I. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ (ТЕРМИНЫ) ЭКОЛОГИИ. ЕЕ СИСТЕМНОСТЬ

Основные понятия. Основным понятием и основной таксо­номической единицей в экологии является экосистема. Этот термин, как отмечалось выше, введен в употребление А. Тенсли в 1935 г., т.е. более полувека спустя после выделения экологии как отрасли научных знаний (1866).

Подэкосистемой понимается любое сообщество живых су­ществ и среды их обитания, объединенных в единое функцио­нальное целое. Основные свойства экосистем — способность осуществлять круговорот веществ, противостоять внешним воз­действиям, производить биологическую продукцию. Выделяют обычно экосистемы различного ранга: от микроэкосистем (не­большой водоем, труп животного с населяющими его организ­мами или ствол дерева в стадии разложения, аквариум и даже лужица или капля воды, пока они существуют и в них присут­ствуют живые организмы, способные осуществлять круговорот веществ); мезоэкосистемы (лес, пруд, река, водосбор или их ча­сти и т.п.); макроэкосистемы (океан, континент, природная зона и т.п.) и глобальная экосистема — биосфера в целом.

Таким образом, более крупные экосистемы включают в себя экосистемы меньшего ранга. Образное (шутливое) определение экосистемы дал писатель-фантаст (он же географ) И. Г. Ефре­мов: это любое природное образование — "от кочки до оболоч­ки" (географической).

Близкий по содержанию смысл вкладывается в термин"биогеоценоз", введенный в литературу академиком В. Н. Сукаче­вым несколько позднее, чем экосистема, — в 1942 г. Понятие биогеоценоз применяют обычно только к сухопутным природ­ным системам, где обязательно в качестве основного звена при­сутствует растительный покров (фитоценоз). Экология обычно имеет дело только с элементарными биогеоценозами, т.е. таки­ми, для которых свойственны однородные совокупности как живых организмов (растительности, животного мира), так и среды обитания (почвы, гидрологические условия, микроклимат и т.п.). Исходя из этого,каждый биогеоценоз можно назвать экосисте­мой, но не каждая экосистема может быть отнесена к рангу биогеоценоза. Например, разлагающийся труп животного или гниющий ствол дерева относятся к рангу экосистем, но не биоге-оценозов. Профессор Н. В. Дылис образно определил биогео­ценоз как экосистему, но в рамках фитоценоза (растительно­го сообщества). Примеры биогеоценозов — участки леса, луга, степи и т.п.

Другими словами, с энергетической точки зрения любой био­геоценоз практически бессмертен, поскольку присутствующие в нем, как в системе, организмы постоянно поставляют необходи­мую для круговорота веществ энергию в результате фотосинтеза. Экосистема, если она не включает растительное звено, существует только до тех пор, пока организмы, ее составляющие, не израсхо­дуют всю энергию, содержащуюся в мертвом органическом суб­страте (труп животного, мертвый ствол дерева и т.п.).

Экосистемы (биогеоценозы) обычно включают два блока. Первый из них состоит из взаимосвязанных организмов разных видов и носит названиебиоценоза (термин введен немецким зоологом, К. Мебиусом в 1877 г.), второй блок составляет среда обитания, которую в данном случае называютбиотопом илиэкотопом.

Каждый биоценоз состоит из множества видов, но виды входят в него не отдельными особями, а популяциями или их частями.Популяция — это часть вида (состоит из особей одного вида), занимающая относительно однородное пространство и способная к саморегулированию и поддержанию определенной численности. Каждый вид в пределах занимаемой территории (ареала), таким образом, распадается на популяции. Размеры их различны. В таком случае можно сказать, что биоценоз — это сумма взаимосвязанных между собой и с условиями среды по­пуляций разных видов.

В экологии часто пользуются также термином"сообщество".Содержание этого термина неоднозначно. Под ним понимается и совокупность взаимосвязанных организмов разных видов (си­ноним биоценоза), и аналогичная совокупность только расти­тельных (фитоценоз, растительное сообщество), животных (зоо­ценоз) организмов или микробного населения (микробоценоз).

Системность экологии. Экология как наука рассматривает системы, звенья и члены которых находятся в тесной взаимо­связи и взаимозависимости. Из этого вытекает необходимость учета множества факторов при анализе тех или иных экологи­ческих явлений и тем более при планировании любых вмеша­тельств в них. Такой подход, в свою очередь, невозможен без комплексного метода изучения, оценки и решения тех или иных экологических задач. По этим же причинам очевидна тесная связь экологии с другими науками, сведениями из которых необходи­мо не только располагать, но и уметь их грамотно использовать.

К таким наукам относятся: биология, география, почвоведение, гидрология, химия, физика и другие отрасли знаний. Важно также уметь пользоваться необходимой информацией из различных отраслей хозяйства, особенно касающейся свойственных им тех­нологических процессов, системных связей и т.п.

Говоря о системных явлениях, важно познакомиться с об­щими положениями теории систем, их видами. Обычно раз­личают три вида систем:

1) замкнутые, которые не обменива­ются с соседними ни веществом, ни энергией,

2) закрытые,которые обмениваются с соседними энергией, но не веще­ством (например, космический корабль) и

3) открытые, кото­рые обмениваются с соседними и веществом, и энергией. Прак­тически все природные (экологические) системы относятся к типу открытых.

Существование систем немыслимо без связей. Последние делят напрямые и обратные. Прямой называют такую связь, при которой один элемент (А) действует на другой (В) без ответной реакции. Примером такой связи может быть действие древесно­го яруса леса на случайно выросшее под его пологом травянис­тое растение. Или действие Солнца на земные процессы. При обратной связи элемент. В отвечает на действие элемента А. Обратные связи бываютположительными и отрицательными. И те, и другие играют существенную роль в экологических процес­сах и явлениях.

Обратная положительная связь ведет к усилению процесса в одном направлении. Пример ее — заболачивание территории, например, после вырубки леса. Снятие лесного полога и уплот­нение почвы обычно ведет к накоплению воды на ее поверхно­сти. Это, в свою очередь, дает возможность поселяться здесь растениям-влагонакопителям, например, сфагновым мхам, со­держание воды в которых в 25—30 раз превышает вес их тела. Процесс начинает действовать в одном направлении: увеличе­ние увлажнения — обеднение кислородом — замедление разло­жения растительных остатков — накопление торфа — дальней­шее усиление заболачивания.

Обратная отрицательная связь действует таким образом, что в ответ на усиление действия элемента А увеличивается проти­воположная по направлению сила действия элемента В. Такая связь позволяет сохраняться системе в состоянии устойчивого динамического равновесия. Это наиболее распространенный и важный вид связей в природных системах. На них прежде всего базируется устойчивость и стабильность экосистем.

Пример та­кой связи — взаимоотношение между хищником и его жертвой. Увеличение численности жертвы как кормового ресурса, напри­мер полевых мышей для лис, создает условия для размножения и увеличения численности последних. Они, в свою очередь, на­чинают более интенсивно уничтожать жертву и снижают ее чис­ленность. В целом численность хищника и жертвы синхронно колеблется в определенных границах.

Второй пример. В исто­рии биосферы имели место явления локального увеличения уг­лекислого газа в атмосфере, например, при извержении вулка­нов. За этим следовало повышение интенсивности фотосинтеза и связывание углекислоты в органическом веществе, а также более интенсивное поглощение ее океаном.

Третий пример. В природе закономерны периодические повышения уровней почвенно-грунтовых вод. За этим следует увеличение их контакта с корневыми системами растений, повышение расходования на испарение растительностью (транспирацию) и возвращение грун­товой воды в исходное состояние.

Одно из отрицательных проявлений деятельности человека в природе связано с нарушением этих связей, что может приве­сти к разрушению экосистем или переходу их в другое состоя­ние. Например, умеренное загрязнение водной среды органи­ческими и биогенными (необходимыми для жизнедеятельности организмов) веществами обычно сопровождается интенсифика­цией размножения организмов, потребляющих эти вещества, результатом чего является самоочищение водоемов. Перегрузка же среды загрязняющими веществами на определенном этапе ведет к угнетению или уничтожению организмов-санитаров и разрушению установившихся связей, изменению системы и пе­реходу ее на уровень заболачивания. В результате неизбежным становится прогрессирующее загрязнение, обеднение водной среды кислородом и превращение чистых озерных или текущих вод в системы болотного типа.

Универсальное свойство экосистем — ихэмерджентность{англ. эмердженс — возникновение, появление нового), заклю­чающееся в том, что свойства системы как целого не являются простой суммой свойств слагающих ее частей или элементов. Например, одно дерево, как и редкий древостой, не составляет леса, поскольку не создает определенной среды (почвенной, гид­рологической, метеорологической и т.д.) и свойственных лесу взаимосвязей различных звеньев, обусловливающих новое каче­ство. Недоучет эмерджентности может приводить к крупным просчетам при вмешательстве человека в жизнь экосистем или при конструировании систем для выполнения определенных целей. Например, сельскохозяйственные поля (агроценозы) име­ют низкий коэффициент эмерджентности и поэтому характери­зуются крайне низкой способностью к саморегулированию и устойчивостью. В них, вследствие бедности видового состава организмов, крайне незначительны взаимосвязи, велика вероятность интенсивного размножения отдельных нежелательных видов (сорняков, вредителей).

Энергетические процессы в экосистемах подчиняются пер­вому и второму началам термодинамики. В соответствии с ними энергия не возникает и не исчезает, она лишь переходит из од­ной формы в другую (первое начало термодинамики). При этом часть энергии при любых ее превращениях рассеивается (теря­ется) в виде тепла (второе начало термодинамики). Мерой нео­братимого рассеивания энергии являетсяэнтропия (греч. эн — внутрь; тропе — превращение). Последнюю можно характери­зовать и через степень упорядоченности системы. Так, живые организмы и нормально функционирующие экосистемы харак­теризуются высокой степенью упорядоченности слагающих их элементов. Они сохраняют (поддерживают) определенный уро­вень энергии и тем самым противостоят энтропии. Мертвый организм характеризуется максимальной неупорядоченностью элементов (структур), в результате чего приходит в равновесие с окружающей его средой (температура его тела выравнивается с температурой среды, составляющие его химические элементы и соединения включаются в процессы круговорота и становятся частью среды). Это значит, что организм как система приходит в состояние полной неупорядоченности, максимальной энтро­пии. Показатель, противоположный энтропии, носит название негэнтропии. Чем выше организованность системы (упорядочен­ность), тем значительнее ее негэнтропия. Опасно любое вмеша­тельство в систему, которое ведет к снижению ее негэнтропии, а следовательно, устойчивости и способности противостоять внешним возмущениям. Основным свойством нормально функ­ционирующих природных экосистем являетсяспособность из­влекать негэнтропию из внешней среды (солнечную энергию) и тем самым поддерживать свою высокую упорядоченность.

Деятельность человека, если она превышает определенные пределы, ведет к снижению негэнтропии систем, а следователь­но, уменьшает их способность поддерживать себя в устойчивом состоянии вплоть до перехода к полной неупорядоченности (мак­симальной энтропии) и гибели.

Видный американский эколог Б. Коммонер сделал удачную попытку обобщить системность экологии как науки в виде че­тырех законов. Эти законы в основе своей не новы, но впервые сформулированы в образной простой форме. Их соблюдение — обязательное условие любой экологически обусловленной дея­тельности человека в природе.

Первый закон Коммонера отражает по сути своей всеоб­щую связь процессов и явлений в природе и звучит так:"Все связано со всем". Второй закон базируется на положении сохранения вещества и энергии:"Все должно куда-то деваться". Ка­кой бы ни была высокой труба завода, она не может выбрасы­вать отходы производства за пределы биосферы. В такой же мере загрязнители, попадающие в реки, в конечном счете оказыва­ются в морях и океанах и с их продуктами возвращаются к чело­веку в виде своего рода "экологического бумеранга". Третий за­кон ориентирует на действия, согласующиеся с природными процессами, сотрудничество с природой, или коадаптацию (лат. ко — с, вместе; адаптацио — приспособление), вместо покоре­ния человеком природы, подчинения ее своим целям:"Природазнаетлучше". Сущность четвертого закона заключается в ори­ентации человека на то, что любое его действие в природе не остается бесследным, мнимая выгода часто оборачивается ущер­бом, а охрана природы и рациональное использование природ­ных ресурсов немыслимы без определенных экономических зат­рат. Звучит этот закон так:"Ничто не дается даром". Дешевому природопользованию не должно быть места. Если не заплатим за него мы, то в многократном размере это должны будут сде­лать пришедшие нам на смену поколения.

Изложенные выше основные положения экологии позво­ляют перейти к рассмотрению отдельных ее разделов. Изучение курса целесообразно начать со знакомства с биосферой и зако­номерностями ее функционирования. В таком случае разделы экологии более низкого ранга (организменный, популяционный, экосистемный) будут в определенной мере подчинены углуб­ленному раскрытию закономерностей среды нашего обитания (биосферы) и допустимых пределов вмешательства в нее или ее звенья человека. Другими словами, на уровне экосистем эле­ментарного плана должен осуществляться в основном принцип локальных действий, в то время как биосферный уровень фор­мирует базу для глобального мышления.