Философские проблемы земледелия. Учебное пособие

Процесс хозяйственной деятельности человека на Земле во все времена сопровождался нежелательными, разрушительными последствиями. В.И. Вернадский знал об этом, но считал их некоторыми издержками переходного периода. Он верил в человеческий разум, гуманизм научной деятельности. Что-то он гениально предвидел, в чем-то, возможно, ошибался.

Сегодня ноосферу следует принимать как символ веры, как идеал разумного человеческого вмешательства в биосферные процессы под влиянием научных достижений.

7.5. Устойчивость экосистем

«Поразительна мудрость природы, которая при таком бесконечном разнообразии сумела всех уравнять!» Э. Роттердамский

Современные исследования по глобальной экологии показали, что за последние десятилетия в результате антропогенной деятельности истреблено большое число видов растительного и животного мира, растрачены огромные минеральные энергоресурсы, загрязнены почвы, реки и моря. Негативное воздействие человека на окружающую среду грозит необратимыми изменениями в среде обитания, вне которой невозможно нормальное существование общества. В связи с этим стало необходимым детальное исследование степени устойчивости различных экосистем: какие внутренние механизмы сообщества в этом участвуют, как они действуют? почему устойчивость трудно распознать там, где она имеет место? почему это свойство системы трудно уловимо?

Понятие устойчивости экосистем не имеет пока однозначного толкования. Под устойчивостью, например, понимается:

-постоянство характеристик системы во времени;

-способность экосистем не изменяться под внешней нагрузкой и быстро восстанавливаться после снятия нагрузки;

-соотношение между мерой изменения требуемых свойств системы и мерой соответствующего воздействия;

-способность системы к сохранению нормального функционирования путем самоочищения от продуктов техногенеза;

171

-механизм обратной отрицательной связи, «простейшая антиэнтропийная программа» поведения системы;

-интегральная сумма устойчивости отдельных компонентов и т.д.

Устойчивость – это сумма всех компонентов и взаимодействий, составляющих систему; это синтез всех свойств низшего порядка, проявляющихся на уровне сообщества, популяции и организма; это кульминационная точка всех экологических взаимозависимостей.

В целом под устойчивостью экосистем следует пони-

мать сохранение основных характеристик их структуры в тех пределах, в которых она может считаться одной и той же классификационной единицей. Те нарушения экосистемы, которые выводят ее за пределы параметров данной классификационной единицей, следует признать сопряженными с потерей ею устойчивости.

Механизмы устойчивости экосистем

Существование механизмов устойчивости должно быть признано законом существования сколько-нибудь организованных структур в системе.

Все механизмы устойчивости можно разделить на четыре группы:

-сохраняющие (стабилизирующие) состояние систем;

-сохраняющие тип функционирования;

-сохраняющие структуру;

-сохраняющие направленность развития системы. Механизмы стабилизации состояния – это механизмы, с

действием которых связано более или менее продолжительное пребывание систем в неизменном состоянии.

Приспособления, ограничивающие обмен систем с окру-

жающей средой. Такие механизмы широко распространены в природе и способствуют стабилизации состояния систем. К ним относятся, например, пленки поверхностного натяжения на границах веществ с разным фазовым состоянием, клеточные мембраны, кожный покров и кора живых организмов и т.д. Широко распространен в природе временный переход организмов в закрытое состояние: анабиоз, форма спор и семян, зимняя спячка и т.п.

172

Проточность – является пассивным механизмом в поддержании системы в более или менее стабильном состоянии, суть которого состоит в том, что чужеродные вещества, попадающие в систему, могут быть вымыты из нее в ходе нормального функционирования. В частности, вынос тяжелых металлов сельскохозяйственными культурами выше, чем растительностью природных угодий. Отмечено, например, что отчуждение урожая сахарной свеклы способствует значительному очищению экосистемы от загрязнения тяжелыми металлами.

Активные стабилизаторы состояния экосистемы при внешнем воздействии включают программу, следуя которой система ослабляет влияние возмущения. Среди таких механизмов ос-

новную роль играет отрицательная обратная связь. Согласно принципу его действия, поступивший на вход системы импульс, пройдя по цепи обратной связи, складывается с обратным знаком со следующим импульсом и начальное состояние полностью или частично восстанавливается. Нередко таким механизмом снабжены метаболические системы неживой природы, поддерживающие около нулевой отметки балансовое сальдо вещества или энергии.

Незначительные изменения энергетических взаимодействий между компонентами способны на основе обратной связи регулировать большие потоки энергии и вещества. В таких ситуациях малая энергия трофических связей как бы обеспечивает управление обратной связью, т.е. ответными реакциями биологических компонентов системы: аллелопатические экзометаболиты регулируют рост растений, а гетерогенность биогеоценоза контролирует характер трофических связей в экосистеме.

Хорошим примером обратной связи, когда даже небольшое количество энергии более высокого трофического уровня, возвращаясь к компонентам более низкого и исходного уровня, обладает повышенной способностью контролировать всю систему, является деятельность деструкторов, которые, составляя лишь 1% от суммарной биомассы организмов планеты, перерабатывают количество органического вещества, превосходящее их собственный вес в 10 раз.

Аналогичную ситуацию можно проследить и в агробиогеоценозах. Так, незначительные затраты энергии вредителей мо-

173

гут привести к существенному снижению фотосинтетической активности растений или даже к их гибели, т.е. повлиять на значительно большие по масштабам потоки вещества и энергии. Применение же малых доз энергии в виде инсектицидов позволяет направить поток энергии и вещества в нужном для человека направлении. Таким образом, основная роль применения техногенных факторов оптимизации абиотических и биотических условий внешней среды проявляется в том, что за счет малых потоков невосполнимой энергии регулируются большие потоки энергии в агроэкосистемах.

В агрофитоценозах роль модуляторов в управлении большими потоками энергии выполняют малые потоки энергии как техногенных, так и биотических факторов. Так, очень важную роль в формировании урожая энтомофильных культур и поддержании экологического равновесия в агроценозах играет «малая энергия» полезной энтомофауны. В растениеводстве формирование потенциального и эффективного плодородия почв, являющегося базисом фотосинтетической продуктивности агрофитоценозов, не обходится без деятельности микрофлоры.

При всех положительных аспектах малые потоки невосполнимой энергии могут иметь и негативные последствия, т.е. изменять большие потоки энергии в неблагоприятном направлении. Например, применение энергии пестицидов и удобрений может уменьшать биогенность почвы, экологическую устойчивость агроценозов и, как следствие, снижать количество аккумулированной культурными растениями энергии солнца и других природных ресурсов.

Агроэкосистемы характеризуются ослабленной способностью к саморегуляции, упрощенными цепями трофических связей, отсутствием многих механизмов биокомпенсации. В связи с этим появляется риск массового размножения отдельных видов вредителей или сорняков, проявления эпифитотий, способных практически уничтожить агрофитоценоз. В этом случае в формировании биоэнергетического потенциала резко возрастает роль малых техногенных и биотических потоков энергии.

Механизмы сохранения типа функционирования Земледелие – открытая система, способная развиваться

лишь в условиях притока вещества и энергии из окружающей

174

среды. Приток ресурсов в заданный объем всегда ограничен. В отдельных случаях для системы оказывается важнее всего сохранить нормальный порядок процессов, поддерживающих существование открытых систем, жертвуя при этом стабильностью и неизменной структурой.

К механизмам, выполняющим функцию сохранения типа функционирования, можно отнести надежность, эластичность и сосредоточение организмов по разным экологическим нишам.

Надежность – предполагает, что система выполняет некоторую извне заданную функцию. Основным средством повышения надежности является дублирование элементов (подсистем), выполняющих одни и те же функции. Тогда при выходе из строя или отказе элемента система продолжает действовать также, как и раньше, опираясь на сохранившиеся аналогичные элементы. Например, сосудистые пучки, органы фотосинтеза, корни, генеративные органы у растений и т.д.

Эластичность – предполагает возможность замены оказавшегося неэффективным в изменившихся условиях элемента другим, более подходящим. Так, естественные угодья сильно изменяют свой флористический состав в зависимости от того, сухой или влажный, теплый или прохладный выдался летний сезон. При этом продукция травостоя, утилизация приходящей радиации существенно не меняется.

Сосредоточение организмов по разным экологическим ни-

шам – нормальный процесс формирования сообщества. В ходе взаимной адаптации виды минимизируют конкуренцию за ресурсы питания и таким образом стабилизируют процессы обмена и состояние биоценоза.

Структурные перестройки систем во всех перечисленных случаях направлены на наиболее полное использование экологических факторов, на оптимизацию процессов функционирования экосистем.

Механизмы сохранения структуры – в основном служат сохранению структуры систем, часто путем компенсационного изменения существенных параметров состояния.

Механизм включения резервных программ – характерен для систем с развитым саморегулированием. При сильном отклонении состояния системы от нормы, превышающем заранее опре-

175

деленный порог и угрожающем ее существованию, запускается резервная программа. Роль ее в экосистемах играет генофонд незаметных и, на первый взгляд, как будто лишних в фитоценозе видов, способных при наступлении экстремальных условий занять место доминанта. К механизмам включения резервных программ можно отнести, например, регенерацию тканей живых организмов, стимулирование спящих почек, использование резервов вегетативного размножения.

Временный переход в закрытое состояние – механизм, регулируемый внутренними биологическими часами и состоянием среды. Примером работы данного механизма может служить закрывание и открывание венчиков цветков в соответствующее время суток.

Двигательная адаптация – механизм сохранения структуры: в основном эта способность принадлежит животным, а растительным организмам она свойственна лишь в некоторой степени (гелиотропизм). Под двигательной адаптацией понимается активный переход, передвижение организма из среды с худшими условиями в более благоприятную обстановку. Во всех случаях вектор движения направлен так, чтобы увести организм от критического состояния.

Преобразование внешней среды в свою пользу – характерно для всех живых организмов. В растительном сообществе способность сохранять себя, включаясь в комплексную систему более высокого ранга, проявляется в комменсализме, симбиозе и др. Комплексные системы, состоящие более чем из одного организма, получают дополнительную жизнеспособность и устойчивость к возмущениям по сравнению с разрозненными организмами, когда между ними существует положительная обратная связь, взаимная польза. Примерами такого механизма устойчивости являются гриб и водоросль в теле лишайника, цветы и насекомые-опылители, бобовые растения и клубеньковые бактерии. Взаимодействие видов в сообществе и создаваемой ими среды имеет положительный знак и повышает устойчивость каждого вида в отдельности к внешним воздействиям.

Накопление резервов вещества, энергии и информации –

также обеспечивает повышение жизнеспособности живых систем. Все живые существа содержат в себе минимальный запас

176

воды и питательных веществ, позволяющий существовать им в перерывы между приемами пищи и питья. Кроме запасов, предусмотренных для нормального существования, создаются еще резервы для редких экстремальных ситуаций, в нормальной жизни не расходуемые.

Адаптационная эволюция – механизм сохранения структуры системы, основанный на принципе «измениться, чтобы сохраниться». При изменении климатических, геоморфологических, геохимических условий жизни в каком-либо экотипе согласованность форм жизни с абиотической средой неизбежно нарушается. Если изменения совершаются не слишком быстро, то наиболее действенным средством восстановления равновесия системы становится отбор.

Механизмы сохранения развития системы – развитие системы является результатом ее самоотрицания и замену другой системой. Развитие происходит от простого к сложному, от менее жизнеспособного к более жизнеспособному, от менее организованного к более организованному.

Факторы устойчивости экосистем

В создании и развитии природной среды исключительно важную роль играет живое вещество, главным свойством которого является разделение биоты на автотрофы и гетеротрофы, что свидетельствует о неразрывности происходящих в экологической системе процессов. На формирование присущего всей биотической системе свойства устойчивости оказывают влияние все живые организмы – растительность, животный мир, микроорганизмы, однако выполняемые ими функции неоднородны.

Важнейшим фактором стабилизации состояния экосистемы является растительность. Благодаря способности реагировать на изменения внешней среды и антропогенные воздействия, этот элемент, обладая исключительными информативными свойствами, позволяет объективно оценить как саму систему, так и ее отдельные компоненты.

Зеленые растения обладают способностью изменять физические и химические параметры окружающей среды, направлять почвообразовательный процесс, обеспечивать саморегуляцию экосистемы, выполнять важнейшую энергетическую функцию. Растительность обладает мощным арсеналом средопреобра-

177

зующих и каталитических свойств, проявляемых на разных уровнях организации. Она способна поддерживать свои инвариантные свойства и формировать их в ходе сукцессионных и эволюционных преобразованиях.

Гибкость работы управляющей системы сильно зависит от количества информации, от объема памяти, в которой сосредоточено все разнообразие свойств видов растений, участвующих в сложении различных стадий сукцессии. В зависимости от интенсивности действующих на систему факторов, проявляются различные механизмы устойчивости.

1.В случае, когда сила действия факторов укладывается в норму реакции отдельного организма, то срабатывает механизм устойчивости самого низкого уровня – организменный.

2.При возрастании силы действия фактора может произойти снижение жизнеспособности растений или даже их гибель. В этом случае для поддержания устойчивости экосистемы под-

ключаются популяционные и биоценотические механизмы.

3.При возникновении в экосистеме нарушений биоцидного характера адаптивные качества организмов и биоценозов не срабатывают – начинает действовать «память трансформированного биотой экотопа», которая создает условия для сравнительно быстрого восстановления растительного покрова и состояния экосистемы.

4.В случае, если в результате действия природных или антропогенных факторов окажется разрушенной и «память трансформированного биотой экотопа», то подключается «потенциал инвариантности». Он представляет собой экологический фон с его относительно постоянными зональными физическими и химическими характеристиками. В этом случае за счет межэкосистемного обмена обеспечивается поступление вегетативных зачатков и семян растений, начало первичной сукцессии, формирование «памяти трансформированного биотой экотопа», а также наиболее соответствующих окружающей среде и относительно устойчивых режимов функционирования.

При длительном освоении растительного покрова для сельскохозяйственной деятельности механизмы устойчивости экосистемы подвергаются значительной трансформации. И если на низких уровнях живого в условиях интенсивной, антропоген-

178

ной нагрузки еще как-то проявляются инвариантные качества растительности, то с обеднением флоры, ростом частоты, масштабов и интенсивности действия антропогенных факторов происходит трансформация механизмов устойчивости более высоких уровней организации – экосистемного. Нарушается межэкосистемный обмен веществом, энергией, информацией, трансформируются фоновые характеристики среды и т.д. Так, на староосвоенных территориях, по сравнению с регионами, где освоение прошло сравнительно недавно, восстановление исходной растительности протекает в 2-3 и более раз дольше.

Нередко возникают случаи, когда нарушения в экосистеме, несмотря на сохранение ее «потенциала инвариантности», могут стать необратимыми. Тогда процесс восстановления экосистемы ориентируется на принципиально новое, достаточно устойчивое в новой обстановке образование. Под действием антропогенного фактора происходят эволюционные перестройки растительности, а параллельно – преобразование экосистемы в целом, что также характеризует растительность как мощный фактор стабилизации.

В наземных экосистемах первичная продукция служит основным источником энергии для гетеротрофов. Переводя биогенные химические элементы в новый цикл биологического круговорота и регулируя продукционно-деструкционное равновесие, гетеротрофы поддерживают гомеостаз биотической системы, т.е. ее способность сохранять относительное постоянство своей структурно-функциональной организации. На уровне экосистемы трофические связи и разные формы средообразующей деятельности гетеротрофов регулируют ее функционирование, определяя направление и скорость почвенно-биотических процессов.

Гетеротрофы играют роль фактора устойчивости только при условии, если структура экосистемы не нарушена. При трансформации же экосистемы они утрачивают свои регуляторные функции, нередко оказывая дестабилизирующее воздействие на организацию антропогенной системы.

Таким образом, создание высокопродуктивных экосистем с устойчивой организацией возможно лишь при условии оптимизации антропогенной деятельности, обеспечивающей полное

179

восполнение или имитацию средообразующих функций гетеротрофов. В противном случае, поддержание устойчивого во времени фитоценоза возможно только при значительных энергетических вкладах, искусственно поддерживающих экосистемы в таком состоянии.

Вопросы к разделу 7

1.Назовите основные уровни организации живых систем.

2.Дайте определение понятию «биосфера».

3.Раскройте сущность экологических основ сельскохозяйственной деятельности.

4.Какие экологические проблемы стоят сегодня перед человечеством?

5.Назовите основные причины дестабилизационных изменений в экосистемах.

6.Какие подходы выдвигаются сегодня для исправления результатов негативного влияния антропогенной деятельности на биосферу?

7.Что представляет собой экологизация земледелия?

8.Что такое экофилософия и социальная философия?

9.В чем заключаются основные требования биосферы?

10.Что представляет собой ноосфера (по В.И. Вернад-

скому)?

11.Оцените степень выполнения основных условий для перехода к ноосфере.

12.Раскройте суть понятия «устойчивость экосистем».

13.Назовите механизмы устойчивости экосистем.

14.Дайте характеристику механизмам стабилизации состояния экосистемы.

15.Охарактеризуйте механизмы сохранения типа функционирования экосистемы.

16.Какие механизмы относятся к механизмам сохранения структуры экосистемы?

17.Назовите основные факторы устойчивости экосисте-

мы.

18.Укажите уровни механизмов устойчивости в зависимости от интенсивности действующих на систему факторов.

180