Биоэкология Геоэкология Прикладная Социальная

экология экология

Глобальная ….. Региональная Техногенные системы

экология ….. экология и экологический риск

Экология геосферы

Экология сред

Экология геофизи-

ческих процессов

Экология физичес-

ких процессов

Экология геохими- Ландшафтная Экологические

ческих процессов экология проблемы

Экология химичес- Экология концепции

ких процессов России устойчивого

Экотоксикология Экология развития

Экология стихий- Алтайского

ных естественных края

процессов

Палеоэкология

Демоэкология

Экология георесур-

Сов

Рис. 1.1. Структура экологии

Исходя из предложенной схемы и определены, в качестве основных тем, проблемы, отнесенные выше к разделу глобальной экологии, включая геоэкологические проблемы концепции устойчивого развития. А проблемы региональной экологии рассматриваются в соответствующих курсах.

2. Особенности методологии экологических исследований

Большинство исследователей сходятся во мнении, что экология это наука о взаимозависимостях, взаимосвязях, взимообусловленности органического и неорганического миров. Отсюда следует, что предмет экологии - не биология (ее экологический раздел) и не география с геологией (их описательный раздел), а исследование типов и характера связей между живыми организмами и окружающей средой. И, следовательно, специфика ее методологии - не аналитические (хотя и без них обойтись нельзя), а синтезные исследования на стыке различных наук, находящихся на "концах" этих связей.

В таком понимании методологическая основа экологических исследований должна базироваться не на методах изучения неорганических и органических структур, а на особенностях связей между ними, или, другими словами, на тех процессах и явлениях, от которых зависит установление или утрата равновесия между этими категориями объектов. Таким образом, экологическому исследованию подлежат, прежде всего и главным образом, различные типы процессов, влияющих на структуру и функциональность органических и неорганических систем.

Следовательно, мы можем различать по типу связей физические, химические, физиологические и, вероятно, социологические процессы, каждые из которых характеризуются своей предметной спецификой.

Главенствующими физическими процессами, влияющими на состояние биосферы, являются термодинамические, что и привело к широкому использованию в экологии термодинамических идей и законов (особенно энтропийного характера).

Несмотря на частые ссылки в экологической литературе на исключительную важность энергетических процессов, именно они остаются и недостаточно осознаными и весьма слабо изученными.

Наиболее классическим примером таких энергетических процессов является фотосинтез - создание сложных органических систем из неорганической материи. Но оказалось, что не только космически-солнечная энергия, но и внутренняя энергия Земли также способна творить чудеса. Животворный процесс континентального фотосинтеза дополнился таким же процессом океанского хемогенеза, который только и мог обеспечить энергетику создания глубоководного органического мира в местах функционирования гидротермальных источников преимущественно спрединговых зон земной литосферной оболочки. А, следовательно, жизнь на Земле возникла не благодаря случайному стечению исключительных обстоятельств, а является закономерным следствием синтезных энергетических процессов.

Важными термодинамическими процессами жизнеобеспечения являются и различные конвекционные потоки энергомассового характера в атмосферной и гидросферной средах и целый ряд других превращений энергии.

Однако, в отличие от закрытых термодинамических систем, постепенно теряющих запас инициальной энергии с возрастанием энтропии, биосфера представляет собой открытую систему. Совместимость второго начала термодинамики со способностью открытых систем к самоорганизации - синергетика - считается одним из крупнейших достижений современной физики.

Чрезвычайно важны электромагнитные волновые процессы, пока еще очень слабо изученные в экологическом аспекте. Но именно они определяются силами взаимодействия между частицами в твердых телах. По свидетельству И.Я. Тамма: "Современная физика ставит своей задачей определить электрическую структуру всех встречающихся в природе веществ и вывести законы физических и химических явлений из основных законов взаимодействия электрических зарядов и из законов их движения".

В связи с этим особого внимания заслуживает изучение воздействия на организмы всего полного спектра электромагнитных волн от космических лучей до микроволновых частотных модуляций.

Несомненно, что скоро найдут соответствующее отражение разнообразные исследования по поводу интерференционно-дифракционных волновых явлений, вскрывающих особенности их влияния на органические объекты.

Экстенсивными и интенсивными воздействиями выражены многие химические процессы, главными из которых являются интоксикация, активизация и ингибизация хода химических реакций.

К ряду важнейших экологических проблем этой направленности относятся исследования процессов синергизма - суммарного эффекта одновременного воздействия ряда химических элементов или соединений, в результате чего организм подвергается дополнительному влиянию продуктов некоторых протекающих между ними реакций.

Открывается обширнейшая область новообразований металлор-ганических соединений, значительная часть которых может обладать сильными токсическими свойствами. Метилртутные соединения проявили себя как сильные яды, приведшие к массовым отравлениям организмов.

Физиологические процессы отчетливого экологического звучания включают проблемы сенсорности (передачи возбуждений в центр нервной системы) и моторности (привода к двигательным центрам головного мозга), ирритации (раздражения) и десенсибилизации (уменьшения чувствительности организма к воздействиям), эффектов разового воздействия и итерации (повторных воздействий), адаптации и толерантности и т.п.

Для многих организмов, в том числе и человека, свойствена повышенная наследственная чувствительность к определенным веществам и воздействиям, что вмещается понятием идиосинкразии. Очевидно, что это крайне мало изученная область процессов воздействия неорганических и органических веществ на органику и их иммунные системы.

Примером процессов биосоциального характера являются разнообразные явления маргинальности (пограничности) природной среды и проживающего в данной среде общества, инерционные способности той (фактор "памяти") и другого...

Процессы и явления взаимодействия живой и неживой природы - вот обширная арена экологических исследований. И, конечно же, это должно в первую очередь обуславливать методологию этой сложной и очень важной науки - науки выживания.

3. Основные этапы развития геоэкологии

Термин экология появился в 1866 г. в работе Эрнста Геккеля "Естественная история происхождения" (Natural History of Greation), но многое в этой работе было навеяно теорией Ч. Дарвина.

Фактически те проблемы, которые сейчас называются экологическими, существовали с древности. Античные мыслители (Аристотель, Теофраст, Гиппократ) рассматривали взаимоотношения живых существ и остальной природы. Прежде всего, их интересовали вопросы защиты от врагов и водоснабжения.

Цивилизация Майи рухнула из-за уничтожения среды обитания.

Не с этим ли связана и гибель многих исчезнувших других цивидизаций?

Интересно в этом отношении высказывание Ганса Либмана (1973): "Мне кажется, что для понимания великих исторических событий историки слишком редко использует такой важный ключ, как экологические взаимоотношения человека с окружающей средой".

Вероятно в культурах древнего Средиземноморья в Египте, Передней Азии, в Южной Европе важнейшую роль играли три экологические проблемы: водного хозяйства, эрозии почв и гигиены.

Уже 4000 лет до н.э. у шумеров был разработан регламент орошения полей. Это первый известный нам письменный документ в истории человечества. Первые писанные законы - это законы о воде. Воду экономили. Античные бани снабжались чистой водой по трубам и аведукам.

А в средневековье все изменилось. Была утеряна культура и гармония. Сохранилась на старой гравюре надпись: "Сим извещается, что завтра с раннего утра всем жителям запрещается гадить в ручей, понеже наш достославный магистрат повелел послезавтра варить пиво".

И далее на протяжении веков (тысячелетий) человек постоянно увеличивал свои технические возможности, усиливал вмешательство в природу, но одна область познания оставалась в арьергарде развития - наука о биологическом равновесии, о взаимодействиях в природе. За время, упущенное наукой, за время бурного технического прогресса шел и нарастал регресс в биосфере.

Нельзя сказать, что составные элементы нынешней экологии не развивались. Но закладывались лишь основы биологической экологии. Изучались среды обитания отдельных видов живых существ. Лишь к середине 1920-х гг. перешли к изучению объединений видов - синэкологии.

По существу до 60-х гг. XX в. экология занимается прежде всего изучением всех живых существ, кроме человека, в его взаимоотношениях с окружающей средой. И лишь позднее начинает заниматься изучением человека и среды.

"Наука наук" - социально-политическое учение о коммунизме, по крайней мере у нас, была настроена наиболее радикально, наиболее революционно: не ждать милостей от природы, взять их – наша задача. Человек считается царем природы и пользуется ей неограничено.

Наступает третий этап развития: человек меняет природу в гигантских масштабах и эти перемены приближают проблему о самом существовании человека. Дальнейший провал экологических наук становится губительным для всей мировой цивилизации.

Передовые мыслители, еще полуосознав планетарные экологические проблемы, стремятся к объединению своих усилий. Первая конференция по международной охране природы проводится представителями 18 государств, включая Россию, в Берне (Швейцария) еще в 1913 г.

Но следуют Мировые войны, революции. И лишь в 1948 г. создается Международный союз защиты природы, преобразованный в 1956 г. при поддержке ЮНЕСКО в Международный союз охраны природы и природных ресурсов - МСОП.

Был вызван информационный бум. Общество оказалось буквально шокировано. Причем, наибольшее значение имели работы организованного в апреле 1968 г. Римского клуба, поставившего задачей изучение состояния среды с помощью точных методов исследований. Первый доклад был представлен группой массачусетцев во главе с Денисом Медоузом в 1972 г. - "Границы роста". Деятельность клуба привела к пониманию, что источники энергии и сырья ограничены; загрязнение земель, воды и воздуха достигло огромных размеров; демографический взрыв не сопровождается увеличением производства продовольствия. Возникла дилемма: ограничить развитие или ждать краха индустриальной цивилизации?

В "Границах роста" рассмотрено было 5 крупных проблем: растущая индустриализация, быстрый рост населения, расширяющаяся нехватка продуктов питания, исчерпаемость невозобновимых природных источников и нарушение среды обитания человека. Сделано три основных заключения:

1. Если сохранятся существующие тенденции - границы роста на Земле достигнут предела в следующие 100 лет; сократится возможность индустриального развития.

2. Распределение роста населения можно изменить при условии удовлетворения равных возможностей для каждого жителя.

3. Только в этом случае есть надежда на успех. Катастрофа может произойти в 2020 г. (загрязненность увеличится настолько, что никакие абсорбирующие природные механизмы не смогут с ними справиться).

Невозможен неограниченный рост на ограниченной Земле.

Предложения комиссии свелись к следующему:

1. Необходима приостановка промышленного роста до 2000 г.

2. Следует ограничить количество детей в семьях до двух.

3. Необходима фиксация индустриального производства по числу жителей 1975 г.

4. Следует уменьшить траты материальных богатств путем повышения длительности срока службы этих богатств.

Однако, для мировой общественности это оказалось не приемлимым из-за идеи замораживания современных условий развития.

В подготовке этапной Стокгольмской конференции ООН 1972 г. принимал участие комитет ученых из 58 стран в составе 152 человек. Сама конференция собрала ученых из 113 стран. Отчетливо прозвучал призыв к бережливости. Она есть "sine qua non" (обязательное условие) для выживания человека как биологического вида.

Международный Совет научных союзов ICSU, Научный Совет по проблемам окружающей среды - SCOPE в результате работ 300 ученых из 30 стран мира изучают возможные последствия ядерной войны. В результате был заключен договор об ограничении подземных испытаний (1974 г.) и ряд других соглашений.

В 1980 г. Международный Союз охраны природы и природных ресурсов (МСОП), Программа ООН по охране окружающей среды (ЮНЕП), Всемирный фонд охраны природы (ВВФ) публикует "Всемирную стратегию охраны природы", лозунгом которой являлось: думай глобально - действуй локально. Важным результатом международного сотрудничества в области экологии стал труд специальной комиссии Г. Брукланд "Наше общее будущее" (1987).

"Всемирная стратегия охраны природы Земли" свидетельствовала, что:

1. Стратегия неотложна. Она необходима, чтобы заставить человечество обратить серьезное внимание на охрану природы.

2. Международные и национальные правительства недостаточно хорошо образованы.

3. Для разрешения современных серьезных проблем охраны природы и предупреждения возникновения еще более сложных требуется время. А оно уходит. Уже необходимо сосредотачивать усилия на самых срочных проблемах и решать их немедленно. Надо определить очередность проблем, указать способы преодоления основных трудностей, наметить наиболее эффективные и экономичные пути.

Основные препятствия этому:

1. Недостаточное внимание к проблемам охраны природы на высоком официальном уровне.

2. Отсутствие планирования мер и средств для обеспечения рационального использования природных ресурсов.

3. Плохое законодательство и слабая организация.

4. Недостаточная подготовка специалистов и нехватка исследовательских данных.

5. Отсутствие поддержки делу охраны природы.

6. Недостаточный учет требований охраны природы при планировании развития сельских местностей.

Следующий важный этап - Встреча на высшем уровне по проблеме планета Земля в Рио-де-Жанейро в 1992 г. - самая крупная встреча мировых лидеров. Собрались главы и высокопоставленные лица 179 правительств. На этом Всемирном форуме участвовало 18000 представителей из 166 стран. Выработанная здесь Повестка дня на XXI век - это руководство для выработки деловой и государственной политики и для принятия личных решений на новое столетие.

Было принято 5 основных документов:

Декларация по окружающей среде и развитию, Повестка дня на XXI век (программа), заявление о принципах в отношении лесов, конвенция ООН об изменении климата, конвенции о биологическом разнообразии.

В предисловии к выпущенной по материалам этого форума книги было написано: " Возможно, это наиболее важная книга, которую Вам предстоит прочесть, ибо принятые на конференции решения способны изменить всю нашу жизнь уже в следующем столетии".

Однако, 25 лет спустя после Стокгольма отмечалась еще "четверть века упущенных возможностей". Экологический итог этого времени М. Толба (ЮНЕП) охарактеризовал как "общий провал политической воли".

В сентябре 2002 г. был подведен итог "Рио+10", где еще раз мировая научная общественность обсудила наиболее важные экологические проблемы современности. И пока пришла к неутешительным выводам.

Гл. 2. ЗАКОНЫ ЭКОЛОГИИ

1. Использование законов и принципов наук смежных дисциплин

Н.Ф. Реймерсом был выдвинут тезис о том, что на современном этапе экология является фактологической наукой, обладающей огромным банком данных, но не превратившейся еще в "науку идей". Причина - в позднем ее зарождении. Но современное состояние окружающей среды заставляет ученых идти по пути форсированного продвижения в сфере законотворчества, что не являлось характерным ни для одной другой науки, может быть за исключением создания физиками атомного направления исследований (создание атомной бомбы) в связи с угрозой уничтожения мировой цивилизации во времена Второй мировой войны.

Отсюда и необходимость быстрой ассимиляции экологией естественных законов, установленных в смежных областях наук; создание временных суррогатов и выработка собственных общих законов экологического содержания.

Рассмотрим современное состояние каждого из этих направлений создания важнейших экологических концепций - систем взгядов на экологические проблемы.

Любая биологическая система может пространственно развиваться только за счет окружающей ее среды, выступая в данном случае как надсистема. Поэтому саморегуляция отношений системы и надсистемы является необходимым условием существования системы во времени.

Экосистема как раз и представляет собой систему, объединяющую живую (биологическую) и окружающую ее абиологическую (географическую) системы в единую надсистему.

Каковы же основные отличия живого и неживого комплиментарного состава экосистем?

Представляется, что поясняющим это является закон хиральной чистоты Л. Пастера: наличие только объектов, несовместимых со своим зеркальным отражением. Так, белки живого вещества построены из «левых» аминокислот (поляризующих свет только в указанную сторону). Напротив, нуклеиновые кислоты представлены сахарами и подобными им соединениями, поляризующими свет «вправо». Вещества же абиогенные хирально симметричны: в них поровну «левых» и «правых» молекул. В этом специфика живого вещества, его несовместимость с абиогенным, невозможность получения живого вещества из абиогенного в современных поверхностных условиях Земли. Синтезировать хирально чистые вещества в лабораториях возможно лишь с помощью специальных очень сложных методик асимметричного анализа. Таким образом, совместно существуют как бы два асимметричных пространства, разделенных невидимой, но четкой границей на живой и неживой миры.

Хиральная асимметричность, свойственная живому миру, вместе с тем, объективно свидетельствует об его внутреннем единстве.

Это и отражает закон физико-химического единства живого вещества В.И. Вернадского: все живое вещество на Земле едино физико-химически, то есть качественно едино.

Поскольку это так, жизнь должна подчиняться единым общим правилам и, в частности, правилам биохимической специфики существования.

В.И. Вернадским так определялись важнейшие биохимические принципы живого вещества.

Первый - биогенная миграция атомов химических элементов в биосфере стремится к своему максимальному проявлению.

Второй - эволюция видов в ходе геологического времени, приводящая к созданию устойчивых форм жизни, идет в направлении, усиливающим биогенную миграцию атомов.

Третий - живое вещество находится в непрерывном химическом обмене с окружающей космической средой, что создается и поддерживается на Земле космической энергией Солнца.

В связи с обменом веществ, вероятно, широкое влияние в природе имеет принцип Ле Шателье-Брауна: при внешнем воздействии, выводящим систему из состояния устойчивого равновесия, - равновесие смещается в том направлении, при котором эффект внешнего воздействия ослабляется. Следовательно, экосистема должна отвечать на внешние воздействия, в частности, энергетические, отдачей части внутренней тепловой энергии, что связано с изменением процессов обмена веществ и, в конечном итоге, с деструкцией биосферы.

Несмотря на кажущуюся всеобщность этих общеприродных закономерностей, все же существует определенная настороженность в безусловном распространении их на все проблемы современной экологии.

2. Термодинамические законы в приложении к экологии

С отмеченных позиций показательно использование в экологии термодинамических законов. Возможно ли прямое приложение основных принципов термодинамики по рассмотрению различных экологических процессов?

С одной стороны, любой экологический объект, любой организм - это, прежде всего, хотя и своеобразная, но несомненно энергетическая система.

С другой стороны, собственно классическая термодинамика занимается изучением общих свойств макроскопических систем в равновесии, а также общих закономерностей при установлении равновесия. А окружающий нас мир живой и неживой природы представляет системы, не находящиеся в состоянии термодинамического равновесия. Они существуют в пространстве и во времени, а для равновестных состояний понятие времени, строго говоря, не существует: время в явном виде в термодинамику не входит.

В классической термодинамике выделяется 4 основных закона - 4 «начала».

«Нулевое начало»: Существует функция состояния – температура. Равенство температур во всех точках есть условие равновесия двух систем или двух подсистем одной и той же системы.

«Первое начало» - закон сохранения энергии: Каждая термодинамическая система обладает характеристической функцией состояния - энергией. Эта функция состояния возрастает на величину сообщенного системе тепла dQ и уменьшается на величину совершенной системой внешней работы dW. Для изолированной системы справедлив закон сохранения энергии:

Внутренняя энергия dU=dQ-dW.

Для изолированной системы dU=0, U=const.

«Второе начало» - энтропия и энергия. Каждая термодинамическая система обладает функцией состояния, называемой энтропией (en - внутрь, trope - поворот, превращение). Энтропия вычисляется следующим образом. Система переводится из произвольно выбраного начального состояния в соответствующее конечное состояние через последовательность состояний равновесия; вычисляются все подводимые при этом к системе порции тепла dQ, делится каждая на соответствующую ей абсолютную температуру T, и все полученные таким образом значения суммируются. При реальных (не идеальных) процессах энтропия изолированных систем возрастает (она не может убывать) -

dS=dQ/T.

Или иначе: в замкнутой системе энтропия либо остается неизменной (если в системе протекают обратимые, равновесные процессы), либо возрастает (при неравновесных процессах) и в состоянии равновесия достигает максимума.

В изолированной системе энергия самопроизвольно может переходить только от более высокого уровня к более низкому, но никак не наоборот.

Гиббс объединил первое и второе начала термодинамики уравнением, в котором по существу заключена вся равновесная термодинамика –

dU=TdS-dW.

«Третье начало»: При абсолютном нуле температуры энтропия принимает значение S=0, не зависящее от давления агрегатного состояния и других характеристик вещества. Эту величину можно положить равной нулю.

Вся термодинамика необратимых процессов основана на гипотезе о линейных связях потоков и термодинамических сил. Применимость ее к открытым системам - своеобразный камень преткновения для экологов.

Энтропия - одно их сложнейших физических понятий, заслужившее даже эпитет "скользкого". Как только не пытались его пояснить. Это - одна из величин, характеризующая тепловое состояние тела или системы тел; мера для определения степени необратимого рассеяния (потери) энергии в термодинамических процессах; вероятная мера хаотичности, неупорядоченности процессов и структур; и т.п.

Очень важно уточнение критериев отнесения процессов к обратимым и необратимым. Обратимый процесс - такой, при котором система находится в состоянии бесконечно близком к термодинамическому равновесию, и, если установившиеся условия даже незначительно изменить, то процесс будет обращен. Это обращение обратимого процесса не вызывает остаточных изменений в окружающей среде.

При необратимом процессе система направленно изменяется к конечному состоянию, теряя тепло. Здесь обращение необратимого процесса связано с остаточными изменениями окружающей среды.

Особенностью биосистем (да и любых экосистем) является то, что в них практически нет обратимых процессов. А, следовательно, существование этих систем сопровождается увеличением энтропии.

Вместе с тем, в живых системах осуществляются и процессы, когда энергия их переходит на более высокий уровень. В частности, при фотосинтезе. Идет обмен энергией с окружающей средой. Таким образом, биосистемы являются системами безусловно открытыми, в которых приток свободной энергии ведет к уменьшению энтропии. Это условно изолированная система.

Необходимость изучения открытых систем определило современное направление термодинамических исследований. Самоорганизация в открытых системах - "островок сопротивления" второму началу, которое предсказывает дезорганизацию и разрушение первоначально заданной структуры в изолированной системе при эволюции к равновесию.

Вскрыть проблему можно, рассматривая организм не изолировано от внешней среды, а во взаимодействии с ней.

Энергетическую характеристику открытой биологической системы, в соответствии со вторым началом термодинамики, дал И. Пригожин, получивший за это Нобелевскую премию:

dS/dt=d_iS/dt+d_eS/dt,

где dS/dt - скорость изменения энтропии открытой системы, d_iS/dt - скорость образования энтропии в системе за счет внутренних необратимых процессов, d_eS/dt - скорость обмена энтропией с внешней средой.

Это уровнение выражает суть энергетических процессов в открытой биологической системе.

Заслугой неравновесной термодинамики является установление факта, что самоорганизация является общим свойством открытых систем. Именно неравновесность служит источником упорядоченности. Самоорганизация или внутренняя структура поддерживаются за счет поглащения отрицательной энтропии (негэнтропии, по Бриллюэну).

В ходе неравновесного процесса из пространственно однородного состояния спонтанно (самопроизвольно) возникает пространственная или временная структура. И. Пригожин относит их к диссипативным.

Совместимость второго начала термодинамики со способностью к самоорганизации - одно из крупнейших достижений современной термодинамики. Существование диссипативных структур легализовало существование жизни.

Диссипативные структуры - структуры, самопроизвольно возникающие в неустойчивой насыщенной энергией среде, благодаря обратным связям, выводящим систему из равновесия. Возникая из малых флуктуаций, диссипативные структуры проявляют способность к саморазвитию, размножению, агрессии, что оплачивается затратами поступающей извне или накопленной ранее энергии.

Энергия не может бесконечно долго накапливаться в системе.

Достигая порога прочности системы, энергетический потенциал выплескивается в той или иной форме, и энергия затрачивается на преобразование сложившегося порядка. Но и для системы-ловушки освобождение энергии никогда не походит бесследно. Здесь действует обратная зависимость отрицательного типа между двумя компонентами систем: структурой и энергией.

₊

¾¾®

Структура Энергия

¾¾

⁺

Накапливает энергию Разрушает структуру

и периодически освобождает ее и создает новую

Таким образом, консервативное и динамическое начало соединяются в классический контур кольцевой связи, осуществляющей саморегулирование по канонам кибернетики. Цикличность разрушений и созиданий - одна из закономерностей эволюции систем.

Чем более совершенна система, тем больше она управляет своим собственным движением по антиэнтропийному пути.

Научная дисциплина, исследующая процессы вынужденного и самопроизвольного возникновения порядка из хаоса, а также обратного процесса - хаотизации организованных структур, носит название синергетики.

Одна из закономерностей биологии состоит в том, что обмен веществ в живом организме влечет за собой деградацию окружающей среды. По образному выражению Э. Шредингера, живые организмы "питаются негэнтропией".

Классическая физика утверждает, что работа, которая и есть замена одного порядка другим, равноценна затраченной на нее энергии. Термодинамика уточнила эту формулу. Затрачивается не всякая энергия, количество которой постоянно, а свободная энергия.

Переход от одного уровня согласованности на другой может быть описан как изменение количества беспорядка (энтропии, в нормированном выражении E/E_max) или количества порядка (избыточности R=1-E/E_max). Сумма этих величин равна 1.

Деградация энергии сопровождается снижением ее пространственной концентрации, увеличением однородности распределения.

Согласно энтропийной формуле Шеннона

_n

H =S p_i ×log p_i,

ⁱ⁼¹

где H - количество нереализованной, потенциальной информации, p_i - вероятность осуществления i-го варианта из всего множества n вариантов.С ростом однородности структуры количество содержащейся в ней информации, то есть количества порядка увеличивается.

Всякая деградация энергии сопровождается повышением порядка в соответствующих структурах.

Своеобразны экодинамические законы, разработанные для целей экологии.

В живой природе отмечается стабильное сохранение информационной и соматической структуры, несмотря на некоторую смену их по ходу эволюции. Это было подмечено Ю. Гольдсмитом, развивающим идеи редукционистских "физических" подходов воззрения.

Согласно ему, первый закон экодинамики - закон сохранения структуры биосферы (информационной и соматической).

Для сохранения этой структуры живое вещество стремится к экологическому равновесию, к состоянию зрелости.

Отсюда второй закон экодинамики - закон стремления к климаксу (близок к принципу сукцессионного замещения).

Третий закон - принцип экологического порядка, или экологического мутуализма (взаимный вид сожительства). Целое влияет на его части и обратно.

Четвертый закон - закон саморегуляции и самоконтроля живого вещества, проявляющегося в процессе адаптации к изменениям в ок-ружающей среде. Он управляет каскадными и цепными процессами общего взаимодействия - в ходе борьбы за существование, естественного отбора, широкой коэволюции и т.п. Результат действия этого закона - сохранение и развитие экосистем биосферы в целом.

3. Собственно экологические законы

Хотя экология не достигла еще целостности и степени объектив-ности физики, ряд ее обобщений уже могут быть представлены в виде некоторой системы "законов экологии" (по Б. Коммонеру).

Первый закон - все связано со всем. Поведение экосистем подобно кибернетическим схемам Норберта Винера. Само название обращает нас к "рулевому" - цепочке событий, которые управляют поведением системы. Отклонение корабля от курса фиксируется по компасу, что служит сигналом рулевому по корректировке этого курса, и повторяется неоднократно. Точно также построены кибернетические связи в экологическом цикле. Пресноводный цикл слагается из последовательного превращения рыб в органические отбросы, последних в пищу для бактерий, перерабатывающих отбросы в неорганические продукты; те, в сою очередь, являются источниками питания для водорослей, которые опять таки служат продуктами питания рыб. Цепочка эта возвращается к первоначальному равновесному состоянию.

Правильный курс здесь поддерживается не жестким контролем, а гибкостью управления.

В Канаде компания по заготовке шкурок промысловых животных "Хадсон Бей" провела анализ изменения численности рысей и зайцев-беляков за 90 лет, изучая зависимость между ними (рис. 2.1). Выявилась 10-летняя цикличность. Много зайцев - процветают популяции рысей, что приводит к уменьшению зайцев, как основной пищи хищников в этом районе, и наступает пора сокращения численности рыси из-за недостатка ос-новного продукта питания; это, в свою очередь, способствует размножению зайцев, что вызывает возможность увеличения количества рыси, для которых они служат пищей.

Рис. 2.1. Изменение численности рысей и зайцев-беляков (по данным компании «Хадсон Бей»)

Отношения хищник-жертва поддерживают равновесие их популяций. Представленные данные отражают количество шкурок, добытые компанией Гудзонова залива

Подобные осциллирующие системы всегда подвержены опасности гибели при колебаниях слишком большой амплитуды.

Динамика поведения кибернетической системы - частота ее собственных колебаний, быстрота ее реакции на внешние изменения и общая скорость ее функционирования - зависят от относительных скоростей для ее отдельных звеньев.

Если скорость метаболизма рыб в пресноводном цикле принять за 1, для водорослей она составит 100, а для бактерий уже порядка 10000 единиц (существует обратная зависимость от размеров организмов).

Для того, чтобы вся циклическая система в целом оставалась в равновесии, необходимо, чтобы общая скорость ее внутренних процессов управлялась наиболее медленным звеном (в данном случае - ростом и метаболизмом рыб). Скорость продуцированных рыбой отбросов определяет скорость потребления кислорода в процессе разложения рыб. В результате скорость потребления кислорода бактериями может превысит скорость продуцирования кислорода водорослями. Содержание кислорода в воде приблизится к нулю и система может погибнуть. Таким образом, скорости отдельных процессов цикла соответствуют естественному равновесию (при отсутствии внешних вмешательств). Когда же в цикл вторгается новый фактор, не контролируемый самоуправляющимися внутренними связями, - создается угроза для стабильности всей системы.

Экосистемы имеют значительные различия в своих динамических характеристиках и, следовательно, в скоростях, с которыми они реагируют на внешние изменения. Так, водные системы отличаются более быстрыми кругооборотами, чем почвенные. Медленный оборот почвенного цикла объясняется низкой скоростью одного из его составляющих - высвобождения питательных веществ из почвенных запасов органического вещества.

Чем сложнее экосистема, тем большие нагрузки она способна выдержать. В приведенном примере зайцы-рыси, при наличии дополнительно другой животной пищи для рысей, они могли бы пережить внезапное исчезновение зайцев.

Большинство экосистем настолько сложны, что их циклы представляют собой не традиционные круги, а пересекающиеся разветвления, похожие на паутину.

Загрязнение окружающей среды служит сигналом того, что экологические петли где-то разрезаны и, следовательно, система значительно упростилась, став, таким образом, более чувствительной к нагрузкам и приблизившись к гибели.

Животные, находящиеся в середине пищевой пирамиды, зависят от потребления значительно большей массы организмов, покоящихся в основании пирамиды. Поэтому, всякое вещество, которое не участвует в метаболизме, но содержится в организмах нижних звеньев пищевой цепочки, будет накапливаться в тканях представителей верхнего звена. Так, если принять концентрацию ДДТ (который практически не участвует в метаболизме) в почве за единицу, то концентрация его в теле организме земляного червя составит 10-40 единиц, а в организме глухаря, питающегося земляным червем, составит 200 единиц.

Действительно, все связано со всем.

Второй закон - все должно куда-то деваться. Это неформальная перефразировка физического закона - материя не исчезает.

Применительно к экологии это надо принимать так, что в природе не существует такой вещи как мусор - экскременты и отбросы одних организмов служат пищей для других. СО2 (отходы диких животных) являются пищей для зеленых растений; их отходы (О2) - пища для животных. Органические отбросы животных - пища для бактерий, их отбросы - неорганические вещества (N, P, CO2) - пища водорослей.

Ртуть же, например, напротив не участвует в метаболизме и накапливается в организмах трофных цепей.

Одна из главных причин нынешнего кризиса окружающей среды в том, что огромные количества веществ были извлечены из земли, преобразованы в новые соединения и рассеяны в окружающей среде, без учета того, что все куда-то должно деваться. Следовательно, большие количества веществ накапливаются сейчас там, где их не должно быть.

Третий закон - природа знает лучше.Это противопоставление уверенности, что человек обладает уникальной компетентностью.

Этот закон утверждает, что любое крупное изменение природы вредно для нее.

Как пример нашего взаимодействия с природой Б. Коммонер приводит попытку непрофессионала "тыканьем" в часовой механизм починить часы. Квалифицированно это может сделать только специалист.

Эта аналогия достаточно глубока по смыслу. Можно вызвать целый ряд случайных наследственных изменений в живых существах, если подвергать их воздействию таких агентов, как ренгеновское, гамма-излучение и др., которые увеличивают частоту мутаций, что чревато всевозможными последствиями. Почти все мутации, вызываемые подобным способом, губительны для организмов.

Другими словами, подобно часам, живой организм, подвергающийся слепым воздействиям, почти наверняка будет сломан, а не улучшен.

В каждом живом организме воплощены 2-3 млрд. лет развития, когда возникало бесчисленное количество новых особей и каждый раз происходила проверка удачности этих случайных генетических форм. Если изменение снижает жизнеспособность организма, оно убивает его прежде, чем это изменение может быть передано следующим поколениям. Благодаря этому жизнь на Земле развила сложный комплекс совместимых деталей, а другие конструкции были отброшены. Среди таких тщательно отобранных вариантов любой новый вероятно будет хуже возникшего ранее. Этот принцип особенно ярко проявляет себя в области органической химии.

То есть, искусственное введение в экосистемы органических веществ, не существующих в природе, а созданных человеком, и, тем не менее, участвующих в живой системе, скорее всего принесет вред.

Дело в том, что вариации химических веществ, действительно имеющие место в живой материи, намного более ограничены, чем возможные вариации. Может быть, что и ДДТ появлялся в природных соединениях, но был отвергнут самой природой.

Один из поразительных факторов в химии живых систем - это то, что для любой органической субстанции, вырабатываемой организмами, в природе где-то существует фермент, способный разложить эту субстанцию. Для искусственно синтезированных веществ таких ферментов нет и они будут накапливаться. Так случилось с детергентами, инсектицидами и гербицидами.

Четвертый закон - ничто не дается даром. Заимствован из экономики.

Этот закон призван подчеркнуть, что всякая вещь чего-то стоит, что за все надо платить.

Глобальная система представляет собой единое целое, в рамках которого ничто не может быть выиграно или потеряно. Все, что извлечено из нее человеческим трудом (разумом) должно быть возмещено. Платеж лишь может быть отсрочен.

Нынешний кризис окружающей среды говорит о том, что эта отсрочка сильно затянулась.