Информация, управление и энергетическая характеристика экосистемы

Наряду с потоками энергии и круговоротом вещества экосистемы связаны также информационными сетями. Управление и регулирование в них осуществляется с помощью физико-химических элементов. Такие управляющие системы по функции и назначению можно рассматривать как кибернетические. Однако в отличие от искусственных систем, в природных экосистемах элементы управления рассредоточены внутри самой системы и поэтому процесс регулирования и управления в них происходит не из внешнего 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, наличие прямых сигналов (от управляющего к исполнительному устройству) и, обратных сигналов (информируют управляющее устройство об исполнении команд). Получив 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 Уолтером 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. 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 воздействия на систему накапливаясь, приводят к разрушению прежних связей между частями и возникновению новой структуры.

В экосистемах живой природы действие этих принципов приобретает более сложный характер, поскольку, 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 конкретной характеристики стабильности экосистем обычно вводят понятие резистентной устойчивости, или 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 в достижении большей стабильности функционирования и развития экосистем в сравнении с отдельными организмами как результат установления информационных связей между отдельными организмами в рамках системы, возникновения иерархических отношений между отдельными ее подсистемами, которые приводят к усложнению ее структуры.

В связи с этим следует подчеркнуть, что любая экосистема, начиная от популяции и кончая экосферой, представляют собой надорганизменный уровень организации живого в природе, качественно отличающийся от отдельного организма. Именно в результате объединения 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.

Если проследить процессы превращения и получения энергии в экосистемах, то нельзя не придти к тому выводу, который сделал Майер, утверждавший, что жизнь есть создание солнечного луча. Действительно, лучистая энергия Солнца посредством фотохимического синтеза сначала преобразуется зелеными растениями в органические соединения, которые впоследствии служат пищей для растительноядных животных, а последние в свою очередь − пищей для других животных. Задолго до этого органическое вещество, заготовленное на протяжении тысячелетий растениями, как и сами растения, подверглись химическим превращениям и образовали ископаемое топливо, которое до сих пор служит важнейшим источником энергии для общества.

В экосистемах происходит постоянное преобразование рассеянной в пространстве солнечной энергии в более концентрированные ее формы сначала автотрофными растениями, а затем гетеротрофными животными и человеком. При этом на каждой стадии превращения энергии происходит также ее диссипация (рассеяние), в окружающее пространство. Для характеристики этих процессов нам необходимо привлечь законы термодинамики, их необходимо конкретизировать применительно к экосистемам.

Закон сохранения энергии полностью применим и к этим системам, ибо никогда не наблюдались случаи создания энергии из ничего. Энергия может лишь превращаться из одной формы в другую, но она никогда никуда не исчезает.

Второй закон термодинамики, который в физике обычно формулируют с помощью понятия энтропии, в экологии предпочитают выражать посредством утверждения о преобразовании концентрированной энергии в рассеянную.

Процесс концентрации рассеянной солнечной энергии происходит в живых системах за длительный период времени. Полученная концентрированная энергия может быть в дальнейшем использована в экосистемах в виде пищи, а в технике − как ископаемое топливо. В обоих случаях будет происходить преобразование концентрированной энергии в рассеянную.

Какую энергию можно считать концентрированной? С экологической точки зрения, энергия по способу получения будет тем больше концентрированной, чем дальше отстоит источник ее получения, например пиша, от начала превращения рассеянной солнечной энергии, т.е. от автотрофных организмов, а именно зеленых растений и микроорганизмов. В физических терминах концентрированную энергию можно определить как обладающую низкой степенью энтропии, т.е. характеризующуюся меньшей степенью беспорядка. В результате концентрации энергии происходит выведение беспорядка из системы во внешнюю среду. Поэтому если беспорядок в системе уменьшается, то во внешней среде он увеличивается.

Рассеяние энергии сопровождается возрастанием беспорядка в системе. Поэтому если система останется закрытой, то она окажется полностью дезорганизованной, т.е. придет в состояние максимального беспорядка, соответствующего установлению теплового равновесия в системе.

Таким образом, с энергетической точки зрения системы могут описываться не только количественно, но и качественно, причем высококачественными будут считаться наиболее концентрированные формы энергии, которые могут обладать более высоким рабочим потенциалом, т.е. возможностью произвести соответствующую работу. Так, например, ископаемое топливо обладает большим рабочим потенциалом, чем рассеянная солнечная энергия. Животная пища является более качественной, чем растительная. Опосредованно качество используемой энергии определяется химической структурой ее источника.

Все приведенные выше рассуждения показывают, что при энергетическом подходе задача экологии сводится к изучению связи между рассеянным солнечным излучением и экосистемами, а также процессами последовательного превращения менее концентрированных форм энергии в более концентрированные. Материальное производство общества зависит от использования энергии, постольку целесообразно провести классификацию экосистем с точки зрения применения их энергии в интересах общества. На этой основе можно выделить четыре фундаментальных типа экосистем.

1. Природные системы, полностью зависящие от энергии солнечного излучения (движимые Солнцем). Такие системы не в состоянии поддерживать достаточную плотность населения, но важны для сохранения экологических условий на планете. Такие природные системы занимают огромную площадь на земле, только океаны покрывают 70% этой поверхности.

2. Природные системы, движимые Солнцем, а также получающие энергию из других природных источников, к которым относятся прибрежные участки морей и океанов, большие озера, тропические леса и некоторые другие экосистемы. Кроме солнечной энергии, такие системы функционируют и растут за счет энергии морских прибоев, приливов, глубоководных течений, рек, дождей, ветра и тому подобных источников.

3. Природные системы, движимые Солнцем и получающие энергию от ископаемого топлива (нефть, уголь, древесина и др.). Исторически такие смешанные (естественные-искусственные) экосистемы впервые возникли в сельском хозяйстве для возделывания культурных растений и улучшения пород домашних животных. Сначала там применялась мышечная сила человека и животных, а впоследствии и энергия машин, работающих на ископаемом топливе.

4. Современные индустриально-городские системы, использующие главным образом энергию ископаемых горючих (нефти, угля, газа, радиоактивных веществ для АЭС). В этих системах производится основное богатство страны в виде разнообразных промышленных товаров, а также переработка пищевых продуктов для питания больших масс сконцентрированного в городах и индустриальных центрах населения. Сырье для такой переработки они получают из сельскохозяйственных экосистем. Энергетическая зависимость индустриальных центров от Солнца минимальна, так как энергоносители они получают от добывающей промышленности, а продукты питания − от сельского хозяйства.

Интенсивный рост промышленности в развитых странах сопровождается все возрастающим потреблением энергии и одновременно ростом отходов производства. Загрязнение атмосферы, отравление гидросферы, накопление радиоактивных отходов − неизбежные спутники крупных индустриальных центров. Хищническая эксплуатация запасов ископаемого топлива, погоня за прибылью любой ценой и особенно за счет нарушения экологического баланса в окружающей среде («риск – выгода») − все это остро выдвигает перед человечеством и прежде всего перед промышленно развитыми странами глобальную экологическую проблему сохранения динамического равновесия биосферы и нормального жизнеобеспечения людей.

Поскольку сейчас цивилизация находится в процессе перехода от биосферы к ноосфере, когда разум становится определяющей силой общества, то естественно задуматься над глобальной стратегией и перспективами дальнейшего развития мира. Хотя строить прогнозы всегда рискованно, но они необходимы, чтобы наметить направления, по которым можно эффективно подготовиться к встрече будущего. Одни из них имеют оптимистический характер и делают ставку на то, что новая технология будет принципиально отличаться от современной, станет малотходной, менее энергоемкой и более совершенной по другим параметрам. Другие считают, что при установившейся тенденции развития, технология не спасет общество, если люди будут непрерывно увеличивать потребление, предприниматели добиваться получения максимальной прибыли, а промышленно развитые страны стремиться к экономическому росту.

Выход из надвигающегося экологического кризиса многие видят в радикальном изменении сознания людей, их нравственности, в отказе от взгляда на природу как объект бездумной эксплуатации ее человеком. Однако одного изменения и совершенствования взглядов и нравственности людей недостаточно для выхода из экологического кризиса и решения экологических проблем. Необходимо, прежде всего, чтобы общество в своей экономической деятельности учитывало не только непосредственные материальные и трудовые ресурсы, затрачиваемые на производство товаров и услуг, но и вред, который наносится окружающей среде в результате такого производства.

Все признают, что рыночная экономика не научилась этого делать. Очевидно, что экономия энергоносителей и других быстро уменьшающихся запасов сырья, создание малоотходной и безотходной технологии, поиски и использование альтернативных источников энергии − все это во многом сможет помочь решению экологической проблемы, по крайней мере, ослабить ее остроту.

В этой связи заслуживает внимания инициатива ученых и общественных деятелей, объединившихся в рамках Римского клуба, участники которого собрались в 1968 г. для обсуждения актуальных глобальных проблем человечества'. Первый доклад «Пределы роста», представленный американскими учеными Деннисом и Донеллой Медоузами в 1972 г., вызвал шок в обществе. Основываясь на фактических данных и тенденциях экономического, технического и социального развития, авторы построили компьютерную модель современного общества, в которой были учтены связи между различными подсистемами общества и воздействие на них разных факторов роста. Они показали, что если потребление ресурсов и промышленный рост вместе с увеличением численности населения будут продолжаться прежними темпами, то будет, достигнут «предел роста», за которым неизбежно последует катастрофа. Многие специалисты критиковали доклад за то, что в нем не учитываются усилия общества по совершенствованию технологии, поискам новых источников энергии и сырья и т.д., но все вынуждены были признать, что в нем содержится обоснованная тревога за будущее человечества.

Во втором докладе − «Человечество на перепутье», представленном Михаилом Месаровичем и Эдуардом Пестелем, преодолены недостатки первого доклада и намечены перспективы развития не мирового сообщества, а отдельных его регионов. Такой подход учитывает конкретные особенности и условия регионального роста и поэтому лучше подходит для решения экологических, энергетических, сырьевых и других глобальных проблем. В последующих докладах обсуждались более конкретные проблемы, касающиеся отношений со слаборазвитыми странами, переработки отходов, использования энергии и др.

Участники клуба поставив правильный диагноз возникшим трудностям и болезням современного общества, мало преуспели в том, чтобы убедить общество следовать их советам и предпринять конкретные действия по реализации выдвинутых ими программ и рекомендаций.

Литература

Основная:

1. Блауберг И.В., Юдин Э.Г. Становление и сущность системного подхода. − М., 1973.

2. Вернадский В.И. Начало и вечность жизни. − М.: Республика, 1989.

3. Вригт Г.Х. Логико-философские исследования − М.: Прогресс, 1986. − С. 40-68.

4. Диалектический материализм и естественно-научная картина мира. − Киев, 1975. Гл.1. − С.5-86.

5. Единство научного знания. − М.: Наука 1988 − С 117-132, 148-167, 237-252.

6. Карнап Р. Философские основания физики. − М.: Прогресс, 1971. − С. 363-380.

7. Кузнецов В.И., Идлис Г.М., Гутина В.Н. Естествознание. − М., 1996.

8. Мякишев Г. Динамические и статистические закономерности в физике. − М. 1973.

9. Одум Ю. Экология. − М.: Мир, 1986. T.I, гл. 1-2.

10. Пригожин И. Стенгерс И. Порядок из хаоса. − М.: Прогресс, 1986.

11. Рузавин Г. Вероятность, причинность, детерминизм//Философ. науки, 1972. − № 5.

12. Рузавин Г.И. Самоорганизация и организация в развитии общества//Вопросы философии, 1995. − № 8.

13. Рузавин Г.И. Системный подход и единство научного знания //Единство научного знания. − М., 1988.

14.Рузавин Г.И. Концепции современного естествознания: Учебник для вузов. – М.: ЮНИТИ, 2000. – 287 с.

15. Рузавин Г.И. Методы научного исследования − М Мысль, 1974. − С. 7-32, 194-210.

16. Садохин А.П. Концепции современного естествознания: учебник для студентов вузов, обучающихся по гуманитарным специальностям и специальностям экономики и управления / А.П. Садохин. – 2-е изд., перераб.и доп. – М.: ЮНИТИ-ДАНА, 2006. – 447 с.

17. Фейнмановские лекции по физике. Вып. 1-2. − М.: Мир, 1976. − С.264-271, 283-290.

18. Фейнмановские лекции по физике. Вып. 4. Кинетика. Теплота. Звук. −. М.: Мир, 1967. − С.99-123.

19. Физический энциклопедический словарь. − М., 1983.

20. Философские вопросы естествознания. − М.: МГУ, 1985. − С.21-36, 319-331.

21. Философские проблемы естествознания. − М.: Высшая школа, 1985. − С.208-233.

22. Эйнштейн А.О специальной и общей теории относительности (общедоступное изложение). //Собр. науч. трудов в 4-х т. T.I − М.: Наука, 1965. − С.530-601.

23. Яблоков А.В. Актуальные проблемы эволюционной теории. − М., 1966.