит к значительным нарушениям энерго- и биобалансов на больших территориях и в биосфере в целом.

Закон генетического разнообразия: «всё живое генетически различно и имеет тенденцию к увеличению биологической разнородности». Закон имеет большое значение для природоохранения, особенно в области биотехнологий (генная инженерия, биопрепараты), когда далеко не всегда можно предусмотреть результат.

Закон исторической необратимости: «развитие биосферы и человечества как целого не может идти от более поздних фаз к начальным, общий процесс развития однонаправленный. Повторяются только отдельные элементы социальных отношений (рабство) или типы хозяйствования».

Закон константности (В.И. Вернадского): “Количество живого вещества биосферы для данного геологического периода есть величина постоянная“. Этот закон практически является количественным следствием закона внутреннего динамического равновесия для масштаба глобальной экосистемы (биосферы). Понятно, что поскольку живое вещество, согласно закону биогенной миграции атомов, является энергетическим посредником между Солнцем и Землей, то либо его количество должно быть постоянным, либо должны меняться его энергетические характеристики.

Согласно закону константности, любое изменение количества живого вещества в одном из регионов биосферы неминуемо влечёт за собой такое же по размеру его изменение в каком-либо регионе, но с обратным знаком. Следствием из закона является правило обязательного заполнения экологических ниш.

Закон корреляции (Ж. Кювье): “В организме как целостной системе все его части соответствуют друг другу, как по строению, так и по функциям”. Изменение одной части неизбежно вызывает изменения и в других.

Закон максимизации энергии (Г. и Ю. Одумов, дополнен Н.Ф. Реймерсом): в конкуренции с другими системами сохраняется (выживает) та из них, которая наилучшим образом способствует поступлению энергии и информации и использует максимальное их количество наиболее эффективно”. Для этого такая система создаёт накопители (хранилища) высококачественной энергии, часть которой затрачивает на обеспечение поступления новой энергии, обеспечивает нормальный круговорот веществ и создаёт механизмы регулирования, поддерживающие устойчивость системы и её способность приспособления к меняющимся условиям, налаживает обмен с другими системами. Максимизиция – повышения шансов на выживание.

Выживание одной системы в соперничестве с другими определяется наилучшей организацией поступления в нее энергии и использованием ее максимального количества наилучшим образом. Таким образом, наилучшими шансами на самосохранение обладает система, которая в наибольшей степени способствует поступлению, выработке и эффективному использованию энергии. Любая природная система может развиваться только за счет использования материально-энергетических возможностей окружающей среды. Абсолютно изолированное развитие невозможно.

Этот закон имеет важное практическое значение из-за основных следствий:

а) абсолютно безотходное производство невозможно, поэтому важно создавать малоотходные производства с малой ресурсоемкостью, как на входе, так и на выходе. Идеальным, на сегодняшний день, является создание циклического производства (отходы одного производства служат сырьем для другого) и организация разумного захоронения неизбежных отходов, нейтрализация не устраняемых энергетических отходов;

б) любая развитая биотическая система, используя и видоизменяя среду жизни, представляет потенциальную угрозу менее организованным (более примитивным) системам. Следовательно, воздействуя на среду обитания, человек может нейтрализовать эти воздействия, поскольку они могут быть разрушительными для природы и самого человека.

Закон ограниченности природных ресурсов. Правило одного процента. Поскольку планета Земля представляет собой естественное ограниченное целое, то на ней не могут существовать бесконечные части, поэтому все природные ресурсы Земли являются конечными. К неисчерпаемым ресурсам можно отнести энергетические, полагая, что энергия Солнца является практически вечным источником энергии. Ошибка здесь заключается в том, что не учитываются ограничения, накладываемые самой энергетикой биосферы. Согласно правилу одного процента, изменение энергетики в рамках этой величины не выводит ее из равновесного состояния. Все крупномасштабные явления на поверхности Земли (мощные циклоны, извержения вулканов, процесс глобального фотосинтеза) имеют суммарную энергию, не превышающую одного процента от энергии солнечного излучения, падающего на поверхность Земли. Искусственное же привнесение энергии в биосферу в наше время достигло значений, близких к предельным (отличающихся от них не более, чем на один порядок).

В начале 70-х гг. американский эколог Б. Коммонер сформулировал четыре положения, раскрывающие суть системы рационального природопользования. Эти положения стали называться законами. Суть этих законов состоит в следующем.

1. Все связано со всем, или в природе всё взаимосвязано и взаимозависимо. Это положение об экосистемах и биосфере. Биосфера – наш общий дом. Экологического благополучия в одной стране быть не может. С загрязнением океана, парниковым эффектом и озоновыми дырами должно бороться все мировое сообщество.

2. За все надо платить, или ничто не даётся даром. Это всеобщий закон рационального природопользования. Платить нужно энергией за дополнительную очистку отходов, удобрением - за повышение урожая и т.д. Международное сообщество финансирует научные проекты, позволяющие сохранить биологическое разнообразие и климат. Богатые страны помогают бедным улучшить экологическую ситуацию.

3. Все надо куда – то девать. Это положение о хозяйственной деятельности человека, отходы от которой неизбежны, и поэтому надо думать об уменьшении их количества и о последующем захоронении этих отходов. Международное сообщество приняло специальные законы о запрете на вывоз ядовитых и радиоактивных отходов и их захоронения в других странах. Мировой океан – тоже не место для захоронения отходов. Каждая страна должна производить захоронение отходов на собственной территории. Естественные экосистемы не место для создания свалок отходов, хотя некоторое количество загрязняющих веществ эти экосистемы способны обеззараживать без нарушения экологического равновесия. Высокой очищающей способностью обладают водные экосистемы.

4. Природа знает лучше. Это самое важное положение природопользования, которое означает, что нельзя пытаться покорить природу, а нужно сотрудничать с ней, используя биологические механизмы для очистки стоков, повышения урожая культурных растений. При этом нельзя забывать о том, что человек является биологическим видом, частью природы, а не ее властелином. Человек должен сохранять естественные регуляторные механизмы сохранения экологического равновесия биосферы, не пытаясь быть умнее природы.

В 90-х гг. американский эколог Д. Чирас пришел к выводу, что Природа, с точки зрения человека, существует вечно и сопротивляется деградации благодаря действию четырех экологических законов:

• рецикличности или повторного многоразового использования основных веществ;

• постоянного возобновления ресурсов;

• консервативного потребления (потребляется живыми существами только то, что им необходимо, не больше и не меньше);

• популяционного контроля (природа не позволяет взрывного роста популяций, регулирует количественный состав того или другого вида путем создания соответствующих условий для существования и размножения).

В последнее десятилетие к этим четырём законам стали добавлять пятый, касающийся природных ресурсов, в такой формулировке: «На всех не хватит». Его актуальность подтверждает кризис энергоресурсов последних лет.