Тема: Основні закони екології. Їх роль та значення.

Мета: Поглибити та розширити екологічні знання студентів щодо прояву екологічних законів в навколишньому середовищі, систематизувати їх.

Завдання:

1. Виписати основні екологічні закони.

2. Навести приклади функціонування екологічних законів в довкіллі (приклади записати в таблицю 1).

3. Встановити практичне значення законів, які вивчаються (приклади записати в таблицю 1).

4. Схематично представити класифікацію екологічних законів (заповнити таблицю 2).

Без знання основних екологічних законів

сучасна освіта, як загальна, так і соціальна,

не може бути повноцінною.

Д.Медоуз

Загальні положення

Статистично вірогідну закономірність в екології можна вважати правилом або законом. Екологічні закони – це закономірності, що як правило, не мають винятків і можуть тлумачитись лише певним чином. На відміну від інших наук (математики, філософії), у екології поняття «правило» та «закон» досить близькі, іноді взаємозамінні.

Екологія, як і інші науки базується на законах діалектики, загальнонаукових, кібернетичних, біологічних, геологічних, географічних, фізико-хімічних. Кращому осмисленню екології як науки допоможе навіть простий перелік законів, суміжних з екологією наукових дисциплін. В одній із останніх своїх робіт «Екологія: теорії, закони, правила, принципи і гіпотези» М.Ф.Реймерс робить науковий огляд теоретичного спадку в царині екології, називаючи при цьому цифру 250 – законів, закономірностей, принципів, правил, якими користується сучасна екологічна наука.

В екології використовуються закони та правила різних наукових галузей. Без знання діалектичних законів, таких, як єдності і боротьби протилежностей, переходу кількісних змін у якісні, взаємовідносин індивідуального та загального, причини й наслідку, випадковості та закономірності, форми та змісту, частини й цілого та інших важко було б пояснити явища, які виникають в екосистемах.

Якщо розглянути, наприклад, такий загальнонауковий закон, як закон біогенної міграції атомів (В.І.Вернадського), суть якого полягає у тому, що хімічні елементи поширюються на поверхні планети за участю живої речовини, яка населяє біосферу. Без осмислення цього закону важко було б дослідити біохімічні колообіги в екосистемах і в цілому у біосфері.

Кібернетичний закон внутрішньої динамічної рівноваги полягає у тому, що порушення хоча б одного із параметрів екосистеми неминуче призводить до змін інших показників чи підсистем. Цим законом пояснюємо гомеостаз організму, популяції, усього біоценозу, і навіть екосистеми.

Біологічний закон гомологічних рядів у спадковій мінливості (відкритий М.І.Вавіловим) полягає у тому, що види, роди, родини, наділені гомологічними генами, подібність яких тим більша, чим вони є ближчими на ступенях еволюції. Без знання цього закону важко було б зрозуміти ієрархічну структуру популяцій – географічну, екологічну й елементарну (локальну).

Важливим для вивчення закономірностей розміщення на планеті окремих біомів є знання географічного закону періодичної зональності: зі зміною фізико-географічних поясів аналогічні ландшафтні зони і їх деякі загальні властивості періодично повторюються.

Важко було б вивчати енергетику екосистеми, не знаючи фізико-хімічного закону максимізації енергії: у суперництві систем виживає лише та з них, яка найкращим чином сприяє надходженню енергії і найефективніше використовує найбільшу її кількість. Закон односпрямованості потоку енергії – енергія, яку отримує угруповання (наприклад, екосистема) і яку засвоює продуцент, розсіюється або разом з їх біомасою безповоротно передається консументам першого, другого порядків і т.д.; оскільки в зворотний потік від редуцентів до продуцентів надходить незначна кількість початково отриманої енергії (не більше 0,25%).

Закон біогенної міграції атомів (закон Вернадського). Міграція хімічних елементів на земній поверхні та в біосфері в цілому здійснюється під переважаючим впливом живої речовини, організмів. Жива речовина або бере участь в біохімічних процесах безпосередньо, або створює відповідне, збагачене оксигеном, карбоновим оксидом, гідрогеном, нітрогеном та іншими речовинами, середовище.

Закон константності (сформульований В. І. Вернадським). Кількість живої речовини біосфери за певний геологічний час є величина постійна. За законом константності будь-яка зміна кількості живої речовини в одному з регіонів біосфери неминуче призводить до такої ж за обсягом зміни речовини в іншому регіоні, тільки зі зворотним знаком.

Закон внутрішньої динамічної рівноваги. Речовина, енергія, інформація, динамічні якості окремих природних систем тісно пов’язані між собою, так що будь-яка зміна одного з показників неминуче призводить до функціонально-структурних змін інших, при цьому зональні якості системи зберігаються. Цей закон допомагає зрозуміти, що у разі незначних втручань у природне середовище, його екосистеми здатні саморегулюватися та відновлюватися, але, коли ці втручання перевищують певні межі, вони не можуть «згаснути», призводять до значних порушень енерго- і біобалансу.

Закон генетичної різноманітності: все живе генетично різне й має тенденцію до збільшення біологічної різноманітності. Закон має важливе значення в сфері біотехнологій (біопрепарати, генна інженерія).

Закон максимуму біогенної енергії (Ю. Одум). У конкуренції з іншими системами зберігається та, яка найбільше сприяє надходженню енергії та інформації і використовує максимальну її кількість найефективніше. Максимізація забезпечує підвищення шансів до виживання.

Закон історичної необоротності: розвиток біосфери й людства як цілого не може відбуватися від пізніших фаз до початкових, загальний процес розвитку однонапрямлений. Повторюються лише окремі елементи соціальних відносин (рабство) або типи хазяйнування.

Закон константності (сформульований В. Вернадським): кількість живої речовини біосфери (за певний гео­логічний час) є величина постійна. Цей закон тісно пов'язаний з законом внутрішньої динамічної рівноваги. За за­коном константності будь-яка зміна кількості живої речовини в одному з регіонів біосфери неминуче призводить до такої ж за обсягом зміни речовини в іншому регіоні, тільки із зворотним знаком.

Наслідком цього закону є правило обов'язкового заповнення екологічних ніш.

Закон кореляції (сформульований Ж. Кюв'є): в організмі як цілісній системі всі його частини відповідають одна одній як за будовою, так і за функціями. Зміна однієї частини неминуче викликає зміни в інших.

3акон максимізації енергії (сформульований Г. і Ю.Одумами та доповнений М. Реймерсом): у конкуренції з іншими системами зберігається та з них, яка найбільше сприяє надходженню енергії та інформації й використовує максимальну їх кількість найефективніше. Для цього така система, здебільшого, утворює накопичувані (сховища) високоякісної енергії, частину якої витрачає на забезпечення надходження нової енергії, забезпечує нормальний колообіг речовин і створює механізми регулювання, підтримки, стійкості системи, її здатності пристосовуватися до змін, налагоджує обмін з іншими системами. Максимізація — це підвищення шансів на виживання.

Закон максимуму біогенної енергії (закон Вернадського—Бауера): будь-яка біологічна та «біонедосконала» система з біотою, що перебуває в стані «стійкої нерівноваги» (динамічно рухливої рівноваги з довкіллям), збільшує, розвиваючись, свій вплив на середовище.

У процесі еволюції видів, твердить Вернадський, виживають ті, які збільшують біогенну геохімічну енергію. На думку Бауера, живі системи ніколи не перебувають у стані рівноваги й виконують за рахунок своєї вільної енергії корисну роботу проти рівноваги, якої потребують закони фізики та хімії за існуючих зовнішніх умов.

Закон обмеження природних ресурсів. Деякі вчені вважають сонячну енергію практично невичерпною, однак при цьому не беруть до уваги, що серйозною перепоною для її використання є біосфера, антропогенна зміна якої понад допустиму межу (за правилом - 1%) може призвести до серйозних і тяжких наслідків: штучне привнесення енергії в біосферу досягло вже значень, близьких до обмежень.

Закон однонаправленості потоку енергії: енергія, яку одержує екосистема й яка засвоюється продуцентами, розсіюється або разом з їх біомасою необоротно передається консументам першого, другого, третього та інших порядків, а потім редуцентам, що супроводжується втратою, певної кількості енергії на кожному трофічному рівні в результаті процесів, які супроводжують дихання. Оскільки в зворотний потік (від редуцентів до продуцентів) потрапляє дуже мало початкової енергії (не більше 0,25 %), термін «колообіг енергії» є досить умовним.

Закон оптимальності: ніяка система не може звужуватися або розширюватися до безконечності. Ніякий цілісний організм не може перевищити певні критичні розміри, які забезпечують підтримку його енергетики. Ці розміри залежать від умов живлення та факторів існування.

Закон рівнозначності умов життя: всі природні умови середовища, необхідні для життя, відіграють рівнозначні ролі. З нього випливає інший закон — сукупної дії екологічних факторів. Цей закон часто ігнорується, хоча має велике значення.

Закон розвитку довкілля: будь-яка природна система розвивається лише за рахунок використання матеріально-енергетичних й інформаційних можливостей навколишнього середовища. Абсолютно ізольований саморозвиток неможливий — це висновок з законів термодинаміки.

Закон зменшення енерговіддачі в природокористуванні: у процесі одержання з природних систем корисної продукції з часом (у історичному аспекті) на її виготовлення в середньому витрачається дедалі більше енергії (зростають енергетичні витрати на одну людину). Так, нині витрати енергії на одну людину за добу майже в 60 разів більші, ніж у часи наших далеких предків (кілька тисяч років тому). Збільшення енергетичних витрат не може відбуватися безконечно. Його можна й слід розраховувати, плануючи свої стосунки з природою з метою їх гармонізації.

Закон відповідності між розвитком продуктивних сил і природно-ресурсним потенціалом суспільного прогресу. Кризові ситуації виникають не тільки при дисбалансі продуктивних сил і виробничих відносин, але і при дисбалансі продуктивних сил і природно-ресурсного потенціалу. Це в результаті служить зовнішньою причиною суспільного розвитку, який неодноразово зазнає екологічних випробувань. Як відмічає М.Ф. Реймерс, перша антропогенна екологічна криза була кризою надпромислу великих тваринних ресурсів, друга надпромислу рослинного матеріалу, а сучасна екологічна криза - кризою редуцентів(на рівні з рисами всіх попередніх криз). Редуценти неспроможні розкладати весь спектр забруднювачів, що виробляються людством, особливо тих, що не мають природних аналогів, а тому відсутні мікроорганізми для їх утилізації і перетворення в початкові хімічні елементи.

Закон сукупної дії природних факторів (закон Мітчерліха - Тінемана - Баульє): обсяг урожаю залежить не від окремого, нехай навіть лімітуючого фактора, а від усієї сукупності екологічних факторів одночасно. Частку кож­ного фактора в сукупній дії нині можна підрахувати. Закон має силу за певних умов - коли вплив монотонний і максимально виявляється кожний фактор за незмінності інших у тій сукупності, що розглядається.

Закон ґрунтостомлення (зменшення родючості): поступове зниження природної родючості ґрунтів відбувається через тривале їх використання й порушення природних процесів ґрунтоутворення, а також внаслідок тривалого вирощування монокультур (в результаті накопичення токсичних речовин, що виділяються рослинами, залишків пестицидів й мінеральних добрив).

Закон фізико-хімічної єдності живої речовини (сформульований В. Вернадським): уся жива речовина Землі має єдину фізико-хімічну природу. З цього випливає, що шкідливе для однієї частини живої речовини шкодить й іншій її частині, тільки, звичайно, різною мірою. Різниця полягає лише в стійкості видів до дії того чи іншого агента. Крім того, через наявність у будь-якій популяції більш чи менш стійких до фізико-хімічного впливу видів швидкість відбору за витривалістю популяцій до шкідливого агента прямо пропорційна швидкості розмноження організмів і чергування поколінь. Через це тривале вживання пестицидів екологічно неприпустиме, бо шкідники, які розмножуються значно швидше, швидше пристосовуються й виживають, а обсяги хімічних забруднень доводиться дедалі збільшувати.

Закон екологічної кореляції: в екосистемі, як і в будь-якій іншій, всі види живої речовини й абіотичні екологічні компоненти функціонально відповідають одне одному. Вилучення однієї чистини системи (виду) неминуче призводить до виключення пов'язаних з нею інших частин екосистеми й функціональних змін.

Закон зниження ефективності природокористування. Діє він в рамках закону зниження природно-ресурсного потенціалу. У процесі еволюції людства при отриманні з природної системи корисної продукції на її одиницю використовується все більше енергії, а енергетичні витрати на життя однієї людини весь час зростають. Витрата енергії (в тис. ккал за добу) в кам'яновугільний період складала близько 4, в аграрному суспільстві 12, в індустріальну епоху 70, в сучасних розвинених країнах - 230-250, тобто приблизно в 60 разів більша ніж у наших далеких предків. З початку XX ст. кількість енергії, яка витрачається на одиницю сільськогосподарської продукції в розвинених країнах світу, зросла в 8-10 разів, а на одиницю промислової продукції в 10-12 разів. Загальна енергетична ефективність сільськогосподарського виробництва в промислово розвинених країнах приблизно в 30 разів нижча у порівнянні з примітивним землеробством. Наприклад, у США 1 склянку молока отримують за рахунок витрати 0,5 склянки дизельного палива (вкладають 10 ккал, а отримують 1 ккал корисної продукції). Практичний висновок із закону, що розглядається: зростання енергетичних витрат не може продовжуватися нескінченно. Щоб запобігти можливій термодинамічній кризі, необхідні нові технології і оптимальні методи природокористування.

Правило «м'якого» управління природою. Суть правила «м'якого» управління природними процесами - системне спрямування їх в необхідне русло з урахуванням законів природи, що набагато ефективніше від грубих техногенних втручань.

Принцип природності. Крім природних ланцюгових реакцій, «жорстке» техногенне управління викликає дію принципа природності або правила «старого автомобіля»: згодом еколого-соціально-економічна ефективність технічного пристрою, що забезпечує «жорстке» управління природними системами і процесами, знижується, а економічні втрати на його підтримку зростають. Застарілий технічний пристрій робиться непотрібним і, хоча минулі економічні витрати амортизовані фізично і морально, не функціональний об'єкт «повисає» на суспільстві. Наприклад, старі іригаційні системи вимагають реконструкції, і чим вони ширші тим значніші кошти необхідні для цього; знищення або реконструкція зброї вимагає іноді більше коштів, ніж її первинне виробництво.

Закон збільшення темпів обороту природних ресурсів, що залучаються. Суть закону: в історичному процесі розвитку світового господарства швидкість оборотності залучених природних ресурсів (вторинних, третинних і так далі) безперервно зростає на фоні відносного зменшення об'ємів їх використання і залучення до суспільного виробництва (відносно зростання темпів самого виробництва). Наприклад, часто навіть питна вода вже не має природного походження, а є продуктом реутилізації. Збільшення замкненості природних циклів, яке мало місце в процесі еволюції біосфери, охоплює і антропогенну складову. Але виграш в природній речовині гаситься програшем в енергії згідно із законом зниження енергетичної ефективності природокористування. Зниження питомого споживання речовини відбувається в тих ділянках, де різко збільшується наукоємність.

Закон зниження природоємності готової продукції. Збільшення наукоємності та енергоємності суспільного виробництва приводить в дію два позитивних процеси, які формулюються у вигляді цього закону: питомий вміст природної речовини в усередненій одиниці суспільного продукту історично неухильно знижується.

Правило територіальної екологічної рівноваги. Тільки природні екосистеми забезпечують стабільність, стійкість і надійність біосфери і її складових. У роботах Ю. Одума, Г. Одума (1972) показано, що максимальний урожай (а ширше, еколого-соціально-економічний ефект), може бути отриманий при певному поєднанні площ, перетворених людиною, і природними екосистемами. Доцільна екологічна рівновага (100% цінностей, що отримують) виникає при співвідношенні 40% площ перетворених і 60% площ природних екосистем. Очевидно, як мінімум, співвідношення перетворених і практично незмінених площ повинне бути 1:1. Правило територіальної екологічної рівноваги складає єдиний логічний блок із законом оптимальної компонентної доповненості (максимум біопродуктивності і урожаю лімітований оптимальним поєднанням екологічних компонентів). Будь-який допінговий вилив ефективний доти, поки є доповнюючі його сприятливі екологічні чинники. Поза цією взаємодією подальше вкладання енергії, мінеральних добрив і т.д. руйнують екосистеми та не дають позитивних результатів.

Американський еколог Б.Коммонер (1974) дуже вдало сформулював свої чотири «закони», які, по суті, об'єднують у собі по кілька найважливіших закономірностей екологічних особливостей природи. Це, радше, екологічні аксіоми:

1. Усе пов'язане з усім. Екологія розглядає біосферу нашої планети

як складну систему з багатьма взаємопов’язаними елементами. Ці зв’язки реалізуються за принципами зворотного негативного зв’язку (згадаємо наприклад, систему «хижак – жертва»), прямих зв’язків (в екосистемах «працюють» усі дії логічної алгебри – «або», «і», «не»), а також завдяки різноманітним взаємодіям, що взаємовиключають одна одну. З а рахунок цих зв’язків формуються гармонійні системи коло обігу речовин та енергії. Будь-яке втручання в роботу збалансованого механізму біосфери викликає відповідь одразу за багатьма напрямами, що робить прогнозування в екології надзвичайно складною справою.

2. Усе має кудись діватися. На прикладі біологічного коло обігу

видно, як рештки й продукти життєдіяльності одних організмів є в природі джерелом існування для інших.

Людина поки що не створила такого гармонійного коло обігу в своїй господарській діяльності. Будь-яке виробництво постійно «випускає» принаймі дві речі – необхідну продукцію й відходи. Відходи самі собою не зникають: вони нагромаджуються, знову втягуються в коло обіг речовин і призводять до непередбачених наслідків.

3. Природа знає краще. «Живе складається з багатьох тисяч різноманітних органічних сполук, - пише Б.Коммонер, - і часом здається, що принаймі деякі з них можуть бути поліпшені, якщо їх замінити якимось штучним варіантом природної субстанції». Даний закон стверджує, що штучне введення органічних речовин, які не існують у природі, а створені людиною, але беруть участь у живій системі, швидше завдать шкоди. Одним із найдивовижніших фак4тів у хімії живих речовин є те, що для будь-якої органічної сустанції, виробленої живими істотами, в природі є фермент, здатний цю субстанцію розкласти. Тому, коли людина синтезує нову органічну сполуку, яка за структурою значно відрізняється від природних речовин, цілком імовірно, що для неї немає розкладального ферменту, й ця речовина «накопичуватиметься».

4. Ніщо не дається задарма. «Глобальна екосистема являє собою єдине ціле, в межах якого ніщо не може бути вигране або втрачене й яке не може бути об’єктом загального поліпшення: все, що вилучається з неї людською працею, має бути відшкодоване. Сплати за цим векселем не можна уникнути, її можна лише відстрочити», - пише Б.Коммонер. Четвертий закон стверджує: природні ресурси не нескінченні. Людина в процесі своєї діяльності нині бере у природи в «борг» частину її продукції, залишаючи під заставу ті відходи й ті забруднення, яким не може чи не хоче запобігти. Цей борг зростатиме доти, доки існування людства не опиниться під загрозою й люди сповна не усвідомлять необхідність усунення негативних наслідків своєї діяльності. Це усунення потребуватиме дуже великих затрат, які й стануть сплатою цього боргу.

Слід згадати також важливі екологічні закони, сфор­мульовані у працях відомого американського еколога Д. Чіраса у 1991 — 1993 рр. Він підкреслює, що Природа існує вічно (з точки зору людини) і опирається деградації завдяки дії чотирьох екологічних законів:

1) рециклічності або повторного багаторазового використання найважливіших речовин;

2) постійного відновлення ресурсів;

3) консервативного споживання (коли живі істоти споживають лише те (й у такій кількості), що їм необхідно, не більше й не менше);

4) популяційного контролю (природа не допускає «вибухового» росту популяцій, регулюючи кількісний склад того чи іншого виду шляхом створення відповідних умов для його існування й розмноження). Найважливішим завданням екології Д. Чірас вважає вивчення структури та функцій екосистем, їх врівноваженості, або неврівноваженості, тобто причин стабільності й розбалансування екосистем.