Куренщиков ДК_Экология_лекции_2013_1

исследований, а значительно загрязнены вода, воздух или атмосфера. То есть, экология выходит за свои классические рамки, приобретая социальное и политическое значение. В этой науке появляются новые направления, часто экзотичные: «экология человека», «экология города», «экология души», «экология искусства» и так далее.

В 1985 г. Международный терминологический стандарт по экологии утвердил следующее определение «экология – наука о правилах и за-

конах взаимодействия живых организмов с окружающей средой».

Таким образом, экология как наука должна решать следующие задачи:

1)изучать законы, закономерности и принципы взаимодействия организмов со средой их обитания;

2)изучать формирование, структуру и функционирование объектов экологических исследований: популяций, биоценоза или сообщества организмов, биогеоценоза (экосистему), биом и биосферу.

1.2. Принципы кибернетики, применимые в экологии

Термин «кибернетика» (от греч. kybernetike искусство управления) впервые употреблено греческим философом Платоном. В середине ХХ в. американский математик Норберт Винер (1894–1964) определил современ-

ную кибернетику как науку об управлении сложными динамическими системами и процессами. Многие прин-

ципы кибернетики позволяют понять процессы, происходящие на разных уровнях организации живого вещества. Исходя из этого, мы сочли целесообразным привести здесь эти принципы и показать их связь с экологией.

1.Принцип необходимого разнообразия. Разнообразие сложной сис-

темы требует управления, которое само обладает некоторым разнообразием. То есть, чем больше разнообразие элементов системы, тем больше вероятность её сохранения в условиях внешних воздействий. Следовательно,

сувеличением количества элементов в системе увеличивается её устойчивость. В настоящее время этот принцип является одним из основных в теории и практике охраны окружающей среды. Снижение биологического разнообразия экосистем и наличие воздействий, которыми системы в эволюционном плане не подвергались (интенсивное антропогенное воздействие, например) ведет к деградации этих систем и, в итоге, к коллапсу.

2.Принцип внешнего дополнения. Для своей устойчивости систе-

ма нуждается в резервах, в случае необходимости компенсирующих неучтенные воздействия внешней и внутренней среды. В результате экологических катастроф природного происхождения (наводнения, землетрясения) функционирование нарушенных экосистем восстанавливается именно благодаря этим резервам. Такие «резервы» сформировались в экосистеме во время их эволюции.

11

3.Принцип выбора решения больше подходит не для классической,

адля экологии в современном понимании, то есть при отождествлении этой науки с теорией и практикой охраны окружающей среды. Согласно этому принципу, решение (особенно управленческое) должно приниматься на основе выбора одного из нескольких вариантов. Чем больше предложено вариантов, чем тщательнее проводится их отбор и анализ, чем профессиональнее команда, этим занимающаяся, тем более оптимальным будет выбранное решение.

4.Принцип эмерджентности (от англ. emergence

возникающий, неожиданно появляющийся). Этот принцип называют еще вторым принципом Уильяма Рос Эшби (1903–1972) – английского психиатра, специалиста по кибернетике, пионера в исследовании сложных систем. Суть принципа заключается в следующем: «Чем больше система и чем больше различия в размерах между частью и целым, тем выше

вероятность того, что свойства целого могут сильно отличаться от свойств частей». Свойства системы отличаются от свойств элементов, в нее входящих. При этом свойства

системы, в большинстве случаев, невозможно предугадать, зная только свойства элементов этой системы. Для иллюстрации приведём несколько примеров. Так, у отдельных особей популяции не может быть таких свойств, как рождаемость, смертность, плотность, ареал. Все эти свойства характерны только для популяции. «Свойства» одного студента коренным образом отличаются от «свойств» студенческой группы и, тем более, всего университета. Важно, что эмерджентные свойства появляются именно при взаимодействии элементов системы. Принцип эмерджентности вполне созвучен с одним из основных законов философии – законом перехода количества в качество.

5. Принцип обратной связи. Некоторыми исследователями этот принцип назван фундаментальным законом. Функционирование системы невозможно без наличия обратной связи между взаимосвязанными и взаимодействующими элементами, частями или системами. Фактически, обратная связь – отклик элемента системы на воздействие (рис. 1).

Обратная связь

Рис. 1. Схема управления с обратной связью [57]

12

Различают два вида обратной связи: отрицательную и положительную. Классическим примером отрицательной обратной связи может служить система из двух элементов: костра и подвешенного котелка, полного воды. При разгорании пламени костра повышается температура воды в котелке. В конце концов, вода закипает и выплескивается из котелка, уменьшая пламя костра. В результате этого вода перестает кипеть и, следовательно, заливать костер, который разгорается снова и цикл повторяется. Система некоторое время (несколько циклов) остается в динамическом равновесии. В то же время, если представить, что котелок наполнен не водой, а какой-либо горючей жидкостью, например, керосином, то система продемонстрирует положительную обратную связь: при первом же попадании керосина в огонь произойдёт возгорание всей жидкости, моментальное увеличение пламени и разрушение системы. Этим примером подтверждается, что отрицательная связь способствует сохранению, а положительная – разрушению системы.

Подобные процессы можно наблюдать и в живой природе: хищник, увеличивая свою численность, снижает численность жертвы (рис. 2).

Рис. 2. Динамика популяций в системе «хищник–жертва» [62]

В результате уменьшения количества пищевых ресурсов численность хищника снижается. Снижение пресса хищника на жертву позволяет жертве увеличивать численность. Цикл повторяется многократно.

Вмешательство человека может нарушить естественный ход вещей. В первой половине ХХ столетия сложилось мнение, что поголовье северного оленя можно повысить, путем уничтожения естественных врагов

– волков.

13

В США широко осуществлялся принцип «хороший волк – это мертвый волк». Заблуждение было всеобщим. И поэтому, когда в 1906 г. президент США Т. Рузвельт, много сделавший для развития дела охраны природы в стране, решил создать заказник для охраны чернохвостого оленя в Аризоне, одним из первых шагов стало уничтожение хищников, в том числе волков. После уничтожения волков первоначально действительно увеличилось поголовье оленей. Через некоторое время для оленей не стало хватать кормов. Кроме того, повышенная плотность животных повлекла за собой эпидемии. В результате поголовье этих животных стало ниже, чем было до проведения этих непродуманных мероприятий [47].

1.3. Объекты экологических исследований

1.3.1. Организмы

Объектами экологических исследований являются все живые организмы, популяции, виды, биогеоценозы, экосистемы и биосфера.

Организм представляет собой более или менее обособленную систему из клеток (в ряде случаев в виде отдельной клетки), тканей, органов, способную существовать в окружающей среде. Организм способен поддерживать гомеостаз [13].

Начиная с этого уровня, все больше в свои права вступает экология, хотя, на уровне организмов ведутся исследования представителями таких наук, как зоология, ботаника, морфология, биология индивидуального развития и ряда других. Специалисты в области охраны окружающей среды могут проводить работы на уровне организмов, когда существует реальная угроза вымирания конкретного вида. Так было во время спасения стерха (стерх, или белый журавль, Grus leucogeranus) во второй половине прошлого века, так происходит и сейчас, когда предпринимаются попытки сохранить дальневосточного леопарда (Panthera pardus orientalis, самый северный подвид леопарда), популяция которого насчитывает несколько десятков особей.

Так может случиться и в недалеком будущем, если придется предпринимать радикальные меры по спасению гордости дальневосточной тайги – амурского тигра

(Panthera tigris altaica). В настоящее время численность этой самой крупной дикой кошки в природе, по оценкам специалистов составляет 450–500 особей.

14

1.3.2. Популяции

Вначале 1903 г. крупнейший датский биолог, один из основоположников современной генетики Вильгельм Людвиг Иогансен (1857–1927) впервые применил термин «популяция» (лат. populus народ, население) в своей работе «О наследовании в популяциях и чистых линиях». Относящиеся к одному сорту внешне сходные растения являются наследственно различными – они составляют популяцию.

Внаше время под популяцией понимается совокуп-

ность разновозрастных особей одного вида, объединенных общностью происхождения, ареалом, морфологическим сходством, обменивающихся генетической информацией. В конкретных местах обитания с окружающей средой взаимодействуют не биологические виды, а их «представители» – популяции. Популяции обладают признаками и характеристиками, которые невозможно представить для клеток, органов, тканей, особей. Например, возрастная и половая структура, рождаемость, смертность, плотность, динамика численности и т. д. Более подробно структура и характеристики популяции будут рассмотрены ниже. Примеров популяций – огромное множество. Это и караси в одном озере, и стая голубей на городской площади, и совокупность дубов в дубовой роще. Люди, проживающие в одном населенном пункте, составляют его популяцию. Необходимо отметить, что живые организмы, содержащиеся в искусственных условиях (микроорганизмы в чашке Петри, звери, на звероферме, хризантемы в оранжереях) не являются собственно популяцией. В то же время, синантропные животные, обитающие совместно с человеком в его жилищах или в непосредственной близости от него (постельные клопы, тараканы, вши, блохи и др.), в их естественной среде обитания, то есть в жилищах человека, образуют популяции.

1.3.3. Сообщества: биоценозы, биогеоценозы, экосистемы, биосфера

Биоценоз (гр. bio жизнь, koinos общий) – исторически сложившееся сообщество живых организмов, в состав которого входит совокупность популяций разных видов микроорганизмов, грибов, растений, животных, населяющих определенный биотоп2.

2 Согласно Большой советской энциклопедии биотоп (bio жизнь, topós место) – это участок земной поверхности (суши или водоёма) с однотипными абиотическими условиями среды (рельеф, почвы, климат и т. п.), занимаемый тем или иным биоценозом.

15

Определение биоценоза впервые дал немецкий зоолог и ботаник, один из родоначальников экологии

Карл Август Мёбиус (1825–1908). Мебиус в 1877 г.

опубликовал результаты исследования совокупности живых организмов на устричных банках (банки – морские отмели) Северного моря. Мебиус доказал, что количественный и качественный состав живых организмов территории (акватории) зависит от совокупности внешних условий, то есть от параметров биотопа. Количество биотопов в природе великое

множество. Примерами биотопов являются: суходольный луг, небольшой пруд, саванна, озеро, пустыня, скальные обнажения, почва, участок океана и т. д. Для изюбрей, медведей, рысей и многих других животных биотопами являются хвойные, хвойно-широколиственные, мелколиственные леса Большехехцирского заповедника, расположенного в непосредственной близости от г. Хабаровска (рис. 3).

Рис. 3. Биоценоз хвойно-широколиственного леса Большехехцирского заповедника. Фото Д.К. Куренщикова

Биогеоценоз. В начале сороковых годов XX в. В.Н. Сукачев сформулировал понятие термина «биогеоценоз». Биогеоценоз (греч. bios жизнь, geo Земля, koinos общий), однородный участок земной поверхно-

16

сти с определённым составом живых и косных (приземный слой атмосферы, солнечная энергия, почва и др.) компонентов, объединённых обменом вещества и энергии в единый природный комплекс (рис. 4).

Рис. 4. Схема биогеоценоза и взаимодействие составляющих ее частей [53]

Совокупность биогеоценозов формирует биогеоценотический покров Земли, то есть всю биосферу. Биогеоценоз – динамичная система, в ходе развития которой происходит усложнение её структуры. В то же время, биогеоценозу присуща определённая устойчивость во времени, являющаяся результатом длительной адаптации живых компонентов друг к другу и к компонентам косной среды.

Таким образом, биогеоценоз – более сложная, по сравнению с биоценозом, система, учитывающая взаимодействие живых и неживых компонентов природы. В большинстве случаев, границы наземных биогеоценозов совпадают с границами ценозов растений, например, луговой, лесной, болотный биогеоценоз.

17

Понятие биогеоценоза, данное В.Н. Сукачевым, близко к понятию экосистемы, предложенному английским ботаником А. Тенсли. Однако оно отличается определённостью своего объёма. Биогеоценоз – элементарная ячейка биогеосферы, понимаемая в границах конкретных растительных сообществ, тогда как экосистема – понятие безразмерное и может охватывать пространство любой протяжённости – от капли воды из озера до биосферы в целом.

Экосистема – элементарная функциональная единица биосферы, экологическая система, включающая совокупность организмов и среды их обитания (А. Тенсли, 1935). Некоторые ученые различают понятия «биогеоценоз» и «экосистема», некоторые – нет. В настоящее время чаще употребляется термин «экосистема». Биогеоценоз на хребте Большой Хехцир (рис. 5) определяется высотой, крутизной возвышенностей, их экспозицией. Границы экосистемы хребта в этом случае определяются границей горной и равнинной территорий.

Рис. 5. Экосистема хребта Большой Хехцир. На переднем и среднем плане – лес, покрывающий возвышенности,

на заднем плане – равнина и водотоки. Фото Д.К. Куренщикова

Биосфера (гр. bio жизнь, sphere сфера, оболочка) – особая оболочка Земли, заселенная живыми организмами (Э. Зюсс, 1875, В.И. Вернадский, 1926). В состав биосферы входят: нижняя часть атмосферы, верхняя часть лито-

сферы и вся гидросфера. Говоря о процессах биосферы, мы уже подразумеваем глобальные вопросы, связанные с существованием всего живого на нашей планете. Скажем, невозможно заниматься изучением сезонных миграций животных на уровне экосистемы. Птицы, морские че-

18

репахи, различные виды китов, совершающие миграции, протяженностью в тысячи километров, естественно, не связаны с какой-то одной экосистемой. Такое явление глобально и непосредственно связано с биосферой. К таким же биосферным явлениям относится перенос загрязняющих атмосферу веществ: выбросы дыма, выхлопных газов в атмосферу. Безусловно, к явлениям глобального, биосферного уровня, относится проблема деградации озонового слоя. Именно благодаря свойствам озона поглощать определенную часть ультрафиолетового спектра солнечного излучения сформировалась биосфера, которую мы привыкли видеть. При исчезновении озонового слоя атмосферы Земли окружающая нас среда если не исчезнет вовсе, то, во всяком случае, значительно изменится. И еще неизвестно, найдется ли в изменившейся обстановке место для такого биологического вида, как Homo sapiens (человек разумный).

Не столь явной, но в последнее время широко обсуждаемой глобальной биосферной проблемой является проблема потепления климата. В случае реального изменения (потепления) климата на нашей планете могут произойти изменения, в результате которых экологические проблемы станут геополитическими. Такой переход может быть обусловлен наступлением пустынь, уменьшением площади пахотных земель, снижением запасов пресной воды и т. д.

1.4. Предмет, проблемы, задачи экологии в настоящее время

1.4.1. Рост численности человеческой популяции

Предметом исследования экологии как науки являются взаимоотношения биологических систем высокого уровня (виды, популяции, биоценозы, экосистемы) с окружающей средой. Объектом исследований являются указанные биологические системы в неотрывной связи с окружающей средой, которая преобразуется в пространстве и времени, в том числе и самими биологическими системами.

Совершенно ясно, что в настоящее время существует множество экологических проблем. Не углубляясь в их перечисление, мы объединим экологические проблемы в три группы, которые, на наш взгляд, являются действительно глобальными.

В конце 2011 г. в средствах массовой информации было заявлено, что население на планете составило 7 млрд. Для удовлетворения даже минимальных потребностей любого человека требуются ресурсы (ежедневная пища, пресная вода, материалы для постройки жилища, территория и т. д.). С возрастанием количества людей на нашей планете будет усиливаться антропогенная нагрузка на экосистемы планеты: посчитано, что для удовлетворения потребностей одного человека необходи-

19

мо примерно 2–2,5 Га3 поверхности планеты. Рано или поздно, человечеству придётся столкнуться с проблемой перенаселения Земли. Следует признать, что эта проблема привлекла исследователей не только в последнее время. В 1798 г. английский экономист, пастор Томас Роберт Мальтус (1766– 1834) опубликовал работу «Опыт о законе народонаселения», посвящённую проблемам народонаселения. Основным тезисом Мальтуса была идея, что рост населения имеет тенденцию к опережению производства продуктов питания. Мальтус утверждал, что население увеличивается в геометрической прогрессии, а производство продуктов питания растет лишь в арифме-

тической прогрессии. Мальтус сделал вывод, что большей части человечества суждено жить в бедности и на грани голодной смерти. В качестве факторов, которые могли бы сдерживать этот процесс, Т. Мальтус определил воздержание и катастрофические явления, снижающие численность популяции человека: голод, войны, эпидемии. Учение Мальтуса противоречит современным этическим нормам, и было неоднократно раскритиковано во многих публикациях. Тем не менее, проблема роста народонаселения продолжает существовать и обостряться.

1.4.2. Конечность многих ресурсов на планете

Трудно себе представить, но настанет момент, когда запасы нефти, природного газа, угля, залежи руд и минералов будут исчерпаны. Так случилось с богатейшим в России Гумешевским месторождением малахита, открытом на Среднем Урале в XVIII в. В настоящее время месторождение полностью выработано. На месте старых работ находится огромная впадина, образовавшаяся в результате оседания почвы над старыми подземными выработками. Это зона обрушения, опасная для прогулок, она закрыта для минералогических экскурсий, обнесена частоколом.

Среди минералогических раритетов Гумешевского месторождения заслуживает особого упоминания монолитная масса малахита весом 1504 кг, храня-

щаяся в Национальном минерально-сырьевом университете «Горный» в Санкт-Петербурге. Добытая в 1775 г., она была подарена владельцами рудника императрице Екатерине II. Образец этот поныне остается самым большим в мире штуфом малахита из всех минералогических коллекций. Одна из малахитовых глыб была подарена А. Демидовым Папе Римскому

ихранится в Ватикане. Посмотреть уральский малахит можно в Эрмитаже

ив Екатерининском дворце Царского села [32].

3 Га (гектар) – единица площади, равная 10 000 м2 или участку 100 100 м.

20