Взаимодействие экосистемы и окружающей ее среды

В биологических исследованиях, в особенности в классической теории эволюции, обычно делается упор на изучение воздействия окружающей среды на живые организмы и их системы. Именно под таким углом зрения рассматривается действие различных факторов на их эволюцию. Однако живые системы отнюдь не являются пассивными в этом взаимодействии. Они, в свою очередь, оказывают мощное воздействие на окружающую их среду. В наибольшей степени такое воздействие можно проследить на примере больших экосистем. Именно на такого рода факты опирается известная гипотеза Геи, выдвинутая в 1970-е гг. физиком и изобретателем Д. Лавлоком и микробиологом Л. Маргулис. Свое название эта гипотеза получила от древнегреческого слова «гея», обозначающего землю. Она предлагает совершенно иной подход к причинам и факторам становления жизни на нашей планете. Если традиционно допускают, что жизнь на Земле появилась после того, когда возникла сначала атмосфера со значительным содержанием в ней кислорода, то, согласно гипотезе Геи, образование кислорода и атмосферы в целом обязано воздействию тех простейших живых организмов, которые в анаэробных, т.е. бескислородных, условиях стали выделять в окружающее пространство кислород. Свое предположение авторы гипотезы подтверждают ссылкой на то, что на близких к Земле планетах Марсе и Венере их атмосфера состоит соответственно на 95 и 98% из углекислого газа, кислорода же Марс содержит 0,13%, а на Венере замечены лишь его следы. Примерно такая же картина наблюдалась бы на безжизненной Земле. Конечно, гипотеза Геи нуждается в дальнейших разработке и обосновании, но опирается она на важную и в общем виде признаваемую многими идею, что жизнь обеспечивает условия для своего дальнейшего существования и развития. Эта идея отнюдь не является чистым умозрением, а подтверждается многочисленными фактами из истории развития органического мира. Факты также свидетельствуют, что экосистема не только испытывает воздействие со стороны окружающей среды, но в свою очередь оказывает обратное действие на нее и соответствующим образом ее формирует. Поскольку экосистема - система открытая, она не может не взаимодействовать со своим окружением и тем самым не влиять на него. Только постоянное и непрерывное взаимодействие со средой поддерживает жизненные процессы в любой экосистеме. В результате такого взаимодействия осуществляется постоянный обмен энергией и веществом между экосистемой и средой, что проявляется, во-первых, в усвоении абиотических, или неорганических, факторов среды (солнечная энергия, вода, минеральные вещества и т.п.), во-вторых, биотических, или органических, факторов посредством тех трофических

(пищевых) связей, которые существуют между разными живыми системами. Функционирование и эволюция экосистем зависят не только от круговорота вещества и энергии, существующего в природе. Чтобы выжить, а тем более развиваться, экосистемы должны соответствующим образом регулировать свою деятельность и управляться, а это требует установления информационных связей между различными подсистемами и элементами системы. Наряду с потоками энергии и круговоротом вещества, экосистемы связаны также информационными сетями. Управление и регулирование в них осуществляется с помощью физических и химических элементов. Такие управляющие системы по своему функциональному назначению можно рассматривать как кибернетические. Однако в отличие от искусственных систем, созданных человеком, в природных экосистемах элементы управления рассредоточены внутри самой системы, и поэтому процесс регулирования и управления в них не происходит из внешнего специального органа управления, как в технических кибернетических системах. Согласно кибернетическим принципам, всякий процесс управления связан с передачей и преобразованием информации. Для устойчивого динамического функционирования системы необходимо, во-первых, наличие прямых сигналов, несущих информацию от управляющего к исполнительному устройству, во-вторых, обратных сигналов, которые информируют управляющее устройство об исполнении команд. Получив такие сигналы, управляющее устройство отдает команду о корректировке системы, если ее положение отклоняется от заданного или установленного. Именно таким способом осуществляется автоматическое регулирование не только в кибернетических системах, но и в живых организмах. В физиологии этот способ поддержания динамического равновесия был сформулирован американским физиологом У. Кенноном (1871-1945) в виде принципа гомеостаза, согласно которому все важнейшие параметры организма (температура тела, частота пульса и дыхания, состав крови и кровяное давление и др.) поддерживаются на постоянном уровне благодаря обратным сигналам, поступающим из органов в головной мозг. Кибернетика обобщила это положение в виде принципа обратной связи. Нетрудно понять, что указанный принцип объясняет лишь процесс достижения и сохранения динамического равновесия в любой системе, но для того чтобы понять, как происходят эволюция и развитие систем, необходимо признать возникновение изменений в состоянии и структуре систем. А для этого следует ввести принцип положительной обратной связи, согласно которому непрерывные воздействия на систему, постепенно накапливаясь, приводят к разрушению прежних связей между ее частями и возникновению новой ее структуры.

В экосистемах живой природы действие этих принципов приобретает более сложный характер, поскольку, как мы видели, регулирующие центры в них диффузны или распределены внутри всей системы, а наличие избыточности, когда одна и та же функция выполняется несколькими компонентами, обеспечивает необходимую стабильность системы. Эта стабильность зависит от множества условий, но определяющие среди них — степень сопротивления внешней среды и эффективность работы управляющих механизмов самой системы. Для более конкретной характеристики стабильности экосистем обычно вводят понятие резистентной устойчивости, которая определяется как способность системы сопротивляться внешним нагрузкам и оставаться при этом устойчивой. Понятие упругой устойчивости характеризует способность системы быстро восстанавливать свою устойчивость. При благоприятных условиях внешней среды экосистемы обычно повышают свою сопротивляемость усложнением внутренней структуры. Внезапные и случайные изменения внешней среды (например, штормы) могут резко снизить устойчивость экосистемы и даже разрушить ее. Таким образом, тесная взаимосвязь и взаимодействие между живыми организмами и окружающей средой представляют собой характерную особенность всех экосистем. Хотя отдельный организм, будучи открытой системой, также взаимодействует с окружением, тем не менее, взаимодействие экосистемы со средой имеет более эффективный и устойчивый характер. Эта особенность проявляется прежде всего в достижении большей стабильности функционирования и развития экосистем в сравнении с отдельными организмами в результате установления информационных связей между отдельными организмами в рамках системы, возникновения иерархических отношений между отдельными подсистемами, которые приводят к усложнению ее структуры. В связи с этим, еще раз следует подчеркнуть, что любая экосистема, начиная от популяции и кончая экосферой, представляет собой над-организменный уровень организации живого в природе, качественно отличающийся от отдельного организма. Именно в результате единения отдельных организмов в рамках целого, их взаимодействия друг с другом экосистема приобретает новые, системные свойства, которые отсутствуют у отдельных организмов. Соответственно этому, меняются и различные отношения и связи экосистемы с окружающей средой. Наиболее важными и по существу решающими являются энергетические связи.