Конкуренція і розвиток

З часів роздумів Ч.Дарвіна над проблемами міжвидової конкуренції нагромадилося чимало матеріалів, які дають змогу згрупувати ці проблеми в чотири основних блоки, зокрема за впливом конкуренції: а) на географічне поширення організмів; б) на розміщення видів у різних біотопах однієї і тієї ж місцевості; в) на морфологію і продуктивність рослин; г) на еволюцію видів і біоценозів.

Вплив конкуренції на географічне поширення організмів найкраще простежується на інтродуцентах, які часто в нових умовах сильніші і плодовитіші, що дає їм змогу витіснити аборигенні види. Так трапилось, наприклад, з австралійськими сумчастими, які не витримали конкуренції з кролями і вівцями, завезеними з Північної Америки і Європи. Це ж трапилось в Англії з місцевою білкою, яку витіснила інтродукована американська родичка.

Вплив конкуренції на розміщення видів у різних біотопах можна простежити на прикладі трьох видів строкатих дятлів: великого, середнього і малого, які є вираженими алопатриками (проживаючи в одному лісі, мають свій власний ареал, наприклад різні частини дерева). Великий строкатий дятел шукає корм на стовбурах, середній — на великих гілках, а малий — на дрібніших гілках крони. Пацюк, наприклад, витіснив свого близького родича пацюка чорного на горище, а сам влаштувався в підпіллі і каналізаційній мережі.

Міжвидова конкуренція на морфологію і продуктивність рослин впливає аналогічно внутрівидовій: змінюється морфологія рослин, змен­шується плодовитість і чисельність. Одночасно спостерігається поступове витіснення домінуючим видом іншого виду або ж зниження його життєвості. Конкуренція відбувається через світло і ґрунтові поживні речовини. В свіжих суборах домінантним видом є сосна, яка витісняє дуб, перехоплюючи своїми кронами значну частину світла. Проживаючи в нижньому ярусі дубового субору, дуб змінив свою морфологію: ріст, розташування і форму крони.

Конкуренція відіграє велику роль в еволюції видів і біоценозів. Описаний вище приклад конкурентного співжиття дуба з сосною і особливості їх росту — це наслідок еволюції згаданих видів і в цілому біо­ценозу. Для букового лісу характерний такий еволюційний ряд: 1) поява берези (наприклад, після пожежі); 2) під наметом молодого березового підросту з'являється сосна, яка приблизно через двадцять-тридцять років починає пригнічувати і витісняти березу; 3) під ажурним наметом сосни з'являється самосів дуба, який досить швидко виходить у перший ярус; 4) нарешті, місце згаданих порід займе тіньовитривалий бук, відновлюючись у своєму ареалі.

Лекція 4 Природа й людина: системний підхід.

План

1. Властивості складних систем.

2. Біосфера її склад і функціонування. Основні положення вчення В. І. Вернадського про біосферу.

3. Ноосфера. Еволюція уявлень про місце людини в природі. Масштаби і наслідки антропогенного впливу на природне середовище на сучасному етапі.

1.Великі складні системи — складаються з численних взаємозалежних і таких, що взаємодіють між собою, різнорідних елементів і підсистем. Складні системи мають принципово нові властивості, яких не має жодний зі складових елементів. Приклади складних систем: живий організм, екосистема, підприємство, галузь економіки тощо. Такі системи характеризуються високим рівнем невизначеності свого поводження.

Однією з основних функціональних одиниць екології є екосис-тема. Цей термін уперше був уведений англійським біологом А. Тенслі в 1935 р.

Екологічна система — складна ієрархічна структура організованої матерії, в якій унаслідок об’єднання компонентів у більші функціональні одиниці виникають нові якості, що відсутні на попередньому рівні; є єдиним стійким природним комплексом живих організмів і природного середовища, в якому вони існують; відкритою термодинамічною системою, що існує за рахунок надходження з навколишнього середовища енергії та речовини й має здатність до саморозвитку та саморегуляції.

Екологічній системі властиві ознаки систем:

• Емерджентність — виникнення нових властивостей, які характеризують систему, за рахунок взаємодії її окремих елементів. Якісно нові емерджентні властивості екологічного рівня не можна передбачити, виходячи з властивостей компонентів, що становлять цей рівень. Дійсно, окремі лісові дерева, кущі, трави, гриби, птахи, комахи, звірі мають свої якісні характеристики, але всі разом вони творять нову якість — ліс.

• Сукупність — сума властивостей кожної системи, тобто наявність сукупних властивостей (наприклад, народжуваність для популяції — сума індивідуальної плодючості особин виду).

• Гетерогенність системи (або принцип різноманіття) — полягає в тому, що система не може складатися з абсолютно ідентичних елементів.

Проте, не всяка комбінація «життя — середовище» може бути екосистемою. Нею може стати лише середовище, де має місце стабільність і чітко функціонує внутрішній кругообіг речовин.

2.Живий світ Землі, її біосфера, складається з організмів трьох таких основних типів. Продуценти, або автотрофи,— це організми, що створюють органічну речовину за рахунок утилізації сонячної енергії, води, вуглекислого газу та мінеральних солей. До цього типу належать рослини, яких на Землі є близько 350 000 видів. їх маса, за підрахунками В. Вернадського, становить близько 2,4-1012 т.

Консументи, або гетеротрофи,— організми, що одержують енергію за рахунок харчування автотрофами чи іншими консументами. До них належать рослиноїдні тварини, хижаки й паразити, а також хижі рослини та гриби. Кількість видів цієї групи найбільша — понад 1,5млн, а їхня маса становить близько 2,3- 10і0 т.

Редуценти— мікроорганізми, що розкладають органічну речовину продуцентів і консументів до простих сполук—води, вуглекислого газу й мінеральних солей. їх налічується 75 тис. видів, а сумарна маса становить 1,8-108 т.

Вся ця величезна кількість живих істот знаходиться в надзвичайно складних взаємовідносинах між собою й з неживою речовиною. Кількість можливих зв’язків між членами екологічної системи визначається формулою:

A=(N(B-1))/2

де А — число зв’язків; N — число видів у екосистемі.

Якщо, наприклад, у якійсь екосистемі знаходиться 1 тис. видів, то число зв’язків і взаемозалежностей між ними буде обчислюватися таким чином:

(1000∙999)/2

тобто становитиме 500 тис. Серед цих численних зв’язків є надзвичайно важливі, незамінні. Втручання людини в процесі діяльності в біосферні взаємозв’язки, про значення яких вона здебільшого не має правильного уявлення, часто призводить до небажаних наслідків. Наприклад, у 30-ї роки в Норвегії було вирішено винищити хижих птахів (полярних сов і яструбів), що зменшували чисельність цінного промислового птаха — полярної куріпки. Оголошені пільги та премії спричинили повсюдний відстріл мисливцями хижих птахів. Одразу ж після цієї акції серед куріпок спалахнула епідемія, що майже повністю знищила їх популяцію. Виявилося, що сови та яструби виконували роль санітарів, які поїдали в першу чергу хворих, ослаблених куріпок і таким чином запобігали поширенню епідемії. Нерозумне втручання в процес, становлення якого тривало тисячоліттями, викликало щодо ініціаторів акції «ефект грабель» (коли людина, що необачно наступає на зубці, дістає удар держаком по лобі).

Біосферні зв'язки складалися протягом тривалого часу. В природі немає зайвого, непотрібного. Тому нічого, крім суму, не навіює картина осіннього лісу під Києвом, після того як там пройшли грибники. Разом з «корисними» маслюками, лисичками та опеньками в київських лісах росте багато «шкідливих» мухоморів і поганок. Ідучи слідами грибників, ви не зустрінете бодай одного неушкодженого мухомора — їх яскраві шляпки розтоптані. Це — «нормальна» реакція грибника-початківця. йому невтямки, що мухомори й поганки є необхідною ланкою в екосистемі лісу, їх міцелій розкладає ті органічні рештки, якими не харчуються інші гриби, отже мухомори роблять свій вклад у діяльність організмів, що підтримують рівновагу екосистеми лісу. Один з авторів цієї книги запам’ятав екологічний урок, який дав йому старий евен —житель колимської тайги. Якось під час рибалки на березі струмка в тайзі він потерпав від хмар комарів. «Ех, знайшовся б учений, який би винищив усю цю «погань!» — спересердя вигукнув рибалка. Евен, що сидів поруч, не кажучи ні слова, взяв щойно впійманого харіуса і розрізав ножем його товсте черевце. Шлунок риби був наповнений... комарами.

Система зв’язків у біосфері надзвичайно складна й поки що розшифрована лише в загальних рисах. Найголовнішою ланкою (чи блоком) управління є енергія — переважно енергія Сонця, другорядною — енергія внутрішнього тепла Землі й радіоактивного розпаду елементів. Неживою частиною біосфери, її неживою речовиною керують продуценти, ними — консументи, діяльність яких визначають зворотні зв’язки, що йдуть від продуцентів. У результаті здійснюється біотичний кругообіг речовин у біосфері приблизно за такою схемою.

Продуценти (рослини) за допомогою механізму фотосинтезу виробляють органічну речовину, споживаючи сонячну енергію, воду, вуглекислий газ і мінеральні солі. Хемопродуценти використовують енергію хімічних реакцій, наприклад, окислення сполук заліза чи сірки, й теж виробляють органічну речовину.

Консументи (травоїдні тварини) живляться органічною масою рослин. Консументи другого та третього порядків (хижаки, паразити, хижі рослини й гриби) споживають інших консументів.

Редуценти споживають частину поживних речовин, розкладають мертві тіла рослин і тварин до простих хімічних сполук (води, вуглекислого газу та мінеральних солей), замикаючи таким чином кругообіг речовин у біосфері.

У цілому біосфера дуже схожа на єдиний гігантський суперорганізм, у якому автоматично підтримується гомеостаз— динамічна сталість фізико-хімічних і біологічних властивостей внутрішнього середовища та стійкість основних функцій. З точки зору кібернетики (теорії керування), в кожному біоценозі, тобто сукупності організмів, що населяють певну ділянку суші або водойми, є керуюча й керована підсистеми. Роль керуючої підсистеми виконують консументи. Вони не дозволяють рослинам занадто розростатися, поїдаючи «зайву» біомасу. За травоїдними пильно «стежать» хижаки, запобігаючи їх надмірному розмноженню і знищенню рослинності. Керуючою підсистемою для цих хижаків є хижаки другого роду та паразити, якими «керують» надпаразити, й т. д. Тому на Землі існує багато видів тварин. Серед них немає «зайвих» чи «шкідливих», такі епітети дає їм людина. Особливістю біосферних зв’язків є й те, що керуюча й керована підсистеми в ній часто-густо міняються місцями. Так, зменшення кількості рослинного корму спричинює зниження чисельності хижаків і паразитів через механізм зворотного зв’язку.

Крім енергетичних, харчових і хімічних зв’язків, величезну роль у біосфері відіграють інформаційні. Живі істоти Землі освоїли всі види інформації — зорову, звукову, хімічну, електромагнітну. Інформативні сигнали самі по собі не здатні викликати зворотної реакції через енергетичну слабкість, але містять важливі відомості в закодованій формі. Вони розшифровуються (здебільшого автоматично) та враховуються живими організмами. Здатність сприймати, зберігати та передавати інформацію є і в неживих об’єктів. Ці процеси в них здійснюються шляхом загального енергоінформаційного обміну. Живі системи можуть також обробляти, накопичувати й використовувати інформацію окремо від енергії. Російський біолог О. Пресман визначає біосферу як систему, в якій речовинно-енергетичні взаємодії підпорядковані інформаційним.

Прикладом інформаційних зв’язків у біосфері може бути явище зниження інтенсивності розмноження тварин у разі надмірної щільності популяції. Не завжди це зумовлено нестачею корму чи забрудненням середовища шкідливими відходами життєдіяльності. Результати дослідів свідчать, що зменшення потомства в ссавців чи зниження яйценосності в птахів відбувається внаслідок «перенаселення» території. Тут діють саме інформаційні зв’язки, коли вмикаються якісь внутрішні механізми, що призводять до зменшення кількості «зайвих» особин.

Ефективність інформаційних зв’язків у біосфері вражає. Наприклад, самець метелика тутового шовкопряду відчуває присутність самки на відстані 2 км. Розрахунки свідчать, що такий феномен не може базуватися на хімічних сигналах, скажімо, на дії якихось пахучих речовин-антрактантів, що їх виділяє самка. Ймовірно, має місце передача електромагнітних сигналів, причому за типом, який «батько кібернетики» Н. Вінер назвав «тим, кого це стосується». Можливо, саме забрудненням інформаційного середовища, яке спричинює діяльність людини, слід пояснювати загадкові випадки масового «самогубства» китів, що викидаються на сушу? Адже простір навколо Землі нині перенасичений штучними антропогенними джерелами електромагнітного поля.

Узагальнюючи результати досліджень у галузі геології, палеонтології, біології та інших природничих наук, В. Вернадський дійшов висновку, що біосфера — це «стійка динамічна система, рівновага, що встановилася в основних своїх рисах... з археозою й незмінно діє протягом 1,5— 2 мільярдів років». Він довів, що стійкість біосфери за цей час виявляється в сталості її загальної маси (близько 1019 т), маси живої речовини (10і5 т), енергії, зв’язаної з живою речовиною (1018 ккал), і середнього хімічного складу всього живого. Стійкість біосфери Вернадський пов’язував з тією обставиною, що «функції життя в біосфері — біогеохімічні функції — незмінні протягом геологічного часу, й жодна з них не з’явилася заново з перебігом геологічного часу». Всі функції живих організмів у біосфері (утворення газів, окисні й відновні процеси, концентрація хімічних елементів тощо) не можуть виконуватися організмами якогось одного виду, а лише їх комплексом Звідси випливає надзвичайно важливе положення, розроблене Вернадським: біосфера Землі сформувалася з самого початку як складна система, з великою кількістю видів організмів, кожен з яких виконував свою роль у загальній системі. Без цього біосфера взагалі не могла б існувати, тобто стійкість її існування була відразу започаткована її складністю.

Вернадському належить відкриття такого основного закону біосфери: «Кількість живої речовини є планетною константою з часів архейської ери, тобто за весь геологічний час». Протягом цього періоду живий світ морфологічно змінився невпізнанно, але такі зміни помітно не вплинули ні на кількість живої речовини, ні на її середній валовий склад. Справа тут у тому, як вважає Вернадський, що «в складній організованості біосфери відбувались в межах живої речовини лише перегруповування хімічних елементів, а не докорінні зміни їх складу й кількості».

Поняття «біосфера» (від грецьк. біос — життя) запропонував 1875 року австрійський геолог Е. Зюсс. Учення про біосферу як особливу частину Землі, населену живими організмами, створив український учений В. І. Вернадський, хоча, на його думку, вперше до цієї ідеї наблизився французький біолог Ж. Б. Ламарк.

Біосфера не утворює окремої оболонки Землі, а є частиною геологічних оболонок земної кулі, заселених живими організмами. Вона займає верхню частину літосфери, всю гідросферу й нижній шар атмосфери. Це сукупність усіх біогеоценозів Землі, єдина глобальна екосистема вищого порядку.

Всю сукупність організмів на планеті Земля В. І. Вернадський називав живою речовиною. Основними її характеристиками є сумарна більшість, хімічний склад та енергія. Енергія живої речовини біосфери насамперед проявляється у здатності організмів до розмноження і поширення. Однією з властивостей живої речовини є її постійний обмін з довкіллям. Унаслідок цього через організми проходить значна кількість хімічних елементів.

Живим організмам для здійснення біохімічних процесів необхідні речовина та енергія, які вони дістають з навколишнього середовища, при цьому значно перетворюючи останнє. У результаті постійного й безперервного обміну речовин та енергії в довкіллі різні хімічні елементи надходять у живі істоти, можуть у них накопичуватись, виходячи з організму лише через певний час або зберігаючись у ньому протягом усього життя. Постійний кругообіг речовин і потік енергії забезпечує функціонування біосфери як цілісної системи.

У процесі діяльності біосфери жива речовина (продуценти) здатна накопичувати сонячну світлову енергію, перетворюючи її на енергію хімічних зв’язків. Сумарна первинна продукція автотрофних організмів визначає біомасу біосфери в цілому.

3. В. І. Вернадський ще в першій половині XX століття передбачав, що біосфера розвинеться в ноосферу (термін запропонував 1927 року французькі вчені Е. Леруа та П. Тейяр де Шарден). Спочатку В. І. Вернадський розглядав ноосферу (від грецьк. ноос — розум) як особливу «розумову» оболонку Землі, що розвивається поза біосферою. Але згодом він дійшов висновку, що ноосфера — це певний стан біосфери, за якого розумова діяльність людини стає визначальним фактором її розвитку. Зокрема, він зазначав, що біосфера переходить у новий етап — ноосферу — під впливом наукової думки й людської праці.

Отже, ноосфера — це якісно нова форма організації біосфери, яка формується внаслідок її взаємодії з людським суспільством і передбачає гармонійне співіснування природи й людини.

Вчення Вернадського про ноосферу включає чотири основні положення:

1. Ноосфера — історично останній стан геологічної оболонки біосфери, що перетворюється діяльністю людини.

2. Ноосфера — сфера розуму і праці.

3. Зміни біосфери обумовлені як свідомою, так і підсвідомою діяльністю людини.

4. Розвиток ноосфери пов’язаний з розвитком соціально-економічних факторів.

Ноосфера відрізняється від попередніх станів біосфери величезною швидкістю свого розвитку. Згідно з концепцією ноосфери, людство перетворилося на найпотужнішу геологічну силу на планеті. Вернадський підкреслював, що протягом останніх 500 років воно освоїло нові форми енергії — парову, електричну, атомну — і навчилося використовувати майже всі хімічні елементи. Людство освоїло всю біосферу й одержало набагато більшу, порівняно з іншими організмами, незалежність від навколишнього середовища. Наукова думка й діяльність людини змінили структуру біосфери: незаймана природа швидко зникає, з’являються нові екосистеми та ландшафти — міста, культурні землі, для яких характерні простіші угруповання організмів.

За ступенем трансформації людською діяльністю екосистеми поділяються на такі види:

• природні — у промислово розвинутих країнах екосистем, не захоплених людською діяльністю, майже не залишилося, хіба що в заповідниках;

• антропогенно природні — лісові насадження, луки, ниви хоча й складаються майже винятково з природних компонентів, але створені й регулюються людьми;

• антропогенні — переважають штучно створені антропогенні об’єкти й, крім людей, можуть існувати лише окремі види організмів, що пристосувалися до цих специфічних умов. Прикладом є міста, промислові вузли, села (у межах забудови), кораблі тощо.