Системность экологии

В основе экологии лежит понятие о системе, так как главным объектом экологии является экологическая система. Но в данном подразделе речь пойдёт не только об экологических системах в традиционном понимании, сколько о системах вообще. Существуют некоторые общие принципы, позволяющие составить единую платформу для изучения технических, биологических и социальных систем.

Согласно общей теории систем под системой понимается некая мыслимая или реальная совокупность частей (элементов) со связями (взаимодействиями) между ними.

Свойства системы невозможно понять лишь на основании свойств её частей. Решающее значение при этом имеет именно связь или взаимодействие между частями системы. Изучая по отдельности некоторые формы грибов и водорослей, нельзя предсказать существование их симбиоза в виде лишайника. Отсюда вытекает универсальное свойство экосистем – их эмерджентность (англ. эмердженс – возникновение, появление нового), заключающееся в том, что свойства системы как целого не являются простой суммой свойств слагающих её частей или элементов. Например, одно дерево, как и редкий древостой, не составляет леса, поскольку не создаёт определённой среды (почвенной, гидрологической, метеорологической и т.д.) и свойственных лесу взаимосвязей различных звеньев, обусловливающих новое качество. Недоучёт эмерджентности может приводить к крупным просчётам при вмешательстве человека в жизнь экосистем или при конструировании систем для выполнения определённых целей. Например, сельскохозяйственные поля (агроценозы) имеют низкий коэффициент эмерджентности и поэтому характеризуются крайней низкой способностью саморегулирования и устойчивости. В них, вследствие бедности видового состава организмов, крайне незначительны взаимосвязи, велика вероятность интенсивного размножения отдельных нежелательных видов (сорняков, вредителей).

Экология как наука рассматривает системы, звенья и члены которых находятся в тесной взаимосвязи и взаимозависимости. Из этого вытекает необходимость учёта множества факторов при анализе экологических явлений и тем более при планировании любых вмешательств в экосистемы. 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 др. Важно также уметь пользоваться необходимой информацией из различных отраслей хозяйства и свойственных им технологических процессов.

Говоря о системных явлениях, важно познакомиться с видами систем и общими положениями теории систем. Обычно различают три вида систем: 1) изолированные, которые не обмениваются с соседними ни веществом, ни энергией; 2) закрытые, которые обмениваются с соседними энергией, но не веществом (например, космический корабль); 3) открытые, которые обмениваются с соседними и веществом, и энергией. Практически все природные (экологические) системы относятся к типу открытых.

Системы, между внутренними элементами которых и элементами среды осуществляются переносы вещества, энергии и информации, носят название динамических систем. Любая живая система – от вируса до биосферы – представляет собой открытую динамическую систему.

Существование систем немыслимо без связей. Последние делят на прямые 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 бывают положительными и отрицательными. И те и другие играют существенную роль в экологических процессах и явлениях.

Положительная обратная 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 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.

Положительные обратные связи не способствуют регулированию, а вызывают дестабилизацию систем, приведя их либо к угнетению и гибели, либо к ускорению роста, за которым, как правило, следуют срыв и разрушение. Например, в любом растительном сообществе плодородие почвы, урожай растений, количество отмерших растительных остатков и образовавшегося гумуса составляет контур обратных положительных связей. Такая система находится в неустойчивом равновесии, т. к. потеря почвы и элементов питания в результате эрозии или изъятия части урожая без возмещения выноса питательных веществ дает толчок к снижению плодородия почв и продуктивности растений. С этим явлением столкнулись наши предки в эпоху подсечно-огневого земледелия, когда в результате изъятия продукции без возмещения выноса резко снижалось плодородие почв, что вынуждало людей оставлять одни участки и осваивать новые.

Отрицательная обратная связь действует таким образом, что в ответ на усиление действия элемента А увеличивается противоположная по направлению сила действия элемента В. Такая связь позволяет сохранять систему в состоянии устойчивого динамического равновесия. Это наиболее распространенный и важный вид связей в природных системах. На принципе отрицательной обратной связи базируются все механизмы физиологических функций в любом организме и поддержание постоянства внутренней среды и внутренних взаимосвязей любой саморегулирующейся системы, а следовательно, устойчивость и стабильность экосистем. Пример такой связи – взаимоотношение между хищником и его жертвой. Увеличение численности жертв как кормового ресурса, например полевых мышей для лис, создаёт условия для размножения и увеличения численности последних. Они в свою очередь, начинают более интенсивно уничтожать жертву и снижают её численность. В целом, численность хищника и жертвы синхронно колеблется в определённых границах. Второй пример. В истории биосферы имели место явления локального увеличения содержания 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 её 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 уровней 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 деятельности организмов, потребляющих эти вещества, результатом чего является самоочищение водоёмов. Перегрузка же среды загрязняющими веществами на определённом этапе ведёт к угнетению или уничтожению организмов-санитаров, переводу установившихся обратных связей в прямые, переходу системы на другой уровень. В результате неизбежным становится прогрессирующее загрязнение, обеднение водной среды кислородом и превращение чистых озерных или текущих вод в системы болотного типа.

Видный американский эколог Б.Коммонер сделал удачную попытку обобщить системность экологии как науки в виде четырёх 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 предостерегает человека от поспешного и необдуманного воздействия на отдельные части экосистем, так как оно может привести к непредвиденным последствиям: «Всё 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, вместо покорения человеком природы, подчинения ее своим целям: «Природа знает лучше». Закон указывает на то, что требуется крайняя осторожность в попытках «улучшить» природные системы или «подогнать» их под себя. Известный эколог Н.Ф.Реймерс показал, что один лишь математический расчет параметров биосферы требует неизмеримо больше времени, чем весь период существования Земли как твердого тела. Подсчитано, что потенциально осуществимое разнообразие природы оценивается числами с порядком от 10¹⁰⁰⁰ до10⁵⁰; при быстродействии одной ЭВМ миллиард операций в секунду и работе невероятного числа (миллиард) машин, операция вычисления одномоментной задачи варианта из 10⁵⁰ разностей займет около 3^.10²¹ лет, что почти в 10¹²раз дольше существования жизни на Земле.

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 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 последующие поколения.

Очевидно, что вышеприведенные законы не охватывают все стороны взаимодействия общества и природы. Тем не менее, будучи простыми по форме, но глубокими по содержанию, они закладывают основу нравственного отношения к природе.