Основы экологического учения

ПЕРВОЕ ПОЛОЖЕНИЕ ЭКОЛОГИИ

Сегодня все отчетливее звучит требование экологической грамотности населения. Экологическая грамотность означает знание и понимание законов и принципов экологии. Только при этом условии можно говорить о создании устойчивой биосферы, в частности устойчивых сообществ организмов. Принципы и положения экологии должны быть реализованы в деятельности нашего общества, причем не только в образовательной, но и в деловой и политической.

Первое положение экологического учения. Условием нормального существования на Земле является устойчивость в системе «организмы-окружающая среда», обеспечиваемая взаимодействием и взаимозависимо-стью ее составляющих.

Известно, что равновесие в химической реакции обеспечивается равенством скоростей прямой и обратной реакций. Точно так же равновесие в биологических системах поддерживается равенством скоростей поступления биогенов и энергии и их потребления (плюс рассеивание последней). Например, скорость выделения кислорода автотрофами — растениями и простейшими (в результате фотосинтеза) равна скорости его поглощения организмами-гетеротрофами:

V (выделения 02 ) = V (поглощения 02).

Аналогичное справедливо и для большинства других биогенов, а также для энергии, поступающей в биосферу:

Е (Солнца + Земли) = Е (потребление + рассеивание).

1.3.2.ЧТО НУЖНО ДЛЯ ВЫПОЛНЕНИЯ ПЕРВОГО ПОЛОЖЕНИЯ ЭКОЛОГИИ

Мы уже отмечали стремление природы вернуть устойчивость или равновесие сокращением жизненного пространства, продуктов питания, ростом «хищников» (бактерий, вирусов) и токсических веществ. Именно в результате роста загрязнений (и войн) прогрессируют заболевания и смертность. Однако не только природа, но и сам человек стремится к устойчивости, т. е. к нормальным условиям существования, или ноосфере (сфере разума).

Но как это реализовать на практике? Очевидно, что остановить технический прогресс нельзя, но можно и нужно избегать его негативных последствий. Мы в состоянии: 1) ограничить рост населения (пример — Китай); 2) ограничить пределы применения научных и технических достижений (атомные станции, а не бомбы); 3) определить допустимые пределы загрязнений и ограничить их. При этом необходимо выявить их взаимовлияние (синергизм, антагонизм).

Важно также сократить расширение сельскохозяйственных площадей, более продуктивно используя уже имеющиеся. Не допускать (или минимизировать) открытую добычу полезных ископаемых, поскольку это безвозвратно потерян-ные земли.

Сегодня государственные структуры разных стран вводят предельно допустимые концентрации (ПДК) различных веществ, например, в воде (природной, технической, питьевой), а также и другие нормативы. Нарушения караются законом. Наряду с этим определяется степень опасности того или иного элемента и соединения, отмечаемая в ГОСТе (государственном стандарте). При этом учитываются следующие показатели:

• ассимиляционная емкость —максимальное количество загрязнений, удаляющееся в результате процессов самоочищения в природе. Для этого проводится мониторинг поллютантов;

• мониторинг загрязнений — их анализ (начиная с концентрации 0,0004%), установление источников появления, путей движения и последствий для организмов и природы.

Да, мы стремимся выполнить указанные пункты, но пока неконтролируемо изменяем

1) поверхность Земли;

2) состав окружающей среды, ее недра;

3) ее энергетический баланс;

4) животный и растительный мир;

5) свою физиологию.

По первому пункту надо заметить следующее. Стремясь расширить посевные площади и пастбища, мы вырубаем леса (в Европе со скоростью 2% в год). Но естественного состава почвы хватает на 2-3 урожайных года (старшее поколение помнит опыт подъема целины в СССР). Потом ее или бросают, или вносят удобрения и проводят другие агрохимические мероприятия. Но это ненадолго, поскольку синтетические удобрения (а их производят все больше) и непродуманные мелиоративные мероприятия разрушают почву. Заброшенная земля, как правило, сама восстановить почву за короткое время не в состоянии (нужно около ста лет), и она превращается сначала в степь, а потом в пустыню. Мы орошаем засушливые почвы, но итог неконтролируемого полива тот же — заболачивание или засоление, т. е. образование тех же непродуктивных площадей.

Касательно второго пункта — мы говорили и будем говорить о том, что отходы нашей промышленности и коммунального хозяйства попадают и в атмосферу, и в воду, и в почву, и соответственно в организм. Так, каждый житель на планете выбрасывает более 450 кг бытовых отходов в год. В результате сегодня наблюдается значительное превышение ряда показателей, главным образом в воде и почве. Например, в городах — фосфора, в селе — азота, вдоль дорог — свинца. Загрязнение свинцом вызывает ежегодно в мире около 400 000 только детских заболеваний, главным образом психических, тогда как химические аварии за это же время приводят к гибели примерно ста человек.

Изменение теплового баланса вызвано, главным образом, промышленностью и коммунальным хозяйством. Известно, что в большом городе или промышленном центре температура в среднем на 2-3 градуса выше, чем в окрестностях. И это результат как тепловых потерь и выбросов, так и накопления в атмосфере парниковых газов. Например, в Москве на конец XX столетия зафиксировано около 0,34 т вредных выбросов на человека в год, а в Санкт-Петербурге — около 0,67 т. А радиоактивность, а шум...

Изменения в животном и растительном мире — это не только прямое уничтожение (вырубка лесов, отстрел животных, ловля рыбы и птицы), но и непродуманные селекционные и генетические мероприятия. Не секрет, что мно-гие искусственно выведенные породы, клоны, виды являются ослабленными по сравнению со своими природными собратьями, что передается и по наследству (так называемая генетическая нагрузка). Поэтому встает проблема осу-ществления защитных мероприятий: создание парниковых хозяйств, внедрение ядохимикатов (против паразитов), использование вакцинаций и пр.

Но мы ослабляем не только наших братьев меньших, но и себя самих (генетическая нагрузка). Кроме всего прочего, мы активно потребляем лекарства и синтетические химические вещества вообще, не задумываясь о последствиях, тем более долгосрочных. Любое вновь синтезированное соединение — пищевое, лекарственное, парфюмерное, моющее — должно проходить апробацию не 5 лет, а десятилетия, и не на лабораторных животных... Нет, на человеке экспериментировать мы не будем, но выход должен быть найден!

В этих условиях экология — это теория создания измененного мира (ноосферы, по Вернадскому) за счет изменения психологии самого человека, способного существовать без негативных последствий для окружающей среды и для него самого. Мы должны сохранить этот мир для потомства, и альтернативы этому требованию нет.

1.3.3. ВТОРОЕ ПОЛОЖЕНИЕ ЭКОЛОГИИ

Вначале введем несколько необходимых понятий.

Агросфера — это все сельскохозяйственные экосистемы (поля, пашни, сады, огороды, теплицы, коровники, свинарники и пр.).

Местообитание — место, где живут растения и/или животные. Оно характеризуется для фитоценоза (растений) составом почвы, влажностью, температурным и световым режимом, а для зооценоза (животных), кроме того, кормами и наличием питьевой воды.

Экотоп — место обитания растений и животных, живущих по законам биоценоза. Для него, кроме указанного, характерны однотипные, пространственно ограниченные условия (например, поле, сад, пастбище).

Экологическая ниша (Элтон, Кларк) — положение организма или вида в биосфере, его роль в природе. Экологические ниши подразделяются следующим образом:

• потенциальная — та, которую мог бы занять организм при самых благоприятных условиях;

• реализованная — та, которую он занимает в реальных условиях конкуренции и борьбы

В этой связи основная роль растений (ее часто называют геохимической функцией) — превращать неорганические вещества в органические и кислород. Роль, т. е. геохимическая функция животных — использовать органические соединения и кислород, превращая в углекислый газ, воду, минеральные соли, т. е. в неорганические вещества (и органические отходы). В результате осуществляется биотический круговорот.

Биотический круговорот (открыт французским химиком Лавуазье) — круговорот биогенов в природе, осуществляемый при участии организмов.

С ним связан и следующий закон.

Закон биогенной миграции атомов (Вернадский). В биосфере миграция (циклическая. —Авт.) химических элементов происходит при обязательном участии организмов.

Она обеспечивает непрерывность жизни при конечном количестве вещества в биосфере и постоянном притоке в нее солнечной энергии.

Биотический круговорот можно выразить следующим равновесием:

растения -» неорганика органика + кислород

животные

Второе положение экологического учения. Равновесие и устойчивость в биосфере обеспечиваются биотическим круговоротом, основанным на относительно замкнутых циклах, поддерживающих устойчивость по принципу обратной связи (об этом принципе будем говорить далее).

Этот закон можно назвать законом циклов применительно к отдельным элементам (хотя цикличность понимается биологами гораздо шире, в частности в биоритмологии). Он тесно связан с первым положением экологии, потому что скорости процессов появления и исчезновения любых веществ, необходимых организмам или являющихся продуктами жизнедеятельности, должны быть равны. В противном случае не будет соблюдаться равновесие по биогенам (о чем уже говорилось) и устойчивость их циклов (о чем речь еще пойдет ниже), а значит, и биосферы в целом.

Почему же так необходим биотический круговорот? Здесь важно отметить главное — «только вращение (химических соединений. —Авт.) по замкнутой линии, т. е. по кругу, может придать конечному (живому веществу на Земле) свойство бесконечного» (Вильяме). Например, в нашем теле идет непрерывное обновление большинства клеток и соответствующих тканей (хотя их общее содержание в зрелом возрасте остается практически постоянным). Именно это обеспечивает, с одной стороны, устойчивость, а с другой — адаптацию всего организма. Так, в поджелудочной железе клетки заменяются каждые двадцать четыре часа, во внутренней оболочке желудка — каждые три дня, белые кровяные тельца — за десять дней, а 98% белка в мозге — за месяц. Поразительно, что клетки кожи заменяются со скоростью 100 000 штук в минуту.

Указанный принцип обратной связи и обеспечение с его помощью устойчивости системы становятся понятными из следующего примера. В случае солнечного и жаркого лета водоросли в водоеме нарастают в избыточном количестве. Рыбы, питающиеся ими, так же начинают усиленно размножаться, уничтожая водоросли. Когда их содержание снизится до минимума, начнется гибель рыб и восстановление водорослей и т. д. В результате первичное возмущение вызывает колебания, продолжающиеся в результате наличия обратных связей. А их постепенное затухание в итоге возвращает равновесие в системе «водоросли-рыбы».

Поскольку все организмы используют в своей жизнедеятельности не только химические вещества, но и физические факторы, введем два понятия.

Экологический ресурс — компонент среды, используемый организмами в процессе жизнедеятельности.

Экологическое условие — абиогенный фактор среды (температура, влажность, наличие воды, воздуха и пр.). Очевидно, что и ресурсы, и условия в природе могут изменяться в достаточно широких пределах, но живые организмы и их сообщества способны перестраиваться и адаптироваться к этим изменениям (в определенных пределах), что и позволяет им сохраниться. При этом, кроме взаимозависимости и цикличности, еще три принципа — партнерство, гибкость и многообразие организмов (и их свойств) обеспечивают устойчивость экосистем и биосферы в целом. Выживание зависит от того, насколько мы сможем понять и использовать эти принципы, т. е. жить в соответствии с ними.

ЗАКОНЫ ЭКОЛОГИИ

Четыре закона экологии были сформулированы Ком-монером.

Первый закон Коммонера. Все связано со всем (известно в физике как правило Маха).

Все организмы являются составными частями и экологическими факторами природы Земли. Они взаимосвязаны друг с другом и с окружающей средой, что обеспечивает выполнение первого положения экологии. Именно взаимное влияние всех компонентов биосферы позволяет поддерживать равновесие в природе.

Второй закон Коммонера.

Все должно утилизироваться.

При условии существования в биосфере равновесия биогенов и энергии любой отход, любой компонент, участвующий в биотическом круговороте, используется, и в результате не происходит его накопления. В противном случае наблюдается загрязнение окружающей среды со всеми вытекающими последствиями.

Третий закон Коммонера. Ничего не дается даром.

За все надо платить. Любое внедрение в организм или окружающую среду, главным образом антропогенное, не остается без последствий. В конечном счете и загрязнения, и нарушения отражаются на нас самих. Даже если мы сразу не увидим последствий, они все равно когда-либо проявятся.

Четвертый закон Коммонера.

Природа знает лучше нас.

Она — наш учитель. Действительно, если мы не прислушиваемся к природе, не соблюдаем ее законов и правил, то последствия могут быть непредсказуемыми. Только единение с окружающим миром дает гарантии нормального существования.

В этом немалую роль играет правильный учет и контроль воздействующих на нас и наше окружение экологических факторов.

Экологический фактор — элемент или процесс внешней среды, влияющий на биосистему (организм, популяцию и пр.).

Лимитирующие экологические факторы — элементы среды, ограничивающие размножение и распространение вида.

К ним относятся, например, состав почвы, наличие определенной пищи, хищников и др.

Закон минимума (Либиха). Минимальное количество элемента управляет биопродуктивностью и жизнедеятельностью растений.

Этот закон был открыт Либихом (XX в.), установившим роль элементов в почве. Он обнаружил, что дефицит даже одного элемента приводит к торможению роста и развития растений, т. е. этот так называемый лимитирующий фактор становится определяющим для растения. Например, недостаток в почве бора снижает урожайность растений, несмотря на обилие других удобрений.

Однако сегодня этот закон распространяется на все организмы и понимается гораздо шире.

Закон минимума (современная редакция). Дефицит элемента или соединения в организме определяющим образом влияет на его жизнедеятельность.

Так, снижение количества одного из элементов (кальция, фосфора, калия, натрия, йода, меди, цинка и др.) в составе почвы приводит к его дефициту в организме и растений и животных, которые ими питаются. Это снижает устойчивость организмов к болезням, вредителям, экстремальным изменениям температуры, а также продуктивность и способность к воспроизводству.

Однако то же самое наблюдается и при избытке элемента, в особенности микроэлемента, т. е. справедлив и другой закон.

Закон максимума. Избыточное содержание элемента или соединения в организме определяющим образом влияет на его функции.

Действие этих законов можно проследить на рис. 1 и 2.

На них отчетливо видно, что как снижение количества элемента ниже нормы, так и ее превышение вызывают понижение физиологической активности организма, в частности ухудшение параметров и функций его органов и тканей. Например, выход за определенные пределы йода приводит к увеличению массы и нарушению функций щитовидной железы у кролика (эндемический зоб), а фосфора — к снижению плотности костей у коровы (рахит).

Суммируя все сказанное, можно сформулировать следующий объединенный закон.

Закон оптимума (Егорова, Реймерса). Для любого организма по любому экологическому фактору имеются оптимальные условия существования, изменение которых вызывает его стресс (болезненную реакцию), а выход за определенные пределы приводит к гибели.

Этот закон иллюстрирует следующий график (рис. 3). На нем кривая 1 отражает устойчивость организма, а кривая 2 — его активность. Видно, что организм вполне устойчив, а значит, сравнительно малоактивен только в оп-ределенных пределах. Здесь он чувствует себя наиболее комфортно, следовательно, обладает максимальной резистентностью и продуктивностью.

Выход за эти пределы снижает его устойчивость, что вызывает возрастание активности (стресс), связанное с развитием защитной реакции организма. Однако выше определенного максимума или ниже минимума он не способен к выживанию, т. е. гибнет. Вместе с тем нельзя не отметить, что вблизи этих экстремумов популяция, как правило, не исчезает. Она продолжает существовать за счет особей (мутантов), способных выжить в экстремальных условиях.

Рассмотрим действие этого закона на ряде примеров. Поваренная соль нужна всем животным в определенном количестве. Однако ее содержание в кормах, а следовательно, и в организме ниже нормы вызывает гипонатриемию, сопровождающуюся нарушением процессов, связанных с питанием и пищеварением. Это выражается в снижении упитанности и продуктивности. Наоборот, превышение определенных пределов содержания хлорида натрия приводит к гипернатриемии, отражающейся на процессах проводимости в нервных клетках, возбуждении ЦНС. Большой избыток соли может вызвать токсикоз и даже паралич.

Недостаток кальция у молодняка вызывает рахит, кости подвергаются дистрофии. Его избыток также приводит к остеодистрофии. Одновременно кислотно-щелочной баланс в организме сдвигается в щелочную область. Дефицит фосфора ведет к деминерализации скелета, а его избыток — к развитию ацидоза. При этом наблюдаются поражение костей, нарушения в деятельности органов и тканей. Йодная недостаточность отражается на функциях щитовидной железы. Развивается зобная болезнь, характеризующаяся нарушением обмена веществ. При значительном избытке йода также нарушаются обменные процессы и снижается продуктивность. Аналогично дефицит и избыток кобальта или меди приводят к заболеваниям, связанным с нарушением обмена веществ. Недостаток марганца приводит к нарушению функций половой системы, торможению роста и развития организма, а избыток — к поражению костей. И таких примеров достаточно много.

Закон оптимума, по существу, включает в себя известный закон толерантности Шелфорда, который, однако, имеет более ограниченное применение.

Толерантность — это способность организма приспосабливаться к изменившимся внешним условиям.

Закон толерантности (Шелфорда). Минимальное и максимальное воздействие компонента среды приводит к ограничению размножения (и распространения) данного организма.

Сужение пределов толерантности может быть следствием ухудшения условий жизни и/или ослабления организма, увеличения периода размножения.

Первая причина очевидна. Однако при этом нельзя не отметить, что в ответ на ухудшение внешних условий в организме и популяции активизируются процессы, направленные на сохранение, в том числе за счет увеличения про-изводства. Интересно, что природа для этого выбрала определенный механизм, связанный с перепроизводством женских особей.

Что касается второй причины, то ускорение воспроизводства позволяет популяции быстрее приспосабливаться к изменившейся среде за счет отбора особей (мутантов), способных выживать в этих условиях. Причем сами экстремальные условия зачастую являются мутагенным фактором.

С толерантностью, по существу, связана экологическая валентность.

Экологическая валентность — способность организма существовать в изменившихся условиях.

Стеноэк — организм, приспособленный к ограниченным местам обитания (стенотип). Их в природе относительно немного.

Эврик — организм, заселяющий различные места обитания (эвритоп). Они составляют большинство.

Знание закона толерантности и лимитирующих факторов для разных организмов позволяет, например, эффективно бороться с вредителями.

Экотипы — организмы внутри вида, различающиеся адаптацией к различным условиям обитания.

Экотипы могут относиться к подвидам животных и растений. Например, у овец разных пород различаются и экотипы. Английская мясная (стеноэк) переносит только влажный климат и требует особых кормов. Комволь-ные мериносы адаптированы к средиземноморскому климату и неприхотливы к кормам, курдючные мясо-сальные выносливы в сухих условиях, а короткохвостая (эврик) неприхотлива и к условиям, и кормам.

1.5.ПРАВИЛА И ПРИНЦИПЫЭКОЛОГИИ

В процессе эволюции сформировались определенные закономерности, как в плане реакции биоты на изменения окружающей среды, так и в плане функционирования популяций и биосистем. Они известны как правила и прин-ципы экологии (Реймерс).

Хотя они, по сути, биологические, а не химические, т. е. стоят несколько в стороне от нашего курса, но он предназначен для сельскохозяйственных, в первую очередь для ветеринарных вузов, и обойти эти принципы мы не вправе.

Правило Алена. Выступающие части тела теплокровных тем короче, а тело тем массивнее (в том числе в пределах вида. — Бергман), чем холоднее климат. Это связано с эффективностью сохранения тепла организмом.

Правило Глогера. Животные в холодных и влажных зонах имеют более интенсивную пигментацию тела.

Причина по существу та же. Вместе с тем наблюдения показывают, что наиболее пестрая окраска чаще встречается в южных теплых областях, близких к экватору (например, у павиана, павлина, тропических рыбок), а белая — в северных, где она является защитной (например, у белого медведя, полярной совы и др.).

Правило Тинемана. Чем больше отклонение условий существования от нормы, тем беднее видовое разнообразие (образуются более специализированные виды. — Крогеус), но тем больше особей в каждом виде.

Очевидно, что не все виды способны выживать в анормальных условиях. Это связано в том числе и с их экологической валентностью.

Правило Мебиуса—Морозова. Сообщество видов в биоценозе составляет внутренне противоречивое, но единое и взаимно увязанное целое.

Это так, поскольку только в условиях единства и борьбы возможно сохранение видов и их эволюция.

Правило Одума. При неизменном энергетическом потоке в пищевой цепи или сети мелкие организмы с высоким удельным метаболизмом создают большую биомассу, чем крупные.

На уменьшение размера особей в процессе избирательного антропогенного истребления более крупных не раз обращали внимание ученые-экологи.

Правило Реймерса. Исчезающий вид в рамках одного уровня пирамиды заменяет другой, функционалъно-био-ценотически аналогичный.

Более или менее эквивалентная замена необходима для сохранения всего сообщества. Однако замечено, что, как правило, мелкий организм заменяет более крупный, ниже организованный — высокоорганизованный, более измен-чивый — менее генетически лабильный.

При этом в биоценозах существует столько видов, сколько требуется для максимального потребления поступающей в них энергии и обеспечения круговорота веществ. Здесь работает следующий принцип.

Принцип эколого-географического максимума видов.

Число видов в составе географических зон и их биоценозов относительно постоянно и стремится к максимуму.

Однако при определенных изменениях вступает в силу другой принцип.

Принцип подвижного равновесия (Еленкина). Биотическое сообщество сохраняется как единое целое вопреки регулярным колебаниям среды, но при воздействии определенных факторов структурно изменяется с переносом точки опоры (например, на другие растительные компоненты).

При этом действует и следующий принцип.

Принцип продукционной оптимизации (Реммерта).

Отношение между первичной и вторичной продукцией (продуцентами и консументами ) соответствует оптимизации, или «рентабельности» биопродукции.

Как уже отмечалось, избыток пищи, например в результате снижения числа потребителей, приводит к росту их численности. В результате сокращаются пищевые ресурсы, что снижает и число их потребителей. Эти процессы могут повторяться, но после ряда таких автоколебаний соотношение потребителей и потребляемых уравновешивается.

Однако антропогенный фактор вносит свои изменения, например, создавая монокультуры растений или животных. Здесь начинает работать следующее правило.

Правило монокультуры (Одума). Экосистемы одного вида, как и системы монокультур, неустойчивы по своей природе.

Это учитывается самой природой, которая поддерживает разнообразие и взаимосвязь видов в биоценозе. Один из путей такого поддержания отражает следующий принцип.

Принцип коэволюции, или сопряженной эволюции (Эрлиха—Равена). Функциональное изменение жертв приводит к закономерному изменению свойств хищников, что стимулирует разнообразие и первых и вторых.

Реймерс обобщил все перечисленные принципы и правила, сформулировав следующий принцип.

Принцип стабильности. Любая относительно замкнутая экосистема (с однонаправленным потоком энергии) в ходе саморегуляции развивается в сторону большей стабильности.

Он же сформулировал и обобщающее правило.

Правило биоценотической надежности. Надежность биоценоза зависит от его энергетической эффективности и возможности структурно-функциональной перестройки в ответ на изменившиеся условия.

При этом общее число видов не может заметно изменяться. Это отражается в следующем правиле.

Правило постоянства (константности) видов в ходе стационарной эволюции (Реймерса). Число нарождающихся видов в среднем равно числу исчезающих, т. е. общее видовое разнообразие в биосфере постоянно.

Все эти принципы работают в естественных условиях, и только человек, активно внедряясь в природу, нарушает их, в частности сокращая видовое разнообразие.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Дайте определения основных понятий экология и химическая экология. В чем особенность последней?

2. Дайте определения понятиям: биота, биома, популяция, эко-топ, биоценоз, биогеоценоз и биосфера. Можно ли дать несколько определений последнему, используя первые понятия?

3. Какие понятия связаны с загрязнением окружающей среды?

4. Учение о биосфере Вернадского, его значение в современном мире.

5. Первое положение экологии. Что необходимо для его выполнения?

6. Второе положение экологии, его связь с первым положением.

7. Законы Коммонера, их взаимосвязь и роль в экологии.

8. Законы минимума, максимума, толерантности и оптимума, их связь.

Правила и принципы экологии (биоэкологии), их биологическая и экологическая роль.