1.2. Специфические особенности экологии
Изучением биосферы Земли в той или иной степени занимаются многие науки: физика, химия, биология, география, геология, медицина и др. Экология опирается на достижения всех этих наук, но не сводится к простой сумме знаний, полученных другими естественными науками.
Прежде всего, экологию отличает системный подходк изучаемым объектам, явлениям и процессам.Разумеется, системный подход не является монополией только лишь экологии, но именно для экологии системный подход – основной, определяющий, единственно возможный. Ключевое понятие в экологии – живая система. Согласно словарю Н.Уэбстера,система – это упорядоченно взаимодействующие и взаимозависимые компоненты, образующие единое целое. Основными элементами системы являются компоненты, связи и границы (рис.1.1).
Рис.1.1. Модель живой системы
Все живые системы относятся к открытым системам, т.к. для самого своего существования обязательно должны обмениваться с внешней средой веществом, энергией и информацией. Характерными признаками, отличающими живые системы, являются (Т.Миллер): взаимозависимость, разнообразие, самовосстанавливаемость, приспособляемость, непредсказуемость, предельность.
В экологии выделяют девять уровней организации живых систем, на каждом из которых в результате взаимодействия с внешней средой возникают характерные функциональные системы:
молекулярный (генный) уровень– биологически активные крупные молекулы белков, нуклеиновых кислот, углеводов; именно с этого уровня наблюдаются свойства, характерные исключительно для живой материи (гены);
клеточный уровень– системы биологически активных молекул (клетки);
тканевый уровень– системы сходных по строению и выполняемым функциям клеток, объединенных общностью происхождения (ткани);
органный уровень– совокупности нескольких функционально взаимодействующих типов тканей (органы);
организменный уровень– совокупности органов, взаимодействующих друг с другом и образующих единую систему индивидуального организма (организмы);
популяционно-видовой уровень– совокупности однородных организмов, связанных единством происхождения, образом жизни и местом обитания (популяции);
биоценотический уровень– системы, образованные совместно живущими и связанными между собой видами (сообщества, или биоценозы);
биогеоценотический (экосистемный) уровень– совокупности разных по видовому составу организмов в их взаимосвязи с условиями жизни в биотопе, т.е. на определенном участке земной поверхности с более или менее однородными условиями (экосистемы и биогеоценозы);
биосферный уровень– система, охватывающая все проявления жизни на нашей планете (биосфера Земли в целом).
Особенностью
такой иерархической организации живых
систем является то, что у более сложных
функциональных систем появляются
качественно новые, отсутствовавшие на
предыдущем уровне,эмерджентныесвойства, не сводимые к сумме свойств
составляющих систему компонентов –принцип Берталанфи(по имени
австрийского биолога Л.Берталанфи,
сформулировавшего этот принцип в 1969
году).
Живое вещество контролирует все основные химические превращения в биосфере Земли. Выделяют пять главных функций живого вещества на нашей планете:
энергетическая функция– осуществление связи биосферно-планетарных явлений с космическим излучением, прежде всего с солнечным; в основе этой функции лежит аккумуляция в процессе фотосинтеза солнечной энергии зелеными растениями и ее дальнейшее перераспределение между отдельными компонентами биосферы;
газовая функция– обеспечение миграции газов и их химических превращений; преобладающая масса газов на Земле имеет биогенное происхождение (азот, кислород, углекислый газ, сероводород, метан и др.);
концентрационная функция– извлечение и накопление живыми организмами биогенных элементов окружающей среды; элементный состав живого вещества существенно отличается от состава неживой материи: в нем преобладают легкие элементы (водород, углерод, азот, кислород, натрий, магний, алюминий, кремний, сера, хлор, калий, кальций); концентрация этих элементов в живых организмах в сотни и тысячи раз больше, чем во внешней среде;
окислительно-восстановительная функция– химические превращения веществ (в основном веществ, содержащих атомы с переменной степенью окисления – железа, марганца и др.); на поверхности Земли преобладают биогенные процессы окисления и восстановления;
деструктивная функция– разложение организмов после их смерти, результатом которого становится минерализация органического вещества, т.е. превращение живого вещества в неживую материю.
Важнейшим следствием системного подхода является требование изучения всех объектов, явлений и процессов в их взаимосвязи и взаимозависимости. Подобные связи и зависимости носят настолько общий характер, что это дало возможность Ч.Дарвину в шутку высказать следующее утверждение: "В природе существует биологическая связь даже между старыми девами и бараньими котлетами". В доказательство этого тезиса Ч.Дарвин выстроил следующую логическую цепочку. Старые девы любят кошек и во множестве их разводят. Кошки охотятся за мышами, а мыши разоряют гнезда шмелей (в Англии они уничтожают до 2/3 всей популяции шмелей). Шмели (и только они) опыляют красный клевер (у пчел хоботок – всего 6 – 7 мм, и они не могут дотянуться до нектарников, у шмелей же хоботок имеет длину от 9 до 20 мм). Где нет шмелей, там клевер не дает семян и вымирает, а клевер – основной корм для баранов. Связь же баранов и бараньих котлет очевидна.
Это полушутливое теоретическое построение неожиданно (для XIX века) нашло практическое подтверждение. Чтобы обеспечить стада овец хорошим кормом, из Англии в Новую Зеландию завезли красный клевер, но он оставался там бесплодным, пока в 1880 году не привезли в Новую Зеландию и шмелей. Шмели быстро расплодились (в Новой Зеландии нет мышей) и проблема пастбищ для овец была решена.
Еще два примера, иллюстрирующих не только взаимосвязи в природе, но и их влияние на такую, казалось бы, далекую от биологии область, как экономика.
Для привлечения туристов на пляжи Австралии (за Большим Барьерным рифом) в прибрежной акватории были уничтожены почти все акулы. Это стало возможным, поскольку акулы очень привержены к определенным акваториям и местам побережья (меченых акул иногда вылавливали в тех же местах, где их пометили, через 20 лет). Туристский бизнес, действительно, испытал подъем, но стали разоряться ловцы лангустов (больших морских раков). Причиной оказалось резко увеличившееся число осьминогов, которые лишились своих естественных врагов – акул, и для которых лангусты – желанная добыча. Ситуация стабилизировалась, когда вместо уничтожения акул стали их отпугивать с помощью различных технических средств.
Второй пример. Вблизи тихоокеанского побережья Южной Америки на стыке холодного течения Гумбольдта и теплых океанских вод водилось множество анчоусов, которых промышляли суда Эквадора, Перу, Чили и других стран. Интенсивный промысел привел к резкому уменьшению числа анчоусов. На приморских скалах обитало около 20 миллионов морских птиц, питавшихся анчоусами. Массовый голод сократил их число до 3 миллионов. Птицы роняли свой помет в море, что способствовало развитию фитопланктона, которым кормился зоопланктон, а им – анчоусы. А анчоусами – снова птицы. Получался замкнутый круг. Но есть и еще один аспект. Помет птиц – ценнейшее удобрение (гуано). Основные производители гуано – бакланы, пеликаны, олуши. Еще инки карали смертью каждого, кто посещал прибрежные острова во время размножения этих птиц. Испанские колонизаторы уничтожили культуру инков, и интерес к гуано возродился только после 1840 года, когда было установлено, что гуано – лучшее азотистое удобрение (в гуано азота в 33 раза больше, чем в навозе). Хлопок, удобренный гуано, дает урожай до 320 ц с гектара (для сравнения: в Луизиане, США – 55 ц, в Египте – 70 ц). Толщина первоначальных залежей гуано достигала 30 м. Но его запасы стали быстро иссякать. Дело в том, что из-за сокращения численности птиц существенно уменьшилось восполнение запасов гуано, которое составляло 200000 т в год (ежегодная добыча в 50-х годах нашего столетия – 250000 т). Для "производства" такого количества гуано местные бакланы и олуши должны были съедать в год 5,5 миллиона тонн рыбы, в основном анчоусов. Так самым тесным образом оказались связанными урожай хлопка и улов анчоусов. В настоящее время лов анчоусов ограничен и приняты специальные меры по охране прибрежных колоний морских птиц.
Еще одной отличительной чертой экологии является глобальный характерэкологических проблем. Эта особенность обусловлена тем, что биосфера Земли представляет собой единую целостную систему. Изменения в любом компоненте системы неизбежно оказывают влияние на все остальные компоненты, и, наоборот, состояние каждого компонента зависит от состояния системы в целом. Поэтому выделять и отдельно рассматривать даже крупные экосистемы (например, экосистему Балтийского моря или Северо-Западного региона России) можно только с известными оговорками. Такие проблемы, как парниковый эффект, разрушение озонового слоя, истощение природных ресурсов и многие другие, имеют общепланетарный характер и должны рассматриваться и решаться на соответствующем уровне. Конечно, при этом должно учитываться все многообразие экономических, политических, культурных условий, исторических и религиозных традиций, моральных установок, различий в экологическом сознании и поведении людей.
Осознание этой особенности экологических проблем привело к тому, что в последние десятилетия большое количество международных соглашений как под эгидой ООН, так и на региональном уровне, направленных на защиту окружающей природной среды (см. Приложение 4).
Природа не знает государственных и региональных границ, и создание "экологического рая" в одной отдельно взятой стране или регионе – утопия. Так, одним из результатов катастрофы на Чернобыльской АЭС стало радиоактивное загрязнение в радиусе более 2000 км, охватывающее не только часть территории бывшего СССР, но и территории более 20 других государств. Разумеется, сказанное не отрицает полезности и необходимости региональных и локальных мероприятий по охране окружающей природной среды, лозунг "Мысли глобально, действуй локально!" здесь как нельзя более уместен.