Добавил:

ivanov666 Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.

Вуз:

Башкирский Государственный Аграрный Университет

Предмет:

[НЕСОРТИРОВАННОЕ]

Файл:

Основы промышленной экологии. Курс лекций

.pdf

Скачиваний:

Добавлен:

07.09.2026

Размер:

2 Мб

Скачать

☆

<<< < Предыдущая 1 23 / 143 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 > Следующая >>>

родах кислорода много, горные породы – это вообще оксиды и соли химических элементов, а кислород один из самых распространенных элементов на Земле. Но в горных породах, в химических соединениях кислород связан, и энергия связи весьма велика. Теоретически такой процесс пополнения кислорода атмосферы возможен, но практически нереален, по крайней мере в обозримом будущем. Мы можем рассчитывать только на кислород зеленых растений и ситуация здесь весьма близка к критической.

Показанная на рис. 2.3 схема круговорота веществ в природе выглядит неполной и незавершенной без некой стрелки в конце деятельности консументов. Требование симметрии, завершенности, наконец, красоты обязывает нас обозначить и здесь получение некоего качества. Честно говоря, мы пока не знаем, что бы это могло быть. Примем условно, что в результате деятельности консументов образуется биоразнообразие природы (δ) – это важнейший параметр, обес- печивающий стабильность и устойчивость биосферы и слагающих ее биогеоценозов в изменяющихся условиях существования. Да и вся приведенная схема круговорота веществ достаточно условна, уже хотя бы потому, что и продуцирование, и перераспределение, и разложение имеют место на всех этапах одновременно. Эта схема лишь иллюстрирует логику рассуждений.

Если принять, что такой круговорот веществ условно осуществляется один раз за вегетативный период, т.е. раз в год, то, повторившись в следующем году и опять будучи незамкнутым, он приведет биогеоценоз в новое состояние, и так каждый год. Иными словами, в результате своей деятельности биогеоценоз переходит в новое качественное состояние. Этот процесс называется сукцессией – разомкнутый круг превращается в спираль (рис. 2.5).

Ботаники делят биосферу на ботанико-географические регионы. Сколько регионов, столько сукцессионных схем. Например, на европейской территории России, в обширном ботанико-географическом регионе, протянувшемся эллипсом от Ладоги до Ю.Урала реализуется следующая сукцессионная схема. Если лес вырубают или он сгорает, то первой на место вырубки или пожарища приходит береза.

Рис. 2.4

Рис. 2.5

Уже через 5…8 лет густая щетка мелкого березняка покрывает местность. Срок жизни березняка около 90 лет, но уже через 30 лет под пологом березы поселяется тенелюбивая ель, которая к сроку 100 лет после пожара уже полностью господствует на местности и живет до 350…400 лет, образуя сомкнутый полог. Но в сомкнутом пологе спелого елового леса случаются вывалы, допустим, от ветра. Если вы встретите такой вывал, обратите внимание на центр этой осветленной площадки диаметром 15…20 м. В центре обязательно будет проросток дуба высотой 20…30 см. Это воспринимается как чудо, откуда он взялся? Вокруг на многие километры никаких дубов нет.

Здесь мы касаемся одного интересного свойства растений, размножающихся семенами. Семенной (генетический) материал всегда хорошо защищен. Известно, что пшеница из гробницы фараона, возрастом несколько тысяч лет, проросла. Известно, что семечко яблока, съеденого, допустим, оленем, проходит неповрежденным через пищевой тракт, где само яблоко переваривается двухкамерным желудком жвачных и, унавоженное, падает на землю и прорастает в оптимальных условиях. Это один из примеров коэволюции (совместной эволюции) растений и животных, выгодной и тем и другим. Значит, семена не теряют всхожести тысячи лет, а за этот период неоднократно может произойти перенос семян на дальние расстояния, допустим, в результате небывалой песчаной бури, какого-то другого катаклизма. Значит, весьма вероятно, что семена есть везде; они лежат в земле и ждут своего часа. Представим себе, что по каким-то причинам климат вдруг резко потеплеет. Тогда во дворе нашего института внезапно вырастут пальмы, семена которых с большой вероятностью уже сейчас лежат в этой земле.

Так и желуди, лежа в земле елового леса, ждут своего часа сотни лет, чтобы взойти в подходящих условиях и дать начало дубовой стадии сукцессионного процесса, которая длится 1500 тыс. лет. Вся

сукцессионная динамика на русской равнине, таким образом, занимает период около 2000 лет, и нам сразу становится понятным, что те леса, которые мы видим ныне, являются не коренными, а вторичными, третичными, четвертичными и т.д. Дуб, дубрава с подлеском из орешника, разнотравная, с грибами, ягодами – самый плодородный биогеоценоз в климатических условиях Восточной Европы – является конечной (климаксовой) стадией сукцессионного процесса, которая могла бы длиться вечно, т.е. пока данные условия сохраняются. Громадное количество животных может кормиться в этих желудевоореховых угодьях. Так и было, пока человек не извел эти дубравы. Вспомним, что Соловей-разбойник в былинах сидит на дубе; не на елке, и не на березе, и в детской песенке, прошедшей через сито тысячелетий, и потому являющейся для нас несомненной истиной в последней инстанции, «сидит ворон на дубу, он играет во дуду».

В настоящее время дубравы сохранились фрагментарно. Самый

распространенный тип леса на русской равнине сейчас – это смешанный березово-еловый лес с примесью других пород, т.е. это чаще всего переход между первой и второй стадией сукцессионной схемы возрастом, как правило, 60…70 лет, что, скорее всего, является следствием последней войны, когда лес не только пострадал в результате военных действий, но и был вырублен для нужд фронта без соблюдения каких-либо правил и норм.

Все сказанное о сукцессионной динамике справедливо только для

зональных форм растительности. А есть еще интрозональные, например промытые песчаные поймы рек, занятые интрозональными сосняками или интрозональными тополево-ивовыми сообществами.

Экспоненциальный характер биологических зависимостей – одно из важнейших фундаментальных свойств биологических систем всех уровней.

Все биологические процессы экспоненциальны

Если причина возрастет вдвое, то следствие может возрасти в три, четыре, пять и более раз. В основе этого – деление живых клеток. Конечно, выживают не все клетки, поэтому возникающие степенные или экспоненциальные зависимости могут иметь любую степень от 1 до 2, в том числе и дробные.

В аналитической геометрии это выражается семейством экспоненциальных кривых (рис. 2.6).

Именно поэтому возникают эпидемии, как бы без причины, как бы «на ровном месте». Например, в этой аудитории, где мы с вами

сейчас находимся, несомненно, есть бактерии чумы, холеры и других инфекций, и мы с вами в данную минуту не болеем потому, что их, во-первых, мало; во-вторых, они угнетены внутривидовой и межвидовой борьбой за существование, т.е. борьбой с себе подобными за свет, влагу, элементы питания и т.д.; в-третьих, работает наша иммунная система и, в-четвертых, и это главное, нет подходящих условий для их преимущественного размножения. Но если такие условия по каким-то причинам воз-

Рис. 2.6

никнут, произойдет очень быстрое, взрывного характера, размножение этих микробов как бы из ничего, как бы на пустом месте, причем состояние покоя может длиться годами и десятилетиями, что иллюстрирует график, представленный на рис. 2.7.

Рис. 2.7

Следующее важнейшее свойство биологических объектов и во-

обще всех естественных тел – фрактальность.

Начнем с вопроса: «Какова длина береговой линии Англии (и в

принципе любого острова)»?

Это как мерить, с какой подробностью. Если для нужд строительства портовых сооружений, то достаточно точности до метра: проезжают по побережью на автомашине и смотрят расстояние по спидометру. Для определения рекреационной емкости пляжей такой подробности также будет достаточно. А вот если необходимо оценить возможности прибрежных мелководий для воспроизводства молоди

рыб, точность должна быть повышена до 5…10 см, именно таков характерный размер неоднородностей линии раздела воды и песка на мелководьях, где сосредоточена вся молодь рыб. Эта линия раздела, за редким исключением, имеет пилообразную форму (рис. 2.8), что вполне закономерно; именно эта форма обеспечивает наиболее эффективную диссипацию энергии волн.

Рис. 2.8

Попутно заметим, что по отношению к энергии неграмотно упот-

реблять термин «истратить», широко применяемый в быту. Энергию истратить нельзя, ведь действует закон сохранения энергии. В прибрежной зоне моря энергия волн не тратится, а диссипирует, т.е. переходит в низкоградиентное тепло, иначе, в тепловое броуновское движение молекул воды и песка.

А вот для оценки сорбционной способности прибрежной зоны в

очистке сточных вод придется хотя бы приблизительно оценить поверхность песка на берегу, и тут необходима точность до долей миллиметра. Какова же длина береговой линии Англии? Придется согласиться, что вопрос поставлен некорректно – необходимо добавить требуемый масштаб измерения.

До каких размеров можно дробить вещество? Каков минимальный размер живого? Что мы вообще знаем о предельно малых размерах?

Если мы начнем дробить вещество, допустим, кусок мела, то вскоре доберемся до молекулы СаСО нов и других так называемых элементарных частиц, имеющих размер порядка 10

–23

см. В последние годы эфиродинамика вскрыла струк-

туру протона, выяснив, что это сложный вихрь эфира, состоящий из амеров – частиц, имеющих размер порядка 10

, затем до атомов, ядер, прото-

–45

см. Не исключено,

что это не предел, и амер, в свою очередь, представляет собой вихрь частиц эфира-2, еще меньшего размера, и т.д., иными словами пределов малости мы не знаем. Минимальный же размер живого организма определяется критерием возможности жить в водной или газовой среде, что, в свою очередь, возможно только в том случае, если размер живого организма будет на 3–4 порядка больше размеров молекулы воды, иначе его затолкает броуновское, тепловое движение молекул.

Итак,

Все естественные тела фрактальны

Вывод этот кажется простым только на первый взгляд. Ведь есть

еще наши модели, которые идеальны. Ведь на наших чертежах мы считаем линию не имеющей толщины, а точка вообще не имеет никаких размеров, ни длины, ни ширины, ни высоты. Один раз, приняв эту условность, мы забыли о ней. Мы забыли, что металлические поверхности машин, сделанных по нашим идеальным чертежа, и на самом деле фрактальны. В условиях космического вакуума эти поверхности очищаются от оксидных пленок, которыми они покрыты на воздухе, и, будучи плотно прижатыми друг к другу, например в стыковочном узле космического обитаемого аппарата, взаимопроникают друг в друга, диффундируют, как бы привариваются, а при расстыковке поэтому возникают ненормально большие напряжения. Утверждать сложно, но не поэтому ли погибли космонавты Волков, Добровольский, Пацаев, когда при расстыковке у них кабина разгерметизировалась и они за 40 с «потеряли» воздух? Они тогда летали без скафандров, в спортивных костюмах – такова была в те годы эйфория от успехов в космосе. Самое парадоксальное, что в то время уже была разработана технология вакуумной сварки, когда чистые поверхности в вакууме прижимали и слегка подогревали и они сваривались. По-видимому, в тогдашней космической спешке «одна рука не знала, что делает другая». Это уже потом разработали специальную графитовую смазку для стыковочных узлов.

Здесь мы затронули очень важную тему – идеальность и прими-

тивность нашего мышления и наших моделей по сравнению с невообразимой сложностью реальных объектов и явлений природы.

Наконец, одно из центральных понятий биологии – вид. К. Линней (1711–1776) жил в то время, когда в биологии «созре-

ла» систематика. Он дал имена примерно 5000 растений и животных из числа наиболее распространенных в Европе. Но с тех пор прошло почти триста лет и уже за первые двести накопилось громадное количество фактов, свидетельствующих о том, что названные виды весьма изменчивы, так что к началу ХХ века биология стояла перед фактом громадных трудностей в систематике. В.И. Вернадский назвал это свойство видов полиморфизмом, что в буквальном переводе означает «многоформность». Действительно, все линнеевские виды сильно изменяются в зависимости от условий существования, виды буквально «вморожены» в географическую среду, которая сама сильно вариабильна в широтном, меридиональном и высотном на-

правлениях. Внешние признаки вида: высота в холке, окрас, основные размеры, число усиков и члеников и т.д., вся сумма внешних признаков, которую называют фенотипом, меняется в зависимости от условий обитания так кардинально, что в массовом порядке возникают трудноразрешимые проблемы систематики.

Н.И. Вавилов на одном из конгрессов в 20-е годы предложил ввести кроме вида понятия линнеоны и жорданоны (Жордан – еще один знаменитый систематик), имеющие значение подвида и как бы «подподвида». Но это предложение не успело реализоваться, как возникла генетика, которая очень скоро обнаружила, что по гено- типу (набору хромосом) виды различаются еще больше. Биология буквально «сошла с ума». Университеты и институты всего мира бросились ревизовать линнеевскую систематику с учетом генотипов и очень быстро буквально захлебнулись в грандиозном разнообразии обнаруженных различий. Так, обыкновенная полевка, имеющая по крайней мере схожий фенотип, оказалась по генотипу состоящей из 3 видов; лось (Alces, аlces Linnea) только на восточноевропейской равнине от С. Кавказа до Кольского полуострова оказался состоящим из 7 генотипов и т.д.; примерам несть числа. До сих пор целые лаборатории и институты занимаются этой новой систематикой, при том что ежегодно открывают много новых видов не только среди насекомых, но даже среди крупных млекопитающих!

Оставим биологов заниматься этой насущной проблемой и вспомним другие факты. А факты, кстати, хорошо известные, состоят в том, что кожный узор на пальцах у всех людей разный, люди различаются по 54 признакам крови, иными словами, только группируя признаки крови по парам, может быть 2

различных людей! Цифра, которую

трудно представить, и мы даже не знаем, как ее назвать…

Таким образом, приходим к неизбежному выводу:

Каждое живое существо индивидуально и неповторимо

Нет двух одинаковых медведей, нет двух одинаковых синиц, нет, наконец, двух одинаковых тараканов.

По-видимому, поэтому биология, в отличие от физики и химии, топчется где-то на уровне достижений 100…150-летней давности. В физике и химии, объекты, изучения которых мы считаем одинаковыми, применяются методы статистики, позволяющие оперировать громадным числом объектов, например молекул. Рассматривать траекторию (судьбу) каждой молекулы нет необходимости. А в биологии такая необходимость (теоретически) имеется, а практически методы ста-

тистики к биологическим объектам плохо применимы. Поэтому в биологии требуется большая повторяемость в эксперименте, необходимо создать громадный банк данных, чтобы можно было отстроиться от вариантов и установить какие-либо общие закономерности.

Мы не случайно сказали, что «считаем объекты физики и химии одинаковыми» – ведь есть изотопы, значит, один атом кислорода может отличаться от другого атома кислорода.

Обратим также внимание на то, что для микроорганизмов понятие вид не применяется. Раньше, читая статьи по микробиологии, я удивлялся, когда сообщалось примерно следующее: «Я работал со штаммом, который мне прислал профессор, допустим Рихтер, из Гейдельберга». Что мне это говорит, какую информацию несет? Потом только я понял, что говорить о видах микроорганизмов (не говоря уже о вирусах) бессмысленно. Если вечером, уходя домой, мы в чашку Петри какой-то культуры добавим, допустим для примера, медный купорос, то, придя утром, мы можем найти другую культуру, потому что за ночь у них прошло 100 поколений (если между делениями 6 мин, 10 × 10 ч = 100), они вполне могли видоизмениться за этот эволюционный интервал.

Живое вещество изменчиво.

Живое вещество пластично.

Пример, ставший уже классическим – черные бабочки-капустницы, появившиеся в Англии в 30-е годы. Потрясающие примеры изменчивости и приспособляемости демонстрируют рыжие домашние тараканы, которых на моей памяти сначала травили керосином, потом порошком дуст, потом хлорофосом и другими, все более сильными ядами. Они ко всему привыкли, этот хлорофос они теперь, образно говоря, едят. Но и сами они изменились – это неизбежно (рис. 2.9).

Рис. 2.9

Классический прусак имеет продолговатую форму и высоко стоит

на ногах. Он хорошо видит, едва вы входите на кухню, быстро убегает, и даже может совершать прыжки. «Новый» прусак никуда не торопится, на вас реагирует слабо, вы можете его давить десятками и сотнями – он даст вспышку численности в тысячи, которые эффективно заполнят освободившиеся экологические ниши. Ядохимикаты на них действуют плохо, если действуют вообще, а смерть индивидуума (в отличие от людей) для судеб тараканьей популяции не имеет значения. Уничтожить их химией невозможно – похоже все теперь это поняли. Кстати, применяя химические средства для борьбы с тараканами, крысами, мы неизбежно наносим вред и себе, ведь мы биологические родственники, хоть и отдаленные. Не зря в последнее время начали обсуждать биологические методы борьбы, например массовую стерилизацию самцов, которые, будучи выпущенными в популяцию, экологическую нишу займут, а потомства не оставят…

Другой пример – городские комары, которые не дают нам житья даже зимой. Это новый вид. Это мутанты. Их раньше не было. Это продукт нашей технической цивилизации, и остается только уповать на то, что в конце концов мы не создадим что-то для нас смертельное типа «пчел–убийц» Америки, сообщения о которых участились.

Колоссальная изменчивость и приспособляемость животных приводит к вспышкам новых форм в изменившихся условиях обитания. Зафиксирован так называемый «островной эффект», когда популяция, оказавшаяся в генетической изоляции, начинает ускоренно видоизменяться. Опять же пример, ставший классическим и вошедший в учебники экологии. Когда-то, лет триста назад пираты оставили на уединенном островке в северной Атлантике нескольких пони. Условия оказались благоприятными, врагов на острове не было, и пони создали жизнеспособную популяцию. Когда через 300 лет биологи прибыли на остров, они застали там популяцию лошадок, которых уже нельзя было считать пони. С тех пор они так и вошли в систематику как новый вид. Обнаружено, что на болотных островах (грандиозное болото в Тверской области – Катин Мох) крысы достоверно крупнее, чем на соседнем «материке». Промышленные зоны, расширяясь, смыкаются и рвут традиционные ареалы видов, после чего во вновь изолированных популяциях начинается ускоренное видообразование. Так, перед войной единый ареал косули в Поволжье был разорван и уже через 30 лет биологи вынуждены были фиксировать два вида: сибирскую и европейскую косулю. Но в 80-е годы ареалы вновь сомкнулись. Эти ставшие уже многочисленными факты приве-

<<< < Предыдущая 1 23 / 143 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 > Следующая >>>

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]