Тема 4: Основные законы экологии. Основы синэкологии.

Основные законы экологии, сформулированные Барри Коммонером (1971), кратко можно представить так:

1. Все связано со всем (всеобщая связь процессов и явлений в природе);

2. Все должно куда-то деваться (любая природная система может развиваться только за счет использования энергетических и информационных возможностей окружающей ее среды);

3. Природа «знает» лучше (пока мы не имеем абсолютно достоверной информации о механизмах и функциях природы, мы легко можем навредить природе, пытаясь ее улучшить);

4. Ничто не дается даром (глобальная экосистема представляет собой единое целое, в рамках которого ничто не может быть выиграно или потеряно, не может быть объектом всеобщего улучшения; все извлеченное в процессе человеческого труда должно быть возмещено).

Среди других законов, принципов и правил можно отметить следующие:

· вещество, энергия, информация и качество отдельных природных систем взаимосвязаны настолько, что любое изменение одного из этих факторов вызывает функциональные, структурные, качественные и количественные изменения всех систем и их иерархии;

· слабые воздействия могут и не вызывать ответных реакций природной системы, но, накопившись, они приведут к развитию бурного, непредсказуемого динамического процесса (Х. Боумен);

· жизненные возможности лимитируются экологическими факторами, количество и качество которых близки к необходимому экосистеме минимуму, снижение их ведет к гибели организма или разрушению экосистемы (Ю. Либих);

· экосистема, потерявшая часть своих элементов, не может вернуться в первозданное состояние;

· сокращение естественной биоты в объеме, превышающем пороговое значение, лишает окружающую среду устойчивости, которая не может быть восстановлена путем создания очистных сооружений и перехода к безотходному производству (В.Г. Горшков);

· лимитирующим фактором процветания организма (вида) может быть как минимум, так и максимум экологического воздействия, диапазон между которыми определяет величину выносливости (толерантности) организма по отношению к данному фактору (В. Шелфорд);

· при внешнем воздействии, выводящем систему из состояния устойчивого равновесия, это равновесие смещается в сторону того процесса, при котором эффект внешнего воздействия ослабляется (Ле Шателье-Браун);

· явление, удаленное во времени и пространстве, кажется менее существенным (в природопользовании этот принцип особенно часто становится основой неверных практических действий);

· неожиданное усиление болезнетворности (способности вызывать инфекционные заболевания) возникает при введении нового инфекционного организма в экосистему, где нет механизмов регуляции его численности, при этом для экосистемы изменяется среда жизни;

· виды в биоценозе приспособлены друг к другу настолько, что их сообщество составляет внутренне устойчивое, внешне единое и взаимно увязанное системное целое (К. Мебиус-Г.Ф. Морозов);

· вид организма может существовать до те пор и постольку, поскольку окружающая его природная среда соответствует генетическим возможностям приспособления этого вида к ее колебаниям и изменениям;

· экологическая ниша, т.е. место вида в природе, обязательно заполняется. Например, в бамбучниках о. Сахалин нет мелких хищников (эти зверьки обитают в долинах многочисленных рек и на водоразделы не заходят), и их экологическую нишу заполнили серые крысы – грызуны, обладающие наклонностями хищников;

· конкурирующие в сфере использования конкретных природных систем отрасли хозяйства неминуемо наносят ущерб друг другу – и тем сильнее, чем значительнее они изменяют совместно эксплуатируемый экологический компонент или всю экологическую систему в целом;

· в ходе эксплуатации природных систем нельзя переходить пределы, позволяющие этим системам сохранять свойства самоподдержания (самоорганизации и саморегуляции);

· «жесткое», как правило, техническое, управление природными процессами чревато цепными реакциями, значительная часть которых оказывается экологически, социально и экономически неприемлемыми.

Основные законы аутэкологии. Аутэкология изучает взаимодействия отдельной особи (организма) со средой обитания (окружающей средой).

В биосфере выделяют четыре среды обитания:

· водная;

· воздушная (наземная);

· почвенная;

· тело другого организма.

1. Закон биологической устойчивости (реакции особи на экологический фактор): физиологическая активность особи (скорость роста, размножения и т.д.) достигает наивысших значений при оптимальных параметрах среды (в зоне оптимума экологических факторов) и угнетается при значениях, близких к экстремальным (в зоне пессимума).

2. Закон лимитирующего фактора (Ю. Либиха): результирующую устойчивость особи определяет самое слабое звено его потребностей, т.е. фактор, значение которого ближе к экстремальному.

3. Закон равнозначности факторов среды: все экологические факторы одинаково важны для жизнедеятельности организма, нельзя игнорировать ни одного из них.

4. Закон совместного действия экологических факторов (является следствием из закона Либиха): физиологическая активность особи зависит от действия всех факторов среды одновременно, оказывающих комплексное влияние (потенцирование или ингибирование действия друг друга).

5. Закон оптимальности: параметры системы (экосистемы, организма) всегда строго отвечают ее функциям. Или, любая экосистема с максимальной эффективностью функционирует в определенных пространственных и временных границах, при определенных ее размерах и других характеристиках.

Следствия: правило Бергмана: в пределах биовида, распространенного от тропиков до Полярного круга, масса и размеры особей растут в направлении от теплых зон к холодным.

Правило Аллена: конечности и выступающие части тела животных тем меньше, чем меньше средняя температура среды. Целью является уменьшение (увеличение) теплоотдачи.

Популяция. Основные характеристики. Кривые выживания. Популяцией называют наименьшую экологическую единицу вида – совокупность особей одного вида, живущих на одной территории длительное время и свободно скрещивающихся.

Основные характеристики:

· полная численность;

· плотность расселения;

· генетическая структура;

· данные о вероятности выживания;

· тип пространственного распределения особей;

· возрастное распределение особей (демографическая пирамида);

· способ размножения и плодовитость;

· социальная организация.

Кривыми выживания называются зависимости количества выживших особей популяции от их возраста. Кривые выживания бывают трех типов. Тип 1 характерен для видов с низкой детской смертностью, комфортными условиями жизни (дрозофилы в лабораторных условиях, жители развитых стран Запада), и лишь в старости смертность резко возрастает. Тип 2 (популяция гидры) характеризуется постоянно высокой смертностью потомства на протяжении всей жизни. Тип 3 (с высокой смертностью молодых организмов (рыбы, насекомые, паразиты) и стабильным выживанием взрослых особей.

Основы теории динамики популяций. Одной из основных задач экологии является прогноз изменений состояния популяций, расчеты их численности в будущем. Этим занимается популяционная экология.

Колебания численности dN популяций характеризуются такими показателями, как коэффициент рождаемости a, коэффициент смертности b, эмиграция и иммиграция. Пренебрегая двумя последними факторами, уравнение динамики численности можно представить так:

dN = a N dt – b N dt или dN/dt = a N – b N,

где a N dt – прирост в результате размножения;

b N dt – убыль в результате смертности.

При равных коэффициентах a и b изменение численности представляет собой экспоненту:

N(t) = N₀ exp (a– b) t,

где N₀ – исходная численность популяции.

При улучшении условий среды численность возрастает до тех пор, пока не достигнет максимума (количество особей, которое способна прокормить среда обитания популяции). После полного исчерпания ресурсов среды наступает падение численности (коллапс), завершающееся достижением популяцией минимальной численности. С этого момента вследствие уменьшившейся нагрузки ресурсные возможности среды обитания возрастают и происходит увеличение численности до нового максимального значения (более низкого, т.к. среда не успевает восстановиться полностью). Подобные колебания численности продолжаются до тех пор, пока не достигается равновесная численность. Таким образом, вкратце динамку численности популяции в условиях изменения условий среды можно представить так:

рост численности ® коллапс ® … ® стабилизация.

Основные законы синэкологии:

1. Закон ограниченности (исчерпаемости) всех природных ресурсов: абсолютно неисчерпаемых ресурсов не существует.

Без нарушения существующего равновесия в окружающей среде нельзя исключать или добавлять более чем 1% всей энергии, входящей в энергетический поток биосферы (правило 1%).

2. Закон однонаправленности и неполного использования энергии: энергия используется только один раз, что сопровождается ее необратимыми потерями.

3. Закон «пирамиды масс (энергий)»: с одного трофического уровня на другой в наиболее благоприятных условиях переходит не более 10% массы (энергии), накопленной организмами нижнего уровня.

4. Закон максимализации энергии экосистем: среди конкурирующих экосистем, возможных в данной среде, побеждает та, что наиболее эффективно использует энергию и информацию.

5. Закон оптимальности: состав и размер частей экосистем не могут быть произвольными, а должны обеспечивать оптимальное функционирование всей системы в данных условиях среды.

6. Закон биогенной миграции атомов (закон Вернадского): пути миграции основных биогенных элементов и концентрация их во внешних сферах Земли контролируется биосферой.

7. Закон взимозависимости круговоротов: потоки вещества, энергии и информации и совокупность качеств отдельных природных систем в их стройной иерархии взаимосвязаны так тесно, что изменение любого элемента переводит биосферу в новое состояние.

8. Закон необходимого разнообразия: ни одну эффективную и устойчивую экосистему невозможно построить из тождественны элементов.

9. Закон развития и существования экосистем за счет окружения: любая природная система может развиваться только за счет использования материально-энергетических и информационных возможностей окружающей среды. Абсолютно изолированное развитие невозможно.

Основные следствия этого закона:

а) абсолютно безотходное производство невозможно, подобно созданию «вечного двигателя». Оптимальны цикличные производства (отходы одних процессов служат сырьем для других), нейтрализация неустраняемых энергетических и других отходов, разумное депонирование (захоронение) неминуемых остатков;

б) любая развитая биотическая система, используя и видоизменяя среду жизни, представляет потенциальную угрозу менее организованным системам. Поэтому в биосфере невозможно повторное зарождение жизни – она будет уничтожена существующими организмами. Следовательно, воздействуя на среду обитания, человек должен нейтрализовать эти воздействия, поскольку они могут оказаться разрушительными для природы и самого человека.

10. Закон снижения энергетической эффективности природопользования: с течением времени на единицу произведенной человеком пищи приходится затрачивать все большее количество энергии.